Резервированное устройство вторичного электропитания от двух независимых линий постоянного тока Российский патент 2024 года по МПК H02J9/06 

Область техники

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к устройствам вторичного электропитания с резервированием, и может быть использовано для бесперебойного электропитания постоянным стабилизированным напряжением потребителей различных радиоэлектронных объектов от двух независимых линий постоянного тока.

Уровень техники

Из уровня техники известно резервированное устройство вторичного электропитания от двух независимых линий постоянного тока (RU 2754919 С1, опубл. 08.09.2021), содержащее два автоматических отключателя, два контактора, обеспечивающих подключение основной и резервной сетей, источник сервисного электропитания - первый вспомогательный источник электропитания и зарядное устройство с электропитанием от двух сетей объекта - второй вспомогательный источник электропитания, емкостный накопитель, соединенный через ключевое устройство с одним из входов диодного сумматора, два других входа которого соединены с выходами контакторов включения основной и резервной сетей, а выход соединен с шиной централизованного вторичного электропитания ряда DC/DC преобразователей, каждый их которых обеспечивает электропитание одного из ответственных потребителей, а также датчики напряжения основной и резервной сетей и схема управления, реализующая алгоритм необходимой энергетической поддержки централизованного вторичного электропитания от резервного емкостного накопителя при импульсном спаде и понижении напряжения основной сети с последующим переключением на электропитание от резервной сети.

Кроме того, в состав тракта вторичного электропитания дополнительно введена RD-цепь, обеспечивающая блокировку импульсных перенапряжений с шины централизованного электропитания на вход емкостного накопителя.

Недостатки данного устройства заключаются в следующем:

- в наличии диодов ДСМ, так как на них возникает падение напряжения, которое необходимо компенсировать, а также большое тепловыделение при токах от 1 А;

- при переключении между коммутаторами (3 и 4 на фиг.2 аналога) появляются переходные процессы, так как переключение не происходит мгновенно;

- не предусмотрена функция равномерного распределения нагрузки.

В качестве наиболее близкого аналога выбрано резервированное устройство вторичного электропитания от двух независимых линий постоянного тока (US 6774507 B1, опубл. 10.08.2004), включающее в себя два независимых входных силовых каскада, каждый из которых подключен к отдельной первичной обмотке общего трансформатора, и выходного силового блока, подключенного ко вторичной обмотке трансформатора. Схема управления контролирует, сколько энергии подает каждый из блоков входной силовой передачи. Каждый из входных силовых каскадов подключен к другому источнику электропитания от батареи или к другой шине распределения мощности. Преимущества полного дублирования источника электропитания достигаются при дублировании только входных силовых каскадов, они изолированы друг от друга за счет подключения к отдельным обмоткам трансформатора.

Схема управления управляется программируемым контроллером, который подключен к каналу передачи данных управления мощностью. Данный канал позволяет контроллеру обмениваться данными с аналогичными устройствами, также подключенными к этому каналу. Информация, которой обмениваются программируемые контроллеры, может указывать на желательность отбора большей мощности от источника распределения мощности. Подразумевается передача такой информации, как индикация аварийного сигнала, индикации того, что один или оба источника распределения мощности имеют слишком высокое или слишком низкое напряжение, температуру, выходной ток, отключение электроэнергии.

Недостатки прототипа заключаются в следующем:

- обе линии работают на общий трансформатор, что приводит к повышенному нагреву сердечника, так как перемагничивание сердечника происходит по полному циклу, а не по предельному частному циклу, равномерное распределение мощности потребления по линиям сложновыполнимо;

- формирование импульсов управления транзисторами силовых каскадов осуществляется от отдельных ШИМ формирователей (231,232), контроллер только формирует напряжения сравнения для ШИМ формирователей;

- отсутствует резервный емкостной накопитель с отдельным источником элекропитания, поэтому при одновременном отключении линий System А и System В схема управления (220) также отключается и не может обмениваться информацией по интерфейсу (244).

Раскрытие сущности изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании резервированного устройства вторичного электропитания от двух независимых линий электроснабжения постоянного тока с небольшими габаритами, лишенного недостатков известных аналогов и прототипа, обладающего расширенными эксплуатационно-функциональными возможностями и обеспечивающего равномерное распределение потребляемой мощности от двух независимых линий электроснабжения с одновременной стабилизацией выходного напряжения устройства вторичного электропитания.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение равномерного распределения потребляемой мощности от двух независимых линий электроснабжения с одновременной стабилизацией выходного напряжения устройства вторичного электропитания.

Дополнительными техническими результатами являются следующие:

- возможность передачи по внешнему интерфейсу информации о состоянии устройства вторичного электропитания и приема команд дистанционного управления по этому же интерфейсу;

- обеспечения возможности формирования команд на аварийное завершение программ внешним потребителям при переходе на электропитание от резервного накопителя;

- повышение отказоустойчивости устройства в процессе эксплуатации при аварийной работе с небалансом напряжений;

- уменьшение габаритов устройства за счет снижения общего количества компонентов;

- обеспечение возможности электропитания внешних маломощных потребителей.

Для достижения технического результата предлагается резервированное устройство вторичного электропитания от двух независимых линий постоянного тока, содержащее следующее:

- первый (1) и второй (2) вводы для подключения основной и резервной линий электроснабжения постоянного тока соответственно,

- первый (3) и второй (4) вспомогательные источники электропитания, каждый из которых связан с упомянутыми вводами (1, 2),

- резервный емкостной накопитель (5), связанный со вспомогательными источниками (3) и (4) и с выводом (11) для подключения потребителя,

- первый (6) силовой каскад, связанный с первым вводом (1), и второй (7) силовой каскад, связанный со вторым вводом (2),

- первый (8) датчик тока, установленный после первого силового каскада (6), и второй (9) датчик тока, установленный после второго силового каскада (7),

- схему управления (10), связанную со вспомогательными источниками электропитания (3, 4), силовыми каскадами (6, 7), датчиками тока (8, 9) и снабженную цифровыми интерфейсами, а также

- вывод (11) для подключения потребителя, связанный с датчиками тока (8) и (9).

При этом первый (3) вспомогательный источник предназначен для обеспечения электропитанием схемы управления (10), второй (4) вспомогательный источник предназначен для заряда резервного емкостного накопителя (5) и резервного электропитания первого вспомогательного источника (3). Резервный емкостной накопитель (5) предназначен для электропитания первого вспомогательного источника (3) и подачи электропитания по линии вывода (11) при превышении токов по основной и/или резервной линии электроснабжения или при одновременном отключении этих линий. Схема управления (10) выполнена с возможностью стабилизации выходного напряжения и равномерного распределения потребляемой мощности от основной и резервной линий электроснабжения, включает схему защиты от превышения входных токов (101), драйвер (102) и микроконтроллер (103), выполненный с возможностью формирования следующих управляющих сигналов:

- цифровых сигналов драйверу (102) для управления работой транзисторов силовых каскадов (6, 7);

- сигнала, разрешающего или запрещающего работу второго (4) вспомогательного источника электропитания;

- сигнала готовности микроконтроллера (103) к работе, переводящего схему защиты от превышения входных токов (101) в режим контроля тока, в котором схема (101) разрешает работу драйвера (102).

В предпочтительном варианте с схема защиты от превышения входных токов (101) схемы управления (10) выполнена с возможностью следующего:

- формирования сигнала сброса для микроконтроллера (103) в любом из следующих случаев: при первичном включении устройства, при включении после одновременного отключения основной и резервной линий электроснабжения, при срабатывании схемы защиты (101) в случае превышения токов по основной и/или резервной линии;

- формирования сигнала запрета работы драйвера (102) в любом из следующих случаев: при инициализации программы микроконтроллера (103), при включении после аварийного отключения основной и резервной линий электроснабжения, при срабатывании схемы защиты (101) в случае превышения токов по основной и/или резервной линии.

Также в предпочтительном варианте драйвер (102) схемы управления (10) предназначен для управления работой транзисторов силовых каскадов (6, 7), посредством выполнения логической функции И с сигналом запрета работы от схемы защиты от превышения входных токов (101) и сигналом, поступающим от микроконтроллера (103).

И в предпочтительном варианте микроконтроллер (103) схемы управления (10) с целью формирования упомянутых управляющих сигналов выполнен с возможностью приема и обработки аналоговых сигналов, несущих следующую информацию:

- напряжение на основной линии электроснабжения;

- напряжение на резервной линии электроснабжения;

- напряжение на выводе (11) для подключения потребителя;

- напряжение на втором (4) вспомогательном источнике электропитания;

- значение тока на основании показаний первого датчика тока (8);

- значение тока на основании показаний второго датчика тока (9);

- значение температуры в точке измерения датчиком (12),

и с возможностью приема и обработки следующих цифровых сигналов управления:

- внешнего сигнала, разрешающего или запрещающего работу устройства вторичного электропитания независимо от интерфейсов;

- сигнала, поступающего от схемы защиты от превышения входных токов (101) в случае ее срабатывания или при первоначальном включении.

Как правило, микроконтроллер (103) схемы управления (10) включает технологический интерфейс USART, предназначенный для прошивки, изменении настроек, получения данных о работе микроконтроллер (103) на этапах производства и наладки, а также изолированный интерфейс USART, предназначенный для приема команд дистанционного управления от внешней цифровой системы управления и передачи информации о состоянии устройства вторичного электропитания.

Силовые каскады (6, 7) могут быть предназначены для преобразования постоянного напряжения 27 В в постоянное напряжение 48 В.

Второй (4) вспомогательный источник электропитания может быть предназначен для преобразования постоянного напряжения 27 В в постоянное напряжение 47 В.

Благодаря описанному компонентному составу и структуре резервированного устройства вторичного электропитания и, в частности, схемы управления (10), а также их возможностям работы, обеспечивается равномерное распределение потребляемой мощности от двух независимых линий электроснабжения с одновременной стабилизацией выходного напряжения.

Устройство настроено таким образом, что упомянутое равномерное распределение потребляемой мощности обеспечивается даже при небалансе напряжений от 0,5 В.

Благодаря внешнему интерфейсу USART реализована возможность передачи информации о состоянии предложенного устройства вторичного электропитания и приема команд дистанционного управления.

Наличие резервного емкостного накопителя (5) в описанной схеме устройства повышает его отказоустойчивость и дает возможность формировать команды на аварийное завершение программ внешним потребителям посредством внешних соединителей при переходе на электропитание от упомянутого накопителя (5).

За счет структуры и возможностей схемы управления (10) повышается отказоустойчивость устройства в процессе эксплуатации при аварийной работе с небалансом напряжений, например, за счет схемы защиты от превышения входных токов (101), способной отключать транзисторы силовых каскадов (6, 7) посредством запрета работы драйвера (102), не допуская их выхода из строя.

Также за счет снижения общего количества компонентов устройства уменьшены его габариты.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется с помощью фиг.1-5.

На фиг.1 показана схема резервированного устройства вторичного электропитания от двух независимых линий постоянного тока.

На фиг.2 изображена структурная схема схемы управления предложенного устройства.

На фиг.3 показана общая блок-схема алгоритма работы изобретения.

На фиг.4 показана бок-схема алгоритма цикла старта изобретения.

На фиг.5 показана блок-схема алгоритма равномерного распределения потребляемой мощности от двух независимых линий электроснабжения с одновременной стабилизацией токов и напряжения.

Осуществление изобретения

Приведенные фиг.1-5 поясняют наиболее предпочтительный пример осуществления изобретения. Специалисту в данной области техники будут понятны остальные возможные варианты осуществления изобретения по аналогии с представленными в настоящем описании.

Резервированное устройство вторичного электропитания от двух независимых линий постоянного тока (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 вводы для подключения основной и резервной линий электроснабжения постоянного тока соответственно, первый 3 и второй 4 вспомогательные источники электропитания, резервный емкостной накопитель 5 в виде конденсаторной батареи, первый 6 и второй 7 силовые каскады, схему управления 10, первый 8 и второй 9 датчики тока, выполненные в виде резисторов или любых иных известных устройств, и вывод 11 для подключения потребителя.

Оба вспомогательных источника электропитания 3, 4 связаны с вводами 1, 2 для подключения основной и резервной линий электроснабжения и построены, как правило, по технологии SEPIC, однако построение возможно по любой известной топологии. Первый вспомогательный источник электропитания 3 связан со схемой управления 10 и обеспечивает электропитанием ее составляющие, что позволяет в том числе управлять транзисторами силовых каскадов 6, 7. Второй вспомогательный источник электропитания 4 обеспечивает по отдельной линии заряд резервного емкостного накопителя 5 и резервное электропитание первого вспомогательного источника 3.

Также первый 3 вспомогательный источник электропитания может быть реализован с возможностью преобразования постоянного напряжения 27 В в постоянное напряжение 12 В, а второй 4 вспомогательный источник - с возможностью преобразования постоянного напряжения 27 В в постоянное напряжение 47 В.

Резервный емкостной накопитель 5 связан со вспомогательными источниками 3, 4 и с выводом 11 для подключения потребителя и обеспечивает электропитание первого вспомогательного источника 3, а также подачу электропитания по линии вывода 11 при одновременном отключении основной и резервной линий электроснабжения, подключенным к первому 1 и второму 2 вводам соответственно.

Первый 6 силовой каскад связан с первым вводом 1, а второй 7 силовой каскад - со вторым вводом 2. Каждый каскад, как правило, представляет собой два однотактных прямоходовых DC/DC преобразователь, которые работают в противофазе относительно друг друга и способны как повышать, так и понижать, например, повышать напряжение с 27 В до 48 В.

Схема управления 10 поясняется с помощью фиг.2. Схема управления 10 связана с каскадами 6, 7, вспомогательными источниками электропитания 3, 4 и датчиками тока 8, 9, установленными после силовых каскадов 6, 7 соответственно для передачи значений их выходных токов схеме 10.

Так, вход первого 8 датчика тока связан с выходом первого каскада 6, а первый выход датчик тока 8 связан со входом схемы управления 10, вход второго 9 датчика тока связан с выходом второго каскада 7, а первый выход датчик тока 8 связан с другим входом схемы управления 10, при этом вторые выходы датчиков тока 8, 9 связаны с выводом 11 для подключения потребителя.

Схема управления 10 (фиг.2) выполнена с возможностью стабилизации выходного напряжения и равномерного распределения потребляемой мощности от основной и резервной линий электроснабжения и включает схему защиты от превышения входных токов 101, драйвер 102, микроконтроллер 103 и дополнительно буферные повторители 104, предназначенные для согласования импеданса цепей аналоговых сигналов и входных каскадов АЦП (фиг.2) микроконтроллера 103.

К схеме управления 10 подключен датчик температуры 12, например, в виде терморезистора.

Схема защиты от превышения входных токов 101 выполнена с возможностью следующего:

- формирования сигнала сброса для микроконтроллера 103 (сигнал Сброс 103 на фиг.2) в любом из следующих случаев: при первичном включении устройства, при включении после одновременного отключения основной и резервной линий электроснабжения, при срабатывании схемы 101 в случае превышения токов по основной и/или резервной линии;

- формирования сигнала запрета работы драйвера 102 в любом из следующих случаев (сигнал Запрет на фиг.2): при инициализации программы микроконтроллера 103, при включении после одновременного отключения основной и резервной линий электроснабжения, при срабатывании схемы 101 в случае превышения токов по основной и/или резервной линии.

При этом перевод схемы защиты 101 в режим контроля тока может осуществляться только по сигналу от микроконтроллера 103 Сброс защиты (фиг.2).

Как правило схема защиты 101 реализуется на основе аналоговых компараторов и RS - триггера.

Драйвер 102 предназначен для управления работой транзисторов силовых каскадов 6 и 7 (сигналы ШИМ 6 и ШИМ 7 на фиг.2) путем выполнения логической функции И с сигналом запрета работы от схемы защиты от превышения входных токов 101 и сигналами управления силовыми транзисторами от блока таймеров микроконтроллера 103 (Таймер, сигналы Таймер 1 и Таймер 2 на фиг.2). Драйвер 102 реализует на аппаратном уровне выполнение функции запрета работы на время инициализации прошивки микроконтроллера 103 при первичном включении предлагаемого устройства, включении после одновременного аварийного отключения основной и резервной линий электроснабжения, после срабатывания схемы 101 при превышении токов по линии 1 и/или линии 2.

Микроконтроллер 103 (фиг.1-2) предназначен для формирования алгоритма управления транзисторами силовых каскадов 6 и 7 и выдает для них соответствующие цифровые управляющие сигналы широтно-импульсной модуляции, данные сигналы получаются на выходе блока таймера (сигналы Таймер 1 и Таймер 2 на фиг.2). Также микроконтроллер 103 выдает следующие управляющие сигналы:

- сигнал Заряд (фиг.2), разрешающий или запрещающий работу второго 4 вспомогательного источника электропитания, который осуществляет заряд резервного емкостного накопителя 5 и резервное электропитание первого вспомогательного источника 3;

- сигнал Сброс 101 (фиг.2), сигнализирующий о готовности микроконтроллера 103 к работе, переводящего схему защиты от превышения входных токов 101 в режим контроля тока, в котором схема 101, в свою очередь, разрешает работу драйвера 102.

Микроконтроллер 103 с целью формирования упомянутых управляющих сигналов выполнен с возможностью приема и обработки аналоговых сигналов, несущих следующую информацию:

- Напряжение 1 - напряжение на основной линии электроснабжения;

- Напряжение 2 - напряжение на резервной линии электроснабжения;

- Напряжение 4 - напряжение на втором вспомогательном источнике 4;

- Напряжение 11 - напряжение на выводе 11 для подключения потребителя;

- Ток 8 - значение тока потребления на выходе силового каскада 6 на основании показаний датчика тока 8;

- Ток 9 - значение тока потребления на выходе силового каскада 7 на основании показаний датчика тока 9;

- Терма. - значение температуры в точке измерения датчиком 12.

Данные аналоговые сигналы поступают через буферные повторители 104 на вход мультиплексора АЦП микроконтроллера 103 для дальнейшей обработки согласно алгоритму.

Также микроконтроллер 103 с целью формирования упомянутых управляющих сигналов выполнен с возможностью приема и обработки следующих цифровых сигналов управления, имеющих высший приоритет при обработке алгоритма:

- ВКЛ/ОТКЛ - внешнего сигнала, поступающего через внешний соединитель и разрешающего или запрещающего работу устройства вторичного электропитания независимо от интерфейсов. Данный сигнал может поступать от любого устройство включения, например, тумблера;

- Сброс 103 - сигнала, поступающего от схемы защиты от превышения входных токов 101 в случае ее срабатывания или при первоначальном включении.

Кроме того, микроконтроллер 103, как правило, включает технологический интерфейс USART (Тех. USART), предназначенный для программирования, прошивки, изменении настроек, получения данных о работе микроконтроллера 103 на этапах производства и наладки, а также изолированный интерфейс USART, предназначенный для приема команд дистанционного управления от внешней цифровой системы управления (контроллера верхнего уровня), приема служебной информации и передачи информации о состоянии устройства вторичного электропитания. При этом в состав пакета информации о состоянии устройства входит по меньшей мере одно из следующего: значения напряжений на линиях, значение напряжения на конденсаторной батарее, значение напряжения на выходе, значение тока по линии вывода 11, температура устройства в контрольной точке 12, сигнализация о превышении тока нагрузки, сигнализация об аварийном превышении или снижении входного напряжения на линиях. Какие конкретно данные о состоянии устройства из перечисленных будут передаваться, определяется подключаемой системой управления.

Тем не менее, оба интерфейса USART, технологический и изолированный, могут использоваться для приема команд дистанционного управления, приема служебной информации и передачи информации о состоянии устройства, однако как правило постоянно подключен только один из указанных интерфейсов.

Помимо вышеупомянутых сигналов, микроконтроллер 103 способен формировать другие внешние сигналы информации и управления, например, сигналы управления внешним преобразователем напряжения и другие сигналы, известные из уровня техники и очевидные для специалиста.

Также в некоторых вариантах осуществления схема управления 10 включает линию с напряжением 12 В для обеспечения возможности электропитания внешних маломощных потребителей, например блоков индикации.

Описание работы

Общий принцип работы предложенного устройства поясняется с помощью блок-схемы, показанной на фиг.3.

Загрузчик (блок служебной программы) позволяет осуществлять программирование микроконтроллера 103 по технологическому интерфейсу USART.

После снятия сигнала сброса (сигнала Сброс 103 на фиг.2) от схемы защиты от превышения входных токов 101 или подключения электропитания по линии 1 и/или линии 2 происходит инициализация периферии и структур, входящих в состав микроконтроллера 103.

Затем микроконтроллер 103 формирует сигнал готовности микроконтроллера 103 (Сброс 101 на фиг.2 и 3), поступающий на вход схемы защиты от превышения входных токов 101.

Если отсутствует запрещающий внешний сигнал по линии ВКЛ/ОТКЛ (ВКЛ/ОТКЛ на фиг.2 и 3), получаемый посредством внешнего соединителя, то начинается цикл старта - режим первоначального запуска.

Осуществляется цикл стабилизации токов и напряжений - режим стабилизации выходного напряжения при работе от одной входной линии и режим равномерного распределения потребляемой мощности и стабилизации выходного напряжения при небалансе входных напряжений.

Далее происходит обработка протокола USART - проверяется наличие или отсутствие команды запрета работы по изолированному или технологическому интерфейсам USART, прием команд дистанционного управления от внешней цифровой системы управления, приема служебной информации и передачи информации о состоянии устройства.

После чего вновь начинается цикл стабилизации токов и напряжений и так далее.

Далее рассмотрены основные режимы работы устройства вторичного электропитания с резервированием по наиболее предпочтительному варианту осуществления, а именно:

1) режим первоначального запуска;

2) режим стабилизации выходного напряжения при небалансе входных напряжений или работе от одной входной линии, а также режим равномерного распределения потребляемой мощности;

3) аварийные режимы:

- превышение входного тока силового каскада;

- превышение выходного тока силового каскада.

1) Режим первоначального запуска.

При появлении на силовом вводе 1 и/или 2 для подключения основной и резервной линий электроснабжения постоянного тока напряжения, например, со значением в диапазоне от 12 В до 40 В происходит запуск первого вспомогательного источника электропитания 3. После установления на выходе вспомогательного источника 3 выходного напряжения заданного уровня схема защиты от превышения входных токов 101 формирует сигнал запрета работы драйвера 102 и сброса микроконтроллера 103 для предотвращения неконтролируемого открытия транзисторов силовых каскадов 6 и 7 на время загрузки программы из встроенного постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) микроконтроллера 103. После загрузки программы микроконтроллер 103 выполняет последовательность действий в соответствии с фиг.4.

Взаимодействие с аппаратной частью устройства осуществляется следующим образом:

а) на вход каналов АЦП микроконтроллера 103 через буферные усилители 104 (фиг.2) поступают аналоговые сигналы, несущие информацию о напряжениях, токах и температуре в устройстве.

Обработка происходит в программном блоке «Получены усредненные данные с АЦП по всем каналам» (фиг.4);

б) обработка полученных значений по каналам АЦП происходит в программных блоках (фиг.4):

- блок «Проверка активности линий» проверяет на соответствие заданному диапазону значения напряжений на линии 1 и линии 2;

- блок «Конденсаторная батарея заряжена?» проверяет на соответствие заданному значению напряжение на выходе вспомогательного источника 4 (сигнал Напряжение 4 на фиг.2);

- блок «Выходное напряжение в пределах нормы?» проверяет на соответствие заданному значению напряжение на выводе 11;

в) блок «Нагрузка - ВКЛ» может формировать, например, разрешающий сигнал для внешнего преобразователя через внешний соединитель;

г) блок «Увеличение ШИМ на активных линиях» увеличивает ширину импульса на выходе блока таймеров микроконтроллера 103 для управления посредством драйвера 102 транзисторами силовых каскадов 6, 7;

д) блок «Заряд - ВКЛ» формирует разрешающий сигнал по линии Заряд батареи (фиг.4), который поступает второй вспомогательный источник 4 для активации его работы (фиг.1).

2) Равномерное распределение потребляемой мощности и стабилизация выходного напряжения при небалансе входных напряжений на основной и резервной линиях выполняются следующим образом.

В данном режиме микроконтроллер 103 с целью формирования управляющих сигналов контролирует аналоговые сигналы, несущие информацию о:

- напряжении на первом и втором вводах 1 и 2;

- токах потребления на выходах первого и второго силовых каскадов 6 и 7 на основании показаний первого и второго датчика тока 8 и 9 соответственно;

- напряжении на выводе 11 для подключения потребителя.

В процессе работы микроконтроллер 103 контролирует наличие или отсутствие внешнего сигнала запрета работы от внешней линии включения/отключения (сигнал ВКЛ/ОТКЛ).

В процессе работы микроконтроллер 103 передает по запросу по технологическому или изолированному интерфейсу USART внешней цифровой системе управления значения аналоговых сигналов, несущих информацию напряжениях, токах и температуре в устройстве, поступающих на вход АЦП микроконтроллера 103.

Также в данном режиме микроконтроллер 103 принимает по технологическому или изолированному интерфейсу USART цифровые сигналы управления от внешней цифровой системы управления.

Дополнительно следует отметить, что стабилизация выходного напряжения при работе от одной входной линии выполняется аналогично вышеописанному способу за исключением того, что микроконтроллер 103 с целью формирования управляющих сигналов контролирует аналоговые сигналы только от этой линии, несущие информацию о напряжении на соответствующем вводе (1 или 2) и токе потребления на выходе соответствующего первого 6 или второго 7 силового каскада.

Для обеспечения стабилизации выходного напряжения при работе от обеих входных линий, либо только от одной, и равномерного распределения потребляемой мощности микроконтроллер 103 выполняет алгоритм, блок-схема которого представлена на фиг.5. Управляющие сигналы микроконтроллера 103 поступают на вход драйвера 102 для усиления и распределения сигналов на транзисторы первого и второго силовых каскадов 6 и 7.

Так, в начале и в процессе работы микроконтроллер 103 контролирует наличие или отсутствие разрешающего сигнала по внешней линии ВКЛ/ОТКЛ (фиг.5).

Если разрешающего сигнала нет (значение сигнала ОТКЛ по внешней линии ВКЛ/ОТКЛ), то микроконтроллер 103 формирует управляющий сигнал драйверу 102 в программном блоке «Выключение ШИМ на обеих линиях» посредством перевода выходов блока таймеров в состояние логического 0. Далее микроконтроллер 103 в предпочтительном варианте осуществления формирует сообщение о выключении устройства вторичного электропитания по интерфейсам USART внешней цифровой системе управления.

Если разрешающий сигнал есть, то посредством АЦП микроконтроллера 103 принимаются аналоговые сигналы, несущие информацию о напряжениях на вводах 1 и 2, о токе потребления на выходах силовых каскадов 6 и 7 на основании показаний датчиков тока 8 и 9 соответственно, о напряжение на выводе 11.

И проверяется активность основной и резервной линий путем контроля напряжений на вводах 1 и 2 для подключения основной и резервной линий.

Если обе линии активны, то проверяется, есть ли превышение по току. Если есть - происходит уменьшение ширины импульсов управления транзисторами силовых каскадов 6 и 7 на заданный шаг (блок - «Сброс ШИМ»). Далее алгоритм завершается.

Если превышения по току нет, то проверяется находится ли в пределах нормы выходное напряжение.

Если нет - микроконтроллер 103 сбрасывает программный флаг подтяжки по току и происходит повышение напряжений на активных линиях путем увеличения ширины импульсов управления транзисторами силовых каскадов 6 и 7 на заданный шаг.

Если напряжение в пределах нормы, то проверяется, активны ли обе линии - основная и резервная, и, если не активны - алгоритм завершается. Если активны, то при достаточной разнице токов происходит установка программного флага для подтяжки по току в микроконтроллере 103.

Далее проверяется установлен ли программный флаг подтяжки по току. Если не установлен, то алгоритм завершается. Если флаг установлен, то проверяется, стал ли меньший ток превышать больший. Если не превышает - происходит подтяжка меньшего тока к большему путем изменения ширины импульсов управления транзисторами силовых каскадов 6 и 7 на заданный шаг, а если превышает - происходит сброс программного флага подтяжки по току и алгоритм завершается.

Именно таким методом реализуется возможность схемы управления 10 по стабилизации выходного напряжения и равномерного распределения потребляемой мощности от основной и резервной линий электроснабжения при небалансе напряжений между вводами 1 и 2 от 0,5 В.

3.1) Аварийный режим: превышение входного тока силового каскада 6 и/или 7.

В данном режиме при превышении входных токов силовых каскадов 6 и/или 7 схема защиты от превышения входных токов 101 формирует сигнал запрета работы драйвера 102 с постоянным уровнем, импульсный сигнал сброса микроконтроллера 103 (сигнал Сброс 103) и формирует внешний сигнал Авария для подключенного потребителя.

При этом происходит переход на электропитание от резервного емкостного накопителя 5, который путем разряда через диод осуществляет электропитание потребителя на линии 11 (фиг.1).

После окончания импульса сигнала Сброс 103, загрузки программы из внутреннего ПЗУ, выполнения инициализации периферии и структур микроконтроллер 103 ожидает цифровой сигнал на включение по интерфейсу технологическому или изолированному USART от внешней цифровой системы управления. Сигнал на перевод схемы защиты от превышения входных токов 101 в режим контроля тока не формируется. В случае отсутствия абонентов интерфейса USART и отсутствия сигнала запрета работы от внешней линии включения/отключения (ВКЛ/ОТКЛ) микроконтроллер 103 переходит в режим первоначального запуска.

3.2) Аварийный режим: превышение выходного тока на выводе 11 для подключения внешнего потребителя.

В этом режиме при превышении выходных токов силовых каскадов 6 и/или 7 микроконтроллер 103 с заданным шагом снижает ширину импульса сигналов, из которых формируются сигналы управления транзисторами силовых каскадов, поступающих на вход драйвера 102. При достижении минимального значения ширины импульса управляющих сигналов микроконтроллер 103 устанавливает на входе драйвера 102 сигнал с уровнем логического «0».

Также микроконтроллер 103 формирует по подключенному технологическому или изолированному интерфейсу USART внешней цифровой системе управления сигнала о перегрузке на линии 11. При этом происходит переход на электропитание от резервного емкостного накопителя 5, который до полного разряда через диод осуществляет электропитание потребителя на линии 11 (фиг.1).

Возобновление работы устройства происходит при наличии разрешающего цифрового сигнала дистанционного управления, поступившего по технологическому или изолированному интерфейсу USART.

Таким образом, при использовании настоящего изобретения достигается следующее:

- обеспечивается равномерное распределение потребляемой мощности от двух независимых линий электроснабжения с одновременной стабилизацией выходного напряжения устройства вторичного электропитания, причем обеспечивается равномерное распределение потребляемой мощности даже при небалансе напряжений от 0,5 В;

- обеспечивается возможность передачи по внешнему изолированному интерфейсу информации о состоянии устройства вторичного электропитания и приема команд дистанционного управления по этому же интерфейсу;

- повышается отказоустойчивость устройства в процессе эксплуатации при аварийной работе с небалансом напряжений;

- уменьшаются габариты устройства за счет снижения общего количества компонентов;

- обеспечивается возможность формирования команд на аварийное завершение программ внешним потребителям при переходе на электропитание от резервного накопителя;

- обеспечивается возможность электропитания внешних маломощных потребителей.

Пример осуществления изобретения

Для подтверждения возможности достижения технического результата и заявленных преимуществ был изготовлен и испытан тестовый образец, к которому были предъявлены следующие требования по электрическим параметрам:

- образец должен обеспечивать прием и преобразование двух резервированных каналов 27 В постоянного тока СЭ (системы электроснабжения);

- параметры воздействий на входе и диапазон входных напряжений должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 54073-2017 и МУ-160-89;

- выходное напряжение (48,8±1,0) В.

- мощность, потребляемая потребителем по линии 11, при электропитании от одного канала СЭ (системы электроснабжения) должна быть не менее 300 Вт.

Ниже приведены результирующие характеристики изобретения. Электрические характеристики:

Табл.1

Наименование характеристики Значение Условия Минимальное рабочее входное напряжение для основной линии 1 и резервной линии 2, В 18 - Максимальное рабочее входное напряжение для основной линии 1 и резервной линии 2, В 36 - Аварийное верхнее входное напряжение для линии 1 и линии 2, В 40 в течение 1 мин Аварийное нижнее входное напряжение для линии 1 и линии 2, В 10 в течение 1 мин, выходное напряжение не нормируется Номинальное выходное напряжение, В 48 ±1 - Номинальное напряжение для заряда конденсаторной батареи, В 47,0 ± 0,5 - Номинальное выходное напряжение для электропитания вспомогательных цепей, В 12,0 ± 0,2 при номинальной нагрузке Максимальный ток потребления вспомогательными цепями, А не более 0,3 -

Получены следующие напряжения на выходе тестового образца в зависимости от входного напряжения:

Табл.2

№ п/п Напряжение на входе линии 1, В Напряжение на входе линии 2, В Напряжение на выходе образца, В 1 27,0±0,2 27,0±0,2 48,103 2 18,0±0,2 18,0±0,2 48,5 3 24,0±0,2 24,0±0,2 48,72 4 33,0±0,2 33,0±0,2 48,4 5 36,0±0,2 36,0±0,2 48,8 6 27,0±0,2 0 48,65 7 18,0±0,2 0 48,3 8 24,0±0,2 0 48,41 9 33,0±0,2 0 48,8 10 36,0±0,2 0 49,0 11 0 27,0±0,2 48,58 12 0 18,0±0,2 48,8 13 0 24,0±0,2 48,78 14 0 33,0±0,2 48,102 15 0 36,0±0,2 48,88

Таким образом, подтверждена возможность работы резервированного устройства вторичного электропитания от двух независимых линий постоянного тока с достижением технического результата и заявленных преимуществ.

Из вышеприведенного описания специалисту в данной области техники будет понятно, что изобретение реализуется известными методами и с помощью известных средств.

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к устройствам вторичного электропитания с резервированием, и может быть использовано для бесперебойного электропитания постоянным стабилизированным напряжением потребителей различных радиоэлектронных объектов от двух независимых линий постоянного тока. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение равномерного распределения потребляемой мощности от двух независимых линий электроснабжения с одновременной стабилизацией выходного напряжения устройства вторичного электропитания. Устройство содержит первый (1) и второй (2) вводы для подключения основной и резервной линий электроснабжения постоянного тока, первый (3) и второй (4) вспомогательные источники электропитания, резервный емкостной накопитель (5), первый (6) силовой каскад и второй (7) силовой каскад, первый (8) датчик тока, второй (9) датчик тока, схему управления (10), связанную со вспомогательными источниками (3) и (4), силовыми каскадами (6) и (7) и датчиками тока (8), (9) и снабженную цифровыми интерфейсами, а также вывод (11) для подключения потребителя. Причем первый (3) вспомогательный источник предназначен для обеспечения электропитанием схемы управления (10), второй (4) вспомогательный источник - для заряда резервного накопителя (5) и резервного электропитания первого источника (3). Резервный накопитель (5) предназначен для электропитания первого источника (3) и подачи электропитания по линии вывода (11). Схема управления (10) выполнена с возможностью стабилизации выходного напряжения и равномерного распределения потребляемой мощности от основной и резервной линий электроснабжения и включает схему защиты от превышения входных токов (101), драйвер (102) и микроконтроллер (103), выполненный с возможностью формирования управляющих сигналов драйверу (102) для управления работой транзисторов силовых каскадов (6) и (7), сигнала для разрешения или запрета работы второго источника (4), сигнала готовности микроконтроллера (103) к работе, переводящего схему защиты от превышения входных токов (101) в режим контроля тока, в котором схема (101) разрешает работу драйвера (102). 6 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Резервированное устройство вторичного электропитания от двух независимых линий постоянного тока, содержащее

первый (1) и второй (2) вводы для подключения основной и резервной линий электроснабжения постоянного тока соответственно,

первый (3) и второй (4) вспомогательные источники электропитания, каждый из которых связан с упомянутыми вводами (1) и (2),

резервный емкостной накопитель (5), связанный со вспомогательными источниками (3) и (4) и с выводом (11) для подключения потребителя,

первый (6) силовой каскад, связанный с первым вводом (1), и второй (7) силовой каскад, связанный со вторым вводом (2),

первый (8) датчик тока, установленный после первого силового каскада (6), и второй (9) датчик тока, установленный после второго силового каскада (7),

схему управления (10), связанную со вспомогательными источниками электропитания (3, 4), силовыми каскадами (6, 7), датчиками тока (8, 9) и снабженную цифровыми интерфейсами,

а также вывод (11) для подключения потребителя, связанный с датчиками тока (8, 9),

причем первый (3) вспомогательный источник предназначен для обеспечения электропитанием схемы управления (10), второй (4) вспомогательный источник предназначен для заряда резервного емкостного накопителя (5) и резервного электропитания первого вспомогательного источника (3),

резервный емкостной накопитель (5) предназначен для электропитания первого вспомогательного источника (3) и подачи электропитания по линии вывода (11) при превышении токов по основной и/или резервной линии электроснабжения или при одновременном отключении этих линий, а

схема управления (10) выполнена с возможностью стабилизации выходного напряжения и равномерного распределения потребляемой мощности от основной и резервной линий электроснабжения, включает схему защиты от превышения входных токов (101), драйвер (102) и микроконтроллер (103), выполненный с возможностью формирования следующих управляющих сигналов:

– цифровых сигналов драйверу (102) для управления работой транзисторов силовых каскадов (6, 7);

– сигнала, разрешающего или запрещающего работу второго (4) вспомогательного источника электропитания;

– сигнала готовности микроконтроллера (103) к работе, переводящего схему защиты от превышения входных токов (101) в режим контроля тока, в котором схема (101) разрешает работу драйвера (102).

2. Устройство по п.1, в котором схема защиты от превышения входных токов (101) схемы управления (10) выполнена с возможностью следующего:

– формирования сигнала сброса для микроконтроллера (103) в любом из следующих случаев: при первичном включении устройства, при включении после одновременного отключения основной и резервной линий электроснабжения, при срабатывании схемы защиты (101) в случае превышения токов по основной и/или резервной линии;

– формирования сигнала запрета работы драйвера (102) в любом из следующих случаев: при инициализации программы микроконтроллера (103), при включении после аварийного отключения основной и резервной линий электроснабжения, при срабатывании схемы защиты (101) в случае превышения токов по основной и/или резервной линии.

3. Устройство по п.1, в котором драйвер (102) схемы управления (10) предназначен для управления работой транзисторов силовых каскадов (6, 7) посредством выполнения логической функции И с сигналом запрета работы от схемы защиты от превышения входных токов (101) и сигналом, поступающим от микроконтроллера (103).

4. Устройство по п.1, в котором микроконтроллер (103) схемы управления (10) с целью формирования упомянутых управляющих сигналов выполнен с возможностью приема и обработки аналоговых сигналов, несущих следующую информацию:

– напряжение на основной линии электроснабжения;

– напряжение на резервной линии электроснабжения;

– напряжение на выводе (11) для подключения потребителя;

– напряжение на втором (4) вспомогательном источнике электропитания;

– значение тока на основании показаний первого датчика тока (8);

– значение тока на основании показаний второго датчика тока (9);

– значение температуры в точке измерения датчиком (12),

и с возможностью приема и обработки следующих цифровых сигналов управления:

– внешнего сигнала, разрешающего или запрещающего работу устройства вторичного электропитания независимо от интерфейсов;

– сигнала, поступающего от схемы защиты от превышения входных токов (101) в случае ее срабатывания или при первоначальном включении.

5. Устройство по п.1, в котором микроконтроллер (103) схемы управления (10) включает технологический интерфейс USART, предназначенный для прошивки, изменения настроек, получения данных о работе микроконтроллера (103) на этапах производства и наладки, а также изолированный интерфейс USART, предназначенный для приема команд дистанционного управления от внешней цифровой системы управления и передачи информации о состоянии устройства вторичного электропитания.

6. Устройство по п.1, в котором силовые каскады (6, 7) предназначены для преобразования постоянного напряжения 27 В в постоянное напряжение 48 В.

7. Устройство по п.1, в котором второй (4) вспомогательный источник электропитания предназначен для преобразования постоянного напряжения 27 В в постоянное напряжение 47 В.