机载电子设备开关电源掉电保持电路的制作方法

本发明涉及航空机载电子设备电路技术领域，特别地，涉及一种机载电子设备开关电源掉电保持电路。

背景技术：

为了满足设备可靠性要求，机载电子设备要在电源掉电时进行必要的数据处理、存储和传输等操作。另外民用航空机载电子设备适航审定标准rtca-do-160中要求b类直流供电设备在承受50ms电源瞬时中断时符合适用的性能标准。因此机载电子设备开关电源通常需要具备瞬时掉电保持功能。

当前，典型的瞬时掉电保持电路是通过在电源的输入端并联大容量电容来实现，但是大容量电容通常有体积大、重量大等缺点，不利于减小机载电子设备的体积和重量。

技术实现要素：

本发明提供了一种机载电子设备开关电源掉电保持电路，以解决目前的瞬时掉电保持电路由于采用的大容量电容导致的体积大、重量大，不利于减小机载电子设备的体积和重量的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种机载电子设备开关电源掉电保持电路，包括电源输入电路、反激式开关电源电路、第一比较器电路和开关电路，所述电源输入电路分别与机载直流电源、反激式开关电源电路连接，所述开关电路分别与反激式开关电源电路、电源输入电路连接，所述第一比较器电路分别与机载直流电源、开关电路连接；

所述电源输入电路用于实现机载直流电源和掉电保持电源之间的隔离和供电切换，所述反激式开关电源电路用于在机载直流电源正常供电时对输入的机载直流电源进行降压转换以作为工作电源输出和对输入的机载直流电源进行升压转换以对储能电容进行充电，还用于在机载直流电源出现掉电时作为掉电保持电源输出，所述开关电路用于控制反激式开关电源电路作为掉电保持电源输出的通断，所述第一比较器电路用于监测机载直流电源的电压状态并根据监测结果输出控制信号控制开关电路的导通或断开。

进一步地，所述第一比较器电路还与处理器连接并用于指示掉电保持电源是否启用。

进一步地，所述电源输入电路包括二极管v1、二极管v2、电阻r1和电容c1，所述二极管v1的正极端与机载直流电源连接，二极管v1的负极端分别与二极管v2的负极端、电阻r1的第一端、电容c1的第一端、反激式开关电源电路连接，二极管v2的正极端、电阻r1的第二端均与开关电路连接，电容c1的第二端接地，二极管v1和二极管v2用于实现机载直流电源和掉电保持电源之间的隔离和供电切换。

进一步地，所述反激式开关电源电路包括变压器t1、场效应开关管v3、整流二极管v4、整流二极管v5、电阻r2、电容c2、稳压管v6、储能电容c3，所述变压器t1的输入绕组的上端与二极管v1的负极端连接，其下端与场效应开关管v3的漏极连接，场效应开关管v3的源极接地，所述变压器t1的输入绕组和场效应开关管v3组成斩波电路，变压器t1的降压输出绕组的上端与整流二极管v4的正极端连接，其下端与电容c2的第二端连接，整流二极管v4的负极端与电容c2的第一端连接，整流二极管v4的负极端作为工作电源输出端，变压器t1的升压输出绕组的上端与整流二极管v5的正极端连接，整流二极管v5的负极端与电阻r2的第一端连接，电阻r2的第二端分别与稳压管v6的负极端、储能电容c3的第一端连接，稳压管v6的正极端和储能电容c3的第二端均与变压器t1的升压输出绕组的下端连接，储能电容c3的第二端接地，且稳压管v6的稳压值高于储能电容c3的初始充电电压，稳压管v6用于在掉电保持电源电压异常升高并超过稳压管v6的稳压值时反向导通，以将掉电保持电源的输出电压限制为稳压值。

进一步地，所述第一比较器电路包括电阻r10、电阻r11、比较器n3、电阻r12、二极管v9，所述电阻r10的第一端与机载直流电源连接，电阻r10的第二端分别与电阻r11的第一端、电阻r12的第一端、比较器n3的正极输入端连接，电阻r11的第二端接地，比较器n3的负极输入端接基准电源，电阻r12的第二端与二极管v9的正极端连接，二极管v9的负极端与比较器n3的输出端连接，比较器n3的输出端还与开关电路、处理器连接，所述电阻r10和电阻r11组成机载直流电源电压采样电路，电阻r12和二极管v9组成反馈回路并用于在比较器n3输出电压低于门限电压时引入正反馈以实现比较器n3的滞回，还用于在比较器n3输出电压高于门限电压时利用二极管v9切断正反馈回路以降低比较器n3输出的转换速度。

进一步地，所述开关电路包括p沟通增强型场效应管v7、npn三极管v8、电阻r6、电阻r13和电阻r14，所述p沟通增强型场效应管v7的源极和电阻r6的第一端均与电阻r2的第二端连接，p沟通增强型场效应管v7的漏极与二极管v2的正极端、电阻r1的第二端连接，p沟通增强型场效应管v7的栅极与电阻r6的第二端、npn三极管v8的集电极连接，npn三极管v8的基极、电阻r13的第一端与基准电源连接，npn三极管v8的发射极与电阻r14的第一端连接，电阻r14的第二端、电阻r13的第二端均与比较器n3的输出端连接，所述p沟通增强型场效应管v7用于控制掉电保持电源的开关，npn三极管v8和电阻r14用于根据比较器n3的输出信号控制p沟通增强型场效应管v7导通或者断开，当比较器n3输出高电平时，控制npn三极管v8截止，p沟通增强型场效应管v7截止，掉电保持电源断开输出，当比较器n3输出低电平时，控制npn三极管v8导通，p沟通增强型场效应管v7导通，掉电保持电源开启输出。

进一步地，还包括用于指示掉电保持电源是否充电完成的第二比较器电路，所述第二比较器电路分别与反激式开关电源电路、处理器连接。

进一步地，所述第二比较器电路包括电阻r7、电阻r8、电阻r9、比较器n2和电阻r16，所述电阻r7的第一端与电阻r2的第二端连接，电阻r7的第二端分别与电阻r8的第一端、电阻r9的第一端、比较器n2的正极输入端连接，电阻r8的第二端接地，比较器n2的负极输入端与基准电源连接，比较器n2的输出端分别与电阻r9的第二端、电阻r16的第二端、处理器连接，电阻r16的第一端作为输出端，电阻r7和电阻r8组成掉电保持电源电压采样电路，电阻r9用于为比较器n2引入正反馈，当掉电保持电源未充满电时，所述比较器n2输出低电平至处理器，当掉电保持电源充满电后，所述比较器n2输出高电平至处理器。

进一步地，还包括用于指示掉电保持电源电压是否即将低于系统最低工作电压的第三比较器电路，所述第三比较器电路分别与反激式开关电源电路、处理器连接。

进一步地，所述第三比较器电路包括电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r15和比较器n1，所述电阻r3的第一端与储能电容c3的第一端连接，电阻r3的第二端分别与电阻r4的第一端、电阻r5的第一端、比较器n1的正极输入端连接，电阻r4的第二端与储能电容c3的第二端连接且接地，比较器n1的负极输入端与基准电源连接，比较器n1的输出端分别与电阻r5的第二端、电阻r15的第二端、处理器连接，电阻r15的第一端为输出端，所述电阻r3和电阻r4组成掉电保持电源电压采样电路，电阻r5用于为比较器n1引入正反馈，当掉电保持电源电压即将低于系统最低工作电压时，所述比较器n1输出低电平至处理器。

本发明具有以下效果：

本发明的机载电子设备开关电源掉电保持电路，利用反激式开关电源电路一方面对输入的机载直流电源进行降压处理以转换为工作电源输出，另一方面对其进行升压转换以提高储能电容的充电电压，从而降低了储能电容的容值要求，以至可用更小电容容量的储能电容满足规定的掉电保持时间，而小容量的电容具有更小的体积和重量，有利于实现机载设备的小型化要求和轻型化要求。并且，通过第一比较器电路监测机载输入电源的电压情况并根据监测结果输出控制信号控制开关电路的导通或断开，从而控制掉电保持电源的输出状态，可以在机载直流电源和掉电保持电源之间实现自动切换，另外还通过电源输入电路实现机载直流电源和掉电保持电源之间的隔离和供电切换，确保了供电源切换的可靠性和安全性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的机载电子设备开关电源掉电保持电路的模块结构示意图。

图2是本发明优选实施例的机载电子设备开关电源掉电保持电路的电路原理示意图。

附图标记说明

100、电源输入电路；101、反激式开关电源电路；102、第一比较器电路；103、开关电路；104、第二比较器电路；105、第三比较器电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明的第一实施例提供一种机载电子设备开关电源掉电保持电路，包括电源输入电路100、反激式开关电源电路101、第一比较器电路102和开关电路103，所述电源输入电路100分别与机载直流电源、反激式开关电源电路101连接，所述开关电路103分别与反激式开关电源电路101、电源输入电路100连接，所述第一比较器电路102分别与机载直流电源、开关电路103连接。所述电源输入电路100用于实现机载直流电源和掉电保持电源之间的隔离和供电切换，所述反激式开关电源电路101用于在机载直流电源正常供电时对输入的机载直流电源进行降压转换以作为工作电源输出和对输入的机载直流电源进行升压转换以对储能电容进行充电，还用于在机载直流电源出现掉电时作为掉电保持电源输出，所述开关电路103用于控制反激式开关电源电路101作为掉电保持电源输出的通断，所述第一比较器电路102用于监测机载直流电源的电压状态并根据监测结果输出控制信号控制开关电路103的导通或断开。

可以理解，机载直流电源由飞行器提供，一般为28v直流电源或者14v直流电源。当机载直流电源正常供电时，所述反激式开关电源电路101一方面对输入的机载直流电压进行降压处理作为正常工作电源输出(一般为5v直流)，另一方面对输入的机载直流电压进行升压处理以给储能电容充电，比如升压为直流40v，从而提高了储能电容的充电电压，可以降低储能电容的容值要求。具体地，储能电容的容值可通过公式(1)确定，

其中，c表示需要选用的储能电容的容值，单位为f，u1表示储能电容的初始充电电压，单位为v，u2表示系统正常工作所要求的最低工作电压，单位为v，p表示系统的功耗，单位为w，t表示掉电保持的瞬间，单位为s。因此，本发明通过反激式开关电源电路101将机载直流电源电压升高，从而提高了储能电容的初始充电电压，从而降低了容值要求，以至可用更小电容容量的储能电容满足规定的掉电保持时间，而小容量的电容具有更小的体积和重量，有利于实现机载设备的小型化要求和轻型化要求。当机载直流电源出现掉电时，储能电容作为掉电保持电源输出电能，从而在短时间内确保工作电源正常供电，实现设备在掉电时有足够的相应时间来做出保存、传输重要的数据等操作，提高了设备的可靠性，让设备能够符合民用航空适航审定标准rtca-do-160中有关b类直流供电设备电源瞬时中断时的性能要求。并且，还通过第一比较器电路102监测机载输入电源的电压情况并根据监测结果输出控制信号控制开关电路103的导通或断开，从而控制掉电保持电源的输出状态，例如当第一比较器电路102监测到机载直流电源出现掉电情况时，第一比较器电路102输出控制信号控制开关电路103导通，从而控制掉电保持电源输出电能，设备由掉电保持电源瞬时供电，而当第一比较器电路102监测到机载直流电源恢复正常电压时，所述第一比较器电路102也会输出相应的控制信号控制开关电路103断开，从而控制掉电保持电源不输出，又自动切换至机载直流电源供电。

可以理解，本实施例中的机载电子设备开关电源掉电保持电路，利用反激式开关电源电路101一方面对输入的机载直流电源进行降压处理以转换为工作电源输出，另一方面对其进行升压转换以提高储能电容的充电电压，从而降低了储能电容的容值要求，以至可用更小电容容量的储能电容满足规定的掉电保持时间，而小容量的电容具有更小的体积和重量，有利于实现机载设备的小型化要求和轻型化要求。并且，通过第一比较器电路102监测机载输入电源的电压情况并根据监测结果输出控制信号控制开关电路103的导通或断开，从而控制掉电保持电源的输出状态，可以在机载直流电源和掉电保持电源之间实现自动切换，另外还通过电源输入电路100实现机载直流电源和掉电保持电源之间的隔离和供电切换，确保了供电源切换的可靠性和安全性。

另外，所述第一比较器电路102还与处理器连接并用于指示掉电保持电源是否启用，处理器可根据第一比较器电路102输出的信号来判定掉电保持电路是否启用。

具体地，如图2所示，所述电源输入电路100包括二极管v1、二极管v2、电阻r1和电容c1，所述二极管v1的正极端与机载直流电源连接，二极管v1的负极端分别与二极管v2的负极端、电阻r1的第一端、电容c1的第一端、反激式开关电源电路101连接，二极管v2的正极端、电阻r1的第二端均与开关电路103连接，电容c1的第二端接地，二极管v1和二极管v2用于实现机载直流电源和掉电保持电源之间的隔离和供电切换，确保了供电电源切换的可靠性和安全性，电容c1为滤波电容，电源输入电源100输出的vpp电压代表最终输入到反激式开关电源电路101的电压。

所述反激式开关电源电路101包括变压器t1、场效应开关管v3、整流二极管v4、整流二极管v5、电阻r2、电容c2、稳压管v6、储能电容c3，所述变压器t1的输入绕组的上端与二极管v1的负极端连接，其下端与场效应开关管v3的漏极连接，场效应开关管v3的源极接地，所述变压器t1的输入绕组和场效应开关管v3组成斩波电路，变压器t1的降压输出绕组的上端与整流二极管v4的正极端连接，其下端与电容c2的第二端连接，整流二极管v4的负极端与电容c2的第一端连接，整流二极管v4的负极端作为工作电源输出端，变压器t1的升压输出绕组的上端与整流二极管v5的正极端连接，整流二极管v5的负极端与电阻r2的第一端连接，电阻r2的第二端分别与稳压管v6的负极端、储能电容c3的第一端连接，稳压管v6的正极端和储能电容c3的第二端均与变压器t1的升压输出绕组的下端连接，储能电容c3的第二端接地，储能电容c3在机载直流电源掉电时作为掉电保持电源输出。并且，稳压管v6的稳压值高于储能电容c3的初始充电电压，稳压管v6用于在掉电保持电源电压异常升高并超过稳压管v6的稳压值时反向导通，以将掉电保持电源的输出电压限制为稳压值。例如，储能电容c3的初始充电电压为40v，则稳压管v6可选择为47v的稳压管，这样当掉电保持电源电压异常升高超过47v时，稳压管v6反向导通，可将电压限制在47v，实现对后续电路的保护。

所述第一比较器电路102包括电阻r10、电阻r11、比较器n3、电阻r12、二极管v9，所述电阻r10的第一端与机载直流电源连接，比较器n3为开漏输出的电压比较器，电阻r10的第二端分别与电阻r11的第一端、电阻r12的第一端、比较器n3的正极输入端连接，电阻r11的第二端接地，比较器n3的负极输入端接基准电源vref1，其由vpp转换而来，电阻r12的第二端与二极管v9的正极端连接，二极管v9的负极端与比较器n3的输出端连接，比较器n3的输出端还与开关电路103、处理器连接。所述电阻r10和电阻r11组成机载直流电源电压采样电路，通过调整电阻r10和电阻r11的阻值比例可调整电压的采样比例，而电阻r12和二极管v9组成反馈回路并用于在比较器n3输出电压低于门限电压时引入正反馈以实现比较器n3的滞回，还用于在比较器n3输出电压高于门限电压时利用二极管v9的单向导通性切断正反馈回路以降低比较器n3输出的转换速度，从而控制开关电路103降低掉电保持电源和机载直流电源的切换速度，以减小电源切换过程的冲击。比较器n3的输出信号不仅作为开关电路103的控制信号以控制掉电保持电源和机载直流电源的切换，同时可作为一个电压监测信号接入处理器以用于指示掉电保持电源已启用。当机载直流电源正常供电时，所述比较器n3输出高电平信号，控制开关电路103断开，掉电保持电源不启用；而当机载直流电源出现掉电时，所述比较器n3输出低电平信号，控制开关电路103导通，掉电保持电源启用。处理器可根据比较器n3输出低电平信号或者高电平信号来判定掉电保持电源是否启用。

所述开关电路103包括p沟通增强型场效应管v7、npn三极管v8、电阻r6、电阻r13和电阻r14，所述p沟通增强型场效应管v7的源极和电阻r6的第一端均与电阻r2的第二端连接，p沟通增强型场效应管v7的漏极与二极管v2的正极端、电阻r1的第二端连接，p沟通增强型场效应管v7的栅极与电阻r6的第二端、npn三极管v8的集电极连接，npn三极管v8的基极、电阻r13的第一端与基准电源vref2连接，npn三极管v8的发射极与电阻r14的第一端连接，电阻r14的第二端、电阻r13的第二端均与比较器n3的输出端连接。所述p沟通增强型场效应管v7用于控制掉电保持电源的开关，npn三极管v8和电阻r14用于根据比较器n3的输出信号控制p沟通增强型场效应管v7导通或者断开。当比较器n3输出高电平时，控制npn三极管v8截止，p沟通增强型场效应管v7截止，掉电保持电源断开输出，而当比较器n3输出低电平时，控制npn三极管v8导通，p沟通增强型场效应管v7导通，掉电保持电源开启输出。另外，电源输入电路100中的电阻r1还实现了p沟通增强型场效应管v7的漏极电压在机载直流电源供电时固定为输入电源电压，电阻r13上拉至基准电源vref2，使得开漏输出比较器n3具备输出高电平的能力。

另外，作为优选的，所述机载电子设备开关电源掉电保持电路还包括用于指示掉电保持电源是否充电完成的第二比较器电路104，所述第二比较器电路104分别与反激式开关电源电路101、处理器连接。所述第二比较器电路104可监测反激式开关电源电路101中储能电容c3的电压，当储能电容c3充电完成后，所述第二比较器电路104输出高电平信号至处理器以指示掉电保持电源已充满电。

具体地，所述第二比较器电路104包括电阻r7、电阻r8、电阻r9、比较器n2和电阻r16，比较器n2为开漏输出的电压比较器，电阻r16为上拉电阻，所述电阻r7的第一端与电阻r2的第二端连接，电阻r7的第二端分别与电阻r8的第一端、电阻r9的第一端、比较器n2的正极输入端连接，电阻r8的第二端接地，比较器n2的负极输入端与基准电源vref1连接，比较器n2的输出端分别与电阻r9的第二端、电阻r16的第二端、处理器连接，电阻r16的第一端作为输出端，电阻r7和电阻r8组成掉电保持电源电压采样电路，通过调整电阻r7和电阻r8的阻值比例可调整电压的采样比例，电阻r9用于为比较器n2引入正反馈，既可提高比较器n2输出电压的转换速度，又可实现比较器n2滞回。当掉电保持电源未充满电时，所述比较器n2输出低电平至处理器，当掉电保持电源充满电后，所述比较器n2输出高电平至处理器。

另外，作为优选的，所述机载电子设备开关电源掉电保持电路还包括用于指示掉电保持电源电压是否即将低于系统最低工作电压的第三比较器电路105，所述第三比较器电路105分别与反激式开关电源电路101、处理器连接。所述第三比较器电路105可监测反激式开关电源电路101中储能电容c3两端的电压，当储能电容c3两端的电压即将低于系统最低工作电压时，第三比较器电路105输出低电平信号至处理器。

具体地，所述第三比较器电路105包括电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r15和比较器n1，比较器n1为开漏输出的电压比较器，电阻r15为上拉电阻，所述电阻r3的第一端与储能电容c3的第一端连接，电阻r3的第二端分别与电阻r4的第一端、电阻r5的第一端、比较器n1的正极输入端连接，电阻r4的第二端与储能电容c3的第二端连接且接地，比较器n1的负极输入端与基准电源连接，比较器n1的输出端分别与电阻r5的第二端、电阻r15的第二端、处理器连接，电阻r15的第一端为输出端，所述电阻r3和电阻r4组成掉电保持电源电压采样电路，通过调整电阻r3和电阻r4的阻值可调整电压的采样比例，电阻r5用于为比较器n1引入正反馈，既可提高比较器n1输出电压的转换速度，又可实现比较器n2滞回。当掉电保持电源电压即将低于系统最低工作电压时，所述比较器n1输出低电平至处理器。

本发明的机载电子设备开关电源掉电保持电路，通过设置三路比较器电路，可实现掉电保持电源电压的三重监测，可同时探知掉电保持电源是否启用，掉电保持电源是否充满电，掉电保持电源电压是否即将低于系统最低工作电压，这样设备可根据掉电保持电源电压的监测结果做出更合适的处理。例如，当探知到掉电保持电源启用时，设备可马上开始重要数据的保存等工作；当探知到掉电保持电源充满电时，设备可开启某些必须在具备掉电保持能力状态下才能启用的操作；当探知到掉电保持电源电压即将低于系统最低工作电压时，设备可立马执行掉电保持期间的收尾工作比如计算并保存掉电保持的时间，具体可以根据实际需要设置。并且，第一比较器电路102的输出不仅具有监测功能，同时也实现对掉电保持电源的开关控制，通过在反馈回路增加二极管，可有效降低掉电保持电源的开关速度，减小切换过程的冲击。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。