用于高边保护开关管的恒压限流隔离驱动电路及控制方法与流程

本发明属于dc/dc变换器功率拓扑隔离驱动保护电路技术领域，具体涉及一种用于高边保护开关管的恒压限流隔离驱动电路及控制方法。

背景技术：

航天器在空间运行时能源系统为航天设备中的所有单机提供高质量的母线电压，其中电源控制器是能源系统的重要组成部分之一。为了实现对电源控制器功率拓扑的开关控制以及有效保护，一般在功率拓扑的高边串联保护开关管。高边保护开关管的驱动电路需要与功率拓扑进行有效隔离，保证控制电路与功率电路互补影响，从而实现对高边保护开关管的有效驱动。

驱动电路以及保护开关管的性能直接影响功率拓扑的整体性能。目前常用的保护开关管驱动电路为隔离电路，其功耗过大，影响功率拓扑的效率，难以适应航天电源高效率的要求。

技术实现要素：

为了解决传统保护开关管驱动电路难以实现低功耗的技术难题，本发明提供一种用于高边保护开关管的恒压限流隔离驱动电路及控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于高边保护开关管的恒压限流隔离驱动电路，其中：

电源输入vin+端连接变压器的初级线圈lt1的同名端，初级线圈lt1的异名端连接晶体开关管q1的集电极，晶体开关管q1的基极还通过电阻r2分别连接电容c1的一端和二极管d1的阴极，电容c1的另一端和二极管d1的阳极连接初级线圈lt2的同名端；

晶体开关管q1的发射极通过电阻r3连接初级线圈lt2的异名端；初级线圈lt2的异名端还连接开关管q3的漏极，开关管q3的栅极连接控制信号vct1，开关管q3的源极连接电源输入vin-端；

变压器的次级线圈lt3的异名端通过电阻r5连接开关管q4的基极，次级线圈lt3的异名端还连接二极管d3的阳极，二极管d3的阴极连接开关管q4的发射极和电压输出vo+端，开关管q4的集电极连接次级线圈lt3的同名端和电压输出vo-端；电容c3两端分别连接电压输出vo+端、vo-端。

优选地，电源输入vin+端还通过电阻r1连接稳压二极管dz的阴极；稳压二极管dz的阳极通过电容c2连接初级线圈lt2的异名端，稳压二极管dz的阳极还连接二极管d2的阳极，二极管d2的阴极连接至初级线圈lt2的同名端；

驱动电路输出超过额定值时，稳压二极管dz导通，晶体开关管q1的基极电流减小，开关管q1提前关断，变压器初级线圈lt1峰值电流减小，变压器储能下降，使该驱动电路输出电压降低；

驱动电路输出低于额定值时，开关管q1延迟关断，变压器初级线圈lt1峰值电流增加，变压器储能增加，使该驱动电路输出电压升高。

优选地，晶体开关管q1的发射极通过电阻r3连接开关管q2的发射极，还通过电阻r4连接开关管q2的基极，开关管q2的集电极连接晶体开关管q1的基极；开关管q3的漏极还连接开关管q2的发射极；

驱动电路的输出电流超过限定值时，电阻r3两端的电压即开关管q2的基极电压大于开通电压，开关管q2导通，晶体开关管q1的基极电流减小，开关管q1提前关断，变压器初级线圈lt1峰值电流减小，限制该驱动电路的输出电流。

优选地，功率拓扑的高边串联有保护的开关管m1，驱动电路的电压输出vo+端、vo-端对应连接开关管m1的栅极和源极；

控制信号vctl置为高电平时，该驱动电路输出设定电压值，使被驱动的开关管m1导通；控制信号vctl置为低电平时，该驱动电路输出电压为零，被驱动的开关管m1关断，以保护后端的功率拓扑。

本发明的另一个技术方案是提供一种控制方法，对任意一项所述用于高边保护开关管的恒压限流隔离驱动电路进行控制，所述控制方法包括下列步骤：

步骤1)接通输入电源vin后，控制信号vctl置为高电平，该驱动电路正常启动；

步骤2)启动电流经电阻r1流向晶体开关管q1的基极，晶体开关管q1导通，晶体开关管q1集电极电流从零开始逐渐增加；

步骤3)晶体开关管q1开通后，输入电压vin加在变压器初级线圈lt1上，初级线圈lt2上产生与输入电源vin方向相同的感应电动势，该感应电动势经过二极管d1和电阻r2对晶体开关管q1的基极供电，维持晶体开关管q1的导通状态；

步骤4)变压器次级线圈lt3上的感应电压为反向电压，输出二极管d3截止，次级线圈中无电流通过；

步骤5)晶体开关管q1的集电极电流逐渐增大，使晶体开关管q1退出饱和状态，晶体开关管q1发射极和集电极之间的电压随之增大，变压器初级线圈lt1两端的电压减小，初级线圈lt2两端的感应电动势也随之减小，导致晶体开关管基极电流进一步减小，基极电流不足，晶体开关管q1迅速关断；

步骤6)晶体开关管q1关断瞬间，变压器次级线圈lt3的感应电动势反向，输出二极管d3导通，该驱动电路输出预设的电压值vo，变压器电感中存储的能量供给输出端；

步骤7)变压器中的能量全部转移到输出端后，输出二极管d3截止，此瞬间变压器各绕组电压为0，电阻r1中部分电流变为晶体开关管q1的基极电流，开关管q1再次导通，而后重复步骤3)到步骤7)。

优选地，在步骤3)中，所述的初级线圈lt2上产生的感应电动势的公式：

其中，nlt1和nlt2分别是变压器初级线圈lt1和lt2的匝数，vin是该驱动电路的输入电压，vlt2是初级线圈lt2上产生的感应电动势。

优选地，在步骤5)中，所述晶体开关管q1退出饱和状态的判断公式：

ic>ib·hfe

其中，ic是晶体开关管q1的集电极电流，ib是晶体开关管q1的基极电流，hfe是晶体开关管q1的放大倍数。

本发明所述用于高边保护开关管的恒压限流隔离驱动电路及其控制方法，其效果在于：通过主晶体开关管的通断和变压器的隔离作用，将输入电压变换成预设的隔离电压输出，并通过控制开关管的通断实现驱动电路对功率拓扑高边保护开关管的控制，从而实现对功率拓扑的保护；利用变压器辅助线圈影响主开关晶体管的通断时间，实现输出隔离电压的稳压功能；通过限流开关晶体管影响主开关管晶体管的通断时间，实现对驱动电路输出电流的限制。

附图说明

图1为功率拓扑高边保护开关管的模型图

图2为本发明用于高边保护开关管的恒压限流隔离驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细的描述。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非限定本发明的范围。

图1所示，是功率拓扑高边保护开关管的模型图，可以看出，功率拓扑的高边串联了保护开关管m1。高边保护开关管的驱动电路需要与功率拓扑进行有效隔离，保证控制电路与功率电路互补影响，从而实现对高边保护开关管的有效驱动。

图2所示，本发明提供的用于高边保护开关管的恒压限流隔离驱动电路，电源输入vin+端连接变压器的初级线圈lt1的同名端1，初级线圈lt1的异名端2连接晶体开关管q1的集电极，晶体开关管q1的发射极通过电阻r3连接开关管q2的发射极，还通过电阻r4连接开关管q2的基极，开关管q2的集电极连接晶体开关管q1的基极。晶体开关管q1的基极还通过电阻r2分别连接电容c1的一端和二极管d1的阴极，电容c1的另一端和二极管d1的阳极连接初级线圈lt2的同名端3。

电源输入vin+端还通过电阻r1连接稳压二极管dz的阴极；稳压二极管dz的阳极通过电容c2连接初级线圈lt2的异名端4，稳压二极管dz的阳极还连接二极管d2的阳极，二极管d2的阴极连接至初级线圈lt2的同名端3。开关管q3的栅极连接控制信号vct1，源极连接电源输入vin-端，漏极分别连接开关管q2的发射极和初级线圈lt2的异名端4。

变压器的次级线圈lt3的异名端6通过电阻r5连接开关管q4的基极，次级线圈lt3的异名端6还连接二极管d3的阳极，二极管d3的阴极连接开关管q4的发射极和电压输出vo+端，开关管q4的集电极连接次级线圈lt3的同名端5和电压输出vo-端。电容c3两端分别连接电压输出vo+、vo-端。

所述的恒压限流隔离驱动电路具备稳压功能，驱动电路输出超过额定值时，稳压二极管dz导通，晶体开关管q1的基极电流减小，开关管q1提前关断，变压器初级线圈lt1峰值电流减小，变压器储能下降，该驱动电路输出电压降低；驱动电路输出低于额定值时，开关管q1延迟关断，变压器初级线圈lt1峰值电流增加，变压器储能增加，该驱动电路输出电压升高。

所述的恒压限流隔离驱动电路具备限流功能，该电路输出电流超过限定值时，电阻r3两端的电压即晶体开关管q2的基极电压大于开通电压，开关管q2导通，晶体开关管q1的基极电流减小，开关管q1提前关断，变压器初级线圈lt1峰值电流减小，限制该驱动电路的输出电流。

配合参见图1、图2，电压输出vo+端连接被驱动开关管m1的栅极，电压输出vo-端与开关管m1的源极分别连接功率拓扑；开关管m1的漏极接地vss。控制信号vctl置为高电平时，该驱动电路输出设定电压值，被驱动开关管m1导通；控制信号vctl置为低电平时，该驱动电路输出电压为零，被驱动开关管m1关断，有效保护后端的功率拓扑。

基于上述的恒压限流隔离驱动电路，本发明的控制方法，包括下列步骤：

步骤1)接通输入电源vin后，控制信号vctl置为高电平，该驱动电路正常启动；

步骤2)启动电流经电阻r1流向晶体开关管q1的基极，晶体开关管q1导通，晶体开关管q1集电极电流从零开始逐渐增加；

步骤3)晶体开关管q1开通后，输入电压vin加在变压器初级线圈lt1上，初级线圈lt2上产生与vin方向相同的感应电动势，该感应电动势经过二极管d1和电阻r2对晶体开关管q1的基极供电，维持晶体开关管q1的导通状态；

步骤4)变压器次级线圈lt3上的感应电压为反向电压，输出二极管d3截止，次级线圈中无电流通过；

步骤5)晶体开关管q1的集电极电流逐渐增大，集电极电流增大到一定程度，晶体开关管q1退出饱和状态，晶体开关管q1发射极和集电极之间的电压随之增大，变压器初级线圈lt1两端的电压减小，初级线圈lt2两端的感应电动势也随之减小，导致晶体开关管基极电流进一步减小，基极电流不足，晶体开关管q1迅速关断；

步骤6)晶体开关管q1关断瞬间，变压器次级线圈lt3的感应电动势反向，输出二极管d3导通，该驱动电路输出预设的电压值vo，变压器电感中存储的能量供给输出端；

步骤7)变压器中的能量全部转移到输出端后，输出二极管d3截止，此瞬间变压器各绕组电压为0，电阻r1中部分电流变为晶体开关管q1的基极电流，开关管q1再次导通，而后重复步骤3)～步骤7)。

步骤3)中，所述的初级线圈lt2上产生的感应电动势的公式：

其中，nlt1和nlt2分别是变压器初级线圈lt1和lt2的匝数，vin是该驱动电路的输入电压，vlt2是初级线圈lt2上产生的感应电动势。

步骤5)中，所述的晶体开关管q1退出饱和状态的判断公式：

ic>ib·hfe

其中，ic是晶体开关管q1的集电极电流，ib是晶体开关管q1的基极电流，hfe是晶体开关管q1的放大倍数。

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。