专利名称：直流宽范围输入电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电源，特别涉及一种具备3:1宽范围直流输入DC/DC电源。
背景技术：
目前市场上DC/DC电源的种类很多，然而它们的输入范围普遍不够宽，通常输入最高电压Umax与最低电压Umin的比值，即Umax/Umin为2，例如输入为9V-18V、18V-36V等。而对很多特殊应用的场合，该输入范围很难满足用户需求，比如矿用车辆系统，该系统主要由发电机供电，电机的输出电压时常大幅度地变化，所以客观上要求DC/DC模块电源具备较宽的工作范围，而市面上同类产品显然无法满足其要求。正是基于此，我们要开发出一款具备3:1宽范围直流输入DC/DC电源模块，以填补市场空白，适应这些特殊应用场合。当然同时它也能满足常规使用，可谓“一机多用”。本发明想要实现如何在较宽的输入范围内，比如3:1的时候，给系统各控制模块稳定地供电，使系统可以正常工作。如何在较宽的输入范围内，保证电源的工作状态的稳定，并在输入大幅变动时，实现快速响应，保证输出的质量。
发明内容
为了解决现有技术中DC/DC电源无法提供较宽的工作范围的问题，本发明提供一种电源控制电路，用于直流宽范围输入DC/DC电源中，电源控制电路内部主要由电源管理模块和主控部分组成，其中，主控部分采用电流型控制，包括误差放大器、电流比较器、RS触发器、逻辑控制单元、栅极驱动器；电源管理模块包括基准电压源、软启动控制器、欠压锁定电路。根据本发明的一个方面，在主控部分，电压误差采样信号与给定的基准电压在电压误差放大器比较放大后输出，而后将电流误差信号与电压误差放大器的输出信号在电流比较器进行比较放大，电流比较器的输出信号输入一个RS触发器的R端，RS触发器的S端连接一个振荡器，RS触发器的输出信号传输到一个逻辑控制单元，以此来控制栅极驱动器的输出脉冲的占空比，使输出的电流跟随误差电压变化。根据本发明的一个方面，基准电压源用于提供内部基准源；欠压锁定电路用于提供欠压锁定功能，一旦供电电压低于设定的阈值电压，随即产生一个电平信号输送到逻辑控制单元，关断驱动信号输出；软启动控制器根据欠压锁定电路产生的输出信号对软启动斜率进行控制。根据本发明的一个方面，电源控制电路还包括一个锯齿波发生器，以及与误差放大器输出端相连的输出嵌位电路。根据本发明的一个方面，电源控制电路中还包括电流阈值保护模块，通过过电流比较器将过电流采样信号与基准电流进行比较，比较的结果输入到软启动控制器。本发明还提供了一种直流宽范围输入DC/DC电源，包括上述任意一种电源控制电路。
本发明中的电源控制电路以及直流宽范围输入DC/DC电源可用在矿用车辆系统及其它特定领域的系统中，具有广阔的前景。比如在原电池供电系统，对于一个由两节12V原电池串联的使用场合，即使电池组电压下降到初始电压的50%，该模块仍可以无故障正常工作，这大大提高了电池的利用效率，经济效益也十分可观。
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。图1为根据本发明实施例的直流宽范围输入电源电路图。图2为根据本发明实施例的电源控制电路主控部分框图。图3为根据本发明实施例的电源控制电路电源管理模块框图。图4为根据本发明实施例的电源控制电路框图。图5为根据本发明实施例的电源控制电路电流阈值保护模块。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。根据本发明的优选实施例，参见附图1，直流宽范围输入DC/DC电源在输入端设计有整流桥BD1。这样一来，既能实现直流无极性输入，又能通过低压交流供电，拓展了应用场合，并增加了使用的灵活性。整流桥后接有输入滤波电容Cl和C2，用于滤除输入端引入的干扰噪音，并给DC/DC变换提供一个相对稳定的输入电压。直流宽范围输入DC/DC电源主要由电源控制电路实现控制功能，配合分立元件构成的电路，提供稳定的输出电源。本发明中的电源控制电路是个独立的技术方案，能够实现对电源电路的控制，可以单独的用在不同的电源电路中，实现对电源输出电流及电压的控制。先介绍电源控制电路外接的电路，后面介绍其各功能模块。在电源控制电路外围，SS端口外接一电容C7到GND，控制输出电压启动时的上升速度，此电容还用于故障后重新启动时间的控制；ITH为误差放大器补偿端口，其与GND之间接有电容C9，还并接有电容C8与电阻R12的串联电路；FB端口接收通过光耦合器EL817从输出侧传输到输入侧的输出电压误差信号，光耦合器EL817和端口 FB之间连接有电阻R16，FB端口与GND之间连接有电容Cll和电阻R17 ；FS外接一电阻R15到GND，用以设置工作频率；RUN端口通过外接电容ClO连接到GND，并通过R18连接到光耦合器EL817 U3A ；SYN端口可用于连接外部的同步信号，这里直接接GND ; IS端口通过R14和R13连接到GND，它有两个功能，对电流型控制，它监视开关电流，由外部电阻检测取样，另一功能做斜率补偿；CC端口直接接GND ；0UT端为驱动输出端，外接NMOS-FET Ql和Q2的栅极，Ql和Q2的源极通过电阻R13连接到GND，漏极连接到变压器Tl初级侧的抽头S2，并连接到二极管Dl的正极，Dl的负极通过电阻R7和电容C4的并联电路连接到整流桥BDl的输出端以及变压器Tl初级侧的抽头SI，其电平范围从VCC到GND ；VCC通过电阻Rl、R2、R3和R4连接到整流桥BDl的输出端，其中，Rl和R2并联后与R3和R4的并联电路相串联；VCC与GND之间还连接有电容C3和三端可调分流基准源TL431，TL431的另一端连接在电阻R5和R6之间，R5的另一端连接VCC，R6的另一端连接GND ；VCC还通过电阻R8和二极管D2连接到变压器Tl初级侧的抽头S3，电容C5连接到二极管D2负极和电阻R8的连接点，变压器Tl初级侧的抽头S4接GND。在变压器的次级侧，抽头S5通过肖特基二极管D4、D5以及电阻R23和电容C14的串联电路相并联的电路连接到输出端口 J2，输出端口 J2的I脚和2脚之间连接有电容C15和C16，2脚与变压器Tl次级侧的抽头S6相连并接到GND，I脚通过电阻R22连接光耦合器EL817 U3B的正极，I脚还通过R20和R21的串联电路接GND，光耦合器U3B的负极与GND之间接三端可调分流基准源TL431，光耦合器U3B的负极与三端可调分流基准源TL431的另一端之间连接有电容C13和电阻R19的串联电路。接下来，我们对电源控制电路的组成部分做进一步的介绍。电源控制电路内部主要由电源管理模块和主控部分组成。主控部分采用电流型控制。其组成模块有误差放大器、电流比较器、RS触发器、逻辑控制单元、栅极驱动器。具体工作原理如下电压误差采样信号(FB)与给定的基准电压在电压误差放大器比较放大后输出，而后将电流误差信号(I SENSE)与电压误差放大器的输出信号在电流比较器进行比较放大，电流比较器的输出信号输入一个RS触发器的R端，RS触发器的S端连接一个振荡器，RS触发器的输出信号传输到一个逻辑控制单元，以此来控制栅极驱动器的输出脉冲(OUT)的占空比，使输出的电流跟随误差电压(FB)变化。功能模块如图2所示。与之前的电压控制型电源系统相比较，电流控制型系统保留了电压控制型系统的输出电压反馈环节，同时又增加了一个电流反馈环节。这样一来，整个系统由原先的一阶系统演变为二阶系统，大大提高了系统性能。当输入电压或负载等有扰动时，系统输出端抑制扰动的能力增强，只要回路中电流稍有变化，不必等到输出电压变化，就能进行自动调节，相当于有输出电压微分反馈特性。因此电流型控制系统具备更快的响应速度和更可靠的稳定性。鉴于以上优点，采用了电流型控制方案。为保证电路在相对较低的电压启动，提供一组比较精确的基准电压，并具备足够的驱动能力和完善的供电保护机制，需增加系统电源管理模块。其功能模块如图3所示。电源管理模块包括基准电压源、软启动控制器、欠压锁定电路。电源管理模块给驱动电路供电。基准电压源用于提供内部基准源；欠压锁定电路用于提供欠压锁定功能，一旦供电电压低于设定的阈值电压，随即产生一个电平信号输送到逻辑控制单元，关断驱动信号输出；软启动控制器根据欠压锁定电路产生的输出信号对软启动斜率进行控制。参见附图4可见，电源控制电路主要由电源管理模块和主控部分组成。在ITH端的电压控制着由振荡器形成的脉冲宽度调制。此时，ITH端还设置一个电流比较器的触发阈值，电流比较器的ISENSE端输入监视外部电流检测电阻(串在MOSFET源极的)上的电压，在每个工作周期开始时，振荡器设置RS触发器，令外部功率MOSFET导通，随着通过外部功率MOSFET的电流上升，ISENSE端电压也上升，电流比较器在达到保护电平时，即将SR复位，关闭外部功率MOSFET。从FB端通过误差放大器、电流比较器和RS触发器执行了一个完整的闭环电流型控制，从而保持输出电压稳定。此外，电源控制电路还包括一个锯齿波发生器，以及与误差放大器输出端相连的输出嵌位电路。要使电源可靠工作，首先要解决的无疑是如何实现可靠地供电。考虑到本案输入电压最低为10V，若采用独立辅助电源给电源控制部分供电，则辅助电源同样也必须在输入大幅变化时保证稳定的输出，这显然要增加电路的复杂性，同时也提高了成本。与此同时我们注意到，电源控制部分本身的能耗很低，且主要集中在输出驱动脉冲(OUT)上。鉴于以上考虑，选用固定DC电压来启动电路工作。电路启动后，变压器中的反馈绕组经整流滤波输出具备一定稳压精度的电压，将其做进一步稳压处理即可取代启动DC电压电路给系统供电。启动DC电压稳压和反馈供电稳压可通过一块TL431来实现。德州仪器公司(TI )生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf (2.5V)到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为O. 2 Ω，在很多应用中用它代替齐纳二极管，它具备如下特性
■可编程输出电压2. 5V 36V
■电压参考误差±0. 4%，典型值@25°C (TL431B)
■低动态输出阻抗0·22Ω (典型值)
■等效全范围温度系数50 ppm/°C (典型值)
■温度补偿操作全额定工作温度范围 ■输出电流1. O—100晕安 ■最大输入电压为37V ■最大工作电流150mA ■内基准电压为2. 5V。尽管输入电压范围较宽，但由于启动电流不大，TL431电路完全可以提供一个较为精确的稳压输出。随之，启动和供电部分电路迎刃而解。TL431是许多工程师熟知的一款芯片，其应用电路相对简单，此处不再赘述。具体连接电路参见附图1。开机后，系统内部振荡器通过FS外接的电阻设定的频率开始振荡，SYNC用于外部脉冲信号输入，此处不用。输入电压经限流电阻后经TL431电路稳压给电源控制电路提供供电电压，从而启动电路工作，而后由反馈绕组滤波稳压取代启动电路给系统供电。电源管理模块可检测供电电压的变化，在供电出现异常时，通过逻辑控制单元停止信号输出。开机瞬间，由于输出电压还没来得及建立，所以存在一个较大的输出误差信号，如果没有软启动措施，会引发控制回路超调，经若干个周期才能进入稳态。为此增加系统软启动功能,在软启动过程中，内部恒流源对SS端外接的对地的电容充电,并以电容电压作为误差信号控制占空比，进而逐步建立起输出电压，避免了开机瞬间的冲击和超调。电路启动进入稳态后，输出电压误差信号通过光耦传输到初级侧，经分压后输入到的FB端，为避免输出传输噪声和电路自身噪声干扰，在FB加一旁路电容对地。ITH为电压误差放大器的输出，它对地接阻容补偿网络来补偿系统输出误差信号的频率响应。初级侧则通过接在N-MOS管源极对地的过流电阻来对输入侧电流采样，后经电阻输入到IS端作为电流误差信号。该电流误差信号除作为脉宽调制的变量外，还用来实现过流及短路保护。电源控制电路内部先将输出误差信号和内部基准进行比较放大，从而输出电流基准信号。该电流基准信号再与电流误差信号进行比较放大输出总误差信号，该误差信号和锯齿波进行比较后输出PWM调制信号，控制占空比的改变，进而调整输出电压稳定在预设值。这就是系统自身采用的双环闭环控制模式，既能实现稳定的电压输出，又可以有效控制电流的波动，极大增强了系统的可靠性。本发明实施例中的电源实现的技术参数如下
输入DC 10V-30V
输出DC18V/1A 具备输出本安保护特性 输入对输出耐压等级为1500V 输入、输出对外壳耐压等级为500V 具备输入防反措施 整体温度不超过100度 输出纹波≤200mV 负载调整率≤5%。可选地，为了实现完备的电流保护，电源控制电路中还可增加电流阈值保护模块，如图5示。通过过电流比较器将过电流采样信号与基准电流进行比较，比较的结果输入到软启动控制器。由于主控部分已经具备电流采样信号保护功能，此功能暂时未使用。输出侧采用肖特基整流和电容滤波后即可产生稳定的输出电压。输出侧的误差信号检测有经典的TL431+光耦的方式实现，前面已经描述了，此处不 再详解。本发明的DC/DC电源模块能够实现具有3:1的宽范围直流输入，可用在矿用车辆系统、原电池供电系统等系统中，具备广阔的前景。比如在原电池供电系统，对于一个由两节12V原电池串联的使用场合，即使电池组电压下降到初始电压的50%，该模块仍可以无故障正常工作，这大大提高了电池的利用效率，经济效益十分可观。
虽然已在具体实施方案中描述了本发明的实施方案及其各种功能组件，但是应当理解，可以用硬件、软件、固件、中间件或它们的组合来实现本发明的实施方案，并且本发明的实施方案可以用在多种系统、子系统、组件或其子组件中。本发明的每个实施例都可以与其它的实施例中的器件相互进行组合，而不是孤立的、单一的实施例，所有实施例之间都可以相互融合而形成新的实施例或者不同的解决方案。虽然本发明已经详细的示出并描述了一个相关且特定的实施范例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求保护的范围。
权利要求
1.一种电源控制电路，用于直流宽范围输入DC/DC电源中，其特征在于电源控制电路内部主要由电源管理模块和主控部分组成，其中，主控部分采用电流型控制，包括误差放大器、电流比较器、RS触发器、逻辑控制单元、 栅极驱动器；电源管理模块包括基准电压源、软启动控制器、欠压锁定电路。
2.如权利要求1中的电源控制电路，其特征在于在主控部分，电压误差采样信号与给定的基准电压在电压误差放大器比较放大后输出，而后将电流误差信号与电压误差放大器的输出信号在电流比较器进行比较放大，电流比较器的输出信号输入一个RS触发器的R端,RS触发器的S端连接一个振荡器,RS触发器的输出信号传输到一个逻辑控制单元，以此来控制栅极驱动器的输出脉冲的占空比，使输出的电流跟随误差电压变化。
3.如权利要求1中的电源控制电路，其特征在于基准电压源用于提供内部基准源；欠压锁定电路用于提供欠压锁定功能，一旦供电电压低于设定的阈值电压，随即产生一个电平信号输送到逻辑控制单元，关断驱动信号输出； 软启动控制器根据欠压锁定电路产生的输出信号对软启动斜率进行控制。
4.如权利要求1中的电源控制电路，其特征在于电源控制电路还包括一个锯齿波发生器，以及与误差放大器输出端相连的输出嵌位电路。
5.如权利要求1中的电源控制电路，其特征在于电源控制电路中还包括电流阈值保护模块，通过过电流比较器将过电流采样信号与基准电流进行比较，比较的结果输入到软启动控制器。
6.一种直流宽范围输入DC/DC电源，其特征在于包括如权利要求1_5任意一项中的电源控制电路。
全文摘要
为了解决目前DC/DC电源输入范围普遍不够宽的问题，本发明提供了一种电源控制电路及3:1宽范围直流输入DC/DC电源，电源控制电路内部主要由电源管理模块和主控部分组成，其中，主控部分采用电流型控制，包括误差放大器、电流比较器、RS触发器、逻辑控制单元、栅极驱动器；电源管理模块包括基准电压源、软启动控制器、欠压锁定电路。
文档编号H02M3/335GK103036439SQ201210542160
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者贾华忠, 张泽忠, 张经, 高波 申请人:山西科达自控工程技术有限公司