CN113991782B - 星载准两级脉冲载荷电源供电电路 - Google Patents

星载准两级脉冲载荷电源供电电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种星载准两级脉冲载荷电源供电电路，包括电源(1)、二次电源(2)、非隔离电源(3)、供电母线(4)和电压母线(5)，还包括隔离开关(6)，位于容性脉冲负载和所述电压母线(5)之间。本发明的星载准两级脉冲载荷电源供电电路可实现多路输出，且具有高效率、高功率密度的特点。

Description

星载准两级脉冲载荷电源供电电路
技术领域
本发明涉及一种星载准两级脉冲载荷电源供电电路。
背景技术
容性脉冲载荷，如相控阵雷达、固态雷达等广泛应用于复杂空间条件下的军事侦察、空天通信及对抗等领域。作为脉冲载荷系统的重要部件，二次电源的效率指标、体积重量、可靠性等性能直接影响到平台供电能力、星上资源利用率和整星系统的战略、战术性能。脉冲载荷需求电压种类多，需要两种类型电压供电，一种为容性脉冲负载供电，功率需求大，属大容性、低重频、大脉宽脉冲负载。另外一种电压为非脉冲负载供电，一般需求功率较小。非脉冲负载和容性负载供电均需具备延时启动、电压互锁等功能，并要求非脉冲负载在掉电或者未正常启动时，容性负载不能供电。
现有技术中，主要有两种供电方式，分别为集中式供电(如图6所示)和分布式两级供电(如图7所示)。其中，集中式供电方案存在以下缺点，首先，(航天器)二次电源的输出端与脉冲载荷端距离较远，使得线损较大，由此形成的导线压降不仅会影响负载端电压的稳定，而且会使系统效率降低，同时，负载之间也会相互影响，使动态响应较差。并且，集中式电源系统的热量较为集中，不便于载荷系统的散热，从而降低了系统的可靠性。另外，集中式的电源系统单机体积和重量也比较大，不便于载荷系统的一体化、轻量化设计。而分布式两级供电方案恰好就是为了提高系统的稳定性和可靠性而设计，尤其是分布式两级功率变换方案受到广泛关注。该方案将二次电源按功能电路分为两级变换，并引入中间母线电压(高于最大载荷需求电压3V～5V)，使电源的后级变换靠近负载端，为负载端提供相应电压，同时可实现容性脉冲负载的开关机、限流和缓启动功能。这一思路能够初步解决负载端电压不稳定的问题，并能在一定程度上降低对散热的要求。但是，现有的分布式两级供电方案也存在种种缺陷，首先，二次电源需要经过两级变换才能为脉冲载荷设备供电，因此其在解决负载端电压不稳定的问题的同时也会降低电源系统供电效率。并且，二次电源的供电级数较多，使用器件较多，从而也增加了整星建造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载准两级脉冲载荷电源供电电路。
为实现上述发明目的，本发明提供一种星载准两级脉冲载荷电源供电电路，包括电源、二次电源、非隔离电源、供电母线和电压母线，还包括隔离开关，位于容性脉冲负载和所述电压母线之间。
根据本发明的一个方面，所述隔离开关包括采样电阻、NMOS管和电荷泄放电阻；
所述电荷泄放电阻的两端分别连接所述NMOS管的G极和S极。
根据本发明的一个方面，所述隔离开关还包括差分放大器和电流调节器；
所述采样电阻的两端分别连接所述差分放大器的同相输入端和反相输入端，采样电压分别为Vs1和Vs2；
差分信号被放大后与设定基准值Iref比较，比较结果经过所述电流调节器处理，以控制所述NMOS管的G极和S极的电压，进而控制输出电流。
根据本发明的一个方面，所述隔离开关还包括电压比较器，所述电压比较器的同相输入端连接所述非隔离电源的输出端，用于检测所述非隔离电源的输出电压V2；
所述电压比较器的反相输入端接入基准电压Vref；
所述电压比较器的输出端连接所述NMOS管的G极和S极。
根据本发明的一个方面，所述隔离开关的输出端连接容性脉冲负载，且所述隔离开关和容性脉冲负载之间还设有电容阵。
根据本发明的一个方面，所述电压母线的电压Vo与容性脉冲负载电压V1相同。
根据本发明的一个方面，所述非隔离电源的输出端连接非脉冲负载。
根据本发明的一个方面，所述非隔离电源的输出端连接所述NMOS管的G极和S极，且所述非隔离电源和所述NMOS管之间设有限流电阻。
根据本发明的一个方面，所述电源为蓄电池，所述二次电源为隔离DC/DC变换器，所述非隔离电源为非隔离DC/DC变换器。
根据本发明的构思，提供一种多路输出、高效率、高功率密度的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，采用分布式准两级功率变换供电方式，将二次电源按功能电路划分，使二次电源的后级(隔离开关和非隔离电源)尽可能靠近脉冲载荷端为之供电，从而可以有效地解决负载端电压不稳定的问题，还能进一步降低对散热的需求。
根据本发明的一个方案，通过隔离开关实现对容性脉冲负载的开关机、限流和缓启动功能，并使电压母线和容性脉冲负载电压基本相同，从而在此级无需进行功率变换。而由于脉冲负载的需求功率较大，因此在省去一级功率变换后，可有效提升电源系统的供电效率，从而降低整星建造成本。
根据本发明的一个方案，在隔离开关中设置了N型MOS管和电流采样电阻，再通过合理的电路设计使隔离开关具备开关机、限流保护和对大容性负载缓启动的功能，从而可以更好地实现对容性脉冲负载的开关机、限流和缓启动功能，也能够实现过流或者短路保护功能。
根据本发明的一个方案，对于非脉冲负载，采用非隔离电源(降压型或升压型变换器)将电压母线的电压进行变换后供电的方式，由于这类负载对于总率的需求较小，一般为10W左右，因此对整机功率的影响也较小。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式的星载准两级脉冲载荷电源供电电路的电路图；
图2是本发明的一种实施方式的星载准两级脉冲载荷电源供电电路中的隔离开关部位的电路图；
图3是本发明的一种实施方式的星载准两级脉冲载荷电源供电电路中的隔离开关中的差分放大器和电流调节器的示意图；
图4是本发明的一种实施方式的星载准两级脉冲载荷电源供电电路中的隔离开关中的电压比较器的示意图；
图5是本发明的一种实施方式的星载准两级脉冲载荷电源供电电路中的非隔离电源的示意图；
图6是现有技术的集中式星载准两级脉冲载荷电源供电电路的电路图。
图7是现有技术的分布式星载准两级脉冲载荷电源供电电路的电路图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
参见图1，本发明的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，适用于为星载准两级脉冲载荷供电，其包括电源1、二次电源2、非隔离电源3、供电母线4和电压母线5。其中，电源1为蓄电池，二次电源2为隔离DC/DC变换器(1～n)，非隔离电源3为非隔离DC/DC变换器。蓄电池与隔离DC/DC变换器的输入端通过输入线缆连接，从而为隔离DC/DC变换器提供输入电能，再由隔离DC/DC变换器将蓄电池的电压Vin变换为Vo向后级输送。
根据本发明的构思，星载准两级脉冲载荷电源供电电路中还设置了隔离开关6，其位于容性脉冲负载和电压母线5之间。隔离DC/DC变换器的电压输出正线与隔离开关6和非隔离电源3的输入端连接。隔离开关6的输出端与容性脉冲负载(电阻)连接，实现对大功率容性脉冲负载的开关机、限流和缓启动。同时，隔离开关6和容性脉冲负载之间还设有电容阵8。非隔离电源3的输出端与非脉冲负载连接，从而将电压母线5的电压进行一级功率变换，变换成其它设备需要的电压V2，以实现对各类小功率设备供电。
由此，本系统采用分布式供电方法，使二次电源2靠近载荷端，其输出端则接入中间的电压母线5。并且，本发明令电压母线5的电压Vo与容性脉冲负载电压V1基本相同，从而通过控制隔离开关6即可实现对容性脉冲负载的供电控制，以省去一次功率变换。
参见图2，隔离开关6包括(电流)采样电阻61(R1)、NMOS管62(即N型MOS管或功率开关管)和电荷泄放电阻63(R2)。NMOS管62位于隔离开关6的主电路上，这样，通过对NMOS管62的G极和S极施加电压从而进行开通、关断控制即可实现对容性脉冲负载的开关机和缓启动控制。电荷泄放电阻63的两端分别连接NMOS管62的G极和S极。NMOS管62的栅极驱动电压VGS由升压电路(电荷泵等)采集电压Vo后变换得到，升压电路可采用隔离或者非隔离升压变换器，电压一般为12V左右，需求功率约20mW。
参见图3，隔离开关6还包括差分放大器64和电流调节器66。串接的采样电阻61的两端分别连接差分放大器64的同相输入端和反相输入端，采样电压分别为Vs1和Vs2。如此，对电压Vs1和Vs2的差分采样后，将差分信号放大并与设定基准值Iref(由外部基准电路提供)比较，比较结果经过电流调节器66处理，以对NMOS管62的G极和S极的电压进行调节控制，从而实现对启动电流的控制，防止出现容性负载开机电流过大而导致前级电源的短路保护问题。
参见图4，隔离开关6还包括电压比较器65，电压比较器65的同相输入端连接非隔离电源3的输出端，用于检测非隔离电源3输出电压V2，电压比较器65的反相输入端接入基准电压Vref(由外部基准电路提供)。电压比较器65的输出端连接NMOS管62的G极和S极。电压比较器65所采集的非脉冲负载输出电压V2与参考电压Vref进行比较，对NMOS管62的栅极电压VGS进行控制，可实现对容性负载供电以及对电压V1的输出延时和互锁控制。
参见图5，非隔离电源3(非隔离升压变换器)的输出端连接NMOS管62的G极和S极，以提供驱动电压。同时，非隔离电源3和NMOS管62之间还设有限流电阻7(R3)。
综上所述，本发明采用分布式准两级功率变换供电方法，将二次电源按功能电路划分，通过隔离开关6实现对容性脉冲负载的开关机、限流和缓启动，由于脉冲载荷需求功率较大，在省去一级功率变换后，可有效提高电源系统的供电效率，从而降低整星的建造成本。同时，使二次电源的后级隔离开关6和非隔离电源3靠近脉冲载荷端为之提供相应电压，从而可有效解决负载端电压不稳定问题，还能进一步降低对散热的要求。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种星载准两级脉冲载荷电源供电电路，包括电源(1)、二次电源(2)、非隔离电源(3)、供电母线(4)和电压母线(5)，所述电源(1)输出端连接供电母线(4)，所述供电母线(4)连接所述二次电源(2)的输入端，所述二次电源(2)的输出端连接所述电压母线(5)，所述电压母线(5)连接所述非隔离电源(3)的输入端，其特征在于，还包括隔离开关(6)，位于容性脉冲负载和所述电压母线(5)之间。
2.根据权利要求1所述的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，其特征在于，所述隔离开关(6)包括采样电阻(61)、NMOS管(62)和电荷泄放电阻(63)；
所述电荷泄放电阻(63)的两端分别连接所述NMOS管(62)的G极和S极。
3.根据权利要求2所述的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，其特征在于，所述隔离开关(6)还包括差分放大器(64)和电流调节器(66)；
所述采样电阻(61)的两端分别连接所述差分放大器(64)的同相输入端和反相输入端，采样电压分别为Vs1和Vs2；
差分信号被放大后与设定基准值Iref比较，比较结果经过所述电流调节器(66)处理，以控制所述NMOS管(62)的G极和S极的电压，进而控制输出电流。
4.根据权利要求2所述的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，其特征在于，所述隔离开关(6)还包括电压比较器(65)，所述电压比较器(65)的同相输入端连接所述非隔离电源(3)的输出端，用于检测所述非隔离电源(3)的输出电压V2；
所述电压比较器(65)的反相输入端接入基准电压Vref；
所述电压比较器(65)的输出端连接所述NMOS管(62)的G极和S极。
5.根据权利要求1所述的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，其特征在于，所述隔离开关(6)的输出端连接容性脉冲负载，且所述隔离开关(6)和容性脉冲负载之间还设有电容阵(8)。
6.根据权利要求1所述的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，其特征在于，所述电压母线(5)的电压Vo与容性脉冲负载电压V1相同。
7.根据权利要求3所述的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，其特征在于，所述非隔离电源(3)的输出端连接非脉冲负载。
8.根据权利要求2所述的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，其特征在于，所述非隔离电源(3)的输出端连接所述NMOS管(62)的G极和S极，且所述非隔离电源(3)和所述NMOS管(62)之间设有限流电阻(7)。
9.根据权利要求1所述的星载准两级脉冲载荷电源供电电路，其特征在于，所述电源(1)为蓄电池，所述二次电源(2)为隔离DC/DC变换器，所述非隔离电源(3)为非隔离DC/DC变换器。
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