一种掉电维持电路及掉电维持控制方法与流程

1.本发明涉及直流电源技术领域，具体涉及一种掉电维持电路及掉电维持控制方法。


背景技术：

2.近年来，一起又一起的航空飞机的空难给各国人民带来了深刻的苦痛。因此在紧急时刻，保证机载设备在非正常断电情况下能够维持一段时间的正常运行，是保证飞行人员和乘客人身财产安全的重要措施。
3.目前传统的掉电维持电路多为利用限流电阻和肖特基二极管配合储能电容或者利用模拟电路搭建复杂的控制回路来控制储能电容的充放电。这种掉电维持电路中储能电容的电压通常不高，需要通过增大电容体积的方式增加储存电量，导致掉电维持模块体积、重量过大。而且现有的掉电维持模块存在放电电压不恒定，放电电流不可控等问题，无法满足现在日益精密的航空机载设备的需求。因此亟需一种目前急需一种体积小、易于控制、简单、灵活、高效率的数字化掉电维持电路。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种能够以较小体积储存较大电量，且放电稳定可控的掉电维持电路及掉电维持控制方法。
5.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种掉电维持电路，包括:储能电容c，其用于储存电能并在电源侧掉电时为其反向供电；buck-boost变换器，其连接在所述储能电容c与电源侧之间，具有以电源侧为输入向储能电容c充电的正向工作状态和以储能电容c为供电元件向电源侧反向供电的反向工作状态；所述的buck-boost变换器具有两个mosfet管串接组成的第一电路和两个mosfet管串接组成的第二电路，电感l两端分别连接在第一电路和第二电路的中点；第一电路的第一端连接至电源侧，其第二端与第二电路的第二端相连接并经总电流检测与反馈电路接地；所述储能电容c的一端接地，另一端与第二电路的第一端连接；dsp控制器，其接收所述电源侧和所述第二电路第一端的电压检测信号，并通过pwm信号控制buck-boost变换器中各mosfet管的开通或关断，使电源侧的电源输入经由buck-boost变换器为储能电容c充电，或者由储能电容c经由buck-boost变换器为电源侧反向供电。
6.所述buck-boost变换器的第一电路由mosfet管q1和mosfet管q2组成，第二电路由mosfet管q3和mosfet管q4组成；mosfet管q1的漏极连接电源侧，mosfet管q1的源极和mosfet管q2的漏极相连，mosfet管q3的源极与mosfet管q4的漏极相连，mosfet管q3的漏极连接储能电容c；电感l两端分别连接mosfet管q1的源极和mosfet管q3的源极，mosfet管q2
和mosfet管q4的源极经过总电流检测与反馈电路接地。
7.所述第一电路的第一端经输入电流检测与反馈电路与电源侧连接，第二电路第一端经输出电流检测与反馈电路与储能电容c连接。
8.所述总电流检测与反馈电路用于检测所在通路电流值，并将电流特征值反馈至dsp控制器，并由dsp控制器根据检测电流与设定基准值的比较结果调节pwm控制周期内的占空比。
9.本发明还提供一种掉电维持控制方法，在电源侧正常通电时，控制buck-boost变换器工作于正向工作状态，以电源侧为输入端向储能电容c充电。
10.在电源侧掉电导致电压v
in
小于临界值时，控制buck-boost变换器工作于反向工作状态，以储能电容c为供电元件通过buck-boost变换器向电源侧供电。
11.所述buck-boost变换器在正向工作状态时，检测电源侧电压v
in
和储能电容c电压v
out
,当v
in
》v
out
δv时，控制buck-boost变换器工作在buck模式，其中δv为设定的电压差值；mosfet管q1和mosfet管q2交替导通，mosfet管q3处于常导通状态，mosfet管q4处于常关闭的状态；在每个控制周期开始时，使mosfet管q1断开、mosfet管q2导通，实时监控总电流检测与反馈电路所处回路电流并与设定基准值比较，当小于基准值时，在剩下的控制周期内保持mosfet管q1打开，mosfet管q2断开。
12.所述buck-boost变换器在正向工作状态时，检测电源侧电压v
in
和储能电容c电压v
out
, 当v
in
《v
out-δv时，控制buck-boost变换器工作在boost模式，mosfet管q1处于常导通的状态，mosfet管q2处于常关闭的状态，mosfet管q3和mosfet管q4交替导通，在每个控制周期开始时，使mosfet管q3断开、mosfet管q4打开，通过总电流检测与反馈电路实时监控回路电流并与设定基准值比较，当大于基准值时，在剩下的控制周期内保持mosfet管q3打开，mosfet管q4断开。
13.所述buck-boost变换器在正向工作状态时，检测电源侧电压v
in
和储能电容c电压v
out
, 当v
out-δv ≤v
in
≤v
out δv时, 控制buck-boost变换器工作在buck-boost模式。其中，当v
out-δv ≤v
in
≤v
out
时，一个控制周期的前半个周期内，处于boost状态，mosfet管q1常导通，mosfet管q4和mosfet管q3先后导通，在后半周期内，处于buck状态，mosfet管q3常导通，mosfet管q2和mosfet管q1先后导通；当v
out
《v
in
≤v
out
δv时，一个控制周期的前半个周期内，处于buck状态，mosfet管q3常导通，mosfet管q2和mosfet管q1先后导通，在后半周期内，处于boost状态，mosfet管q1常导通，mosfet管q4和mosfet管q3先后导通。
14.所述buck-boost变换器在反向工作状态时，以储能电容c为供电元件，控制buck-boost变换器工作在buck模式，mosfet管q1常导通，mosfet管q2常关闭，mosfet管q3和mosfet管q4交替导通，当mosfet管q3导通，mosfet管q4断开时，储能电容c给电感l充电，当mosfet管q3断开，mosfet管q4导通时，电感l作为输出向电源侧供电；在每个控制周期开始时，使mosfet管q3断开、mosfet管q4导通，通过总电流检测与反馈电路实时监控回路电流并与设定基准值比较，当小于基准值时，在剩下的控制周期内保持mosfet管q3打开，mosfet管q4断开。
15.本发明的有益效果是：采用buck-boost变换器为储能电容c充电，能够使储能电容c获得远大于电源侧的储能电压，在较小体积下能够获得更大的储存电量。而在电源断电
时，所用buck-boost变换器的对称结构使其能够反向工作，以储能电容c为供电输入，向电源侧提供稳定的电压输出，实现掉电维持的作用。该掉电维持电路所用无源元件少、开关管电压应力低、输入输出电压范围广，能够根据需要通过设定dsp控制器的控制策略，适应不同的需求。
附图说明
16.图1为本发明的掉电维持电路模型。
17.图2为本发明掉电维持控制方法流程图。
18.图3为本发明掉电维持电路正向工作buck模式时工作状态。
19.图4为本发明掉电维持电路正向工作boost模式时工作状态。
20.图5为本发明掉电维持电路正向工作boost-buck模式下第一工作状态。
21.图6为本发明掉电维持电路正向工作buck-boost模式下第二工作状态。
22.图7为本发明掉电维持电路反向工作buck模式下工作状态。
23.图8为电源正常供电时的工作状态。
24.图9为电源掉电时的工作状态。
25.图中标记：1、dsp控制器，2、数字隔离器，3、mos管驱动器，4、buck-boost变换器，5、负载，6、输入电流检测与反馈电路，7、输出电流检测与反馈电路，8、总电流检测与反馈电路。
具体实施方式
26.以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明。下面实施例所列出的具体内容不限于权利要求记载的技术方案要解决的技术问题所必须的技术特征。同时，所述列举是实施例仅仅是本发明的一部分，而不是全部实施例。
27.如图1所示，本发明的掉电维持电路包括储能电容c、buck-boost变换器、dsp控制器及相关配套电路。其中，储能电容c用于储存电能并在电源侧掉电时为其反向供电。储能电容c可选择高能钽电容或其它常规的储能电容类型。
28.所述的buck-boost变换器包括四个mosfet管和一个电感l。其中，mosfet管q1和mosfet管q2串接组成第一电路，mosfet管q3和mosfet管q4串接组成第二电路。电感l两端分别连接在第一电路和第二电路的中点，buck-boost变换器连接在储能电容c与电源侧之间。在图示实施例中，mosfet管q1的漏极，即第一电路的第一端连接电源侧，mosfet管q1的源极和mosfet管q2的漏极相连，mosfet管q3的源极与mosfet管q4的漏极相连，mosfet管q3的漏极，即第二电路的第一端连接储能电容c，储能电容c另一端接地；电感l两端分别连接mosfet管q1的源极和mosfet管q3的源极，mosfet管q2和mosfet管q4的源极，即第一电路和第二电路的第二端相连接并经总电流检测与反馈电路接地。
29.该buck-boost变换器具有对称的电路结构，在电源侧正常供电时以电源侧为输入，储能电容c侧为输出，工作在正向工作状态。而在电源侧因故障等原因掉电时，以储能电容c为供电输入，电源侧为输出，工作在反向工作状态。
30.dsp控制器1可根据设定的控制策略计算输出不同占空比的pwm波，通过增强型pwm生成接口epwm1、epwm2、epwm3和epwm4输出pwm控制信号，经相应的数字隔离器2和mos管驱
动器3控制mosfet管q1、q2、q3和q4的开通或关断从而控制功率回路的输出。dsp控制器1接收所述电源侧和buck-boost变换器第二电路第一端，即储能电容c处的电压检测信号，以此确定相应的工作状态。
31.dsp控制器1连接有用于检测电压和/或电流的检测电路，检测结果分别输入dsp控制器1的输入端口adc1—adc5，以根据相应的控制策略将电压、电流控制在合适范围内。图1中省略了具体检测电路结构，仅以连接线示出检测位置及检测结果传递方向，具体电路形式可根据现有检测电路结构设置即可。在图1所示实施例中，所述第一电路的第一端经输入电流检测与反馈电路6与电源侧连接，第二电路第一端经输出电流检测与反馈电路7与储能电容c连接，分别通过输入、输出电流检测电路6和7将电源侧输入电流i
in
和储能电容c一侧电流v
out
的电流转换为采样电压反馈至dsp控制器1。
32.在buck-boost变换器接地的一端设有用于检测所在通路电流值的总电流检测与反馈电路，总电流检测与反馈电路将回路电流值i
total
转换为采样电压反馈至至dsp控制器，并由dsp控制器根据检测电流值与设定基准值的比较结果调节pwm控制周期内的占空比，使mosfet管开通或关断的占空比动态调整，以获得稳定的充电电流或反向供电电压。
33.针对上述掉电维持电路，本发明设定储能电容c充放电的数字控制方法流程图如图2所示。
34.当电源侧正常通电，输入端存在输入电压v
in
（例如9-60 vdc）时，该电路处于正向工作状态。如图8所示，buck-boost变换器4稳定输出v
out
（例如36vdc）对储能电容c进行充电。
35.在正向工作时，buck-boost变换器具有三种工作模式：当v
in
》v
out
δv时，控制buck-boost变换器工作在buck模式，其中δv为设定的电压差值。如图3所示，mosfet管q1和mosfet管q2交替导通，mosfet管q3处于常导通状态，mosfet管q4处于常关闭的状态。当mosfet管q1导通，q2断开时，v
in
给电感l充电，电流i从v
in
经过输入电流检测与反馈电路6、mosfet管q1、电感l、mosfet管q3和输出电流检测与反馈电路7流向储能电容c再到gnd。当mosfet管q1断开，q2导通时，电感l给储能电容c充电，电流i从电感l经过mosfet管q3、输出电流检测与反馈电路7、储能电容c、gnd、总电流检测与反馈电路8、mosfet管q2流到电感l。在每个控制周期开始时，使mosfet管q1断开、mosfet管q2导通，此时由于电感ｌ给储能电容c充电，电感电流会逐渐减小，通过总电流检测与反馈电路8实时监控回路电流并与设定基准值比较，当小于基准值时，在剩下的控制周期内保持mosfet管q1打开，mosfet管q2断开。
36.当v
in
《v
out-δv时，控制buck-boost变换器工作在boost模式。如图4所示，mosfet管q1处于常导通的状态，mosfet管q2处于常关闭的状态，mosfet管q3和mosfet管q4交替导通。当mosfet管q3关闭、q4导通时，v
in
给电感ｌ充电，电流i从v
in
到输入电流检测与反馈电路6、q1、电感l、q4、总电流检测与反馈电路8到gnd。当q3导通、q4关闭时，v
in
和电感l一起给储能电容c充电，电流i从v
in
经过输入电流检测与反馈电路6、q1、电感l、q3和输出电流检测与反馈电路7流向储能电容c再到gnd。在每个控制周期开始时，使mosfet管q3断开、mosfet管q4打开，通过总电流检测与反馈电路8实时监控回路电流并与设定基准值比较，当大于基准值时，在剩下的控制周期内保持mosfet管q3打开，mosfet管q4断开。
37.当v
out-δv≤v
in
≤v
out
δv时，分为两个阶段，在一个控制周期内，buck状态和
boost状态会交替出现。其中：v
out-δv≤ v
in
≤v
out
时，控制buck-boost变换器工作在boost-buck模式。如图5所示，一个控制周期的前半个周期内，处于boost状态，mosfet管q1常导通，mosfet管q4和mosfet管q3先后导通。在后半周期内，处于buck状态，mosfet管q3常导通，mosfet管q2和mosfet管q1先后导通。
38.当v
out
《v
in
≤v
out
δv时，如图6所示，一个控制周期的前半个周期内，处于buck状态，mosfet管q3常导通，mosfet管q2和mosfet管q1先后导通，在后半周期内，处于boost状态，mosfet管q1常导通，mosfet管q4和mosfet管q3先后导通。
39.在电源侧掉电导致电压v
in
小于临界值时，电路进入反向工作状态。如图9所示，以储能电容c为供电元件，通过buck-boost变换器4放电，反向输出，使得原输入端电压v
in
恒为19v，维持与之并联的机载负载5的正常工作。由于v
out
=35v》》v
in
,，所以此时buck-boost变换器处于buck模式。如图7所示，mosfet管q1常导通，mosfet管q2常关闭，mosfet管q3和mosfet管q4交替导通。当mosfet管q3导通，mosfet管q4断开时，储能电容c给电感l充电，电流i从储能电容c经过输出电流检测与反馈电路7、q3、电感l、q1和输入电流检测与反馈电路6流向v
in
。当mosfet管q3断开，mosfet管q4导通时，电感l作为输出向电源侧供电；电流从电感l经过q1、输入电流检测与反馈电路6输出到电源侧v
in
，另一方面从gnd、总电流检测与反馈电路8、q4流回到电感l。在每个控制周期开始时，使mosfet管q3断开、mosfet管q4导通，此时由于电感ｌ给v
in
输出，电感电流会逐渐减小，通过总电流检测与反馈电路8实时监控回路电流并与设定基准值比较，当小于基准值时，在剩下的控制周期内保持mosfet管q3打开，mosfet管q4断开。
40.通过上述控制模式，可以由储能电容c输出稳定的v
in
以维持掉电电压，保证与之并联的机载负载设备正常工作，即实现机载设备的掉电维持功能。
41.以上对具体实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的技术构思及其核心思想，尽管本文使用了特定的优选实施例对技术方案进行了描述和说明，但其不应理解为对本发明自身的限制。本领域技术人员在不脱离本发明技术构思的前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。这些轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。