一种卫星电源用输出启动电压无超调的二型补偿器的制作方法

1.本发明涉及空间电源技术领域，特别涉及一种卫星电源用输出启动电压无超调的二型补偿器。


背景技术：

2.二型补偿电路作为一种常用的补偿器工具常用于开关电源的控制部分，其利用了运放极大的开环增益，可以实现近乎零稳态误差电压控制，同时为开关电源提供了两个极点一个零点，可以实现对开关电源主功率拓扑的补偿，使得开关电源满足稳定性指标。但常规二型补偿电路存在开关电源空载启动时，输出电压容易超调。本质原因是在启动后，二型补偿电路的输出电压超过基准值；此时pwm芯片处于软起动过程，其输出pwm占空比不受二型补偿电路控制，因而引起控制延后导致二型补偿电路输出电压超调。开关电源启动时电压超调极易引起开关电源的输出过压保护的误动作。目前仍然欠缺一种电源空载启动时，输出电压无超调的二型补偿电路。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种卫星电源用输出启动电压无超调的二型补偿器，在实现常规二型补偿电路功能的基础上，还能够防止卫星电源空载启动时的输出电压超调(输出电压过压)，避免在卫星电源启动过程中误触发电源过压保护。
4.为了达到上述目的，本发明提供一种卫星电源用输出启动电压无超调的二型补偿器，包含：
5.二型补偿电路，包含运算放大器u1，用于为外部的pwm芯片提供误差放大信号；所述运算放大器u1的正电源端连接电源vcc的正极，运算放大器u1的负电源端接地；
6.电压采样电路，连接在卫星电源输出端的正、负极之间，用于对所述卫星电源的输出电压vo进行采样得到电压采样信号kvo，并提供给运算放大器u1的反向输入端；k为采样系数；
7.电压基准源电路，电性连接在所述电源vcc的正极和地之间；
8.时延电路，电性连接在所述电压基准电路与运算放大器u1的同向输入端之间；通过所述时延电路为运算放大器u1的同向端提供基准源延时信号v
ref
，并调整所述基准源延时信号v
ref
的上电延时时间，实现在基准源延时信号v
ref
达到稳态基准电源电压vr之前，所述电压采样信号kvo能够跟随到基准源延时信号v
ref
。
9.可选的，所述电压采样电路包含：电阻r1、r3；所述电阻r1的第一端连接卫星电源的正极，电阻r1的第二端连接电阻r3的第一端，电阻r3的第二端、卫星电源的负极接地。
10.可选的，所述电压基准源电路包含：电阻r2、稳压二极管d1；所述电阻r2的第一端连接电源vcc的正极，电阻r2的第二端连接所述稳压二极管d1的阴极，稳压二极管d1的阳极接地。
11.可选的，所述二型补偿电路还包含：电阻r6、r7、r8，电容c2、c3；所述电阻r6的第二
端连接运算放大器u1的同向输入端；所述电阻r7的第二端、所述电阻r8的第一端、所述电容c3的第一端连接运算放大器u1的反向输入端；电阻r8的第二端连接所述电容c2的第一端；电容c2的第二端、电容c3的第二端连接运算放大器u1的输出端。
12.可选的，所述时延电路包含：电阻r4、r5，电容c1；所述电阻r4的第一端连接电阻r2的第二端；电阻r4的第二端、所述电阻r5的第一端，电阻r6的第一端互相连接；电阻r5的第二端连接电容c1的第一端；电容c1的第二端接地。
13.可选的，所述二型补偿器的传递函数为：
[0014][0015]
所述二型补偿器提供的零点为：
[0016][0017]
所述二型补偿器提供的极点为：
[0018][0019]
其中，r7为电阻r7的电阻值，r8为电阻r8的电阻值，c2为电容c2的电容值，c3为电容c3的电容值。
[0020]
可选的，令电阻r1、r3的阻值分别为r1、r3，满足：
[0021][0022]
其中，v
d1
为稳压管的稳压值，vo为卫星电源的输出电压值。
[0023]
可选的，令电阻r2的阻值为r2，满足：
[0024][0025]
其中，i
d1z
为稳压管稳压的最小电流，vcc为电源vcc的输出电压值。
[0026]
与现有技术相比，本发明的卫星电源用输出启动电压无超调的二型补偿器，的有益效果在于：
[0027]
1)本发明的卫星电源用输出启动电压无超调的二型补偿器能够为外部的pwm芯片或者电流环提供误差放大信号，可以避免因卫星电源空载启动时导致的输出过压，规避了普通二型补偿电路在控制卫星电源变换器空载启动过程中误触发电源过压保护的风险。
[0028]
2)本发明的二型运算放大器补偿电路在电源启动后的动态性能与普通二型运放补偿电路一致，可以做到完全替代普通二型运放补偿电路，在卫星电源领域具有很高的工程应用价值。
[0029]
3)本发明在普通二型运放补偿电路的基础上增加少量电容、电阻元件，结构简单，节约了经济成本，具有很好的推广价值和使用价值。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
[0031]
图1为本发明实施例中，卫星电源用输出启动电压无超调的二型补偿器的结构示意图；
[0032]
图2为时延基准信号v
ref
与电压采样信号kvo的波形图；
[0033]
图3为普通二型运放补偿电路的负载启动电压波形图；
[0034]
图4为本发明二型补偿器的负载启动电压波形图；
[0035]
图5为使用buck电路对本发明二型补偿器进行稳定性测试的结果。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0038]
还应当理解，在此本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本技术。如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0039]
还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0040]
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0041]
本发明提供一种卫星电源用输出启动电压无超调的二型补偿器，作为卫星电源变换器的控制部分，特别适用于控制卫星电源变换器的空载输出电压无超调的启动。如图1所示，所述二型补偿器，包含：二型补偿电路，电压采样电路，电压基准源电路，时延电路。
[0042]
所述二型补偿电路，用于为外部的pwm芯片提供误差放大信号，其包含运算放大器u1，电阻r6、r7、r8，电容c2、c3。所述运算放大器u1的正电源端连接电源vcc的正极，运算放大器u1的负电源端接地。运算放大器u1的输出电压为v
mea
。
[0043]
电阻r6的第二端连接运算放大器u1的同向输入端；电阻r7的第二端、所述电阻r8的第一端、电容c3的第一端连接运算放大器u1的反向输入端；电阻r8的第二端连接所述电容c2的第一端；电容c2的第二端、电容c3的第二端连接运算放大器u1的输出端。
[0044]
所述电压采样电路包含电阻r1、r3。所述电阻r1的第一端连接卫星电源vo的正极，电阻r1的第二端连接电阻r3的第一端，电阻r3的第二端、卫星电源vo的负极接地。通过电压
采样电路对卫星电源vo的输出电压vo进行采样得到电压采样信号kvo(电阻r1与r3之间的电压信号)，并通过电阻r7提供给运算放大器u1的反向输入端。
[0045]
所述电压基准源电路包含：电阻r2、稳压二极管d1。所述电阻r2的第一端连接电源vcc的正极，电阻r2的第二端连接所述稳压二极管d1的阴极，稳压二极管d1的阳极接地。
[0046]
所述时延电路包含：电阻r4、r5，电容c1。所述电阻r4的第一端连接电阻r2的第二端；电阻r4的第二端、所述电阻r5的第一端，电阻r6的第一端互相连接；电阻r5的第二端连接电容c1的第一端；电容c1的第二端接地。通过所述时延电路为运算放大器u1的同向端提供基准源延时信号v
ref
(电阻r4、r5、r6的连接点处的电压信号)，并调整所述基准源延时信号v
ref
的上电延时时间，实现在基准源延时信号v
ref
达到稳态基准电源电压vr(vr与稳压管选型有关)之前，电压采样信号kvo能够跟随到基准源延时信号v
ref
。
[0047]
实施例一
[0048]
首先对r7、r8、c2、c3进行选型。
[0049]
本发明的二型补偿器的传递函数为：
[0050][0051]
本发明二型补偿器提供的零点为：
[0052][0053]
本发明二型补偿器提供的极点为：
[0054][0055]
其中，r7为电阻r7的电阻值，r8为电阻r8的电阻值，c2为电容c2的电容值，c3为电容c3的电容值。从上述3个公式可以得知，本发明的二型补偿电路的零点与极点配置与普通二型补偿电路零极点相同，因此可以根据卫星电源主功率拓扑配置零点f
zero
与极点f
pole
，确定r7、r8的阻值以及c2、c3的容值。
[0056]
然后，根据卫星电源vo的输出电压指标要求确定电阻r1，r2，r3的阻值并对稳压管选型。
[0057]
令电阻r1、r3的阻值分别为r1、r3，满足：
[0058][0059]
其中，v
d1
为稳压管的稳压值，vo为卫星电源vo的输出电压值。
[0060]
令电阻r2的阻值为r2，满足：
[0061][0062]
其中，i
d1z
为稳压管稳压的最小电流，vcc为电源vcc的输出电压值。
[0063]
本发明的卫星电源用输出启动电压无超调的二型补偿器能够为外部的pwm芯片或者电流环提供误差放大信号，可以避免因卫星电源空载启动时导致的输出过压，规避了普通二型补偿电路的卫星电源在启动过程中误触发电源过压保护的风险。本发明的二型运算放大器补偿电路在电源启动后的动态性能与普通二型运放补偿电路一致，可以做到完全替代普通二型运放补偿电路，在卫星电源领域具有很高的工程应用价值。本发的二型运放补偿器明在普通二型运放补偿电路的基础上增加少量电容、电阻元件，结构简单，节约了经济成本，具有很好的推广价值和使用价值。
[0064]
下面说明本发明二型补偿器的工作原理。如图2中的时延基准信号v
ref
与电压采样信号kvo的波形图所示，卫星电源vo空载启动时分为3个阶段，下面对3个启动阶段进行分析：
[0065]
(0，t1)时间段，外部的pwm芯片(图中未示出)处于软起动阶段，此时pwm芯片的输出占空比由0缓慢增加(pwm输出占空比不受输出信号v
mea
的控制，pwm芯片仍输出pwm占空比)，由于卫星电源为空载，卫星电源变换器主功率回路中的输出电容只有充电通路没有放电通路，因此卫星电源变换器主功率回路中的输出电容被快速充电，o很快超过v
ref
，此时补偿电路v
mea
信号输出为0v,补偿电路尝试限制pwm芯片的占空比，但由于pwm芯片处于软起动状态，不受v
mea
信号控制。
[0066]
(t1，t2)时间段，pwm芯片软起动阶段结束，此时二型补偿电路开始工作，由于此时kvo大于基准电压v
ref
，二型补偿电路限制pwm芯片占空比输出。由于卫星电源vo空载工况下，卫星电源变换器主功率回路中的输出电容上的电压无泄放通路，卫星电源vo的输出电压维持恒定，此时kvo也保持恒定；
[0067]
(t2，t3)时间段，此时卫星电源vo的输出电压跟随基准延时信号v
ref
，基准延时信号v
ref
控制输出电压缓慢无超调的升高，到达t3时刻kvo与设定电压值vr相等(这是pi补偿器的基本特性，即利用运放的高开环增益实现对被控对象的近似零的稳态误差，所以被控对象kvo与vr相等)，卫星电源变换器启动过程结束。
[0068]
基准电压上电时间t3(即图1中电容c1的充电量达到其最大充电量的90％时间)可通过下式求解：
[0069]
t3≈3(r4+5)1[0070]
软起动时间t1与所选pwm芯片的软起动电容c
ss
(此电容为pwm芯片外围电路的电容，只与pwm芯片有关，不作为本发明的重点，在此不做赘述)、对软起动电容c
ss
恒流充电的电流i
ss
、所选pwm芯片开始输出pwm信号时软起动电容c
ss
的电压阈值u
st
有关,则t1满足如下公式：
[0071][0072]
综上所述可知，适当调节电阻r4、r5的阻值及c1的容值满足如下时间的边界条件，即可实现输出电压v
mea
的无超调启动，时间边界条件为：
[0073]
(t3)≥(t1)
[0074]
实际使用时为了避免pmw芯片软起动时，因pwm占空比缓慢展开时引起的过压，可以将t3的取值为倍的t1。
[0075]
如图3为普通二型补偿电路(卫星电源电压28.6v/电流0a)的负载启动电压波形
图。空载时，二型补偿电路启动过程中的输出电压超过目标值28.6v,到达31.8v)。容易误触发过压保护而导致卫星电源变换器启动失败。
[0076]
图4为使用本发明二型补偿器的负载启动电压波形图(卫星电源电压28.6v/电流0a)，可以看出，本发明中没有出现输出电压v
mea
超调的现象。图5为使用buck电路对本发明二型补偿器进行稳定性测试的结果，事实证明本发明的二型运算放大器补偿电路在电源启动后的动态性能与普通二型运放补偿电路一致，可以做到完全替代普通二型运放补偿电路。
[0077]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。