一种可减小星载相控阵脉冲电源输入电流脉动的控制电路的制作方法

本发明属于航天器二次电源技术领域，涉及一种电源控制电路，尤其涉及低输入电流脉动，高功率密度的脉冲电源。

背景技术：

现如今，相控阵雷达在资源勘探、环境监测、灾害预警、军事侦察、图像匹配制导等领域具有非常广泛的应用范围，然而其特殊的工作特性对载荷系统的二次电源性能指标提出了较为苛刻的要求。相控阵雷达天线阵面的每个功放组件输出峰值功率一般在数百瓦，对于载荷系统的二次电源而言，其后级为容性脉冲负载，系统工作时二次电源的输出电流存在大幅度的波动。根据能量守恒定律，输出功率的波动必然会在输入功率方面有所体现，因此输入电流也将存在大幅度的波动，而母线电流的大幅度波动会降低整星供电系统的可靠性及安全性，从而增加了整星供电系统的设计难度。

根据脉冲电源的工作原理，电源输入电流的波动幅度受组件端电容容量、电容器特性、电容器位置、电缆阻抗等因素的影响。为了减小二次电源的电流脉动，优化整星供电系统的设计，降低设计难度，在现有的恒压控制模式下，只能采取增加电容器数量，优化电容阵布局设计，增大电缆阻抗等方法。然而受实际条件约束，如二次电源体积与重量指标限制，电容器高频特性差等因素的制约，采取以上方法将付出较大的代价，与当今电源小型化、高功率密度的设计思路相悖，且这些方式对减小电流波动幅度的作用也十分有限，并非最优化的解决方案。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可以减小星载相控阵脉冲电源输入电流脉动的控制电路，针对负载特性采用交互式的控制方案，通过恒压/恒流控制方式的切换，可以有效消除电源带相控阵脉冲负载工作时输入电流的脉动，解决了现有电源带低重频脉冲负载工作时容易导致供电母线电流波动大的问题。

本发明的技术解决方案是：一种可减小星载相控阵脉冲电源输入电流脉动的控制电路，包括脉冲负载重频驱动信号接收电路、控制环切换电路、电压环控制电路、电流环控制电路、输出防过冲电路，其中：

脉冲负载重频驱动信号接收电路，接收脉冲负载端脉冲重频驱动信号，产生与脉冲负载重频驱动信号同频同相，幅值恒定的脉冲信号，分别作为电流环控制电路和控制环切换电路的输入；

控制环切换电路：根据脉冲负载重频驱动信号接收电路的输出信号，当脉冲负载不工作时，使得电压环控制电路工作，当脉冲负载工作时，使得电流环控制电路工作；

电压环控制电路：当脉冲负载不工作时，接收电源输出的电压信号，产生能够使得电源的输出电压保持恒定的控制信号并送至外部的电源控制器；

电流环控制电路：当脉冲负载工作时，接收电源输出的电流信号，产生能够使得电源的输出电流自动随脉冲负载的脉冲占空比变化而变化的控制信号并送至外部的电源控制器，以维持电源输出电压的稳定；

输出防过冲电路：当电源输出电压由于控制环切换电路的切换产生过冲并超过设定的限定值时，控制外部的电源控制器停止采用控制信号对电源进行控制，当电源的输出电压恢复至设定的限定值以内时，控制外部的电源控制器根据控制信号对电源进行控制。

所述的脉冲负载重频驱动信号接收电路包括电阻R1、电阻R2、光耦V1以及基准电压源Vref，脉冲负载重频驱动信号的正线接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接光耦V1中发光二极管的阳极，发光二极管的阴极接脉冲负载重频驱动信号的回线；基准电压源Vref接光耦V1中光敏半导体管的阳极，光敏半导体管的阴极作为脉冲负载重频驱动信号接收电路的输出，同时光敏半导体管的阴极通过电阻R2接地。

所述的控制环切换电路包括电阻R3、电容C1、电压比较器U1、电阻R4、电阻R5和电阻R6，脉冲负载重频驱动信号接收电路的输出信号经电阻R3、电容C1组成的低通滤波器滤波后接入电压比较器U1的反相输入端，基准电压Vref经电阻R5、电阻R6分压后接入电压比较器U1的同相输入端，电压比较器U1的输出端通过上拉电阻R4接基准电压Vref，同时电压比较器U1的输出作为控制环切换电路的输出信号。

所述的电压环控制电路包括运算放大器U2、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C2、电容C3、电容C4、二极管D1，运算放大器U2的同相输入端接控制环切换电路的输出，电源的输出电压经电阻R7、电阻R8分压后送至运算放大器U2的反相输入端，电阻R9、电容C2串联后并联在电阻R7的两端，电阻R10、电容C4串联连接在运算放大器U2的反相输入端与输出端之间，电容C3并联在电阻R10、电容C4的两端，运算放大器U2的输出端接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接至外部的电源控制器。

所述的电流环控制电路包括运算放大器U3、电阻R12、电阻R13、电阻R15、电容C6、电容C7、二极管D2，脉冲负载重频驱动信号接收电路的输出脉冲信号送入运算放大器U3的同向输入端，电源输出的电流检测信号经电阻R12、电阻R13分压后送至运算放大器U3的反相输入端；电阻R15、电容C7串联，再与电容C6并联后跨接在运算放大器U3的输出端和反相输入端之间，运算放大器U3的输出端接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极接至外部的电源控制器。

所述的电压比较器U4、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、二极管D3、二极管D4、电阻R18，基准电压Vref经过电阻R19后接入电压比较器U4的同相输入端，电源输出电压经电阻R21、电阻R22分压后接电压比较器U4的反相输入端，电阻R20的两端分别接电压比较器U4的同相输入端与二极管D3的阳极，二极管D3的阴极接电压比较器U4的输出端，供电VCC经电阻R18接电压比较器U4的输出端，二极管D4的阴极接电压比较器U4的输出端，二极管D4的阳极接外部电源控制器的使能端。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明控制电路采用恒压/恒流自适应切换的控制方式，当脉冲负载未工作时，对供电电源采用电压闭环控制，使输出电压建立至额定值；当脉冲负载开始工作后，由输出电压闭环控制切换为输出电流闭环控制，对脉冲负载重频驱动信号进行滤波处理后，将其作为调节输出电流大小的依据，使得输出电流自动随负载脉冲占空比的变化而变化，以维持输出电压的相对稳定；本发明相对于传统恒压控制变换器，可以在满足电源输出功率要求的同时，控制电感电流保持平滑，消除输入电流的波动，提高整星供电系统的可靠性与安全性；

(2)本发明控制电路采用RC滤波器对脉冲负载重频驱动信号接收电路输出的脉冲信号进行滤波，得到脉冲信号平均值，在不同工况下可自动根据当前占空比调节输出电流大小，维持输出电压的稳定；

(3)本发明控制电路通过增加输出防过冲电路，对输出电压进行监测，避免了瞬态切换过程中输出电压超过限定值对后级产生影响，使二次电源输出电压控制在一定范围内，弥补了恒流控制的不足。

附图说明

图1为本发明控制电路的整体电路原理图；

图2为本发明脉冲负载重频驱动信号接收电路的原理图；

图3为本发明控制环切换电路的原理图；

图4为本发明电压环控制电路的原理图；

图5为本发明电流环控制电路的原理图；

图6为本发明输出防过冲电路的原理图。

具体实施方式

本发明的控制策略是：当脉冲负载未工作时，对供电电源采用电压闭环控制，使输出电压建立至额定值；当脉冲负载开始工作后，由输出电压闭环控制切换为输出电流闭环控制，对脉冲负载重频驱动信号进行滤波处理后，将其作为调节输出电流大小的依据，使得输出电流自动随负载脉冲占空比的变化而变化，以维持输出电压的相对稳定；当脉冲负载停止工作时，系统再由输出电流闭环控制切换回输出电压闭环控制，输出电压重新稳定在额定值，为脉冲负载的下一次工作做好准备。针对控制环路切换过程中产生的输出电压过冲问题，配合相应的输出防过冲电路，可以将输出电压控制在限定范围内，防止状态切换瞬间输出电压过冲损坏后级负载。

如图1所示，本发明的控制电路主要包括脉冲负载重频驱动信号接收电路、控制环切换电路、电压环控制电路、电流环控制电路、输出防过冲电路。

如图1、图2所示，脉冲负载重频驱动信号接收电路包含一个光耦隔离器V1和电阻R1、电阻R2。脉冲负载重频驱动信号接收电路输入端接收脉冲负载端脉冲负载重频驱动信号，经过光耦V1隔离，利用基准电压Vref得到与脉冲负载重频驱动信号同频同相，幅值为Vref的脉冲信号，此信号分别作为电流环控制电路和控制环切换电路的输入。当电源正常工作时，脉冲负载重频驱动信号接收电路接收到脉冲负载重频驱动信号时，其输出电压信号经过电流环控制电路中两级RC滤波器滤波后，得到与脉冲驱动信号占空比D成正比的固定幅值信号作为电流环控制电路的控制参考量；同时脉冲负载重频驱动信号接收电路(1)的输出电压信号经过控制环切换电路中RC滤波器滤波后，送至控制环切换电路中电压比较器的反相输入端，作为控制环切换电路的控制参考量。

如图1、图3所示，控制环切换电路，将脉冲负载重频驱动信号接收电路的输出信号经电阻R3、电容C1组成的低通滤波器滤波后接入电压比较器U1的反相输入端，基准电压Vref经电阻R5、电阻R6分压后接电压比较器U1的同相输入端，电压比较器U1的输出端通过上拉电阻R4接基准电压Vref。当脉冲负载不工作时，脉冲负载重频驱动信号接收电路输出低电平，电压比较器U1的反相输入端电压为零，同相输入端电压高于反向输入端电压，控制环切换电路输出高电平，其作为电压环控制电路的基准电压，经电阻R11送入电压环控制电路的运算放大器U2的同向输入端，电流环控制电路中运算放大器U3的同相输入端电压为零，因此电流环控制电路的输出为零，在电压环控制电路和电流环控制电路输出端两个共阴极二极管D1、D2作用下，电压环控制电路起作用，电源工作于恒压模式；当脉冲负载开始工作后，脉冲负载重频驱动信号接收电路开始接收重频驱动信号，其输出电压变为与脉冲重频驱动信号占空比相同，频率相同，幅值恒定的脉冲信号，经过电流环控制电路和控制环切换电路中滤波器滤波后，使电流环控制电路和控制切换电路的输出电压翻转，同时电压环控制电路运算放大器U2的同相输入端为低电平，电流环控制电路中运算放大器U3的同相输入端变为高电平，两控制电路的输出同时翻转，在输出端共阴极二极管的作用下，电流环控制电路开始起作用，电源切换为恒流控制模式。

如图1、图4所示，电压环控制电路，运算放大器U2的同相输入端经过限流电阻R11接控制环切换电路的输出，电源的输出电压经电阻R7、电阻R8分压后送至运算放大器U2的反相输入端，电阻R9、电阻R10，电容C2、电容C3、电容C4分别为电压环参数调节电阻及调节电容，电压环控制电路主要起到变换器输出电压调节作用。其中电阻R9、电容C2串联后并联在电阻R7的两端，电阻R10、电容C4串联连接在运算放大器U2的反相输入端与输出端之间，电容C3并联在电阻R10、电容C4的两端，运算放大器U2的输出端接二极管D1的阳极，二极管D1与电流环控制电路中的二极管D2共阴极相连，最后接至驱动脉冲生成电路的控制信号输入端。

如图1、图5所示，电流环控制电路，将脉冲负载重频驱动信号接收电路的输出脉冲信号经过R16、电容C8、电阻R17、电容C9组成的两级RC滤波电路进行滤波后，送入运算放大器U3的同向输入端；将外部输出电流检测电路输出的电流检测信号经电阻R12、电阻R13分压以及电容C5滤波后，再经过限流电阻R14后送至运算放大器U3的反相输入端；电阻R15、电容C6、电容C7分别为电流环参数调节电阻和调节电容，其中电阻R15、电容C7串联，再与电容C6并联后跨接在运算放大器U3的输出端和反相输入端之间，运算放大器U3的输出端接二极管D2的阳极，二极管D2与电压环控制电路中的二极管D1共阴极相连，接至驱动脉冲生成电路的控制信号输入端。

如图1、图6所示，输出防过冲电路，基准电压Vref经过限流电阻R19后接入电压比较器U4的同相输入端，电源输出电压经电阻R21、电阻R22分压后接电压比较器U4的反相输入端，电容C10、电容C11作为滤波电容分别接在同相输入端、反相输入端与地线之间。电阻R20接电压比较器U4的同相输入端与二极管D3的阳极，二极管D3的阴极接电压比较器U4的输出端，供电电源VCC经上拉电阻R18接电压比较器U4的输出端，二极管D4阳极接驱动脉冲生成电路使能端。当电源稳定工作时，电压比较器U4同相输入端电压高于反相输入端电压，电压比较器U4输出高电平，二极管D3和D4均反向截止，驱动脉冲生成电路正常工作。当电源输出电压由于瞬态切换产生过冲并超过设定的限定值时，电压比较器U4反相输入端电压高于同相输入端电压，电压比较器U4输出低电平，二极管D3、D4正向导通，由于二极管D4导通将脉冲生成电路使能端电压被拉低，脉冲生成电路停止工作，从而达到输出防过冲的目的。当电源输出电压开始逐渐降低，输出电压降低并小于设定的参考电压时，电压比较器U4的同相输入端电压再次高于反相输入端电压，输出端电压再次翻转，电源重新开始工作，通过设置电阻R21、电阻R22的阻值可以设定防过冲限定值，通过设置电阻R19、电容R20的阻值可以设定自恢复输出电压值。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。