專利名稱：電源控制電路及直流寬范圍輸入dc/dc電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源，特別涉及一種具備3:1寬范圍直流輸入DC/DC電源。
背景技術(shù)：
目前市場上DC/DC電源的種類很多，然而它們的輸入范圍普遍不夠?qū)?，通常輸入最高電壓Umax與最低電壓Umin的比值，即Umax/Umin為2，例如輸入為9V-18V、18V-36V等。而對很多特殊應(yīng)用的場合，該輸入范圍很難滿足用戶需求，比如礦用車輛系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)供電，電機(jī)的輸出電壓時常大幅度地變化，所以客觀上要求DC/DC模塊電源具備較寬的工作范圍，而市面上同類產(chǎn)品顯然無法滿足其要求。正是基于此，我們要開發(fā)出一款具備3:1寬范圍直流輸入DC/DC電源模塊，以填補(bǔ)市場空白，適應(yīng)這些特殊應(yīng)用場合。當(dāng)然同時它也能滿足常規(guī)使用，可謂“一機(jī)多用”。本發(fā)明想要實(shí)現(xiàn)如何在較寬的輸入范圍內(nèi)，比如3:1的時候，給系統(tǒng)各控制模塊穩(wěn)定地供電，使系統(tǒng)可以正常工作。如何在較寬的輸入范圍內(nèi)，保證電源的工作狀態(tài)的穩(wěn)定，并在輸入大幅變動時，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，保證輸出的質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中DC/DC電源無法提供較寬的工作范圍的問題，本發(fā)明提供一種電源控制電路，用于直流寬范圍輸入DC/DC電源中，電源控制電路內(nèi)部主要由電源管理模塊和主控部分組成，其中，主控部分采用電流型控制，包括:誤差放大器、電流比較器、RS觸發(fā)器、邏輯控制單元、柵極驅(qū)動器；電源管理模塊包括:基準(zhǔn)電壓源、軟啟動控制器、欠壓鎖定電路。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在主控部分，電壓誤差采樣信號與給定的基準(zhǔn)電壓在電壓誤差放大器比較放大后輸出，而后將電流誤差信號與電壓誤差放大器的輸出信號在電流比較器進(jìn)行比較放大，電流比較器的輸出信號輸入一個RS觸發(fā)器的R端，RS觸發(fā)器的S端連接一個振蕩器，RS觸發(fā)器的輸出信號傳輸?shù)揭粋€邏輯控制單元，以此來控制柵極驅(qū)動器的輸出脈沖的占空比，使輸出的電流跟隨誤差電壓變化。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，基準(zhǔn)電壓源用于提供內(nèi)部基準(zhǔn)源；欠壓鎖定電路用于提供欠壓鎖定功能，一旦供電電壓低于設(shè)定的閾值電壓，隨即產(chǎn)生一個電平信號輸送到邏輯控制單元，關(guān)斷驅(qū)動信號輸出；軟啟動控制器根據(jù)欠壓鎖定電路產(chǎn)生的輸出信號對軟啟動斜率進(jìn)行控制。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，電源控制電路還包括一個鋸齒波發(fā)生器，以及與誤差放大器輸出端相連的輸出嵌位電路。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，電源控制電路中還包括電流閾值保護(hù)模塊，通過過電流比較器將過電流采樣信號與基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較，比較的結(jié)果輸入到軟啟動控制器。本發(fā)明還提供了一種直流寬范圍輸入DC/DC電源，包括上述任意一種電源控制電路。[0010]本發(fā)明中的電源控制電路以及直流寬范圍輸入DC/DC電源可用在礦用車輛系統(tǒng)及其它特定領(lǐng)域的系統(tǒng)中，具有廣闊的前景。比如在原電池供電系統(tǒng)，對于一個由兩節(jié)12V原電池串聯(lián)的使用場合，即使電池組電壓下降到初始電壓的50%，該模塊仍可以無故障正常工作，這大大提高了電池的利用效率，經(jīng)濟(jì)效益也十分可觀。
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明再作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的直流寬范圍輸入電源電路圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電源控制電路主控部分框圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電源控制電路電源管理模塊框圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電源控制電路框圖。圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電源控制電路電流閾值保護(hù)模塊。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，參見附圖1，直流寬范圍輸入DC/DC電源在輸入端設(shè)計(jì)有整流橋BD1。這樣一來，既能實(shí)現(xiàn)直流無極性輸入，又能通過低壓交流供電，拓展了應(yīng)用場合，并增加了使用的靈活性。整流橋后接有輸入濾波電容Cl和C2，用于濾除輸入端引入的干擾噪音，并給DC/DC變換提供一個相對穩(wěn)定的輸入電壓。直流寬范圍輸入DC/DC電源主要由電源控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能，配合分立元件構(gòu)成的電路，提供穩(wěn)定的輸出電源。本發(fā)明中的電源控制電路是個獨(dú)立的技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對電源電路的控制，可以單獨(dú)的用在不同的電源電路中，實(shí)現(xiàn)對電源輸出電流及電壓的控制。先介紹電源控制電路外接的電路，后面介紹其各功能模塊。在電源控制電路外圍，SS端口外接一電容C7到GND，控制輸出電壓啟動時的上升速度，此電容還用于故障后重新啟動時間的控制；ITH為誤差放大器補(bǔ)償端口，其與GND之間接有電容C9，還并接有電容C8與電阻R12的串聯(lián)電路；FB端口接收通過光耦合器EL817從輸出側(cè)傳輸?shù)捷斎雮?cè)的輸出電壓誤差信號，光耦合器EL817和端口 FB之間連接有電阻R16，F(xiàn)B端口與GND之間連接有電容Cll和電阻R17 ；FS外接一電阻R15到GND，用以設(shè)置工作頻率；RUN端口通過外接電容ClO連接到GND，并通過R18連接到光耦合器EL817 U3A ；SYN端口可用于連接外部的同步信號，這里直接接GND ; IS端口通過R14和R13連接到GND，它有兩個功能，對電流型控制，它監(jiān)視開關(guān)電流，由外部電阻檢測取樣，另一功能做斜率補(bǔ)償；CC端口直接接GND ；0UT端為驅(qū)動輸出端，外接NMOS-FET Ql和Q2的柵極，Ql和Q2的源極通過電阻R13連接到GND，漏極連接到變壓器Tl初級側(cè)的抽頭S2，并連接到二極管Dl的正極，Dl的負(fù)極通過電阻R7和電容C4的并聯(lián)電路連接到整流橋BDl的輸出端以及變壓器Tl初級側(cè)的抽頭SI，其電平范圍從VCC到GND ；VCC通過電阻Rl、R2、R3和R4連接到整流橋BDl的輸出端，其中，Rl和R2并聯(lián)后與R3和R4的并聯(lián)電路相串聯(lián)；VCC與GND之間還連接有電容C3和三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431，TL431的另一端連接在電阻R5和R6之間，R5的另一端連接VCC，R6的另一端連接GND ；VCC還通過電阻R8和二極管D2連接到變壓器Tl初級側(cè)的抽頭S3，電容C5連接到二極管D2負(fù)極和電阻R8的連接點(diǎn)，變壓器Tl初級側(cè)的抽頭S4接GND。在變壓器的次級側(cè)，抽頭S5通過肖特基二極管D4、D5以及電阻R23和電容C14的串聯(lián)電路相并聯(lián)的電路連接到輸出端口 J2，輸出端口 J2的I腳和2腳之間連接有電容C15和C16，2腳與變壓器Tl次級側(cè)的抽頭S6相連并接到GND，I腳通過電阻R22連接光耦合器EL817 U3B的正極，I腳還通過R20和R21的串聯(lián)電路接GND，光耦合器U3B的負(fù)極與GND之間接三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431，光耦合器U3B的負(fù)極與三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431的另一端之間連接有電容C13和電阻R19的串聯(lián)電路。接下來，我們對電源控制電路的組成部分做進(jìn)一步的介紹。電源控制電路內(nèi)部主要由電源管理模塊和主控部分組成。主控部分采用電流型控制。其組成模塊有:誤差放大器、電流比較器、RS觸發(fā)器、邏輯控制單元、柵極驅(qū)動器。具體工作原理如下:電壓誤差采樣信號(FB)與給定的基準(zhǔn)電壓在電壓誤差放大器比較放大后輸出，而后將電流誤差信號(I SENSE)與電壓誤差放大器的輸出信號在電流比較器進(jìn)行比較放大，電流比較器的輸出信號輸入一個RS觸發(fā)器的R端，RS觸發(fā)器的S端連接一個振蕩器，RS觸發(fā)器的輸出信號傳輸?shù)揭粋€邏輯控制單元，以此來控制柵極驅(qū)動器的輸出脈沖(OUT)的占空比，使輸出的電流跟隨誤差電壓(FB)變化。功能模塊如圖2所示。與之前的電壓控制型電源系統(tǒng)相比較，電流控制型系統(tǒng)保留了電壓控制型系統(tǒng)的輸出電壓反饋環(huán)節(jié)，同時又增加了一個電流反饋環(huán)節(jié)。這樣一來，整個系統(tǒng)由原先的一階系統(tǒng)演變?yōu)槎A系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)性能。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載等有擾動時，系統(tǒng)輸出端抑制擾動的能力增強(qiáng)，只要回路中電流稍有變化，不必等到輸出電壓變化，就能進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，相當(dāng)于有輸出電壓微分反饋特性。因此電流型控制系統(tǒng)具備更快的響應(yīng)速度和更可靠的穩(wěn)定性。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，采用了電流型控制方案。為保證電路在相對較低的電壓啟動，提供一組比較精確的基準(zhǔn)電壓，并具備足夠的驅(qū)動能力和完善的供電保護(hù)機(jī)制，需增加系統(tǒng)電源管理模塊。其功能模塊如圖3所示。電源管理模塊包括:基準(zhǔn)電壓源、軟啟動控制器、欠壓鎖定電路。電源管理模塊給驅(qū)動電路供電?；鶞?zhǔn)電壓源用于提供內(nèi)部基準(zhǔn)源；欠壓鎖定電路用于提供欠壓鎖定功能，一旦供電電壓低于設(shè)定的閾值電壓，隨即產(chǎn)生一個電平信號輸送到邏輯控制單元，關(guān)斷驅(qū)動信號輸出；軟啟動控制器根據(jù)欠壓鎖定電路產(chǎn)生的輸出信號對軟啟動斜率進(jìn)行控制。參見附圖4可見，電源控制電路主要由電源管理模塊和主控部分組成。在ITH端的電壓控制著由振蕩器形成的脈沖寬度調(diào)制。此時，ITH端還設(shè)置一個電流比較器的觸發(fā)閾值，電流比較器的ISENSE端輸入監(jiān)視外部電流檢測電阻(串在MOSFET源極的)上的電壓，在每個工作周期開始時，振蕩器設(shè)置RS觸發(fā)器，令外部功率MOSFET導(dǎo)通，隨著通過外部功率MOSFET的電流上升，ISENSE端電壓也上升，電流比較器在達(dá)到保護(hù)電平時，即將SR復(fù)位，關(guān)閉外部功率MOSFET。從FB端通過誤差放大器、電流比較器和RS觸發(fā)器執(zhí)行了一個完整的閉環(huán)電流型控制，從而保持輸出電壓穩(wěn)定。此外，電源控制電路還包括一個鋸齒波發(fā)生器，以及與誤差放大器輸出端相連的輸出嵌位電路。要使電源可靠工作，首先要解決的無疑是如何實(shí)現(xiàn)可靠地供電。考慮到本案輸入電壓最低為10V，若采用獨(dú)立輔助電源給電源控制部分供電，則輔助電源同樣也必須在輸入大幅變化時保證穩(wěn)定的輸出，這顯然要增加電路的復(fù)雜性，同時也提高了成本。與此同時我們注意到，電源控制部分本身的能耗很低，且主要集中在輸出驅(qū)動脈沖(OUT)上。鑒于以上考慮，選用固定DC電壓來啟動電路工作。電路啟動后，變壓器中的反饋繞組經(jīng)整流濾波輸出具備一定穩(wěn)壓精度的電壓，將其做進(jìn)一步穩(wěn)壓處理即可取代啟動DC電壓電路給系統(tǒng)供電。啟動DC電壓穩(wěn)壓和反饋供電穩(wěn)壓可通過一塊TL431來實(shí)現(xiàn)。德州儀器公司(TI )生產(chǎn)的TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設(shè)置到從Verf (2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2 Ω，在很多應(yīng)用中用它代替齊納二極管，它具備如下特性:■可編程輸出電壓:2.5疒36V■電壓參考誤差:± 0.4%，典型值@25 °C (TL431B)■低動態(tài)輸出阻抗:0.22Ω (典型值)■等效全范圍溫度系數(shù):50 ppm/°C (典型值)■溫度補(bǔ)償操作全額定工作溫度范圍
■輸出電流1.0—100毫安?！鲎畲筝斎腚妷簽?7V■最大工作電流150mA■內(nèi)基準(zhǔn)電壓為2.5V盡管輸入電壓范圍較寬，但由于啟動電流不大，TL431電路完全可以提供一個較為精確的穩(wěn)壓輸出。隨之，啟動和供電部分電路迎刃而解。TL431是許多工程師熟知的一款芯片，其應(yīng)用電路相對簡單，此處不再贅述。具體連接電路參見附圖1。開機(jī)后，系統(tǒng)內(nèi)部振蕩器通過FS外接的電阻設(shè)定的頻率開始振蕩，SYNC用于外部脈沖信號輸入，此處不用。輸入電壓經(jīng)限流電阻后經(jīng)TL431電路穩(wěn)壓給電源控制電路提供供電電壓，從而啟動電路工作，而后由反饋繞組濾波穩(wěn)壓取代啟動電路給系統(tǒng)供電。電源管理模塊可檢測供電電壓的變化，在供電出現(xiàn)異常時，通過邏輯控制單元停止信號輸出。開機(jī)瞬間，由于輸出電壓還沒來得及建立，所以存在一個較大的輸出誤差信號，如果沒有軟啟動措施，會引發(fā)控制回路超調(diào)，經(jīng)若干個周期才能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。為此增加系統(tǒng)軟啟動功能,在軟啟動過程中，內(nèi)部恒流源對SS端外接的對地的電容充電,并以電容電壓作為誤差信號控制占空比，進(jìn)而逐步建立起輸出電壓，避免了開機(jī)瞬間的沖擊和超調(diào)。電路啟動進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸出電壓誤差信號通過光耦傳輸?shù)匠跫墏?cè)，經(jīng)分壓后輸入到的FB端，為避免輸出傳輸噪聲和電路自身噪聲干擾，在FB加一旁路電容對地。ITH為電壓誤差放大器的輸出，它對地接阻容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)償系統(tǒng)輸出誤差信號的頻率響應(yīng)。初級側(cè)則通過接在N-MOS管源極對地的過流電阻來對輸入側(cè)電流采樣，后經(jīng)電阻輸入到IS端作為電流誤差信號。該電流誤差信號除作為脈寬調(diào)制的變量外，還用來實(shí)現(xiàn)過流及短路保護(hù)。電源控制電路內(nèi)部先將輸出誤差信號和內(nèi)部基準(zhǔn)進(jìn)行比較放大，從而輸出電流基準(zhǔn)信號。該電流基準(zhǔn)信號再與電流誤差信號進(jìn)行比較放大輸出總誤差信號，該誤差信號和鋸齒波進(jìn)行比較后輸出PWM調(diào)制信號，控制占空比的改變，進(jìn)而調(diào)整輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。這就是系統(tǒng)自身采用的雙環(huán)閉環(huán)控制模式，既能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，又可以有效控制電流的波動，極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明實(shí)施例中的電源實(shí)現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)如下:輸入:DC 10V-30V輸出:DC18V/1A具備輸出本安保護(hù)特性輸入對輸出耐壓等級為1500V輸入、輸出對外殼耐壓等級為500V具備輸入防反措施整體溫度不超過100度輸出紋波彡200mV負(fù)載調(diào)整率彡5%可選地，為了實(shí)現(xiàn)完備的電流保護(hù)，電源控制電路中還可增加電流閾值保護(hù)模塊，如圖5示。通過過電流比較器將過電流采樣信號與基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較，比較的結(jié)果輸入到軟啟動控制器。由于主控部分已經(jīng)具備電流采樣信號保護(hù)功能，此功能暫時未使用。
輸出側(cè)采用肖特基整流和電容濾波后即可產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。輸出側(cè)的誤差信號檢測有經(jīng)典的TL431+光耦的方式實(shí)現(xiàn)，前面已經(jīng)描述了，此處不再詳解。本發(fā)明的DC/DC電源模塊能夠?qū)崿F(xiàn)具有3:1的寬范圍直流輸入，可用在礦用車輛系統(tǒng)、原電池供電系統(tǒng)等系統(tǒng)中，具備廣闊的前景。比如在原電池供電系統(tǒng)，對于一個由兩節(jié)12V原電池串聯(lián)的使用場合，即使電池組電壓下降到初始電壓的50%，該模塊仍可以無故障正常工作，這大大提高了電池的利用效率，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。雖然已在具體實(shí)施方案中描述了本發(fā)明的實(shí)施方案及其各種功能組件，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以用硬件、軟件、固件、中間件或它們的組合來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施方案，并且本發(fā)明的實(shí)施方案可以用在多種系統(tǒng)、子系統(tǒng)、組件或其子組件中。本發(fā)明的每個實(shí)施例都可以與其它的實(shí)施例中的器件相互進(jìn)行組合，而不是孤立的、單一的實(shí)施例，所有實(shí)施例之間都可以相互融合而形成新的實(shí)施例或者不同的解決方案。雖然本發(fā)明已經(jīng)詳細(xì)的示出并描述了一個相關(guān)且特定的實(shí)施范例參考，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種改變。這些改變都將落入本發(fā)明的權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1.一種電源控制電路，用于直流寬范圍輸入DC/DC電源中，其特征在于: 電源控制電路內(nèi)部主要由電源管理模塊和主控部分組成，其中， 主控部分采用電流型控制，包括:誤差放大器、電流比較器、RS觸發(fā)器、邏輯控制單元、柵極驅(qū)動器； 電源管理模塊包括:基準(zhǔn)電壓源、軟啟動控制器、欠壓鎖定電路。
2.如權(quán)利要求1中的電源控制電路，其特征在于: 在主控部分，電壓誤差采樣信號與給定的基準(zhǔn)電壓在電壓誤差放大器比較放大后輸出，而后將電流誤差信號與電壓誤差放大器的輸出信號在電流比較器進(jìn)行比較放大，電流比較器的輸出信號輸入一個RS觸發(fā)器的R端,RS觸發(fā)器的S端連接一個振蕩器,RS觸發(fā)器的輸出信號傳輸?shù)揭粋€邏輯控制單元，以此來控制柵極驅(qū)動器的輸出脈沖的占空比，使輸出的電流跟隨誤差電壓變化。
3.如權(quán)利要求1中的電源控制電路，其特征在于: 基準(zhǔn)電壓源用于提供內(nèi)部基準(zhǔn)源；欠壓鎖定電路用于提供欠壓鎖定功能，一旦供電電壓低于設(shè)定的閾值電壓，隨即產(chǎn)生一個電平信號輸送到邏輯控制單元，關(guān)斷驅(qū)動信號輸出；軟啟動控制器根據(jù)欠壓鎖定電路產(chǎn)生的輸出信號對軟啟動斜率進(jìn)行控制。
4.如權(quán)利要求1中的電源控制電路，其特征在于: 電源控制電路還包括一個鋸齒波發(fā)生器，以及與誤差放大器輸出端相連的輸出嵌位電路。
5.如權(quán)利要求1中的電源控制電路，其特征在于: 電源控制電路中還包括電流閾值保護(hù)模塊，通過過電流比較器將過電流采樣信號與基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較，比較的結(jié)果輸入到軟啟動控制器。
6.一種直流寬范圍輸入DC/DC電源，其特征在于: 包括如權(quán)利要求1_5任意一項(xiàng)中的電源控制電路。
專利摘要為了解決目前DC/DC電源輸入范圍普遍不夠?qū)挼膯栴}，本實(shí)用新型提供了一種電源控制電路及寬范圍直流輸入DC/DC電源，電源控制電路內(nèi)部主要由電源管理模塊和主控部分組成，其中，主控部分采用電流型控制，包括誤差放大器、電流比較器、RS觸發(fā)器、邏輯控制單元、柵極驅(qū)動器；電源管理模塊包括基準(zhǔn)電壓源、軟啟動控制器、欠壓鎖定電路。
文檔編號H02M3/335GK203014681SQ20122069167
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者賈華忠, 張澤忠, 張經(jīng), 高波 申請人:山西科達(dá)自控工程技術(shù)有限公司