一种小卫星用电源隔离保护电路的制作方法

1.本发明属于模拟电子技术领域，尤其涉及一种应用于锂电池和太阳帆板电池同时存在的小卫星电源系统的电源隔离保护电路。


背景技术：

2.随着小卫星技术应用领域的不断扩展，对其核心分系统之一的综合电子系统也提出了新的要求。但作为整个综合电子系统以及整星的能量来源，卫星电源的作用关键。因此，尤其是在小卫星迅速发展的情况下，体积小、质量严格受限，适合于小卫星使用场合的太阳能电池和离子类电池之间的电源隔离方案就显得及其关键。对小卫星电源管理中的电源隔离提出了以下几个方面的需求：
3.(1)电源控制启动迅速
4.当前的小卫星电源系统中，大都使用复杂、单一的电源管理进行电源控制，并且是在有处理器参与条件下，有启动时间需求，很大程度上增加了系统的复杂度。小卫星运行的空间环境受到太阳光照的影响，太阳能电池的电源也将受到一定的影响，这就要求供电电源类型切换满足快速，启动要求迅速。
5.(2)电路工作状态反馈
6.小卫星的供电电源存在供电电池类型选择、供电电压安全、供电功率安全、供电电池切换及稳态建立的状态反馈问题。目前大部分小卫星电源分系统都采用相应电源芯片解决以上问题，作为卫星研制的角度来说，对于状态的测量存在一定的局限性。因此，对小卫星的供电电源存在工作状态反馈的技术产生了新的需求，适应设计与研制上的灵活性。
7.(3)便于与星载综合电子系统集成
8.星载综合电子系统是将星上的信息形成网络化，并集中管理。作为卫星电源分系统是星载综合电子系统的关键性分系统，这就要求卫星电源分系统在设计之初，就要求除了本身能够进行一定的管理能力，还要受到星载综合电子系统的星载计算机控制，支持双向控制。按照这个设计需求，星载综合电子系统的集成度将进一步提高。
9.(4)稳定、可靠、容错性能要求高
10.稳定、可靠、容错性能是每一个实时系统工作的基本保证，也是一个电源系统必须完成的目标。卫星电源作为电子系统甚至整星的能量来源，也要求其系统必须是稳定、可靠、具备一定的容错性能。这三项性能指标，有任何一项未达到要求，都会给卫星系统造成灾难性的后果。


技术实现要素：

11.要解决的技术问题
12.为了满足小卫星用电源系统任务的需求，本发明提出了一种小卫星用电源隔离保护电路，涉及电源的自主管理、两种电源存在时供电隔离保护。
13.技术方案
14.一种小卫星用电源隔离保护电路，其特征在于包括隔离保护主电路a、前置电压采集电路a、前置控制电路a、电压采集电路a、窗口比较器a、开启关断控制电路a、后置控制电路a、后置电压采集电路a、开启检测电路a、基准电压电路a、电压比较器、待机电路、电源管理接口、隔离保护主电路b、前置电压采集电路b、前置控制电路b、电压采集电路b、窗口比较器b、开启关断控制电路b、后置控制电路b、后置电压采集电路b、开启检测电路b和基准电压电路b；前置电压采集电路a采集太阳能帆板电池电压vin_a，输出信号ptvin_a给前置控制电路a，前置控制电路a输出控制信号pcvin_a给隔离保护主电路a；电压采集电路a采集太阳能电池电压vin_a，输出tvin_a给窗口比较器a、电压比较器和电源管理接口，基准电压电路a输出基准电压zvin_a给窗口比较器a，窗口比较器a输出信号comcvin_a给开启关断控制电路a，开启关断控制电路a输出swvin_a给隔离保护主电路a，后置电压采集电路a采集隔离保护主电路a的输出电压vin_a_out，输出btvin_a给后置控制电路a和电源管理接口，后置控制电路a输出bcvin_a给隔离保护主电路a，开启检测电路a输入dvin_a，输出dvin_a_c给开启关断控制电路a，待机电路采集太阳能帆板电池电压vin_a和锂电池电池电压vin_b，输出信号s_v给窗口比较器a、窗口比较器b、基准电压电路a、基准电压电路b、电压比较器；前置电压采集电路b采集锂电池电池电压vin_b，输出信号ptvin_b给前置控制电路b，前置控制电路b输出pcvin_b给隔离保护主电路b，电压采集电路b采集锂电池电池电压vin_b输出给窗口比较器b、电压比较器和电源管理接口，基准电压电路b输出基准电压zvin_b给窗口比较器b，窗口比较器b输出信号comcvin_b给开启关断控制电路b，电压比较器输出v_a&b给开启关断控制电路a和开启关断控制电路b，后置电压采集电路b采集隔离保护主电路b的输出电压vin_b_out，输出btvin_b给后置控制电路b和电源管理接口，后置控制电路b输出bcvin_b给隔离保护主电路b，开启检测电路b输入dvin_b，输出dvin_b_c给开启关断控制电路b，开启关断控制电路b输出swvin_b给隔离保护主电路b，电源管理接口与外部电源控制指令powercontrol_in连接，输出信号evin_a给开启关断控制电路a、evin_b给开启关断控制电路b和电源工作状态powerstate_out；隔离点a和隔离点b是在隔离保护主电路a和隔离保护主电路输出后的各自隔离点，之后输出com_v，作为接入负载端口。
15.有益效果
16.本发明提出的一种小卫星用电源隔离保护电路，该电路实时性强、可靠性高、稳定性强。实现电源管理系统处理器未启动情形下的整星电源控制，克服整星开机启动过程的延时，电源系统无法控制、管理的情形。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.(1)电源启动、类型切换迅速。本方案中，电路采用开关控制电路控制功率性器件。电源启动、关断时间和电池类型切换时间得到有效控制，适应在空间环境变化迅速而引起供电电池类型切换或是太阳能帆板电池电压波动大的问题。
18.(2)电路工作状态数字量反馈输出，接收数字量控制输入，便于星载计算机管理与控制。本方案中电路工作的电源电压工作范围适应状态、供电电池类型状态，进行反馈至星载计算机；电路可接收来自星载计算机的数字控制信号，可控制电源的开启、关断、供电电池的类型。
19.(3)支持环境变化迅速，太阳能电池供电电压变化复杂情形。空间环境变化迅速，必然引起太阳能电池板产生的电压发生迅速变化。因此，而引起的供电电压不稳定、供电电池类型不稳定的问题，本电路方案将通过相应的控制状态检测，并给出相应的控制信号进
行控制。
20.(4)系统实时性、稳定性、可靠性、安全性显著提高。本方案采用经典控制理论中，检测反馈、控制的思路。在浪涌电压抑制扰动存在情况下，进行浪涌电压抑制；供电电压检测，并产生控制信号，控制电源输出在安全电压范围，提高了系统工作的安全性；电路控制中不具有延时环节，在影响实时性的器件中设计相应的开启与关断控制电路，系统实时性得到有效保证；逻辑状态设计确定，因此具有很高的稳定性和可靠性。
附图说明
21.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
22.图1为小卫星电源隔离保护电路设计框图。
23.图2为小卫星电源隔离保护电路详细设计框图。
24.图3为待机电路及dc/dc电路原理图。
25.图4为窗口比较器a和窗口比较器b电路原理图。
26.图5为电压比较器电路原理图。
27.图6为开启关断电路a和开启关断电路b原理图。
28.图7为隔离保护主电路a原理图。
29.图8为隔离保护主电路b原理图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.本发明中涉及到的信号，如果不进行特殊说明，均属于电压信号。
32.如图1所示，为整个小卫星电源隔离保护电路设计框图。有太阳能帆板电池、锂电池、隔离保护主电路、控制电路、电压采集电路、待机电路、电压管理接口电路。整个隔离保护电路方案设计的基本思想是遵循经典控制理论的基本控制回路的设计思想。隔离保护主电路作为隔离的执行机构；控制电路作为控制器；电压采集电路采集隔离前的电源电压以及隔离后的电压，作为控制回路中的传感器进行电压反馈。待机电路则是为控制电路提供工作电源，特别是在整星系统电源未开启之前，确保电源系统有低功耗的电源。电源管理接口是输出电源工作状态以及接收来自星载综合电子系统控制指令输入的接口。
33.如图2所示，是小卫星电源隔离保护电路详细设计框图。该图主要是说明电路中的信号流向及其组件间的逻辑关系。前置电压采集电路a：采集的是太阳能帆板电池电压vin_a，输出信号ptvin_a；前置控制电路a：输入ptvin_a，输出控制信号pcvin_a；电压采集电路a：采集的是太阳能电池电压vin_a，输出tvin_a；窗口比较器a:输入信号是tvin_a和基准电压电路a输出的基准电压zvin_a，输出信号是comcvin_a；开启关断控制电路a：输入信号是comcvin_a、v_a&b、evin_a、dvin_a_c，输出信号是swvin_a；后置控制电路a:输入信号是btvin_a，输出信号是bcvin_a；后置电压采集电路a:输入信号是隔离保护主电路a的输出电
压vin_a_out，输出btvin_a；开启检测电路a：输入信号是dvin_a，区别于vin_a_out，是指来自a电源完全开启状态下的信号输出信号为dvin_a_c；电压比较器：输入信号是tvin_a和tvin_b、s_v，输出信号是v_a&b；待机电路：输入信号是vin_a、vin_b，输出信号是s_v；电源管理信号接口：tvin_a、btvin_a、tvin_b、btvin_b归为电压状态输出信号powerstate_out，可输出至星上其它分系统进行处理；evin_a、evin_b归为星上外部其它系统对本系统控制信号powercontrol_in；前置电压采集电路b：采集的是锂电池电池电压vin_b，输出信号ptvin_b；前置控制电路b：输入ptvin_b，输出控制信号pcvin_b；电压采集电路b：采集的是锂电池电压vin_b，输出tvin_b；窗口比较器b:输入信号是tvin_b和基准电压电路b输出的基准电压zvin_b，输出信号是comcvin_b；开启关断控制电路b：输入信号是comcvin_b、v_a&b、evin_b、dvin_b_c，输出信号是swvin_b；后置控制电路b:输入信号是btvin_b，输出信号是bcvin_b；后置电压采集电路b:输入信号是隔离保护主电路b的输出电压vin_b_out，输出btvin_b；开启检测电路b：输入信号是dvin_b，区别于vin_b_out，是指来自b电源完全开启状态下的信号输出信号为dvin_b_c；隔离点a和隔离点b是在隔离保护主电路a和隔离保护主电路b输出后的各自隔离点，之后输出com_v，作为接入负载端口。
34.图3到图8分别为图2中的电路框图对应的原理图。各个电路原理图间的接口信号将严格按照图2中的各个接口信号定义，实现框图与原理图的一一对应。图3是待机电路及dc/dc变换模块，如图3所示，输入是vin_a和vin_b电压，比较vin_a和vin_b的电压高的，将优先导通二级管d1或是d2至q1，输出信号是vin作为dc/dc模块的输入电压，以dc/dc模块使能信号en。
35.图4是窗口比较器a和窗口比较器b电路原理图。窗口比较器a是通过采集vin_a的电压，并与设定的v_a_h作为上限，v_a_l作为下限。当采样电压tvin_a在v_a_l和v_a_h之间时，则推测vin_a为系统要求的安全电压，窗口比较器comcvin_a输出高电平，当tvin_a不在该范围内的电压的时，comcvin_a输出为低电平。窗口比较器b是针对输入电压vin_b，其电路工作原理与窗口比较器a相同。
36.图5电压比较器电路原理图，比较的是vin_a和vin_b电压都满足系统输入电压时，应该由哪种输入电压提供电源。这里设计的例子是由电压较高的电源类型提供。考虑到，太阳能电池的能源只是在有太阳能光照条件下，才有电压存在，因此本发明中，电源供电类型的选择还可通过星载综合电子系统来判断并控制。
37.图6为开启关断控制电路a和开启关断控制电路b原理图。开启关断控制电路a接收来自窗口比较器a的comcvin_a或是外部的控制信号evin_a，均可控制该电路进行开启或是关断。开启关断控制电路b接收来自窗口比较器b的comcvin_b或是外部的控制信号evin_b，均可控制该电路进行开启或是关断。
38.图7和图8分别是隔离保护主电路a原理图和隔离保护主电路b原理图。严格按照图2的框图进行设计。其中vin_a_out和vin_b_out分别为隔离点a和隔离点b。每个隔离保护主电路中都是由两个mosfet器件组成。图7中当有vin_a电压时，q14的d极到s极，将允许其电压通过，但因q14未导通，只是有电压无电流。q19同样允许来自电压vin_b进入到隔离点a，但是将被q14的的s极隔断。q19将通过开启关断控制电路a的控制输出swvin_a进行开启或是关断。同理，来自vin_b的电压，可以通过q20，但是为开启之前，仍旧是允许电压通过无电流。q25同样允许来自电压vin_a进入到隔离点b，但是将被q20的的s极隔断。q25将通过开启
关断控制电路a的控制输出swvin_b进行开启或是关断。综合以上所述，可知vin_a和vin_b可进行自动隔离，并且公共点的电压输出可由各自的开启关断电路进行控制。实现了两种电源电压类型的隔离，以及开启关断控制。
39.电源管理信号接口是指powercontrol_in和powerstate_out两类电信号的集合，其中powercontrol_in信号包括电源管理信号接口的输出信号powerstate_out，可由电路原理图中的swvin_a、swvin_b属于powerstate_out，comcvin_b、comcvin_a、v_a&b、v_b&a属于powercontrol_in，输出并反馈至星载综合电子系统。
40.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公开的技术范围内，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。