一种小型非隔离升压储能电路的制作方法

1.本发明涉及一种储能电路，尤其涉及一种小型非隔离升压储能电路。


背景技术：

2.在航空应用场合的电源系统中，由于28v直流母线切换会导致用电设备短时断电，因此关键设备都有多路供电，或采用应急电源在直流母线切换期间提供能源。然而常规应急电源模块体积较大，不适用于分布式供电，为了将应急电源集成在关键用电设备处，必须减小体积。作为应急电源的一个关键模块，升压储能电路的可靠性与小型化设计尤为关键。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的是提供了一种小型非隔离升压储能电路，能满足航空应用场合的高可靠性、安全性、小型化与轻量化要求。
4.技术方案：本发明在于一种小型非隔离升压储能电路，包括：预充电电路、反激式主拓扑电路、峰值电流或平均电流模式pwm控制电路、过压保护电路与启动判断电路；
5.所述预充电电路由二极管vd1、电阻r2组成；所述二极管vd1阳极与输入电源正极dcin+相连，二极管vd1阴极与电阻r2一端相连，所述电阻r2另一端与第一输出电源正极dcout+相连。
6.所述反激式主拓扑电路由变压器t1、场效应晶体管v1、二极管vd2、电容c1组成；所述变压器t1原边同名端与输入电源正极dcin+相连，变压器t1原边异名端与场效应晶体管v1漏极相连，变压器t1副边同名端与地gnd相连，变压器t1副边异名端与二极管vd2阳极相连，二极管vd2阴极与输出电源正极dcout+相连；所述电容c1(24)正极与输出电源正极dcout+相连，电容c1负极与地gnd相连；
7.所述峰值电流或平均电流模式pwm控制电路(3)由电阻r1、r3、r4，控制芯片d1组成；所述电阻r1一端与控制芯片d1的电流反馈输入端ifb相连，电阻r1的另一端与地gnd相连；所述电阻r3的一端与输出电源正极dcout+相连，电阻r3另一端分别与电阻r4的一端、控制芯片d1的电压反馈输入端vfb同时相连，电阻r4的另一端与地gnd相连；所述控制芯片d1的电流反馈输入端ifb与场效应晶体管v1源极相连，控制芯片d1的脉冲方波输出端pwm与场效应晶体管v1门极相连；
8.所述过压保护电路由电阻r5、r6和比较器n1组成；所述r5的一端与输出电源正极dcout+相连，r5的另一端分别与电阻r6的一端、比较器n1的负输入端同时相连；所述电阻r6的另一端与地gnd相连；所述比较器n1的正输入端与外部基准电压vref相连，比较器n1的输出端与控制芯片d1(34)使能端oe相连；
9.所述启动判断电路由电阻r7、r8和比较器n2组成；所述r7的一端与输出电源正极dcout+相连，r7的另一端分别与电阻r8一端、比较器n2的正输入端同时相连；所述电阻r8的另一端与地gnd相连；所述比较器n2的负输入端与外部基准电压vref相连，比较器n2的输出端与控制芯片d1使能端oe相连。
10.进一步的，所述上电初始阶段电容c1通过二极管vd1与电阻r2从输入电源正极dcin+充电，当电容c1两端电压达到预设值v_set时，通过电阻r7、r8、比较器n2将控制芯片d1使能，启动反激式主拓扑电路给电容c1充电。
11.进一步的，所述电阻r2(12)的阻值范围为：假设dcin+最低正常输入电压为vmin，dcout+对gnd的直流阻抗为zout，则
[0012][0013]
在上式的基础上，通过选择较大功率电阻或多电阻串并联的形式，保证在输出电源正极dcout+对地gnd短路时，输入电源正极dcin+直接加在电阻r2两端不使电阻r2过功率损坏。
[0014]
进一步的，所述变压器t1可以通过降低充电功率实现小型化设计：在变压器t1原边电流最大，电容c1两端电压最小的工况下，设计变压器电感值使反激阶段电感电流下降至零；计算公式如下：
[0015]
在控制芯片d1峰值电流模式pwm下，假设最大占空比限制为dmax，开关频率为f，原边电流峰值ip_peak,反激电路启动工作时电容c1的电压v_set，变压器t1的原边比副边匝比为n:1；其中，n可大于1也可小于1；
[0016]
为保证反激电路工作在电感电流断续模式，反激阶段电感电流下降至零的时间必须小于一个周期内场效应晶体管v1的最小关断时间，则副边电感最大值由以下步骤得到：
[0017]
(1)由最大占空比限制与开关频率可以得出反激阶段最小时间toff_min：
[0018][0019]
(2)由变压器匝比与原边电流峰值可以得出副边电流峰值is_peak：
[0020]is_peak
＝n
·ip_peak
[0021]
(3)假设变压器t1副边电感值为ls，根据启动电容电压可得到反激阶段电感电流下降至零的时间toff：
[0022][0023]
(4)由反激阶段电感电流下降至零的时间必须小于反激阶段的最小时间可得：
[0024][0025]
(5)由此得出副边最大电感值ls_max：
[0026][0027]
进一步的，所述控制芯片d1通过硬件限制输出pwm波形的最大占空比。
[0028]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：小型化磁性元器件设计，从而减小电路体积；具有负载电路保护能力，当储能电容或输出负载短路时不会造成故障
蔓延；不限制容性负载大小；从硬件层面防止发生磁饱和问题，增强电路可靠性。
附图说明
[0029]
图1为本发明的原理示意图；
[0030]
图2为本发明的电路原理图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0032]
如图1所示，本发明实施例提供了一种小型非隔离升压储能电路，包括：预充电电路1、反激式主拓扑电路2、峰值电流或平均电流模式pwm控制电路3、过压保护电路4与启动判断电路5；
[0033]
所述预充电电路1由二极管vd111、电阻r212组成；所述二极管vd111阳极与输入电源正极dcin+相连，二极管vd111阴极与电阻r212一端相连，所述电阻r212另一端与第一输出电源正极dcout+相连。
[0034]
所述反激式主拓扑电路2由变压器t121、场效应晶体管v122、二极管vd223、电容c124组成；所述变压器t121原边同名端与输入电源正极dcin+相连，变压器t121原边异名端与场效应晶体管v122漏极相连，变压器t121副边同名端与地gnd相连，变压器t121副边异名端与二极管vd223阳极相连，二极管vd223阴极与输出电源正极dcout+相连；所述电容c124正极与输出电源正极dcout+相连，电容c121负极与地gnd相连；
[0035]
所述峰值电流或平均电流模式pwm控制电路3由电阻r131、r332、r433，控制芯片d134组成；所述电阻r131一端与控制芯片d134的电流反馈输入端ifb相连，电阻r134的另一端与地gnd相连；所述电阻r332的一端与输出电源正极dcout+相连，电阻r332另一端分别与电阻r433的一端、控制芯片d134的电压反馈输入端vfb同时相连，电阻r433的另一端与地gnd相连；所述控制芯片d134的电流反馈输入端ifb与场效应晶体管v122源极相连，控制芯片d134的脉冲方波输出端pwm与场效应晶体管v122门极相连；
[0036]
所述过压保护电路4由电阻r541、r642和比较器n143组成；所述r541的一端与输出电源正极dcout+相连，r541的另一端分别与电阻r642的一端、比较器n143的负输入端同时相连；所述电阻r642的另一端与地gnd相连；所述比较器n143的正输入端与外部基准电压vref相连，比较器n143的输出端与控制芯片d1(34)使能端oe相连；
[0037]
所述启动判断电路5由电阻r751、r852和比较器n253组成；所述r751的一端与输出电源正极dcout+相连，r751的另一端分别与电阻r852的一端、比较器n253的正输入端同时相连；所述电阻r852的另一端与地gnd相连；所述比较器n253的负输入端与外部基准电压vref相连，比较器n2的输出端与控制芯片d134使能端oe相连。
[0038]
本发明工作原理：
[0039]
电路工作过程主要分为四个阶段：
[0040]
一、预充电阶段：当输出电压dcout+小于预设值vset时，dcout+电压通过电阻r7、r8分压进入比较器n2的正输入端，此时n2的正输入端电压小于负输入端电压，输出给控制芯片d1使能引脚oe的电平为低，反激电路不工作，电容c1通过二极管vd1和电阻r2从输入电压dcin+充电。
[0041]
二、反激充电阶段：当输出电压dcout+大于等于预设值vset时，dcout+电压通过电阻r7、r8分压进入比较器n2的正输入端，此时n2的正输入端电压大于负输入端电压，输出给控制芯片d1使能引脚oe的电平为高，反激电路开始工作，此时反激电路工作在电流模式。
[0042]
三、维持阶段：当输出电压dcout+达到控制值vctrl时，反激电路工作在电压外环、电流内环模式。
[0043]
四、保护阶段：当控制芯片d1或电阻r3、电阻r4等发生故障，导致输出电压dcout+超过保护值vprotect时，dcout+电压通过电阻r5、r6分压进入比较器n1的负输入端，此时n2的正输入端电压小于负输入端电压，输出给控制芯片d1使能引脚oe的电平为低，反激电路停止工作，直到dcout+电压小于保护值vprotect。
[0044]
下面以一个实例对本发明做进一步详细说明。
[0045]
技术要求：
[0046]
供电电压：18v-50v，储能电压：60v
±
5％，储存能量：≥6j。
[0047]
设计部分：
[0048]
电路见图2所示。控制芯片选用ucc28c45，具有50％占空比限制和峰值电流控制功能；预设电压vset需小于最低供电电压18v，并且要考虑二极管vd1和供电线路上的压降，否则反激电路无法启动，vset设为15v；控制电压vctrl设为60v；保护电压vprotect设为63v；为减小磁芯元器件，将原边峰值电流设为0.83a；开关频率设为220khz；为方便变压器绕制，将原副边匝比设为1:1。
[0049]
由最大占空比限制与开关频率可以得出反激阶段最小时间toff_min：
[0050][0051]
由变压器匝比与原边电流峰值可以得出副边电流峰值is_peak：
[0052]is_peak
＝n
·ip_peak
[0053]
假设变压器t1副边电感值为ls，根据启动电容电压可得到反激阶段电感电流下降至零的时间toff：
[0054][0055]
由反激阶段电感电流下降至零的时间必须小于反激阶段的最小时间可得：
[0056][0057]
由此得出副边最大电感值ls_max：
[0058][0059]
选用100v耐压750μf液钽电容，计算电容所需个数n：
[0060]
[0061]
n≥4.29
[0062]
取整后n为5，其余部分电路计算此处不再详述。

技术特征：
1.一种小型非隔离升压储能电路，其特征在于，包括:预充电电路(1)、反激式主拓扑电路(2)、峰值电流或平均电流模式pwm控制电路(3)、过压保护电路(4)与启动判断电路(5)；所述预充电电路(1)由二极管vd1(11)、电阻r2(12)组成；所述二极管vd1(11)阳极与输入电源正极dcin+相连，二极管vd1(11)阴极与电阻r2(12)一端相连，所述电阻r2(12)另一端与第一输出电源正极dcout+相连。所述反激式主拓扑电路(2)由变压器t1(21)、场效应晶体管v1(22)、二极管vd2(23)、电容c1(24)组成；所述变压器t1(21)原边同名端与输入电源正极dcin+相连，变压器t1(21)原边异名端与场效应晶体管v1(22)漏极相连，变压器t1(21)副边同名端与地gnd相连，变压器t1(21)副边异名端与二极管vd2(23)阳极相连，二极管vd2(23)阴极与输出电源正极dcout+相连；所述电容c1(24)正极与输出电源正极dcout+相连，电容c1(21)负极与地gnd相连；所述峰值电流或平均电流模式pwm控制电路(3)由电阻r1(31)、r3(32)、r4(33)，控制芯片d1(34)组成；所述电阻r1(31)一端与控制芯片d1(34)的电流反馈输入端ifb相连，电阻r1(34)的另一端与地gnd相连；所述电阻r3(32)的一端与输出电源正极dcout+相连，电阻r3(32)另一端分别与电阻r4(33)的一端、控制芯片d1(34)的电压反馈输入端vfb同时相连，电阻r4(33)的另一端与地gnd相连；所述控制芯片d1(34)的电流反馈输入端ifb与场效应晶体管v1(22)源极相连，控制芯片d1(34)的脉冲方波输出端pwm与场效应晶体管v1(22)门极相连；所述过压保护电路(4)由电阻r5(41)、r6(42)和比较器n1(43)组成；所述r5(41)的一端与输出电源正极dcout+相连，r5(41)的另一端分别与电阻r6(42)的一端、比较器n1(43)的负输入端同时相连；所述电阻r6(42)的另一端与地gnd相连；所述比较器n1(43)的正输入端与外部基准电压vref相连，比较器n1(43)的输出端与控制芯片d1(34)使能端oe相连；所述启动判断电路(5)由电阻r7(51)、r8(52)和比较器n2(53)组成；所述r7(51)的一端与输出电源正极dcout+相连，r7(51)的另一端分别与电阻r8(52)的一端、比较器n2(53)的正输入端同时相连；所述电阻r8(52)的另一端与地gnd相连；所述比较器n2(53)的负输入端与外部基准电压vref相连，比较器n2的输出端与控制芯片d1(34)使能端oe相连。2.根据权利要求1一种小型非隔离升压储能电路，其特征在于，所述上电初始阶段电容c1(24)通过二极管vd1(11)与电阻r2(12)从输入电源正极dcin+充电，当电容c1(24)两端电压达到预设值v_set时，通过电阻r7(51)、r8(52)、比较器n2(53)将控制芯片d1(34)使能，启动反激式主拓扑电路(2)给电容c1(24)充电。3.根据权利要求1一种小型非隔离升压储能电路，其特征在于，所述电阻r2(12)的阻值范围为：假设dcin+最低正常输入电压为vmin，dcout+对gnd的直流阻抗为zout，则在上式的基础上，通过选择较大功率电阻或多电阻串并联的形式，保证在输出电源正极dcout+对地gnd短路时，输入电源正极dcin+直接加在电阻r2两端不使电阻r2过功率损坏。4.根据权利要求1一种小型非隔离升压储能电路，其特征在于，所述变压器t1(21)可以通过降低充电功率实现小型化设计：在变压器t1(21)原边电流最大，电容c1(21)两端电压
最小的工况下，设计变压器(21)电感值使反激阶段电感电流下降至零；计算公式如下：在控制芯片d1(34)峰值电流模式pwm下，假设最大占空比限制为dmax，开关频率为f，原边电流峰值ip_peak,反激电路启动工作时电容c1(21)的电压v_set，变压器t1(24)的原边比副边匝比为n:1；其中，n可大于1也可小于1；为保证反激电路工作在电感电流断续模式，反激阶段电感电流下降至零的时间必须小于一个周期内场效应晶体管v1(22)的最小关断时间，则副边电感最大值由以下步骤得到：(1)由最大占空比限制与开关频率可以得出反激阶段最小时间toff_min：(2)由变压器匝比与原边电流峰值可以得出副边电流峰值is_peak：i
s_peak
＝n
·
i
p_peak
(3)假设变压器t1(24)副边电感值为ls，根据启动电容电压可得到反激阶段电感电流下降至零的时间toff：(4)由反激阶段电感电流下降至零的时间必须小于反激阶段的最小时间可得：(5)由此得出副边最大电感值ls_max：5.根据权利要求1一种小型非隔离升压储能电路，其特征在于，所述控制芯片d1(34)通过硬件限制输出pwm波形的最大占空比。

技术总结
本发明公开了一种小型非隔离升压储能电路，包括:预充电电路、反激式主拓扑电路、峰值电流或平均电流模式PWM控制电路、过压保护电路与启动判断电路；本发明采用小型化磁性元器件设计，从而减小电路体积；具有负载电路保护能力，当储能电容或输出负载短路时不会造成故障蔓延；不限制容性负载大小；从硬件层面防止发生磁饱和问题，增强电路可靠性。增强电路可靠性。增强电路可靠性。


技术研发人员：徐中行 李藩为 林浩 安星 张宇 刘启进
受保护的技术使用者：中国航发控制系统研究所
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/9/20