系列连续开关并联调节器过充保护电路及保护方法
【专利摘要】本发明公开一种系列连续开关并联调节器过充保护电路，包含：第二蓄电池组采样电路，其采集蓄电池组的电压；第三比较电路，其判断蓄电池组是否过充并输出蓄电池组是否过充的判断结果；逻辑输入电路，其接收第三比较电路的输出的蓄电池组是否过充的判断结果，在发生蓄电池组过充时参与逻辑控制；第二P-MOS管，蓄电池组未过充时，第二P-MOS管导通，蓄电池组发生过充时，第二P-MOS管断开。本发明在蓄电池组不过充时不参与S4R电路；蓄电池组过充时，参与逻辑控制电路的运算，改变逻辑控制电路的控制逻辑，母线功率足够的情况下将富余的太阳阵功率分流，控制第一P-MOS管断开充电主功率回路；电路结构及工艺流程简单。
【专利说明】系列连续开关并联调节器过充保护电路及保护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种航天电源控制技术，具体涉及一种系列连续开关并联调节器过充保护电路及保护方法。
【背景技术】
[0002]针对全调节母线在地球静止轨道(GE0轨道)和低轨道(LE0轨道)航天器使用的特点，ESA电源系统室首先研制成功系列连续开关并联调节器(S4R, Series SequentialSwitching Shunt Regulator)功率调节技术。S4R主功率回路一方面给母线供电,另一方面与蓄电池组相连，当母线及蓄电池组都不需要功率时，S4R主功率通过N-MOS管对地分流掉。S4R主功率回路在给蓄电池组充电时，S4R主功率通往母线的回路并未断开，只是由于蓄电池组电压比母线电压低，通往母线的二极管反向截止，保证母线电压保持不变。若蓄电池组发生过充，通往母线的二极管随着蓄电池组过充的加剧极易抬升母线电压，造成母线电压不稳定。此外，锂离子蓄电池有一个最大的特点:严禁过充电，深度过充会导致电池内部有机电解液分解成气体，蓄电池发热，壳体变形，甚至壳体爆裂。通常采用电子线路来保证锂离子蓄电池的充电终压始终限定在规定的范围内，以避免充电电压过大对锂离子蓄电池造成不可恢复的损害。
[0003]目前，S4R过充保护方法通常有两种:第一种采用通过额外增加控制蓄电池组单体最高电压来达到防过充的目的；第二种是额外增加防过充电路或增加软件控制，一旦蓄电池组过充，即把N-MOS管导通，将太阳阵功率分流。但上述第一种方法仍参与S4R的反馈控制环路，未将防过充真正独立，反而易造成蓄电池过充的发生；第二种方法虽将过充保护独立出去，但一旦发生蓄电池组过充，该S4R调节的太阳阵功率也将损失，造成能源浪费。因此必须设计专门的过充电路及方法一方面降低蓄电池组过充的发生的可能性，另一方面保证S4R调节的太阳阵功率参与母线功率的调节。
[0004]如图1所示，为现有技术的一种S4R过充保护电路及方法。其中S4R电路包含:太阳阵116，电路连接太阳阵116的N-MOS管111的漏极和母线滤波电路113，通过母线117连接母线滤波电路113的母线采样电路103，电路连接母线采样电路103的第一比较电路104，电路连接N-MOS管111栅极的第一驱动电路108，电路连接N-MOS管111漏极的第一 P-MOS管112的源极，电路连接第一 P-MOS管112栅极的第二驱动电路109，电路连接第一 P-MOS管112漏极的蓄电池组滤波电路114，电路连接蓄电池组滤波电路114的蓄电池组115，电路连接蓄电池组115的第一蓄电池组采样电路105，电路连接第一蓄电池组采样电路105输出端的第二比较电路106，电路连接第二比较电路106和第一比较电路104输出端的逻辑控制电路107，逻辑控制电路107输出端电路连接第一驱动电路108和第二驱动电路109，太阳阵116与母线滤波电路113之间电路连接有一功率二极管110，N-MOS管111漏极与第一P-MOS管112的源极之间电路连接有一功率二极管110。
[0005]具体的S4R过充保护电路包含有电路连接第一蓄电池组采样电路105输出端的第二蓄电池组采样电路101，电路连接第二蓄电池组采样电路101输出端的第三比较电路102，第三比较电路102输出端电路连接至第一驱动电路108。
[0006]该S4R过充保护电路直接通过所述第二蓄电池组采样电路101及第三比较电路102实现，一旦蓄电池组115发生过充现象，该方法立即将太阳阵116功率分流掉，保证蓄电池组115及母线117的安全。该方法简单，但是以损失太阳阵功率为前提。显然该方法只能适用于太阳阵功率特别富余的场合，而该场合下一般不采用S4R功率调节技术，因此该方法在S4R过充保护应用中有所限制。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种系列连续开关并联调节器过充保护电路及保护方法，该电路结构及工艺流程简单，易于工程实现。
[0008]为实现上述目的，本发明提供一种系列连续开关并联调节器过充保护电路，其特点是，该过充保护电路包含:
第二蓄电池组采样电路，其电路连接系列连续开关并联调节器的蓄电池组的正、负极，采集蓄电池组的电压作为过充保护电路的反馈输出；
第三比较电路，其输入端电路连接第二蓄电池组采样电路的输出端，判断蓄电池组是否过充并输出蓄电池组是否过充的判断结果；
逻辑输入电路，其输入端电路连接第三比较电路的输出端，其输出端电路连接系列连续开关并联调节器的逻辑控制电路；逻辑输入电路接收第三比较电路的输出的蓄电池组是否过充的判断结果，在发生蓄电池组过充时，参与逻辑控制；
第二 P-MOS管，其栅极电路连接第三比较电路的输出端，其漏极电路连接系列连续开关并联调节器的蓄电池组滤波电路，其源极电路连接系列连续开关并联调节器的第一P-MOS管的漏极；蓄电池组未过充时，第二 P-MOS管导通，蓄电池组发生过充时，第二 P-MOS管断开。
[0009]上述第三比较电路输出端与第二 P-MOS管栅极之间电路连接有第三驱动电路；第三驱动电路用于控制所述第二 P-MOS管的导通或断开。
[0010]上述系列连续开关并联调节器的蓄电池组为锂离子蓄电池组。
[0011]一种上述系列连续开关并联调节器过充保护电路的保护方法，其特点是，该方法包含:
第二蓄电池组采样电路采集系列连续开关并联调节器的蓄电池组的电压传输至第三比较电路；
第三比较电路判断蓄电池组是否发生过充现象，
若蓄电池组未发生过充现象，则第三驱动电路始终保持第二 P-MOS管导通；
若蓄电池组因故障导致发生过充时，则第三驱动电路将第二 P-MOS管断开。
[0012]上述蓄电池组未发生过充时，逻辑输入电路无输出。
[0013]上述蓄电池组发生过充时，逻辑输入电路输出信号进入系列连续开关并联调节器的逻辑控制电路，切断其第二比较电路的输出信号，保证第一驱动电路的输入信号与第一比较电路的输出信号一致。
[0014]上述蓄电池组发生过充时，第二驱动电路开始输入信号，始终将第一 P-MOS管断开。
[0015]本发明系列连续开关并联调节器过充保护电路及保护方法和现有技术的系列连续开关并联调节器过充保护技术相比，其优点在于，本发明在蓄电池组未发生过充时，不参与S4R电路，尤其是逻辑控制电路的正常工作；另一方面体现在，蓄电池组发生过充时，参与逻辑控制电路的运算，改变逻辑控制电路的控制逻辑，在母线功率足够的情况下，直接将富余的太阳阵功率分流掉，同时控制第一 P-MOS管断开充电主功率回路；其次为防止由于其他原因导致第一 P-MOS管短路，而造成蓄电池组过充现象的发生，特别地增加所述第二P-MOS管及所述第三驱动电路保证充电主功率回路的断开。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为现有技术系列连续开关并联调节器的过充保护电路的电路图；
图2为本发明系列连续开关并联调节器的过充保护电路的电路图；
图3为本发明系列连续开关并联调节器的过充保护电路的电路原理图；
图4为本发明系列连续开关并联调节器的过充保护电路的逻辑控制图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
[0018]如图2所示，本发明公开了一种系列连续开关并联调节器(S4R)过充保护电路的实施例。其中，系列连续开关并联调节器包含:太阳阵216，太阳阵216电路连接至N-MOS管211的漏极和母线滤波电路213，母线滤波电路213通过母线217电路连接至母线采样电路203，母线采样电路203的输出端电路连接第一比较电路204，N-MOS管211的栅极电路连接第一驱动电路208，N-MOS管211的漏极电路连接第一 P-MOS管212的源极，第一 P-MOS管212的栅极电路连接第二驱动电路209，第一 P-MOS管212的漏极电路连接蓄电池组滤波电路214，蓄电池组滤波电路214电路连接蓄电池组215，蓄电池组215输出端电路连接第一蓄电池组采样电路205，第一蓄电池组采样电路205输出端电路连接至第二比较电路206，第二比较电路206和第一比较电路204的输出端电路连接至逻辑控制电路207，逻辑控制电路207输出端电路连接第一驱动电路208和第二驱动电路209，太阳阵216与母线滤波电路213之间电路连接有一功率二极管210，功率二极管210的正极连接太阳阵216，N-MOS管211漏极与第一 P-MOS管212的源极之间电路连接有一功率二极管210，功率二极管210的正极连接N-MOS管211的漏极。其中，蓄电池组215为锂离子蓄电池组。
[0019]本实施例所公开的过充保护电路包含:第二蓄电池组采样电路201、第三比较电路218、逻辑输入电路219、第二 P-MOS管202和第三驱动电路220。
[0020]第二蓄电池组采样电路201电路连接系列连续开关并联调节器中蓄电池组215的正、负极，用于采集蓄电池组215的电压作为过充保护电路的反馈输出。
[0021]第三比较电路218输入端电路连接第二蓄电池组采样电路201的输出端，接收第二蓄电池组采样电路201的过充保护电路的反馈输出，判断蓄电池组215是否过充并输出蓄电池组215是否过充的判断结果。第三比较电路218的输出端电路连接逻辑输入电路219和第三驱动电路220，将蓄电池组215是否过充的判断结果输出至逻辑输入电路219和第三驱动电路220。
[0022]第三驱动电路220输入端电路连接第三比较电路218输出端，输出端电路连接第二 P-MOS管202的栅极。用于控制第二 P-MOS管202的导通或断开。
[0023]第二 P-MOS管202栅极电路连接第三驱动电路220的输出端，其漏极电路连接系列连续开关并联调节器的蓄电池组滤波电路214，其源极电路连接系列连续开关并联调节器的第一 P-MOS管212的漏极。当蓄电池组215未过充时，第三驱动电路220控制第二 P-MOS管202导通，蓄电池组215发生过充时，第三驱动电路220控制第二 P-MOS管202断开。
[0024]逻辑输入电路219输入端电路连接第三比较电路218的输出端，其输出端电路连接系列连续开关并联调节器的逻辑控制电路207。逻辑输入电路219接收第三比较电路218的输出的蓄电池组215是否过充的判断结果，在发生蓄电池组215过充时，参与系列连续开关并联调节器的逻辑控制。
[0025]本实施例还公开了一种系列连续开关并联调节器过充保护电路的保护方法，该方法包含:
第二蓄电池组采样电路201采集系列连续开关并联调节器的蓄电池组215的电压传输至第三比较电路218。
[0026]第三比较电路218将接收的蓄电池组215的电压与预设的过充阈值相比较，判断蓄电池组215是否发生过充现象。
[0027]若否，蓄电池组215未发生过充现象，则第三驱动电路220始终保持第二 P-MOS管202导通，同时逻辑输入电路219无输出。
[0028]若是，蓄电池组215因故障导致发生过充时，则第三驱动电路220将第二 P-MOS管202断开，同时逻辑输入电路219输出信号进入系列连续开关并联调节器的逻辑控制电路207,切断其第二比较电路206的输出信号,保证第一驱动电路208的输入信号与第一比较电路204的输出信号一致，以及第二驱动电路209始输入信号，始终将第一 P-MOS管212断开。
[0029]如图3所示，为本发明所公开的S4R过充保护电路的基本原理图，过充保护电路具体包含第二蓄电池组采样电路201、第三比较电路218、第三驱动电路220、第二 P-MOS管202、逻辑输入电路219。此外，图中还包括S4R控制电路部分的逻辑控制电路207。结合图2，第三比较电路218的输出信号为图3中信号SI。系列连续开关并联调节器中第二比较电路的输出信号为图3中信号S2 ;第一驱动电路的输入信号为图3中信号Nmos ;第二驱动电路的输入信号为图3中信号Pmos。
[0030]第二蓄电池组采样电路201为一般差分放大电路；第三比较电路218为一般比较电路。
[0031]结合图3所示，设计系列连续开关并联调节器过充保护电路的参数步骤如下:根据第三比较电路218中稳压管Dl的稳压值及所需设定的蓄电池组过充保护点(过充阈值)，确定第二蓄电池组采样电路201的参数值。
[0032]在蓄电池组未发生过充时，第三比较电路218中的三极管Ql处于饱和放大区，输出信号S3为地信号，在第三驱动电路220中选择合适的电阻R9与R10、稳压管D3及电阻R11，驱动第二 P-MOS管202导通，不影响S4R电路功率充电回路；同时逻辑输入信号中二极管D5的阳极被信号S3箝位，不影响S4R电路中逻辑控制电路207的正常工作。
[0033]在蓄电池组发生过充时，第三比较电路220的输出信号S3，第三比较电路218中的三极管Ql处于截止放大区，输出信号S3为高阻态，在第三驱动电路220中电阻R9及电阻Rll的电位一致，第二 P-M0S4管202截止，将S4R电路功率充电回路断开；同时逻辑输入信号中D4的阴极处于反向截止状态，选择合适的电阻R12及电阻R13，保证二极管D5的阴极电位处于逻辑控制电路207中与非门芯片U3(U3A、U3B、U3C、U3D)的高电平范围内。此时逻辑控制电路207的输出信号Pmos始终为低电平，该信号进入图2中第二驱动电路209中，将第一 P-mos管断开；输出信号Nmos始终为SI，保证图2中第一驱动电路208始终受母线采样电路203、第一比较电路204控制，实现蓄电池组的过充保护及太阳阵功率的再利用。
[0034]如图4并结合图2所示，图4中信号SI的高电平表示图2中母线217不需要功率，低电平表示母线217需要功率；信号S2的高电平表示图2中蓄电池组215需要充电，低电平表示蓄电池组215不需要充电；信号S3的高电平表示蓄电池组215已经过充，对应的图2中第二 P-MOS管202断开，低电平表示蓄电池组215未发生过充，相应的第二 P-MOS管202导通；信号Nmos的高电平表示图2中N-MOS管211导通，低电平表示N-MOS管211断开；信号Pmos表不图2中第一 P-MOS管212断开，低电平表不第一 P-MOS管212导通。
[0035]图4中，时刻A之前及时刻B之后均为S4R控制电路中逻辑控制电路207工作的逻辑示意图，在此区间显然信号Nmos及信号Pmos均受信号SI及信号S2控制，实现S4R的调节功能。在时刻A与时刻B之间，若发生蓄电池组过充现象，信号S3输出高电平，该信号一方面将第二 P-MOS管202断开，另一方面参与逻辑控制电路207的运算，使第一 P-MOS管断开，同时使信号Nmos与信号SI 一致，实现蓄电池组过充保护功能及太阳阵功率的再调节。
[0036]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种系列连续开关并联调节器过充保护电路，其特征在于，该过充保护电路包含: 第二蓄电池组采样电路，其电路连接系列连续开关并联调节器的蓄电池组的正、负极，采集蓄电池组的电压作为过充保护电路的反馈输出； 第三比较电路，其输入端电路连接第二蓄电池组采样电路的输出端，判断蓄电池组是否过充并输出蓄电池组是否过充的判断结果； 逻辑输入电路，其输入端电路连接第三比较电路的输出端，其输出端电路连接系列连续开关并联调节器的逻辑控制电路；逻辑输入电路接收第三比较电路的输出的蓄电池组是否过充的判断结果，在发生蓄电池组过充时，参与逻辑控制； 第二 P-MOS管，其栅极电路连接第三比较电路的输出端，其漏极电路连接系列连续开关并联调节器的蓄电池组滤波电路，其源极电路连接系列连续开关并联调节器的第一P-MOS管的漏极；蓄电池组未过充时，所述第二 P-MOS管导通，蓄电池组发生过充时，所述第二 P-MOS管断开。
2.如权利要求1所述的系列连续开关并联调节器过充保护电路，其特征在于，所述第三比较电路输出端与第二 P-MOS管栅极之间电路连接有第三驱动电路；第三驱动电路用于控制所述第二 P-MOS管的导通或断开。
3.如权利要求1所述的系列连续开关并联调节器过充保护电路，其特征在于，所述系列连续开关并联调节器的蓄电池组为锂离子蓄电池组。
4.一种如权利要求1至3中任意一项权利要求所述系列连续开关并联调节器过充保护电路的保护方法，其特征在于，该方法包含: 第二蓄电池组采样电路采集系列连续开关并联调节器的蓄电池组的电压传输至第三比较电路； 第三比较电路判断蓄电池组是否发生过充现象， 若蓄电池组未发生过充现象，则第三驱动电路始终保持第二 P-MOS管导通； 若蓄电池组因故障导致发生过充时，则第三驱动电路将第二 P-MOS管断开。
5.如权利要求4所述的保护方法，其特征在于，所述蓄电池组未发生过充时，逻辑输入电路无输出。
6.如权利要求4所述的保护方法，其特征在于，所述蓄电池组发生过充时，逻辑输入电路输出信号进入系列连续开关并联调节器的逻辑控制电路，切断其第二比较电路的输出信号，保证第一驱动电路的输入信号与第一比较电路的输出信号一致。
7.如权利要求4所述的保护方法，其特征在于，所述蓄电池组发生过充时，第二驱动电路开始输入信号，始终将第一 P-MOS管断开。
【文档编号】H02H7/18GK104319838SQ201410556102
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】戴永亮, 刘远, 张婷婷, 周健, 史源, 王新征 申请人:上海空间电源研究所