CN111865090A - 一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路及方法 - Google Patents

一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路及方法，属于航天总体技术领域，该电路包括：电流互感器CT，用于对接入原边的母线电流进行采样，并将该电流采样信号输出给流压转换电路；流压转换电路，将电流采样信号转换成电压控制信号，并将该电压控制信号输出至滞回比较电路；滞回比较电路，将电压控制信号滤波后与电流切换阈值进行比较，产生同步整流使能信号输出至驱动电路的使能端；驱动电路，根据同步整流使能信号电平，提高输入至驱动电路的PWM信号的驱动能力，并将其输出至同步整流管，用于控制同步整流管的开关。本发明可以有效避免电源轻载或者关机时，副边同步整流管的电流反灌问题，实现高速、可靠的同步整流管控制。

Description

一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路及方法
技术领域
本发明一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路及方法，属于航天器二次电源总体技术领域，适用于DC/DC变换器副边同步整流控制方法。
背景技术
航天器的飞速发展对其配电系统提出越来越高的要求，尤其随着卫星载荷复杂度与功能逐渐强化，对星载直流变换器小型化、高效化提出了更高要求。直流变换器小型化与高效化要求其提高工作频率的同时降低热耗，因此在星载直流变换器设计中越来越多的引入了同步整流技术。但是同步整流电路的控制相对复杂，获得高效率的同时容易带来可靠性风险。
现有技术中，主要是基于原边开关管的时序对同步整流管实施控制，通过对原边功率MOS管的驱动时序进行处理传递给副边同步整流驱动。副边同步整流驱动信号采用UC1715作为驱动控制器，该芯片接收原边驱动信号，并对原边启动信号反相后进行死区设置，延时设置，转换为副边同步整流的驱动信号。该方案虽在宇航上有应用，但是由于原边驱动信号在被反相后存在直通的可能性，这样副边在关机或者轻载时会造成电流反灌和反压，可能对产品造成损坏，因此，现有技术采用的是半同步整流的方式，即副边整流管采用同步整流MOS管，续流管采用二极管续流，该方式不存在电流反灌的问题，但是产品的效率会下降。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路及方法，解决全同步整流(整流管和续流管均为MOS管)的应用问题。
本发明解决技术的方案是：基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，该电路包括电流互感器CT、流压转换电路、滞回比较电路和驱动电路；
电流互感器CT，用于对接入原边的母线电流进行采样，并将该电流采样信号输出给流压转换电路；
流压转换电路，将电流采样信号转换成电压控制信号，并将该电压控制信号输出至滞回比较电路；
滞回比较电路，将电压控制信号滤波后与电流切换阈值进行比较，产生同步整流使能信号输出至驱动电路的使能端；
驱动电路，根据同步整流使能信号电平，提高输入至驱动电路的PWM信号的驱动能力，并将其输出至同步整流管，用于控制同步整流管的开关。
所述流压转换电路包括电阻R1、电阻R2、二极管D1；
电阻R1一端连接电流互感器CT的副边正端CT+和二极管D1的阳极，电阻R1的另一端连接电流互感器CT的副边负端CT-和地；二极管D1的阴极为流压转换电路的输出端，同时连接电阻R2的一端；电阻R2的另一端接地。
所述滞回比较电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、比较器IC1；
电阻R3的一端为滞回比较电路的输入端，连接流压转换电路的输出端；电阻R3的另一端分成两路，一路通过电容C1接地，与电容C1构成RC滤波电路，另一路通过电阻R7连接比较器IC1的反相端；电阻R4的一端连接基准电压VREF，另一端分成三路，第一路连接比较器IC1的正相端，第二路通过电阻R8接地；第三路通过电阻R6连接至比较器IC1的输出端；比较器IC1的输出端即为滞回比较电路的输出端，连接驱动电路的使能端，同时通过电阻R5连接电源VCC。
所述驱动电路包括驱动芯片IC2、电容C2；
驱动芯片IC2的电源端连接电源；驱动芯片IC2的地端接地；电容C2的一端接供电端VCC，电容C2的另一端接驱动地。
驱动芯片IC2的输入端INA连接PWM信号；驱动芯片IC2的输出端OUTA为驱动电路的输出端。
所述的电流互感器CT中采样电流Is＝原边电流Ip/N，N为电流互感器CT的匝比。
原边电流经过流压电路转换后的电压为V＝(Ip/N)R2，R2为电阻R2的阻值。
所述的电流互感器CT的原边电流信号为单向流动的功率电流信号。
本发明的另一个技术解决方案是：基于原边电流采样的副边同步整流控制方法，该方法包括如下步骤：
S1、用电流互感器电路对接入原边的母线电流进行采样；
S2、将电流采样信号转换成电压控制信号；
S3、将电压控制信号滤波后与电流切换阈值进行比较，产生同步整流使能信号输出至驱动电路的使能端；
S4、根据同步整流使能信号电平，提高输入至驱动电路的PWM信号的驱动能力，并将其输出至同步整流管，用于控制同步整流管的开关。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明采用原边电流采样的方式对副边同步整流MOS管控制，减少了副边电流互感器，电路简单、响应速度快，功耗小，节约体积和重量。
(2)、本发明将原边电流信号转化成电压信号后，通过滞回比较器与设置的同步整流开启阈值对比，避免了因扰动引起的比较器翻转问题，提高产品的抗干扰能力。
(3)、本发明在产品输出功率处于轻载(小于20％负载)时，处于二极管整流续流状态，能够避免在轻载时，续流管通过MOS管反灌，形成负压的问题，提高产品的可靠性。
(4)、本发明使用电流互感器CT实现电流取样，CT中的原边线圈匝数为1匝，副边线圈匝数为100～300匝。电流互感器取样线性度好，无时延，将大的功率电流取样为20mA以内的小电流信号，易于信号端处理。
附图说明
图1为本发明实施例基于原边电流采样的副边同步整流控制方法流程图；
图2为本发明实施例基于原边电流采样的副边同步整流控制电路原理图；
图3为本发明实施例同步整流控制整机电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明提供了一种基于原边电流采样的副边同步整流控制方法，该方法包括如下步骤：
S1、用电流互感器电路对接入原边的母线电流进行采样；
S2、将电流采样信号转换成电压控制信号；
S3、将电压控制信号滤波后与电流切换阈值进行比较，产生同步整流使能信号输出至驱动电路的使能端；
S4、根据同步整流使能信号电平，提高输入至驱动电路的PWM信号的驱动能力，并将其输出至同步整流管，用于控制同步整流管的开关。
如图2所示，本发明提供的一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，包括电流互感器CT、流压转换电路、滞回比较电路和驱动电路；
电流互感器CT，用于对接入原边的母线电流进行采样，并将该电流采样信号输出给流压转换电路；
流压转换电路，将电流采样信号转换成电压控制信号，并将该电压控制信号输出至滞回比较电路；
滞回比较电路，将电压控制信号滤波后与电流切换阈值进行比较，产生同步整流使能信号输出至驱动电路的使能端；
驱动电路，根据同步整流使能信号电平，提高输入至驱动电路的PWM信号的驱动能力，并将其输出至同步整流管，用于控制同步整流管的开关。
所述流压转换电路包括电阻R1、电阻R2、二极管D1；
电阻R1一端连接电流互感器CT的副边正端CT+和二极管D1的阳极，电阻R1的另一端连接电流互感器CT的副边负端CT-和地；二极管D1的阴极为流压转换电路的输出端，同时连接电阻R2的一端；电阻R2的另一端接地。
所述滞回比较电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、比较器IC1；
电阻R3的一端为滞回比较电路的输入端，连接流压转换电路的输出端；电阻R3的另一端分成两路，一路通过电容C1接地，与电容C1构成RC滤波电路，另一路通过电阻R7连接比较器IC1的反相端；电阻R4的一端连接基准电压VREF，另一端分成三路，第一路连接比较器IC1的正相端，第二路通过电阻R8接地；第三路通过电阻R6连接至比较器IC1的输出端；比较器IC1的输出端即为滞回比较电路的输出端，连接驱动电路的使能端，同时通过电阻R5连接电源VCC。比较器IC1将前端转化后的电压信号，与设置阈值进行对比，当采样的电压信号大于阈值后，比较器输出高电平，当采样的电压信号小于滞后比较器的阈值时，比较器输出低电平。这里的阈值可以根据副边同步整流信号开启的电流大小值来设置。
所述驱动电路包括驱动芯片IC2、电容C2；
驱动芯片IC2的电源端连接电源；驱动芯片IC2的地端接地；电容C2的一端接供电端VCC，电容C2的另一端接驱动地。
驱动芯片IC2的输入端INA连接PWM信号；驱动芯片IC2的输出端OUTA为驱动电路的输出端。
驱动电路，根据比较器的信号控制驱动芯片IC2的使能，比较器输出高电平时，驱动电路IC2使能，同步整流PWM信号由IC2的OUTA放大输出驱动续流功率MOS管；比较器输出低电平时，IC2关断，同步整流PWM无输出。
本发明利用电流互感器实现原边电流取样，将原边电流信号转换为电压信号，利用滞回比较电路设置同步整流开启或关断的阈值电流，在阈值电流以下，副边整流采用二极管整流，在阈值电流以上，副边整流采用全同步整流；利用驱动芯片实现同步驱动，电路简单、器件可获得性好、响应速度快、具有同步整流脉宽死区调节能力、抗干扰能力强，其应用变换器效率高。
实施例
如图3所示，本发明某一具体实施例应用于某型号星载SAR天线二次电源产品中，该产品是将50V～70V的一次母线电压通过隔离变换后输出13V/20A给后级供电，电路采用全桥拓扑和同步整流控制的方案。
在上述具体实施例中，所述的电流互感器CT中的原边线圈连接在主功率电路上，用于采集主功率电路的电流。这里的主功率电路适用单端正激、双管正激、半桥电路、全桥电路、LLC等有同步整流的电路。所述的电流互感器CT中的原边线圈匝数为1匝，副边线圈匝数为100～300匝，匝比为N，采样电流Is＝原边电流Ip/N。所述采样电流Is最终控制在20mA以下。若匝数过小，电流互感器和流压转换电路的功耗会增大，不利于整机效率的提升；若匝数过大，电流互感器的体积会增加，不利于产品小型化、轻量化的设计。所述的电流互感器CT的输入信号为单向流动的功率电流，包括锯齿波。
流压转换电路中的电阻R1的阻值为2.2K～3.9K欧姆，电阻R2的阻值R2为300～500欧姆，因此,原边电流经过流压电路转换后的电压为V＝(Ip/N)R2。
滞回比较电路中，电阻R3的阻值为4.7K～6.2K欧姆。电容C1的容值为0.01uF～0.1uF。电源电压为11.5～15V。电阻R4的阻值为9.1K～12K欧姆。电阻R8的阻值为4.7K～5.6K欧姆。电阻R6的阻值为47K～100K欧姆。
驱动电路中，驱动芯片IC2可以是UC1708或者UC1715。电容C2为0.1uF～1uF。驱动电路的输入端INA连接同步整流PWM信号，输出端OUTA连接同步整流电路CMOS管的基极。驱动芯片IC2根据使能信号电平，驱动输出端OUTA输出INA的PWM信号。
在上述具体实施例中，当产品采用半同步整流时，整机效率约为90.5％；采用全同步整流的方案时，整机效率到达94％，采用的基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，在负载电流5A以下时，同步整流电路关断，续流管采用二极管整流；在负载电流大于5A时，采用全同步整流，显著提高了电源整机效率。当负载由满载往轻载调节时，在电流低于3A时，同步整流关断，实现了滞回控制，提高了产品抗干扰能力。
上述实施例的电路随电源整机通过了-40℃～75℃的高低温热循环试验，-40℃～75℃的热真空试验考核。该产品通过了+110℃的极限拉偏试验考核。同时完成了2500小时+90℃加速寿命试验，电路运行可靠，目前已有在轨飞行经历。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，其特征在于包括电流互感器CT、流压转换电路、滞回比较电路和驱动电路；
电流互感器CT，用于对接入原边的母线电流进行采样，并将该电流采样信号输出给流压转换电路；
流压转换电路，将电流采样信号转换成电压控制信号，并将该电压控制信号输出至滞回比较电路；
滞回比较电路，将电压控制信号滤波后与电流切换阈值进行比较，产生同步整流使能信号输出至驱动电路的使能端；
驱动电路，根据同步整流使能信号电平，提高输入至驱动电路的PWM信号的驱动能力，并将其输出至同步整流管，用于控制同步整流管的开关。
2.根据权利要求2所述的一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，其特征在于所述流压转换电路包括电阻R1、电阻R2、二极管D1；
电阻R1一端连接电流互感器CT的副边正端CT+和二极管D1的阳极，电阻R1的另一端连接电流互感器CT的副边负端CT-和地；二极管D1的阴极为流压转换电路的输出端，同时连接电阻R2的一端；电阻R2的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，其特征在于所述滞回比较电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、比较器IC1；
电阻R3的一端为滞回比较电路的输入端，连接流压转换电路的输出端；电阻R3的另一端分成两路，一路通过电容C1接地，与电容C1构成RC滤波电路，另一路通过电阻R7连接比较器IC1的反相端；电阻R4的一端连接基准电压VREF，另一端分成三路，第一路连接比较器IC1的正相端，第二路通过电阻R8接地；第三路通过电阻R6连接至比较器IC1的输出端；比较器IC1的输出端即为滞回比较电路的输出端，连接驱动电路的使能端，同时通过电阻R5连接电源VCC。
4.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，其特征在于所述驱动电路包括驱动芯片IC2、电容C2；
驱动芯片IC2的电源端连接电源；驱动芯片IC2的地端接地；电容C2的一端接供电端VCC，电容C2的另一端接驱动地。
驱动芯片IC2的输入端INA连接PWM信号；驱动芯片IC2的输出端OUTA为驱动电路的输出端。
5.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，其特征在于所述的电流互感器CT中采样电流Is＝原边电流Ip/N，N为电流互感器CT的匝比。
6.根据权利要求5所述的一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，其特征在于原边电流经过流压电路转换后的电压为V＝(Ip/N)R2，R2为电阻R2的阻值。
7.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的副边同步整流控制电路，其特征在于所述的电流互感器CT的原边电流信号为单向流动的功率电流信号。
8.基于原边电流采样的副边同步整流控制方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、用电流互感器电路对接入原边的母线电流进行采样；
S2、将电流采样信号转换成电压控制信号；
S3、将电压控制信号滤波后与电流切换阈值进行比较，产生同步整流使能信号输出至驱动电路的使能端；
S4、根据同步整流使能信号电平，提高输入至驱动电路的PWM信号的驱动能力，并将其输出至同步整流管，用于控制同步整流管的开关。
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