一种用于无人机冗余供电的理想二极管的制作方法

1.本发明涉及无人机供电技术领域，具体涉及一种用于无人机冗余供电的理想二极管。


背景技术：

2.传统的冗余供电是采用功率二极管对多路供电电源进行并联汇流后对外供电。但由于功率二极管存在pn结导通压降(导通压降约为1v～2v)，而无人机的供电电压是28v的直流电，且供电电流较大，所以由二极管导通压降引起的发热损耗非常大。近年来，有厂家推出了专用理想二极管控制芯片，结合功率场效应管(mosfet)使用，可以实现理想二极管的功能，显著降低传统分立式硅二极管或肖特基二极管由于正向电压降而损失的能量。但是，理想二极管控制芯片的抗干扰能力较差，在无人机内部恶劣的供电环境下，容易出现下述问题：在开关的边沿会有电压振荡，致使供电回路反复开关，导致mosfet损坏；mosfet的关断时间长，致使供电电源的隔离失效；mosfet的栅极驱动电路是非隔离的，容易产生误开通或误关断故障。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的是现有理想二极管所存在的问题，提供一种用于无人机冗余供电的理想二极管。
4.为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.一种用于无人机冗余供电的理想二极管，由电流感应电路、隔离驱动电路、快速关断电路、以及功率输出电路组成；电流感应电路的输入端连接无人机的偏置电源，电流感应电路的输出端连接到隔离驱动电路的输入端，隔离驱动电路的输出端连接到快速关断电路的输入端，快速关断电路的输出端连接到功率输出电路的输入端，功率输出电路的输出端连接无人机的主供电源。
6.上述方案中，电流感应电路由单极霍尔开关k1，电容c6，以及电阻r3和r5组成；单极霍尔开关k1的第2脚、电容c6的一端和电阻r3的一端连接；单极霍尔开关k1的第1脚和电容c6的另外一端连接，并形成电流感应电路的输入端的负极；电阻r3另外一端和电阻r5一端相连，并形成电流感应电路的输入端和输出端的正极；单极霍尔开关k1的第3脚与电阻r5的另外一端连接，并形成电流感应电路的输出端的负极。
7.上述方案中，隔离驱动电路由三极管q1，无芯变压器t1，二极管rd1和rd2，电容c1、c2、c4、c5和c7，以及电阻r2、r6、r8和r9组成；三极管q1的集电极、电阻r2的一端和电容c5的一端连接，并形成隔离驱动电路的输入端的正极；电容c5的另外一端、电容c1的一端与无芯变压器t1的输入侧的正极连接；三极管q1的基极、电阻r2的另外一端、电阻r6的一端和电容c7的一端连接；电容c7的另外一端、电阻r6的另外一端和电阻r9的一端连接，并形成隔离驱动电路的输入端的负极；电阻r9的另外一端、电阻r8的一端、电容c4的一端与无芯变压器t1的输入侧的负极连接；三极管q1的发射极、电容c1的另外一端、电阻r8的另外一端和电容c4
的另外一端连接；无芯变压器t1的输出侧的正极与电容c2的一端连接；电容c2的另外一端、二极管rd1的阴极和二极管rd2的阳极连接；二极管rd2的阴极形成隔离驱动电路的输出端的正极；无芯变压器t1的输出侧的负极与二极管rd1的阳极相连，并形成隔离驱动电路的输出端的负极。
8.上述方案中，快速关断电路由三极管q2，稳压二极管rd1，瞬态电压抑制二极管rd3，二极管rd4，电容c3和c8，以及电阻r1、r4和r7组成；三极管q2的基极、稳压二极管rd1的阳极、电阻r7的一端和电容c8的一端连接，并形成快速关断电路的输入端的正极，与隔离驱动电路的输出端的正极连接；三极管q2的集电极、电阻r7的另外一端、电容c8的另外一端、瞬态电压抑制二极管rd3的阳极、电容c3的一端连接，并形成快速关断电路的输入端和输出端的负极，与隔离驱动电路的输出端的负极连接；三极管q2的发射极、稳压二极管rd1的阴极和电阻r1的一端连接；电阻r1的另外一端、电容c3的另外一端、电阻r4的一端和电阻r10的一端连接；电阻r10的另外一端与二极管rd4的阴极连接；二极管rd4的阳极和电阻r4的另外一端连接，并形成快速关断电路的输出端的正极。
9.上述方案中，功率输出电路由功率场效应管q3组成；功率场效应管q3的栅极形成功率输出电路的输入端的正极，与快速关断电路的输出端的正极连接；功率场效应管q3的漏极形成功率输出电路的输出端的正极；功率场效应管q3的源极形成功率输出电路的输入端和输出端的负极，与快速关断电路的输出端的负极连接。
10.与现有技术相比，本发明具有如下特点：
11.1、场效应管导通电阻为毫欧(mω)级，产生电压降远低于传统分立式硅二极管或肖特基二极管，损耗的能量极低；
12.2、实现隔离驱动，具备较强的抗干扰能力，不易发生误开通或误关断；
13.3、具备快速关断能力，抑制了栅极与源极间的电压振荡。
附图说明
14.图1为一种用于无人机冗余供电的理想二极管的原理图。
具体实施方式
15.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
16.一种用于无人机冗余供电的理想二极管，如图1所示，由电流感应电路、隔离驱动电路、快速关断电路、以及功率输出电路组成。电流感应电路的输入端连接无人机的偏置电源，通过无人机的偏置电源对电流感应电路供电，电流感应电路的输出端连接到隔离驱动电路的输入端，隔离驱动电路的输出端连接到快速关断电路的输入端，快速关断电路的输出端连接到功率输出电路的输入端，功率输出电路的输出端连接无人机的主供电源。
17.电流感应电路由单极霍尔开关k1，电容c6，以及电阻r3、r5组成。单极霍尔开关k1的第2脚、电容c6的一端和电阻r3的一端连接；单极霍尔开关k1的第1脚和电容c6的另外一端连接，并形成电流感应电路的输入端的负极，与+5v的无人机的偏置电源的负极连接；电阻r3另外一端和电阻r5一端相连，并形成电流感应电路的输入端和输出端的正极，与+5v的无人机的偏置电源的正极连接；单极霍尔开关k1的第3脚与电阻r5的另外一端连接，并形成
电流感应电路的输出端负极。
18.隔离驱动电路由三极管q1，无芯变压器t1，二极管rd1、rd2，电容c1、c2、c4、c5、c7，以及电阻r2、r6、r8、r9组成。其中三极管q1为npn型三极管。二极管rd1和二极管rd2可以采用一个串联二极管实现。三极管q1的集电极、电阻r2的一端和电容c5的一端连接，并形成隔离驱动电路的输入端的正极，与电流感应电路的输出端的正极连接；电容c5的另外一端、电容c1的一端与无芯变压器t1的输入侧的正极连接；三极管q1的基极、电阻r2的另外一端、电阻r6的一端和电容c7的一端连接；电容c7的另外一端、电阻r6的另外一端和电阻r9的一端连接，并形成隔离驱动电路的输入端的负极，与电流感应电路的输出端的负极连接；电阻r9的另外一端、电阻r8的一端、电容c4的一端与无芯变压器t1的输入侧的负极连接；三极管q1的发射极、电容c1的另外一端、电阻r8的另外一端和电容c4的另外一端连接；无芯变压器t1的输出侧的正极与电容c2的一端连接；电容c2的另外一端、二极管rd1的阴极和二极管rd2的阳极连接；二极管rd2的阴极形成隔离驱动电路的输出端的正极；无芯变压器t1的输出侧的负极与二极管rd1的阳极相连，并形成隔离驱动电路的输出端的负极。
19.快速关断电路由三极管q2，稳压二极管rd1，瞬态电压抑制二极管(tvs)rd3，二极管rd4，电容c3、c8，以及电阻r1、r4、r7组成。其中三极管q2为pnp型三极管。三极管q2的基极、稳压二极管rd1的阳极、电阻r7的一端和电容c8的一端连接，并形成快速关断电路的输入端的正极，与隔离驱动电路的输出端的正极连接；三极管q2的集电极、电阻r7的另外一端、电容c8的另外一端、瞬态电压抑制二极管rd3的阳极、电容c3的一端连接，并形成快速关断电路的输入端和输出端的负极，与隔离驱动电路的输出端的负极连接；三极管q2的发射极、稳压二极管rd1的阴极和电阻r1的一端连接；电阻r1的另外一端、电容c3的另外一端、电阻r4的一端和电阻r10的一端连接；电阻r10的另外一端与二极管rd4的阴极连接；二极管rd4的阳极和电阻r4的另外一端连接，并形成快速关断电路的输出端的正极。
20.功率输出电路由功率场效应管q3组成。功率场效应管q3的栅极形成功率输出电路的输入端的正极，与快速关断电路的输出端的正极连接；功率场效应管q3的漏极形成功率输出电路的输出端的正极，与无人机的主供电源的输入端连接；功率场效应管q3的源极形成功率输出电路的输入端和输出端的负极，与快速关断电路的输出端的负极和无人机的主供电源的输出端连接。
21.本发明的工作原理和过程如下：
22.电容三点式lc正弦波振荡电路的重要特性是：与三极管发射极相连的两个电抗元件为相同性质的电抗元件，而与三极管集电极(或基极)相连接的电抗元件是相反性质的。理想二极管的隔离驱动电路的振荡频率f0可用下式进行计算：
[0023][0024]
忽略分布电容、三极管的寄生极间电容等因素，式中l1为无芯变压器t1的初级线圈等效电感值，c
x
约等于电容c1、c4的串联值，即
[0025][0026]
可以计算其集电极静态工作电流i
cq
[0027][0028]
低功耗振荡电路的静态工作点可选取在离饱和区稍远但又在截止区附近的区域。因此，集电极静态工作电流i
cq
大约在0.8～4ma之间选取。理想二极管的隔离驱动电路采用共射放大的方式，通过c1、c4在b、e结之间形成正反馈，结构简单，所需器件较少。
[0029]
经过电容c1与c4分压后施加在三极管的b、e结之间形成正反馈，因此其反馈系数f可以用下式来表示：
[0030][0031]
反馈系数一般取值0.1～0.5，太小不容易起振，取值太大则容易使振荡波形产生失真，输出频率的稳定性也会相应地降低。
[0032]
由于电子线路中寄生电感的存在，为抑制栅极驱动电压振荡，所以必须对电阻r4进行合理取值，提供足够的阻尼，减少功率场效应管开关瞬间的振荡。电阻r4的取值必须满足下述公式：
[0033][0034]
式中lk表示回路中的寄生电感，c
gs
表示功率场效应管栅极与源极之间的寄生电容。
[0035]
电流感应电路单极霍尔开关k1布置于功率输出电路的功率场效应管q3的周围，用于监测无人机的主供电源的电流。当场效应管q3源极至漏极的通路有电流流过时，供电线路产生磁场，单极霍尔开关k1输出低电平，接通隔离驱动电路；当场效应管q3源极至漏极的通路无电流流过或电流由场效应管q3的漏极流向源极时，单极霍尔开关k1输出高电平。
[0036]
隔离驱动电路以无芯变压器为界，分隔为驱动电路的输入部分和隔离驱动电路的输出部分。当隔离驱动电路接通时：隔离驱动电路的输入部分所构成的电容三点式(colpitts)振荡器，振荡频率为10mhz～50mhz；隔离驱动电路的输出部分所构成的半波整流电路，向快速关断电路输出幅值为12v～18v的直流电压。隔离驱动电路的输入部分与输出部分通过无芯变压器的隔离实现了对功率输出电路的隔离驱动，阻断了功率输出电路通过电源线向驱动信号输入端子传递干扰的途径。
[0037]
当隔离驱动电路向快速关断电路输出幅值为12v～18v的直流电压时，该直流电压通过稳压二极管rd1、电阻r1、r4输出给功率输出电路。当隔离驱动电路无输出时，此时快速关断电路处于快关断状态，三极管q2导通，通过二极管rd4将电阻r10接入放电电路，减少放电电路的电阻，加快功率输出电路中功率场效应管q3的栅源极间电容cgs的放电速度，从而达到快速关断的目的，抑制了栅极与源极间的电压振荡。
[0038]
功率输出电路的场效应管q3在未导通时，漏极与源极之间的电压v
ds
决定了理想二极管的反向耐电压，由漏极至源极的通路处于截止状态。功率输出电路的场效应管q3在导通时，供电电源由源极流向漏极，由于功率场效应管的导通电阻为毫欧(mω)级，产生的电压降远低于传统分立式硅二极管或肖特基二极管。
[0039]
场效应管导通电阻为毫欧(mω)级，产生电压降远低于传统分立式硅二极管或肖
特基二极管，损耗的能量极低；实现隔离驱动，具备较强的抗干扰能力，不易发生误开通或误关断；具备快速关断能力，抑制了栅极与源极间的电压振荡。可见本发明既满足冗余供电防反需要，发热损耗小，开关速度快，又有效实现隔离驱动，具备较强的抗干扰性能。
[0040]
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。