CN107834826B - 电源控制模块 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种电源控制模块，包括输入保护滤波电路单元、掉电维持电路单元、辅助电源电路单元、控制电路单元、检测电路单元及DC/DC转换及输出滤波电路单元，其中输入保护滤波电路单元对外部输入的电源通过实施单向导通对输入电源极性反转进行保护，在输入路径上采用N沟道场效应管及其驱动器构成的电路来实现对电源输入的保护隔离；掉电维持电路单元在输入电源突然掉电的情况下维持一定时间的正常电源输出；辅助电源电路单元对控制电路单元和检测电路单元供电；控制电路单元对电源控制模块工作模式及状态进行控制，检测电路单元在当电源供给模块异常时自动切断输出电源并向外发出中断信号；DC/DC转换及输出滤波电路单元将输入电压转换为不同的直流电压源。

Description

电源控制模块
【技术领域】
本发明属于电子领域，特别是指一种电源控制模块。
【背景技术】
电源供给模块是电子产品中的功率源模块，它为产品中的其它功能模块提供功率源输入，无论是在消费类电子产品、车载电子产品还是航空航天类电子产品中，它都是不可缺少的组成部分。以航空类电源供给模块为例，如图1所示，它将外部28V输入电源转换为产品内部其它模块所需的各类直流电源，如+5V、-5V、+3.3V，同时提供一些必要的控制信号，如上电复位信号RESET、掉电中断信号INT。
电源供给模块内部一般包含6个电路单元，分别为输入保护滤波电路单元、掉电维持电路单元、辅助电源电路单元、控制电路单元、检测电路单元及DC/DC转换及输出滤波电路单元，以下对上述各个电路单元进行具体说明。
输入保护滤波电路单元对外部输入的电源实施单向导通的操作，以防止输入电源反接造成对产品的不可逆损坏，一般由惯性熔断器、肖特基二级管、瞬变电压抑制双向二极管和滤波电容组成，其中的惯性熔断器允许开机时的瞬间过电流通过，肖特基二级管的作用是防止由于输入电压反接而损坏电路，瞬变电压抑制双向二极管和滤波电容分别是为了吸收输入瞬态浪涌和滤掉寄生在直流电源上的高频纹波。
掉电维持电路单元用于在输入电源突然掉电的情况下，电源供给模块能够维持一定时间的正常电源输出，以保证产品能够进行下电前现场保护，避免对产品造成损坏，一般通过储能电容的放电来实现，常用的有开放式储能和可控式储能两种方式。
辅助电源电路单元用于对电源供给模块内部的控制电路单元和检测电路单元进行供电。
控制电路单元用于对电源供给模块的工作模式、工作状态进行控制，主要由瞬时断电保护电路、上电延时电路、DC-DC输出控制电路、外信号启动电路等组成，其中DC-DC输出控制电路一般采用并行式输出控制模式。
检测电路单元主要由过压欠压检测电路、过温检测电路等组成，使得当电源供给模块的输入输出端电压异常时或当温度开关元件感受到过温时，自动切断输出电源，同时向外发出中断信号。
DC/DC转换及输出滤波电路单元选用DC-DC转换芯片将输入电压转换为各种不同的电压值，且在每个输出电压口都布有由电容组成的滤波电路。
虽然采用传统技术的电源供给模块虽然能够满足很多场合的应用需求，但在性能、可靠性、体积、成本、功耗等方面却难以实现优化，主要存在以下三方面的问题。
第一方面：现有的电源供给模块均是在输入保护滤波电路单元中设置肖特基二极管来实现电源输入保护隔离，利用二极管的单向导通特性达到正向通过、反向隔离的目的，但由于二极管在正向导通工作状态下并非理想的零阻抗，如图2所示，在大电流时会在二极管上产生较大的压降，热耗大，需要良好的散热设施。
第二方面：现有的掉电维持电路单元一般通过储能电容的充放电来实现，储能电容的掉电维持输出时间可通过公式①得到，常用的开放式储能和可控式储能的原理见图3和图4，这两种储能方式电路简单，但受输入电源电压影响很大，储能电容利用率低，需要的电容量大，大体积的电容既挤占安装空间，又提高了的设计难度和成本。
Figure GDA0002119710960000031
其中C：储能电容的容量值
P：产品的输入功率
Δt：掉电维持输出时间
V1：产品能够正常工作电容两端的最大电压值
V2：产品能够正常工作是电容两端的最小电压值
第三方面：现有的DC/DC转换及输出滤波电路单元采用并行式电源输出控制模式，具体如图5所示，在产品快速上下电时会出现启动失败的隐患，因为：(1)如+5V的负载远大于-5V的负载，下电时，+5V完全下电后要过较长时间(≥50ms)-5V才完全下电；(2)-5V可能通过其它功能模块耦合到+5V端，并在+5V端产生一个不小的负电压；(3)+5V的DC-DC模块采用了同步整流输出技术，当输出端的负电压超过一定门限(如：≥-0.3V)时，会认为输出故障进入保护状态关闭输出。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种电源控制模块，用以解决现有电源供给模块的上述问题。
为实现上述目的，实施本发明的电源控制模块，包括输入保护滤波电路单元、掉电维持电路单元、辅助电源电路单元、控制电路单元、检测电路单元及DC/DC转换及输出滤波电路单元，其中输入保护滤波电路单元对外部输入的电源通过实施单向导通对输入电源极性反转进行保护，在输入路径上采用N沟道场效应管及其驱动器构成的电路来实现对电源输入的保护隔离；掉电维持电路单元用于在输入电源突然掉电的情况下，电源供给模块能够维持一定时间的正常电源输出；辅助电源电路单元用于对电源供给模块内部的控制电路单元和检测电路单元进行供电；控制电路单元用于对电源供给模块的工作模式、工作状态进行控制，检测电路单元在当电源供给模块的输入输出端电压异常时或当温度开关元件感受到过温时，自动切断输出电源，同时向外发出中断信号；DC/DC转换及输出滤波电路单元包含DC-DC转换芯片，用于将输入电压转换为各种不同的电压值，且在每个输出电压口都布有由电容组成的滤波电路。
较佳地，N沟道场效应管及其驱动器构成的电路近似理想二极管，工作时驱动器在场效应管的栅-源两端产生大于10V的压差，此时场效应管完全导通，源-漏极之间的导通阻抗很低，通过大电流时压差很小；保护时，驱动器使场效应管的栅-源两端电压差近似0V，此时源-漏极之间的阻抗无穷大，无法流过电流；同时场效应管寄生的体内二极管方向与正常工作电流方向一致，反向截止。
较佳地，该掉电维持电路单元还包括一升压电路，正常工作时，外部电源通过升压电路将输入电压升至设定的电压对储能电容进行充电；发生掉电时，检测电路检测到输入电压低于放电门限后，控制电路控制可控开关开启储能电容放电，维持一定时间的正常电源输出。
较佳地，该DC/DC转换及输出滤波电路单元设有相应的第二控制电路，以+5V是否输出为判断条件来开启或关闭-5V的输出。
较佳地，该第二控制电路包括串联的一只稳压二极管、一只电阻和一只光耦，当输出的5V电源电压大于4V，反向击穿稳压二极管，电流流过光耦初级并通过电阻限流连接到输出的5V地，控制光耦次级的第三控制电路输出为高电平信号，该输出与-5V的DC/DC使能控制端相连，DC/DC使能置高电平输出-5V电源；当输出的5V电源电压小于4V，电源电压无法击穿稳压二极管，光耦初级无电流流过，光耦次级的第三控制电路输出为低电平信号，-5V的DC/DC使能置低电平，关闭-5V电源。
与现有技术相比较，本发明提供的电源供给模块能够满足所有场合的应用需求，具有性能好、可靠性高的优势，且能够做到小型化、低成本、低功耗。这些技术已经实际应用在航电产品中。
【附图说明】
图1为现有航空类电源供给模块的组成示意图。
图2为二极管的导通特性示意图。
图3为开放式储能电路的原理示意图。
图4为可控式储能电路的原理示意图。
图5为现有的DC/DC转换及输出滤波电路单元的示意图。
图6为本发明的输入保护滤波电路单元的电路示意图。
图7为本发明的掉电维持电路单元的电路示意图。
图8为图7所示的掉电维持电路单元的电源波形图。
图9为本发明的DC/DC转换及输出滤波电路单元的电路示意图。
【具体实施方式】
实施本发明的电源控制模块也包括输入保护滤波电路单元、掉电维持电路单元、辅助电源电路单元、控制电路单元、检测电路单元及DC/DC转换及输出滤波电路单元，各个电路单元的功能可参背景技术所述，此处不再详细说明，本发明只是针对输入保护滤波电路单元、掉电维持电路单元及DC/DC转换及输出滤波电路单元进行局部的改进。以下只针对上述三个单元的改进点进行详细的说明。
如图6所示，本发明在输入保护滤波电路单元在输入路径上采用N沟道场效应管及其驱动器构成的电路来实现对电源输入的保护隔离，N沟道场效应管及其驱动器构成的电路近似理想二极管，工作时驱动器在场效应管的栅(G)-源(S)两端产生大于10V的压差，即VGS〉10V，此时场效应管完全导通，源(S)-漏(D)极之间的导通阻抗很低(一般几mΩ-几十mΩ)，通过大电流时压差很小，因此产生的热量也很小，故对散热的要求也低，同时提高了电源供给模块的整体转换效率。。保护时，驱动器使场效应管的栅(G)-源(S)两端电压差近似0V，即VGS＝0V，此时源(S)-漏(D)极之间的阻抗无穷大，无法流过电流；同时场效应管寄生的体内二极管方向与正常工作电流方向一致，反向截止；因此由N沟道场效应管及其驱动器构成的电路正向导通、反向截止隔离。
如图7所示，本发明在掉电维持电路单元在传统储能维持电路上增加升压电路，提高储能电容两端的最大电压值V1，正常工作时，外部电源通过升压电路将输入电压升至设定的电压对储能电容进行充电；发生掉电时，检测电路检测到输入电压低于放电门限后，控制电路控制可控开关开启储能电容放电，维持一定时间的正常电源输出。根据背景技术中提及的公式①，在Δt相同的情况下，提高V1，可以大大减小储能电容C的容值，从表1的参数比较可以获知，200ms的掉电维持时间所需的电容量不到升压前的1/3，采用升压式储能维持技术的电源波形见图8所示，正常工作时，DC/DC转换电路输入电压(如图中点线2表示)跟随供电电源电压(如图中虚线1表示)在输入电压工作范围内(输入下限电压-输入上限电压)工作，此时储能电容充电储能(如图中点划线3表示)；当发生电源掉电时，检测电路检测到输入电压低于放电门限后，控制电路控制可控开关开启储能电容放电，DC/DC转换电路输入电压升至储能电容电压，继续正常输出电压至输入电压降到DC/DC最低工作电压后关闭。由此可以看出，该方案不受输入电源电压影响，储能电容的利用率高，相同的电源维持需要的电容量相对少，即节省了安装空间，也大幅度地降低了设计生产成本。
序号 输入功率 储能电容最大电压 储能电容最小电压 掉电维持时间 电容值
1 30W 28V 18V 200ms 26000uF
2 30W 44V 18V 200ms 7400uF
表1存储维持参数比较表
如图9所示，本发明在级联式电源输出控制技术的基础上在并行式电源输出控制模式的基础上增加了相应的第二控制电路，以+5V是否输出为判断条件来开启或关闭-5V的输出，实现了无论何时+5V都先于-5V输出，解决了因-5V先于+5V上电导致+5V电源无法输出的问题。在具体实施时，判断5V输出主要通过由一只稳压二极管、一只电阻和一只光耦串联构成隔离检测控制开关。当输出的5V电源电压大于4V，反向击穿稳压二极管，电流流过光耦初级并通过电阻限流接到输出5V地，控制光耦次级的第三控制电路输出为高电平信号，该输出与-5V的DC/DC使能控制端相连，DC/DC使能置高电平输出-5V电源；当输出的5V电源电压小于4V，电源电压无法击穿稳压二极管，光耦初级无电流流过，光耦次级的第三控制电路输出为低电平信号，-5V的DC/DC使能置低电平，关闭-5V电源。
与现有技术相比较，本发明提供的电源供给模块能够满足所有场合的应用需求，具有性能好、可靠性高的优势，且能够做到小型化、低成本、低功耗。这些技术已经实际应用在航电产品中。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种电源控制模块，包括输入保护滤波电路单元、掉电维持电路单元、辅助电源电路单元、控制电路单元、检测电路单元及DC/DC转换及输出滤波电路单元，其中输入保护滤波电路单元对外部输入的电源通过实施单向导通对输入电源极性反转进行保护，在输入路径上采用N沟道场效应管及其驱动器构成的电路来实现对电源输入的保护隔离；掉电维持电路单元能在输入电源发生突然掉电的情况下，电源控制模块继续维持一定时间的正常电源输出；辅助电源电路单元用于对电源控制模块内部的控制电路单元和检测电路单元进行供电；控制电路单元用于对电源控制模块的工作模式、工作状态进行控制；检测电路单元在当电源供给模块的输入输出端电压异常时或当温度开关元件感受到过温时，自动切断输出电源，同时向外发出中断信号；
DC/DC转换及输出滤波电路单元包含DC-DC转换芯片，用于将输入电压转换为各种不同的电压值，且在每个输出电压口都布有由电容组成的滤波电路；DC/DC转换及输出滤波电路单元还包含第二控制电路，该第二控制电路包括串联的一只稳压二极管、一只电阻和一只光耦，控制光耦次级的第三控制电路的输出与DC-DC转换芯片的负电压使能端口相连，当DC-DC转换芯片的正电压输出端口输出的电压大于阈值时，反向击穿稳压二极管，电流流过光耦初级并通过电阻限流，第三控制电路输出高电平信号，使DC-DC转换芯片输出负电压；当DC-DC转换芯片的正电压输出端口输出的电压小于阈值时，电源电压无法击穿稳压二极管，光耦初级无电流流过，第三控制电路输出为低电平信号，使DC-DC转换芯片关闭负电压输出。
2.如权利要求1所述的电源控制模块，其特征在于：N沟道场效应管及其驱动器构成的电路近似理想二极管，工作时驱动器在场效应管的栅-源两端产生大于10V的压差，此时场效应管完全导通，源-漏极之间的导通阻抗很低，通过大电流时压差很小；保护时，驱动器使场效应管的栅-源两端电压差近似0V，此时源-漏极之间的阻抗无穷大，无法流过电流；同时场效应管寄生的体内二极管方向与正常工作电流方向一致，反向截止。
3.如权利要求1所述的电源控制模块，其特征在于：该掉电维持电路单元还包括一升压电路，正常工作时，外部电源通过升压电路将输入电压升至设定的电压对储能电容进行充电；发生掉电时，检测电路检测到输入电压低于放电门限后，控制电路控制可控开关开启储能电容放电，维持一定时间的正常电源输出。
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