CN116094336A - 一种基于磁隔离反馈开关电源和用电器 - Google Patents

一种基于磁隔离反馈开关电源和用电器 Download PDF

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Abstract

本公开实施例提供了一种基于磁隔离反馈开关电源和用电器，包括：滤波电路，电连接直流输入并进行滤波处理，得到滤波直流；功率变换模块，电连接所述滤波模块，根据PWM信号对所述滤波直流进行直流转换，得到转换直流；整流滤波模块，对所述转换直流进行整流和滤波，得到直流输出；PWM控制模块，电连接所述功率变换模块，根据反馈电压生成所述PWM信号；瞬时磁隔离模块，电连接所述直流输出和所述PWM控制模块，通过瞬时短路获取输出电压变化，并根据所述输出电压变化得到所述反馈电压。具有线路简单、响应快、稳定性好的特点，值得推广使用。

Description

一种基于磁隔离反馈开关电源和用电器
技术领域
本公开涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种基于磁隔离反馈开关电源和一种用电器。
背景技术
在强电磁辐射环境下，例如光波或射电波环境下，它们都是以振动的磁场或电场的形式向外扩散，会对环境中的用电器造成很大影响，尤其是开关电源器件，在该环境下的用电器必须能够满足抗强辐照的要求。
现有的开关电源采用光电耦合器，但是其存在光衰问题，并基于此而引起电源环路增益漂移以及输出电压偏移等稳定性差的问题。
发明内容
因此，本公开实施例提供一种基于磁隔离反馈开关电源和用电器，通过瞬时短路的方式实现输出电压的闭环控制，具有线路简单、响应快、稳定性好的特点，值得推广使用。
一方面，本公开实施例提供了一种基于磁隔离反馈开关电源，包括：滤波电路，电连接直流输入并进行滤波处理，得到滤波直流；功率变换模块，电连接所述滤波模块，根据PWM信号对所述滤波直流进行直流转换，得到转换直流；整流滤波模块，对所述转换直流进行整流和滤波，得到直流输出；PWM控制模块，电连接所述功率变换模块，根据反馈电压生成所述PWM信号；瞬时磁隔离模块，电连接所述直流输出和所述PWM控制模块，通过瞬时短路获取输出电压变化，并根据所述输出电压变化得到所述反馈电压。
在一个具体实施方式中，所述开关电源还包括：电压反馈模块，电连接所述直流输出和所述瞬时磁隔离模块，获取所述直流输出的电压并反馈输出至所述瞬时磁隔离模块；过流保护模块，电连接所述直流输出和所述瞬时磁隔离模块。
在一个具体实施方式中，所述瞬时磁隔离模块包括：采样电路，连接所述直流输出，得到所述直流输出电压；瞬时短路电路，连接所述采样电路，在所述瞬时短路时根据所述输出电压变化得到采样电压；磁反馈变压器，具有初级侧和次级侧，所述初级侧连接PWM控制模块，次级侧连接所述瞬时短路电路，所述瞬时短路电路处于所述瞬时短路时将所述采样电压反馈至所述PWM控制模块；所述PWM控制模块连接所述PWM控制电路，根据所述采样电压和预置电压产生所述反馈电压。
在一个具体实施方式中，所述PWM控制模块输出所述反馈电压；根据所述采样电压和基准电压得到所述输出电压变化，在莫斯开关导通时将所述输出电压变化反馈至所述PWM控制模块，所述PWM控制模块根据所述输出电压变化和预置电压产生所述反馈电压。
在一个具体实施方式中，所述瞬时磁隔离模块包括：磁反馈变压器，具有初级侧和次级侧，所述初级侧连接PWM控制模块，次级侧输出基准电压；分压电路，电连接所述电压反馈模块，根据所述直流输出获取分压电压；比较器，电连接所述磁反馈变压器和所述分压电路，获取所述基准电压和所述分压电压并进行比较，得到比较信号；短路电路，连接所述磁反馈变压器并具有莫斯开关，所述莫斯开关连接所述比较器获取所述比较信号，并在根据所述比较器导通或断开，在其导通时使得所次级侧短路，达到所述瞬时短路。
在一个具体实施方式中，将所述电压变化信号反馈至所述PWM控制模块，具体为：将所述次级侧的电压信号耦合至所述初级侧。
在一个具体实施方式中，所述开关电源还包括：欠压锁定模块，电连接所述滤波模块和所述PWM控制模块。
在一个具体实施方式中，所述PWM控制模块根据自身振荡器频率获取载波信号。
另一方面，本公开实施例提供的一种用电器，具有如上任意一项实施例所述的开关电源。
在一个具体实施方式中，所述用电器工作于空间站、卫星或太空舱。
综上所述，本申请上述各个实施例可以具有如下一个或多个优点或有益效果：i)通过瞬时磁隔离模块的瞬时短路与否，将输出电压变换进行反馈，PWM控制模块据此调整占空比输出相应的PWM信号，根据该PWM信号控制直流转换；该电路简单，响应速度快且稳定性好；ii)采用PWM控制模块自身的振荡器频率作为载波信号，减少了干扰源，提高了开关电源的系统稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例描述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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1为本公开第一实施例提供的基于磁隔离反馈开关电源的模块连接图；
图2为实现图1所示开关电源的一种电路连接图；
图3为实现图2中磁隔离反馈模块的一种电路连接图；
图4为PWM控制模块的一种电路连接图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
在太空中的恒星星系及其他天体都会发出强电磁辐射，无论是光波还是电波，他们都是以振动的电场和磁场的形式向外扩散，这种强辐射会对星载设备、空间站、太空舱内的用电设备的正常工作造成很大的影响；当然其他强辐射场景下也会对用电器造成一定影响。
在上述太空或其他强辐射场景下用电器的开关电源因使用光电耦合器而会产生“光衰”问题，进而引起电源环路增益漂移，输出电压偏移的问题，导致开关电源在强辐照环境下的稳定性差的问题。
现有技术通过磁隔离反馈解决上述问题，现有的磁隔离反馈技术方案包括：PWM后置磁隔离方案、电感电流取样磁隔离方案、误差调制型号变压器耦合反馈控制方案。
其中，PWM后置磁隔离方案存在低温环境下自激变换器启动困难，线路复杂，元器件多的问题。电感电流取样磁隔离方案的系统负载调整率不高。误差调制型号变压器耦合反馈控制方案需要后级提供脉冲信号对误差信号进行调制，该方案线路复杂，且高频的调制方式对磁反馈回路的稳定性会有一定的影响。
上述现有三种方案均可以像光耦那样，实现对输出电压误差信号的采集和反馈，但各自有优缺点都比较明显，要么线路复杂、难以集成，要么对参数的控制有一定的影响。
基于此，本公开提出了瞬时短路式的瞬时磁隔离反馈技术，通过瞬时磁隔离模块的瞬时短路方式获取输出电压变换信息，并实现输出电压的闭环控制，具有线路简单、响应快、稳定性好的特点，值得推广应用。具体参见以下实施例：
【第一实施例】
参见图1，其为本公开第一实施例提供的一种基于磁隔离反馈开关电源的模块连接示意图。该开关电源例如包括：滤波模块、功率变换模块、整流滤波模块、欠压锁定模块、PWM控制模块、电压反馈模块、过流保护模块和瞬时磁隔离模块。
结合图2，滤波模块用于电连接直流输入，并对其进行滤波处理，得到相应的滤波直流；该滤波模块可以是常规的具有电抗元件的滤波电路，例如滤波模块包括电感L1和电容C1，该二者顺序电连接在直流输入的正极VIN+和VIN－之间。
该功率变换模块电连接在滤波模块和整流滤波模块之间，用于根据PWM信号对上述滤波直流进行直流功率转换，得到转换直流。例如该功率变换模块例如包括变压器T1、场晶体管Q1和电阻RS1；其中，变压器T1的输入侧电连接上述滤波电路的电感L1，变压器T1的输入侧还电连接场晶体管Q1的漏极，场晶体管Q1的源极电连接电阻R S1和PWM控制模块，电阻RS1接地；场晶体管Q1的栅极电连接PWM控制模块，以根据器输出的PWM信号，控制场晶体管Q1的导通与否。其中，场晶体管Q1典型的为场效应晶体管。
整流滤波模块电连接上述功率变换模块，用于对上述转换直流进行整流和滤波处理，得到直流输出。例如该整流滤波模块包括二极管D1和电容C2，其中二极管D1电连接于变压器T1的输出侧的正极线路VOUT+上，也即直流输出的正极，电容C2电连接二极管D1，电容C2还通过电阻RS2接地。
瞬时磁隔离模块电连接在上述直流输出和PWM控制模块之间；具有瞬时短路电路，并通过瞬时短路的方式获取直流输出的输出电压变化，并根据该输出电压变化得到反馈电压，并将反馈电压通过电信号传递至PWM控制模块。
PWM控制模块根据所述反馈电压产生PWM信号并传递给上述场晶体管Q1。PWM控制模块可以是PWM芯片例如型号为UC1843的芯片。
在一个具体实施过程中，该开关电源还包括电压反馈模块和过流保护模块。电压反馈模块电连接上述直流输出以获取直流输出的电压信息，还电连接瞬时磁隔离模块将该电压信息传递至瞬时磁隔离模块。具体的，电压反馈模块还根据所述电压信息得到直流输出的电压变化信息，并传递至瞬时磁隔离模块。过流保护模块电连接所述直流输出和所述瞬时磁隔离模块，提供过电流保护，避免电流过大损坏瞬时磁隔离模块。
在一个具体实施过程中，该开关电源还包括欠压锁定模块，电连接上述滤波模块和PWM控制模块，用于为PWM控制模块提供稳定的工作电压。
下面结合图3对瞬时磁隔离模块的一种实现电路进行说明：
其中，瞬时磁隔离模块包括：采样电路，电连接连接所述直流输出，得到所述直流输出电压；瞬时短路电路，连接所述采样电路，在所述瞬时短路时根据所述输出电压变化得到采样电压；磁反馈变压器B2，具有初级侧和次级侧，所述初级侧连接PWM控制模块，次级侧连接所述瞬时短路电路，所述瞬时短路电路处于所述瞬时短路时将所述采样电压反馈至所述PWM控制模块；所述PWM控制模块连接所述PWM控制电路，根据所述采样电压和预置电压产生所述反馈电压。
结合图3，对上述瞬时磁隔离模块的电路连接和工作原理作进一步说明。磁反馈变压器B2的初级侧电连接PWM控制模块，次级侧电连接瞬时短路电路。其中，磁反馈变压器B2的次级交流信号通过整流管D7整流，提供Vref2输出，为基准源N4和比较器N3A提供供电。直流输出的电压VOUT+经R33、R34分压后得到输出电压的电压信息，将其与基准电压N4进行比较，得到输出电压的电压变化信息。
当直流输出的电压VOUT+高于稳态电压时，比较器N3A的2脚电压高于3脚电压，比较器N3A的1脚输出为零，二极管D10导通，将PNP三极管T5的基极拉低，三极管T5导通；反馈变压器B2的次级通过二极管D9、D8、三极管T5形成回路实现瞬时短路，使得磁反馈变压器B2的初级侧也相应的短路，二极管D5正端的电压为零，PWM控制模块采用UC1843芯片的2脚由初级阈值电压(R15与R16的分压)决定，2脚电压升高，占空比减小，使得直流输出的电压降低。
反之亦然。当直流输出的电压低于稳态电压时，比较器N3A的2脚电压低于3脚电压，比较器N3A的1脚输出为高电平，二极管D10截至，三极管T5截至，磁反馈变压器B2的次级侧开环输出。UC1843的2脚电压由变压器初级侧的信号通过D5负向整流得到的负电压与初级的预置电压叠加而拉低，控制占空比增大，从而实现直流输出的电压升高。
在一个具体实施过程中，该开关电源的PWM控制模块根据自身振荡器频率获取载波信号。结合图4，PWM芯片UC1843的RT/CT脚(4脚)产生的三角波信号与电阻R9、R10的直流分压值进行比较，通过方波发生器产生与开关频率同频的载波信号。该载波信号施加在由R11、R12、与三极管T3组成电流源，为磁反馈变压器B2提供励磁电流。这样做的目的是统一脉冲信号与开关信号的频率，避免干扰问题。
本公开实施例提供的开关电源相具有如下技术效果：
1)现有技术中，磁反馈变压器的载波信号是开关电源后级单独搭建产生，将输出电压的采样信号传输到磁反馈变压器的初级侧形成闭环控制。而上述实施例中磁反馈变压器的载波信号是利用开PWM控制模块自身的振荡器频率作为载波信号，避免了多种开关频率的产生，减少了干扰源，提高了开关电源的系统稳定性。
2)上述实施例直流输出的电压信号的传输方式不同于现有技术中磁隔离反馈采样信号的传输方式。上述实施例通过瞬时短路方式传输上述电压信号，当直流输出的电压发生变化时，通过磁反馈变压器次级侧的瞬时短路与否，将上述电压发生变化的信号反馈至磁反馈变压器的初级侧，并在初级信号负向整流输出负电压，将负电压与初级的预置电压叠加后，送到PWM控制器以调整PWM信号的占空比，实现输出电压的稳定。
3)减少了磁反馈变压器的载波信号的再次产生，直接利用其初级侧电连接的PWM控制模块的振荡频率通过方波发生器形成和开关频率同频的载波信号，减少了二次频率的产生，减少了干扰源。
4)直流输出的电压反馈是由磁反馈变压器的次级侧和初级侧的瞬时短路方式实现，线路简单，有助于成本的减低；同时直流输出的电压信号传输到磁反馈变压器的初级侧的响应很快，因此开关电源的直流输出的电压精度及电压、负载调整率、负载阶跃响应等参数性能很好。
【第二实施例】
本公开第二实施例提供的一种用电器，该用电器具有如上第一实施例所述的开关电源。该用电器使用在强辐照环境下，例如为星载设备、空间站、太空舱上的用电器，或工作于空间站、卫星或太空舱等太空设备。
在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多路单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信电连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信电连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多路网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本公开各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于磁隔离反馈开关电源，其特征在于，包括：
滤波电路，电连接直流输入并进行滤波处理，得到滤波直流；
功率变换模块，电连接所述滤波模块，根据PWM信号对所述滤波直流进行直流转换，得到转换直流；
整流滤波模块，对所述转换直流进行整流和滤波，得到直流输出；
PWM控制模块，电连接所述功率变换模块，根据反馈电压生成所述PWM信号；
瞬时磁隔离模块，电连接所述直流输出和所述PWM控制模块，通过瞬时短路获取输出电压变化，并根据所述输出电压变化得到所述反馈电压。
2.根据权利要求1所述的基于磁隔离反馈开关电源，其特征在于，还包括：
电压反馈模块，电连接所述直流输出和所述瞬时磁隔离模块，获取所述直流输出的电压并反馈输出至所述瞬时磁隔离模块；
过流保护模块，电连接所述直流输出和所述瞬时磁隔离模块。
3.根据权利要求1所述的基于磁隔离反馈开关电源，其特征在于，所述瞬时磁隔离模块包括：
采样电路，连接所述直流输出，得到所述直流输出电压；
瞬时短路电路，连接所述采样电路，在所述瞬时短路时根据所述直流输出电压得到采样电压；
磁反馈变压器，具有初级侧和次级侧，所述初级侧连接PWM控制模块，次级侧连接所述瞬时短路电路，所述瞬时短路电路处于所述瞬时短路时将所述采样电压反馈至所述PWM控制模块；
所述PWM控制模块连接所述PWM控制电路，根据所述采样电压和预置电压产生所述反馈电压。
4.根据权利要求3所述的基于磁隔离反馈开关电源，其特征在于，所述PWM控制模块输出所述反馈电压；
根据所述采样电压和基准电压得到所述输出电压变化，在莫斯开关导通时将所述输出电压变化反馈至所述PWM控制模块，所述PWM控制模块根据所述输出电压变化和预置电压产生所述反馈电压。
5.根据权利要求1所述的基于磁隔离反馈开关电源，其特征在于，所述瞬时磁隔离模块包括：
磁反馈变压器，具有初级侧和次级侧，所述初级侧连接PWM控制模块，次级侧输出基准电压；
分压电路，电连接所述电压反馈模块，根据所述直流输出获取分压电压；
比较器，电连接所述磁反馈变压器和所述分压电路，获取所述基准电压和所述分压电压并进行比较，得到比较信号；
短路电路，连接所述磁反馈变压器并具有莫斯开关，所述莫斯开关连接所述比较器获取所述比较信号，并在根据所述比较器导通或断开，在其导通时使得所次级侧短路，达到所述瞬时短路。
6.根据权利要求5所述的基于磁隔离反馈开关电源，其特征在于，将所述电压变化信号反馈至所述PWM控制模块，具体为：将所述次级侧的电压信号耦合至所述初级侧。
7.根据权利要求1所述的基于磁隔离反馈开关电源，其特征在于，还包括：
欠压锁定模块，电连接所述滤波模块和所述PWM控制模块。
8.根据权利要求1所述的基于磁隔离反馈开关电源，其特征在于，所述PWM控制模块根据自身振荡器频率获取载波信号。
9.一种用电器，其特征在于，具有如权利要求1-8任意一项所述的开关电源。
10.根据权利要求9所述的用电器，其特征在于，所述用电器工作于空间站、卫星或太空舱。
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