ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H02J7/02 H02J9/00 H02J9/06 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах резервного или бесперебойного питания сети постоянного тока, преимущественно работающей от нестабильных источников электропитания, напряжение которых может меняться в широких пределах.

Известен импульсный источник питания ELN-60, выпускаемый компанией Mean Well, содержащий преобразователь напряжения, включающий последовательно соединенные выпрямитель с фильтром, силовой ключ, элемент гальванической развязки и выходной выпрямитель с фильтром, выход которого является выходом устройства, к которому подключен аккумулятор через блок заряда и резервного переключения, вход преобразователя подключен к питающей сети через фильтр, управляющий вход силового ключа соединен с выходом широтно-импульсного модулятора, к первому входу которого подключен выход блока защиты от перегрузки силового ключа, а второй его вход через оптоэлектронную развязку соединен с выходом модуля детектирования, соединенного с выходом устройства (istochnik).

В известном импульсном источнике питания обеспечивается стабилизация выходного напряжения, плавное нарастание напряжения при старте и режим пропуска импульсов ШИМ при малой нагрузке. Однако устройство имеет недостаточно широкий диапазон входных напряжений, а также недостаточную степень оптимизации режима работы элементов устройства в зависимости от величины входного напряжения.

Технический результат изобретения заключается в расширении динамического диапазона работы устройства при повышении степени оптимизации режимов работы его элементов.

Технический результат достигается тем, что в импульсный источник питания, содержащий блок широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с управляющим входом ключевого транзистора преобразователя напряжения, и аккумуляторную батарею, вход и выход преобразователя напряжения являются соответственно входом и выходом устройства, согласно изобретению введены два аналого-цифровых преобразователя, три модуля сравнения, модуль выбора частоты широтно-импульсного модулятора и модуль формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, при этом входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей подключены соответственно к входу устройства и к выходу устройства, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первыми входами первого и третьего модулей сравнения и с первым входом модуля выбора частоты широтно-импульсного модулятора, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом второго модуля сравнения, с вторым входом модуля выбора частоты широтно-импульсного модулятора, с входом «обратная связь стабилизации по напряжению» блока широтно-импульсного модулятора и с первым входом модуля формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, вторые входы первого, второго и третьего модулей сравнения подключены к соответствующим источникам порогового напряжения, а выходы первого и третьего модулей сравнения соединены с входом включения блока широтно-импульсного модулятора, выход второго модуля сравнения подключен к входу «ограничение длительности» блока широтно-импульсного модулятора, выход модуля выбора частоты широтно-импульсного модулятора подключен к входу «установка рабочей частоты» блока широтно-импульсного модулятора, аккумуляторная батарея подключена к выходу устройства одной клеммой через датчик тока, а другой клеммой через нормально разомкнутые контакты реле, подключенного к первому выходу модуля формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, ко второму выходу которого подключен вход «стабилизация тока заряда» блока широтно-импульсного модулятора, выход датчика тока подключен к второму входу модуля формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора.

Преобразователь напряжения включает в себя цепь, подключенную к входу преобразователя напряжения и состоящую из последовательно соединенных катушки индуктивности и ключевого транзистора, параллельно которому через первый конденсатор подключена вторая катушка индуктивности, точка соединения второй катушки индуктивности и первого конденсатора через диод подключена ко второму конденсатору, соединенному с выходом преобразователя напряжения.

На чертеже приведена схема импульсного источника питания.

Импульсный источник питания содержит блок 1 широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с управляющим входом ключевого транзистора преобразователя 2 напряжения, и аккумуляторную батарею 3, вход и выход преобразователя 2 напряжения являются соответственно входом и выходом устройства, входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей 4, 5 подключены соответственно к входу устройства и к выходу устройства, выход первого аналого-цифрового преобразователя 4 соединен с первыми входами первого и третьего модулей 6, 8 сравнения и с первым входом модуля 9 выбора частоты широтно-импульсного модулятора, выход второго аналого-цифрового преобразователя 5 соединен с первым входом второго модуля 7 сравнения, с вторым входом «выбор частоты» модуля 9 выбора частоты широтно-импульсного модулятора, с входом «обратная связь стабилизации по напряжению» блока 1 широтно-импульсного модулятора и с первым входом модуля 10 формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, вторые входы первого, второго и третьего модулей сравнения подключены к соответствующим источникам порогового напряжения, а выходы первого и третьего модулей 6, 8 сравнения соединены с входом выключения блока 1 широтно-импульсного модулятора, выход второго модуля 7 сравнения подключен к входу «ограничение длительности» блока 1 широтно-импульсного модулятора, выход модуля 9 выбора частоты широтно-импульсного модулятора подключен к входу «установка рабочей частоты» блока 1 широтно-импульсного модулятора, аккумуляторная батарея 3 подключена к выходу устройства одной клеммой через датчик 11 тока, а другой клеммой через нормально разомкнутые контакты 12 реле 13, подключенного к первому выходу модуля 10 формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, ко второму выходу которого подключен вход «стабилизация тока заряда» блока 1 широтно-импульсного модулятора, выход датчика 11 тока подключен к второму входу модуля 10 формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора.

Преобразователь напряжения 2 включает в себя цепь, подключенную к входу преобразователя напряжения и состоящую из последовательно соединенных катушки 14 индуктивности и ключевого транзистора 15, параллельно которому через первый конденсатор 16 подключена вторая катушка 17 индуктивности, точка соединения второй катушки 17 индуктивности и первого конденсатора 16 через диод 18 подключена ко второму конденсатору 19, соединенному с выходом преобразователя напряжения.

Импульсный источник питания работает следующим образом.

Напряжение, подаваемое на вход устройства, с помощью первого аналого-цифрового преобразователя 4 преобразуется в цифровой вид и затем сравнивается с установленными порогами (U_пор1 и U_пор2) в первом и третьем модулях 6, 8 сравнения. Напряжение на выходе устройства с помощью второго аналого-цифрового преобразователя 5 преобразуется в цифровой вид и сравнивается с установленным порогом (U_пор3) во втором модуле 7 сравнения. Одновременно сигнал с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 5 поступает и на первый вход модуля 10 формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора.

Если уровень напряжения на входе устройства ниже значения порога U_пор1 (слишком низкое для нормальной работы устройства), то на выходе первого модуля 6 сравнения формируется сигнал, который поступает на вход выключения блока 1 широтно-импульсного модулятора и запрещает работу устройства. После выключения блока 1 широтно-импульсного модулятора напряжение на выходе устройства быстро снижается, вызывая тем самым срабатывание модуля 10 формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, который включает реле 13, замыкающее контакты 12, через которые аккумулятор 3 подключается к выходу устройства. Аналогичный процесс происходит, если уровень входного напряжения превысил значение порога U_пор2, т.е. находится выше верхнего допустимого предела. Тогда на выходе третьего модуля 8 сравнения формируется сигнал, который поступает на вход выключения блока 1 широтно-импульсного модулятора и запрещает работу устройства, вследствие чего происходит снижение выходного напряжения и подключение аккумулятора к выходу устройства.

Если входное напряжение питания находится в рабочем диапазоне устройства (U_пор1 < U_раб < U_пор2), то в этом случае с выхода модуля 9 выбора частоты широтно-импульсного модулятора на вход «установка рабочей частоты» блока 1 широтно-импульсного модулятора поступает управляющий сигнал, устанавливающий оптимальную частоту широтно-импульсного модулятора. Оптимальная частота широтно-импульсного модулятора при фиксированных параметрах дросселей определяется уровнем входного напряжения. Она может быть рассчитана по методикам для импульсных источников питания, приведенным в технической литературе. При более высоком напряжении частота широтно-импульсного модулятора должна быть более высокая, иначе есть опасность вхождения дросселей в режим насыщения. Оптимальный выбор частоты для каждого уровня входного напряжения в свою очередь позволяет наилучшим образом выбрать параметры дросселей, уменьшить число витков в их обмотках, повысить общее КПД устройства и/или расширить диапазон входных напряжений.

Скважность сигнала на выходе блока 1 широтно-импульсного модулятора, поступающего на управляющий вход ключевого транзистора 15 преобразователя 2 напряжения, меняется таким образом, чтобы поддерживать на входе «обратная связь стабилизации по напряжению» блока 1 широтно-импульсного модулятора стабильное оцифрованное значение напряжения. В случае увеличения нагрузки на выходе устройства длительность активного уровня сигнала широтно-импульсного модулятора повышается, но только до определенного предела. Если данной предельной длительности импульсов широтно-импульсного модулятора недостаточно для поддержания номинального напряжения на выходе устройства, то напряжение на выходе начинает снижаться. Если уровень выходного напряжения снижается ниже установленного порога U_пор3, то на вход «ограничение длительности» блока 1 широтно-импульсного модулятора с выхода второго модуля 7 сравнения поступает сигнал о перегрузке устройства по выходу. Это приводит к более сильному ограничению на максимально допустимую длительность в блоке 1 широтно-импульсного модулятора, что влечет за собой дальнейшее снижение выходного напряжения и т.д. За короткое время длительность импульсов на выходе блока 1 снижается до очень малых величин, которые не могут нанести вред элементам схемы даже при коротком замыкании на выходе устройства.

При снятии перегрузки или короткого замыкания на выходе устройства выходное напряжение начинает расти. Сигнал, несущий информацию о повышении напряжения, через аналого-цифровой преобразователь 5 поступает на вход «обратная связь стабилизации по напряжению» блока 1 широтно-импульсного модулятора. По мере роста напряжения уменьшается ограничение в блоке 1 на максимальную длительность сигнала широтно-импульсного модулятора, что в свою очередь позволяет продолжить рост напряжения на выходе устройства, что еще более ослабляет ограничение на длительность и т.д. Процесс прекращается, когда выходное напряжение достигает номинального значения, и начинает работать обратная связь через вход «обратная связь стабилизации по напряжению» блока 1, поддерживающая выходное напряжение на номинальном уровне.

Датчик 11 тока и модуль 10 формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора обеспечивают требуемую (нормальную) работу аккумуляторной батареи в режиме разряда или заряда.

При наличии внешнего питания и при работающем устройстве происходит подзарядка аккумулятора 3. Зарядка аккумулятора 3 проходит в два этапа. На первом этапе аккумулятор 3 заряжается постоянным током. Для этого номинальное напряжение на выходе устройства снижается (посредством модулей 5 и 10) таким образом, чтобы обеспечить зарядку аккумулятора практически постоянным током. При достижении напряжения на аккумуляторе порядка 14,3 В происходит переход в буферный режим работы аккумулятора. В этом режиме устройство устанавливает номинальное напряжение 13,5-13,8 В, которое постоянно поступает на аккумуляторную батарею и поддерживает ее в рабочем состоянии (режим аккумулятора Standby).

Если входное напряжение отсутствует, то питание нагрузки осуществляется от аккумулятора через контакты 12 реле 13. Ток разряда контролируется датчиком 11 тока. Если уровень напряжения на выходе устройства снизится ниже 10,5 В, то тогда модуль 10 формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора с помощью реле 13 отключает аккумулятор от выхода устройства до момента включения внешнего питания или до смены аккумулятора на заряженный.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает мягкий старт, защиту от перегрузок по входу и выходу, стабилизацию выходного напряжения и реализует функции зарядного устройства с защитой от перегрузок и от чрезмерного разряда аккумулятора.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах резервного или бесперебойного питания сети постоянного тока, преимущественно работающей от нестабильных источников электропитания, напряжение которых может меняться в широких пределах. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона работы устройства при повышении степени оптимизации режимов работы его элементов. Импульсный источник питания содержит блок широтно-импульсного модулятора, ключевой транзистор преобразователя напряжения, аккумуляторную батарею, два аналого-цифровых преобразователя, три модуля сравнения и три источника порогового напряжения, модуль выбора частоты широтно-импульсного модулятора, модуль формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, датчик тока, реле с нормально разомкнутым контактом, соединенные между собой так, как указано в материалах заявки. 1 ил.

1. Импульсный источник питания, содержащий блок широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с управляющим входом ключевого транзистора преобразователя напряжения, и аккумуляторную батарею, вход и выход преобразователя напряжения являются соответственно входом и выходом устройства, отличающийся тем, что в него введены два аналого-цифровых преобразователя, три модуля сравнения, модуль выбора частоты широтно-импульсного модулятора и модуль формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, при этом входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей подключены соответственно к входу устройства и к выходу устройства, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первыми входами первого и третьего модулей сравнения и с первым входом модуля выбора частоты широтно-импульсного модулятора, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом второго модуля сравнения, со вторым входом модуля выбора частоты широтно-импульсного модулятора, с входом «обратная связь стабилизации по напряжению» блока широтно-импульсного модулятора и с первым входом модуля формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, вторые входы первого, второго и третьего модулей сравнения подключены к соответствующим источникам порогового напряжения, а выходы первого и третьего модулей сравнения соединены с входом включения блока широтно-импульсного модулятора, выход второго модуля сравнения подключен к входу «ограничение длительности» блока широтно-импульсного модулятора, выход модуля выбора частоты широтно-импульсного модулятора подключен к входу «установка рабочей частоты» блока широтно-импульсного модулятора, аккумуляторная батарея подключена к выходу устройства одной клеммой через датчик тока, а другой клеммой через нормально разомкнутые контакты реле, подключенного к первому выходу модуля формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора, ко второму выходу которого подключен вход «стабилизация тока заряда» блока широтно-импульсного модулятора, выход датчика тока подключен к второму входу модуля формирования команды о прекращении заряда или разряда аккумулятора.

2. Импульсный источник питания по п.1, отличающийся тем, что преобразователь напряжения включает в себя цепь, подключенную к входу преобразователя напряжения и состоящую из последовательно соединенных катушки индуктивности и ключевого транзистора, параллельно которому через первый конденсатор подключена вторая катушка индуктивности, точка соединения второй катушки индуктивности и первого конденсатора через диод подключена к второму конденсатору, соединенному с выходом преобразователя напряжения.