CN111917100A - 一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，当二次电源变换电路输出端发生短路故障时，该电路使控制器UC184x产生的PWM处于间歇工作模式，该模式下短路功耗极低。本发明的短路保护电路包括电流采样变压器T1、二级管D1、电容C1～C2、电阻R1～R4、三极管Q1～Q2。电流采样变压器T1与原本母线串联，R1～R2、D1、C1组成流采样变换电路将原边电流信号转化为电压信号，R3～R4、Q1～Q2、C2组成逻辑开关电路连接至控制器UC184x内部误差放大器输出端，当误差放大器输出端电压低于两只二极管管压降时，控制器UC184x无脉宽(PWM)输出，降低了二次电源变换电路短路功耗，增加了二次电源变换电路的可靠性。

Description

一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路
技术领域
本发明涉及一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，属于航天器二次电源技术领域。
背景技术
航天器二次电源变换电路中需要使用宇航级控制器UC184x，该控制器结构简单，可靠性高，抗辐照能力强。但控制器UCl84x不具有输出端短路保护功能，当二次电源变换电路输出端或用户负载发生短路故障，负载电流急剧增大，控制器UC184x只能缩小输出脉宽(PWM)，二次电源变换电路短路功耗极大，若不能及时切断短路点，存在热烧毁的风险，严重影响二次电源变换电路可靠性。而且航天器二次电源变换电路使用方要求二次电源变换电路在长期短路情况不可损坏，在短路故障切除后具有自恢复功能。因此当二次电源变换电路输出端发生短路故障时，现有技术无法解决此问题。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，能够解使用宇航级控制器UC184x的二次电源变换电路输出端短路损耗极大的问题。
本发明解决的技术方案为：一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，包括：电流采样变压器T1、电阻R1、二极管D1、电阻R2、电容C1、三极管Q1、电阻R3、电容C2、三极管Q2、电阻R4；
电流采样变压器T1的原边同名端，作为短路保护电路的第一连接点A、电流采样变压器T1的原边异名端，作为短路保护电路的第二连接点B，第一连接点A与第二连接点B均与二次电源变换电路相连；
电流采样变压器T1的副边同名端连接电阻R1的一端和二极管D1的阳极，电流采样变压器T1的副边异名端连接电阻R1的另一端、电阻R2的一端和电容C1的一端，并接地；二极管D1的阴极连接电阻R2的另一端、电容C1的另一端和三极管Q1的基极，三极管Q1的发生极，作为短路保护电路的第一连接点C，与二次电源变换电路相连；三极管Q1的集电极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端通过电容C2接地，并与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极接地，三极管Q2的发射机与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端，作为短路保护电路的第四连接点D，与二次电源变换电路相连。
优选的，用于对二次电源变换电路发生短路故障时进行保护；
二次电源变换电路，包括：主功率电路(4)、反馈控制电路(3)、UC184x控制器(2)；
UC184x控制器(2)和反馈控制电路(3)组成闭环控制系统，控制主功率电路(4)将原边输入功率转换为副边所需电压和电流；短路保护电路(1)与二次电源变换电路连接，起保护功能，当二次电源变换电路输出端发生短路故障时，短路保护电路(1)使二次电源变换电路处于间歇工作模式，大大降低输出端短路功耗。
优选的，三极管Q1采用NPN型三极管。
优选的，三极管Q2采用NPN型三极管。
优选的，主功率电路(4)，包括：电容C7、功率MOSFET管M1、功率变压器T3、二极管D2、电容C6、电阻R7；
电容C7的一端连接功率MOSFET管M1的源极，功率MOSFET管M1的漏极连接短路保护电路的第二连接点B；功率MOSFET管M1的栅极，作为主功率电路(4)的连接点1，与UC184x控制器连接；
功率变压器T3的原边异名端连接短路保护电路的第一连接点A；功率变压器T3的原边同名端连接电容C7的另一端，功率变压器T3的副边同名端连接二极管D2的阳极，功率变压器T3的副边异名端连接电容C6的一端、电阻R7的一端、并接地，且作为主功率电路(4)的连接点2，与反馈控制电路(3)相连；二极管D2的阴极连接电容C6的另一端、电阻R7的另一端，并作为主功率电路(4)的连接点3，与反馈控制电路(3)相连。
优选的，反馈控制电路(3)，包括：电阻R5、电阻R6、电容C4、电阻R12和电容C3；
电阻R5的一端连接主功率电路(4)的连接点3，电阻R5的另一端连接电阻R6的一端、电容C4的一端、电容C3的一端，并作为反馈控制电路(3)的连接点1连接短路保护电路的第一连接点C和UC184x控制器；
电阻R6的另一端连接主功率电路(4)的连接点2；
电容C4的另一端连接R4的一端，电阻R12的另一端，连接短路保护电路的第四连接点D，并作为反馈控制电路(3)的连接点2；
电容C3的另一端连接短路保护电路的第四连接点D。
优选的，UC184x控制器，包括：误差放大器U1、二极管D3、二极管D4、电阻R10、电阻R11、稳压管Z1、比较器U2、SR锁存器；
误差放大器U1的同相输入端连接基准电源；误差放大器U1的反相输入端连接反馈控制电路(3)的连接点1；误差放大器U1的输出端COM连接反馈控制电路(3)的连接点2和二极管D3的阳极；二极管D3的阴极连接二极管D4的阳极、二极管D4的阴极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端、稳压管Z1的阴极、比较器U2的反向输入端；电阻R11和稳压管Z1的阳极接地；比较器U2的正向输入端连接基准电源；比较器U2的输出端连接SR锁存器，SR锁存器将比较器U2的输出端的输出锁存后输出至主功率电路(4)的连接点1。
优选的，基准电源为2.5V。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明替代了传统使用有源器件比较器实现输出端短路保护的方式，无需外接供电电源，降低了电路设计成本，减小了设计难度，提高了二次电源变换电路的可靠性；
(2)本发明中器件参数温度漂移对短路功耗影响很小，通过实际测试记录(-50℃、+25℃、+120℃)三种温度下的考核数据，短路损耗变化量小于1W；
(3)本发明由电流采样变压器、二极管、三极管、电容、电阻等常用无源器件组成，参数调试简单，体积小，特别适用于小型化二次电源变化电路。
附图说明
图1本发明的短路保护电路与二次电源变换电路配合的电路示意图。
图2本发明使用示波器监测二次电源变换电路原边电流示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，当二次电源变换电路输出端发生短路故障时，该电路使控制器UC184x产生的PWM处于间歇工作模式，该模式下短路功耗极低。本发明的短路保护电路包括电流采样变压器T1、二级管D1、电容C1～C2、电阻R1～R4、三极管Q1～Q2。电流采样变压器T1与原本母线串联，R1～R2、D1、C1组成流采样变换电路将原边电流信号转化为电压信号，R3～R4、Q1～Q2、C2组成逻辑开关电路连接至控制器UC184x内部误差放大器输出端，当误差放大器输出端电压低于两只二极管管压降时，控制器UC184x无脉宽(PWM)输出，降低了二次电源变换电路短路功耗，增加了二次电源变换电路的可靠性。
宇航二次电源变换电路将卫星一次母线电压转化成卫星载荷所需的各种电压，是整个卫星平台的重要设备。卫星载荷或二次电源变换电路地面验证不充分，在恶劣、未知的空间环境中存在卫星载荷或者二次电源变换电路输出端短路的风险，发生短路故障后，若没有短路保护措施，二次电源变换电路短路功耗极大，热量集中使温度升高，最终使二次电源变化器热烧毁，并对周围其他设备造成不可估计的损坏。
由于空间环境的特殊性，航天器二次电源变换电路中需要使用具有抗辐照指标的控制器UC184x，但该控制器不具有输出端短路保护功能，本发明短路保护电路可有效解决此问题，当二次电源变换电路输出端短路时，本发明短路保护电路使二次电源变换电路处于间歇工作模式，极大降低短路功耗，从而保护二次电源变换电路。当短路故障消失后，本发明短路保护电路不起作用，二次电源变换电路正常工作，具有自恢复功能。
如图1所示，本发明一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，包括：电流采样变压器T1、电阻R1、二极管D1、电阻R2、电容C1、三极管Q1(优选NPN型三极管)、电阻R3、电容C2、三极管Q2(优选PNP型三极管)、电阻R4；
电流采样变压器T1的原边同名端，作为短路保护电路的第一连接点A、电流采样变压器T1的原边异名端，作为短路保护电路的第二连接点B，第一连接点A与第二连接点B均与二次电源变换电路相连；
电流采样变压器T1的副边同名端连接电阻R1的一端和二极管D1的阳极，电流采样变压器T1的副边异名端连接电阻R1的另一端、电阻R2的一端和电容C1的一端，并接地；二极管D1的阴极连接电阻R2的另一端、电容C1的另一端和三极管Q1的基极，三极管Q1的发生极，作为短路保护电路的第一连接点C，与二次电源变换电路相连；三极管Q1的集电极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端通过电容C2接地，并与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极接地，三极管Q2的发射机与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端，作为短路保护电路的第四连接点D，与二次电源变换电路相连。
用于对二次电源变换电路输出端发生短路故障时进行保护；
二次电源变换电路，包括：主功率电路(4)、反馈控制电路(3)、UC184x控制器；
UC184x控制器(2)和反馈控制电路(3)组成闭环控制系统，控制主功率电路(4)将原边输入功率转换为副边所需电压和电流。短路保护电路(1)与二次电源变换电路连接，起保护功能，当二次电源变换电路输出端发生短路故障时，短路保护电路(1)使二次电源变换电路处于间歇工作模式，大大降低输出端短路功耗。
主功率电路(4)，包括：电容C7、功率MOSFET管M1、功率变压器T3、二极管D2、电容C6、电阻R7；
电容C7的一端连接功率MOSFET管M1的源极，功率MOSFET管M1的漏极连接短路保护电路的第二连接点B；功率MOSFET管M1的栅极，作为主功率电路(4)的连接点1，与UC184x控制器连接；
功率变压器T3的原边异名端连接短路保护电路的第一连接点A；功率变压器T3的原边同名端连接电容C7的另一端，功率变压器T3的副边同名端连接二极管D2的阳极，功率变压器T3的副边异名端连接电容C6的一端、电阻R7的一端、并接地，且作为主功率电路(4)的连接点2，与反馈控制电路(3)相连；二极管D2的阴极连接电容C6的另一端、电阻R7的另一端，并作为主功率电路(4)的连接点3，与反馈控制电路(3)相连；
反馈控制电路(3)，包括：电阻R5、电阻R6、电容C4、电阻R12和电容C3；
电阻R5的一端连接主功率电路(4)的连接点3，电阻R5的另一端连接电阻R6的一端、电容C4的一端、电容C3的一端，并作为反馈控制电路(3)的连接点1连接短路保护电路的第一连接点C和UC184x控制器；
电阻R6的另一端连接主功率电路(4)的连接点2；
电容C4的另一端连接R4的一端，电阻R12的另一端，连接短路保护电路的第四连接点D，并作为反馈控制电路(3)的连接点2；
电容C3的另一端连接短路保护电路的第四连接点D。
UC184x控制器，包括：误差放大器U1、二极管D3、二极管D4、电阻R10、电阻R11、稳压管Z1、比较器U2、SR锁存器；
误差放大器U1的同相输入端连接基准电源；误差放大器U1的反相输入端连接反馈控制电路(3)的连接点1；误差放大器U1的输出端COM连接反馈控制电路(3)的连接点2和二极管D3的阳极；二极管D3的阴极连接二极管D4的阳极、二极管D4的阴极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端、稳压管Z1的阴极、比较器U2的反向输入端；电阻R11和稳压管Z1的阳极接地；比较器U2的正向输入端连接基准电源；比较器U2的输出端连接SR锁存器，SR锁存器将比较器U2的输出端的输出锁存后输出至主功率电路(4)的连接点1；
本发明的输出短路保护电路，优选的控制方式如下：
优选方案为：当二次电源变换电路正常工作，误差放大器U1反向输入端电压等于同相输入端电压(Vref)，设置三极管Q1基极电压小于误差放大器U1反相输入端电压，保证三极管Q1和三极管Q2均处于截止状态，短路保护电路未工作。
优选方案为：当二次电源变换电路输出端或用户载荷发生短路时，电阻R5和电阻R6两端电压近似为零，根据电阻分压原理，三极管Q1发射级电压也近似为零，同时由于输出端短路，主功率电路(4)原边电流瞬间增大，三极管Q1基极电压急剧增大，三极管Q1饱和导通，三极管Q1集电极电压等于三极管集电极和发射极的正向导通压降。
优选方案为：三极管Q2基极电压等于三极管Q1集电极电压，由于二次电源变换电路输出端短路，输出电压近似为零，误差放大器U1反向端电压近似为零，误差放大器U1输出端电压急剧增大，此时三极管Q2饱和导通，误差放大器U1输出端电压为三极管Q2正向导通压降。比较器U2反向端电压为零，控制器UC184x无PWM产生，主功率电路(4)原边无脉冲电流。
优选方案为：原边无脉冲电流，电容C1通过电阻R2放电，三极管Q1基极电压缓慢下降，当小于三极管开启电压时，三极管Q1截止；误差放大器输出端电压开始上升，当误差放大器输出端电压大于控制器内部二极管D3和D4管压降时，控制器UC184x产生的PWM占空比逐渐增大，同时原边产生脉冲电流，电容C1开始充电，三极管Q1基极电压开始增加，当三极管Q1基极电压大于开启电压，三极管Q1和Q2再次饱和导通，PWM占空比再次为0，之后重复上述过程。控制器UC184x产生的PWM处于间歇工作模式，该模式下开关电源短路功耗极低，改变电容C1容值和电阻R2阻值可以调整间歇工作周期。
优选方案为：本发明的输出短路保护电路，优选考虑二次电源变换电路启动时原边输入电流会大于正常工作电流，为保证二次电源变换电路正常启动，启动过程中三极管Q1基极电压与发射极电压压差优选小于三极管Q1的最低开启电压。优选关系式为：
Figure BDA0002575919300000081
本发明的电路在某款输出功率20W的二次电源变换电路上进行了常温(+25℃)试验验证，二次电源变换电路输出端短路，未加入短路保护电路，实测二次电源变换电路短路功耗高达12W。加入短路保护电路，使用示波器监测二次电源变换电路原边电流，如图2所示，由图中可看出二次电源变换电路处于间歇工作模式，间歇周期约1.2ms，实测二次电源变换电路短路功耗为1.5W。短路功耗降低了10.5W。
本发明的电路还经过了低温-50℃，高温+120℃考核。-50℃时实测试二次电源变换电路短路功耗为2.5W，高温+120℃时实测试二次电源变换电路短路功耗为0.8W。短路功耗均满足使用要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，其特征在于包括：电流采样变压器T1、电阻R1、二极管D1、电阻R2、电容C1、三极管Q1、电阻R3、电容C2、三极管Q2、电阻R4；
电流采样变压器T1的原边同名端，作为短路保护电路的第一连接点A、电流采样变压器T1的原边异名端，作为短路保护电路的第二连接点B，第一连接点A与第二连接点B均与二次电源变换电路相连；
电流采样变压器T1的副边同名端连接电阻R1的一端和二极管D1的阳极，电流采样变压器T1的副边异名端连接电阻R1的另一端、电阻R2的一端和电容C1的一端，并接地；二极管D1的阴极连接电阻R2的另一端、电容C1的另一端和三极管Q1的基极，三极管Q1的发生极，作为短路保护电路的第一连接点C，与二次电源变换电路相连；三极管Q1的集电极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端通过电容C2接地，并与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极接地，三极管Q2的发射机与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端，作为短路保护电路的第四连接点D，与二次电源变换电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，其特征在于：用于对二次电源变换电路发生短路故障时进行保护；
二次电源变换电路，包括：主功率电路(4)、反馈控制电路(3)、UC184x控制器(2)；
UC184x控制器(2)和反馈控制电路(3)组成闭环控制系统，控制主功率电路(4)将原边输入功率转换为副边所需电压和电流；短路保护电路(1)与二次电源变换电路连接，起保护功能，当二次电源变换电路输出端发生短路故障时，短路保护电路(1)使二次电源变换电路处于间歇工作模式，大大降低输出端短路功耗。
3.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，其特征在于：三极管Q1采用NPN型三极管。
4.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，其特征在于：三极管Q2采用NPN型三极管。
5.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，其特征在于：主功率电路(4)，包括：电容C7、功率MOSFET管M1、功率变压器T3、二极管D2、电容C6、电阻R7；
电容C7的一端连接功率MOSFET管M1的源极，功率MOSFET管M1的漏极连接短路保护电路的第二连接点B；功率MOSFET管M1的栅极，作为主功率电路(4)的连接点1，与UC184x控制器连接；
功率变压器T3的原边异名端连接短路保护电路的第一连接点A；功率变压器T3的原边同名端连接电容C7的另一端，功率变压器T3的副边同名端连接二极管D2的阳极，功率变压器T3的副边异名端连接电容C6的一端、电阻R7的一端、并接地，且作为主功率电路(4)的连接点2，与反馈控制电路(3)相连；二极管D2的阴极连接电容C6的另一端、电阻R7的另一端，并作为主功率电路(4)的连接点3，与反馈控制电路(3)相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，其特征在于：反馈控制电路(3)，包括：电阻R5、电阻R6、电容C4、电阻R12和电容C3；
电阻R5的一端连接主功率电路(4)的连接点3，电阻R5的另一端连接电阻R6的一端、电容C4的一端、电容C3的一端，并作为反馈控制电路(3)的连接点1连接短路保护电路的第一连接点C和UC184x控制器；
电阻R6的另一端连接主功率电路(4)的连接点2；
电容C4的另一端连接R4的一端，电阻R12的另一端，连接短路保护电路的第四连接点D，并作为反馈控制电路(3)的连接点2；
电容C3的另一端连接短路保护电路的第四连接点D。
7.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，其特征在于：UC184x控制器，包括：误差放大器U1、二极管D3、二极管D4、电阻R10、电阻R11、稳压管Z1、比较器U2、SR锁存器；
误差放大器U1的同相输入端连接基准电源；误差放大器U1的反相输入端连接反馈控制电路(3)的连接点1；误差放大器U1的输出端COM连接反馈控制电路(3)的连接点2和二极管D3的阳极；二极管D3的阴极连接二极管D4的阳极、二极管D4的阴极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端、稳压管Z1的阴极、比较器U2的反向输入端；电阻R11和稳压管Z1的阳极接地；比较器U2的正向输入端连接基准电源；比较器U2的输出端连接SR锁存器，SR锁存器将比较器U2的输出端的输出锁存后输出至主功率电路(4)的连接点1。
8.根据权利要求1所述的一种基于原边电流采样的低功耗输出短路保护电路，其特征在于：基准电源为2.5V。
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