Интеллектуальный источник питания

Авторы патента:

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения постоянного тока (Direct Current) в напряжение постоянного тока (модуль DC/DC), получающих входное питание в широком диапазоне и при наличии амплитуды импульсного напряжения до 1000 вольт, и может быть использована для качественного электропитания ответственных потребителей различных объектов (подвижных и стационарных) промышленного и военного назначения в соответствии с жесткими требованиями по ГОСТ РВ 20.39.309-98. Предлагаемая полезная модель содержит преобразователь напряжения, входной фильтр, выходной фильтр, микроконтроллер, приемо-передатчик последовательного интерфейса, входную положительную шину, выходную положительную шину, общую отрицательную шину. Входной фильтр содержит два LR-контура, конденсатор, симметрирующий трансформатор, два варистора, RC-цепочку, разрядник. Преобразователь напряжения содержит шесть полевых транзисторов, четыре драйвера затвора полевого транзистора, автотрансформатор. Выходной фильтр содержит RC-цепочку, диод, три сглаживающих дросселя, два сглаживающих конденсатора, датчик тока, датчик напряжения, два проходных конденсатора, резистор. Техническим результатом полезной модели является устранение теплового нагрева источника и повышение КПД на 3%, а также повышение надежности выработки качественного выходного электропитания.

Известен двухтактный преобразователь напряжения (патент РФ 2314627, Н02М 3/337, Н02М 7/519, Н02М 7/538, Н02М 7/122 от 12.07.2006 г.), содержащий трансформатор с двумя первичными обмотками, два управляемых ключевых элемента, зашунтированные диодами обратного тока, два защитных диода, два защитных конденсатора, две разрядные обмотки трансформатора, два разрядных диода.

В известном преобразователе напряжения используется сложная аналоговая схема управления, что снижает надежность и быстродействие преобразования напряжения, отсутствует входной фильтр.

Известен интеллектуальный преобразователь напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки (патент РФ 2324272, Н02J 9/06 от 13.06.2006 г.), содержащий несколько модулей двухканального преобразования напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока. Модуль содержит два фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений, два инвертора канала преобразования, четыре датчика тока, два трансформатора, два выпрямителя канала преобразования, два выходных фильтра канала преобразования, два блока питания от сети, схему развязки цепей питания, датчик температуры, микроконтроллер, два блока драйверов силовых ключей канала преобразования, аналого-цифровой преобразователь, датчик напряжения, часы реального времени системы управления модулем, энергонезависимую память, адаптер шины информационного обмена системы управления модулем. Фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений содержит датчик входного напряжения, индуктивность, выходной электролитический конденсатор, делитель напряжения из двух резисторов, компаратор, блок драйверов, узел подавления импульсно-коммутационных перенапряжений, состоящий из параллельно включенных биполярного транзистора с изолированным затвором и резистора.

Известный преобразователь напряжения не позволяет поднимать пониженное входное напряжение до требуемого уровня выходного напряжения. Фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений прерывает передачу входного напряжения при наличии импульсного напряжения определенной длительности.

Вышеуказанные недостатки не позволяют вырабатывать на выходе преобразователя напряжения качественное электропитание.

Известен многорежимный источник питания (патент РФ 24577, G06F 1/00, H02J 7/10, H02M 7/00 от 20.09.2001 г.), содержащий автономный источник питания, выполненный в виде аккумуляторной батареи, стабилизатор, фильтр, выполненный на сглаживающем конденсаторе, преобразователь напряжения, состоящий из трех полевых транзисторов, трех диодов и трансформатора, датчик тока, датчик сетевого напряжения, датчик температуры, блок коммутации, блок приема входных сигналов от внешних устройств (компьютер, тумблер включения, пульт управления), микроконтроллер, состоящий из четырех блоков измерения и сравнения, трех формирователей импульсов, порта управления, порта связи с внешними устройствами.

Известный источник питания не позволяет поднимать пониженное входное напряжение до требуемого уровня выходного напряжения. Источник питания не защищен от импульсных перенапряжений в питающей цепи.

Вышеуказанные недостатки не позволяют вырабатывать на выходе источника питания качественное электропитание.

Известен интеллектуальный источник питания (патент РФ 86330, G06F 1/00 от 27.08.2009 г.) - прототип.

Известный интеллектуальный источник питания содержит преобразователь напряжения, состоящий из четырех полевых транзисторов, четырех драйверов затвора полевого транзистора, двух диодов, автотрансформатора, входной фильтр, состоящий из двух LR-контуров, конденсатора, симметрирующего трансформатора, двух варисторов, RC-цепочки, разрядника, выходной фильтр, состоящий из RC-цепочки, диода, двух сглаживающих дросселей, сглаживающего конденсатора, датчика тока, датчика напряжения, двух проходных конденсаторов, резистора, микроконтроллер, приемо-передатчик интерфейса, входную положительную шину, выходную положительную шину, общую отрицательную шину.

Известный интеллектуальный источник питания имеет потери мощности на диодах преобразователя напряжения порядка 3%, за счет чего происходит тепловой нагрев источника. Интеллектуальный источник питания за счет применения в выходном фильтре полярного сглаживающего конденсатора имеет ухудшение со временем качества выходного электропитания и ограничения по сроку службы.

Предлагаемый интеллектуальный источник питания устраняет перечисленные выше недостатки.

Техническим результатом полезной модели является устранение теплового нагрева источника и повышение КПД на 3%, а также повышение надежности выработки качественного выходного электропитания.

Для достижения указанного технического результата в интеллектуальный источник питания, содержащий входной фильтр, преобразователь напряжения, выходной фильтр, микроконтроллер, приемопередатчик интерфейса, входную положительную шину, выходную положительную шину, общую отрицательную шину, причем преобразователь напряжения содержит четыре полевых транзистора, четыре драйвера затвора полевого транзистора и автотрансформатор, при этом средний вывод автотрансформатора соединен с входной положительной шиной, стоки первого и второго полевого транзистора соединены с соответствующими крайними выводами автотрансформатора, а их истоки с общей отрицательной шиной, стоки третьего и четвертого полевого транзистора соединены с выходной положительной шиной, четыре выхода порта универсальных входов/выходов микроконтроллера соединены с соответствующими драйверами затвора полевого транзистора, выходной фильтр содержит RC-цепочку, диод, два сглаживающих дросселя, сглаживающий конденсатор, датчик тока, датчик напряжения, два проходных конденсатора, обкладки которых соединены с помощью резистора, при этом первый выход датчика тока соединен с первым входом, а выход датчика напряжения - со вторым входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, выходная положительная шина соединена с общей отрицательной шиной через RC-цепочку, катод диода соединен с выходной положительной шиной, а его анод с общей отрицательной шиной, второй выход датчика тока соединен с первым входом датчика напряжения и через первый проходной конденсатор - с положительным выходом источника питания, общая отрицательная шина соединена через второй сглаживающий дроссель со вторым входом датчика напряжения, через сглаживающий конденсатор и первый сглаживающий дроссель - с входной положительной шиной и через второй проходной конденсатор - с отрицательным выходом источника питания, выходной фильтр заключен в экранирующий контур, в который включены два проходных конденсатора и резистор, порт UART микроконтроллера соединен с первыми выводами приемо/передатчика интерфейса, вторые выводы которого подсоединяются к внешним устройствам (компьютер, тумблер включения, пульт управления), порт JTAG микроконтроллера подсоединяется к интерфейсу JTAG рабочего места для настройки и отладки программ микроконтроллера, входной фильтр содержит два LR-контура, конденсатор, симметрирующий трансформатор, два варистора, RC-цепочку, разрядник, при этом положительный вход источника питания через первый LR-контур и первую обмотку симметрирующего трансформатора соединен с входной положительной шиной, отрицательный вход источника питания через второй LR-контур и вторую обмотку симметрирующего трансформатора - с общей отрицательной шиной, которая через RC-цепочку и два последовательно соединенных варистора соединена с входной положительной шиной, входы симметрирующего трансформатора соединены между собой конденсатором, корпусной вход источника питания через разрядник соединен с точкой соединения варисторов между собой, входной фильтр заключен в экранирующий контур, введены в преобразователь напряжения два дополнительных полевых транзистора, при этом исток и затвор третьего полевого транзистора соединены с истоком и затвором первого дополнительного транзистора соответственно, исток и затвор четвертого полевого транзистора соединены с истоком и затвором второго дополнительного транзистора соответственно, стоки первого и второго дополнительных полевых транзисторов соединены с внутренними выводами автотрансформатора, выходной фильтр содержит дополнительный сглаживающий дроссель и дополнительный сглаживающий конденсатор, при этом точка соединения первого сглаживающего дросселя и сглаживающего конденсатора через дополнительный сглаживающий дроссель соединена с входом датчика тока и через дополнительный сглаживающий конденсатор - со вторым входом датчика напряжения.

На фиг. показана структурная схема интеллектуального источника питания.

На фиг. показано:

1 - преобразователь напряжения;

2 - входной фильтр;

3 - выходной фильтр;

4 - микроконтроллер (микросхема MSP430F5437IPN, ф. Texas Instruments);

5 - приемо-передатчик последовательного интерфейса (базовая микросхема MAX13488EESA, ф. Maxim);

6 - входная положительная шина;

7 - выходная положительная шина;

8 - общая отрицательная шина.

Преобразователь напряжения 1 содержит:

9-12 - драйверы затвора полевого транзистора (базовые микросхемы MIC4452BM, ф. Micrel);

13-18 - полевые транзисторы (транзисторы IPB072N15N3 G, ф. Infineon);

19 - автотрансформатор (трансформатор PA0901NL, ф. Pulse);

Входной фильтр 2 содержит:

20, 21 - LR контуры (дроссели IHLP2525CZERR10M01, ф. Vishay Dale, резисторы P1-12-0,5-5,1 Ом±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ;

22 - конденсатор (конденсатор B32652A7333J, ф. Epcos);

23 - симметрирующий трансформатор (трансформатор СМ6296-503, ф. API Delevan);

24, 25 - варисторы (варисторы SIOV-S20K40G5S5 ф. Epcos);

26 - конденсатор (конденсатор К10-47Ма-500В-0,047 мкФ±20%-Н30 ОЖ0.460.174-МТУ);

27 - резистор (резистор P1-12-0,5-5,1 Ом±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ);

28 - разрядник (газоразрядная трубка ЕС75Х, ф. Epcos);

Выходной фильтр 3 содержит:

29 - конденсатор (конденсатор К10-47Ма-500В-390пФ±10%-МП0 ОЖ0.460.174-МТУ);

30 - резистор (резистор P1-12-0,5-5,1 Ом±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ);

31 - диод (диод SBR40U100CT, ф. DIODES);

32, 33, 34 - сглаживающие дроссели (индуктивности HC3-6RO-R, ф. COOPER Bussmann);

35, 36 - сглаживающие конденсаторы (конденсатор ST205C476MAJ05, ф. AVX);

37 - датчик тока (микросхема ACS712ELCTR-30A-T, ф. Allegro MicroSystems);

38 - датчик напряжения - делитель напряжения из двух резисторов (резисторы P1-16-0,062-47 кОм±0,1%-0,5-Г; Р1-16-0,062-2,34 кОм±0,1%-0,5-Г АЛЯР.434110.002ТУ);

39, 40 - проходные конденсаторы (фильтры Б23Б-2-0,22 мкФ±10%-250В-25А-4-В ОЖ0.206.021ТУ);

41 - резистор (резистор P1-12-0,5-5,1 Ом±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ).

Интеллектуальный источник питания содержит следующие выводы:

42 - положительный вход;

43 - отрицательный вход;

44 - корпусной вход;

45 - положительный выход;

46 - отрицательный выход;

47 - технологические входы/выходы к интерфейсу JTAG рабочего места;

48 - рабочие входы/выходы к внешним устройствам (компьютер, тумблер включения, пульт управления).

Микроконтроллер 4 содержит следующие основные узлы:

1) Порт универсальных входов/выходов предназначен для выдачи управляющих сигналов на драйверы 9-12 затвора полевого транзистора.

2) Порт JTAG подсоединяется к интерфейсу JTAG для отладки микроконтроллера (работа организована в соответствии с требованиями американского стандарта IEEE1.149.1-1990).

3) Порт UART соединяется с приемо-передатчиком 5 последовательного интерфейса (работа организована в соответствии с требованиями американского национального стандарта ANSI/TIA/EIA-485-А-1998), который предназначен для внешнего управления работой интеллектуального источника питания.

4) Процессор CPU предназначен для решения задач по управлению преобразователем напряжения 1.

5) Аналого-цифровой преобразователь АЦП предназначен для приема и оцифровки информации аналоговых датчиков 37, 38 тока и напряжения и передачи в микроконтроллер.

6) Flash-память предназначена для энергонезависимого хранения рабочих программ.

7) Оперативное запоминающее устройство ОЗУ предназначено для хранения переменной информации в процессе выполнения программы интеллектуального источника питания.

Драйверы 9-12 затвора полевого транзистора предназначены для передачи сигнала управления из порта универсальных входов/выходов микроконтроллера 4, гальванической изоляции, усиления мощности сигнала управления на затвор полевых транзисторов 13-18.

Преобразователь напряжения 1 построен на основе мостового регулируемого двухтактного конвертора, в котором совмещены функции преобразования электрической энергии и ее регулирования за счет устройства управления (микроконтроллер 4), основанного на принципе широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции.

Функционирование интеллектуального источника питания происходит в трех основных режимах:

1. Режим управления, прямой передачи напряжения.

2. Режим управления, понижающий напряжение.

3. Режим управления, повышающий напряжение.

При получении приемо-передатчиком интерфейса 5 на рабочие входы/выходы 48 извне управляющего воздействия, будь то тумблер управления, пульт дистанционного управления или сигнал с компьютера, микроконтроллер 4 входит в один из режимов своего функционирования. Микроконтроллер 4 посредством приемо-передатчика интерфейса 5 отвечает на запросы по протоколу RS-485, передает значения измеряемых напряжений и тока, информацию об аварийных отключениях, предупредительную диагностику, принимает команды включения и отключения. Скорость передачи 115200 бод, период между запросами 10 -100 мс.

При функционировании интеллектуального источника питания в режиме преобразователя постоянного напряжения он обеспечивает преобразование входного постоянного напряжения 17-50 В и более в выходное постоянное напряжение 22-29 В. При этом при получении микроконтроллером 4 соответствующих сигналов от датчика напряжения 38, микроконтроллер 4 на соответствующих выходах формирует импульсные последовательности с управляемой скважностью, поступающие через драйверы 9-12 на затворы полевых транзисторов 13-18.

При получении микроконтроллером 4 соответствующих сигналов от датчика тока 37 микроконтроллер 4 запрещает выдачу управляющих сигналов на затворы полевых транзисторов 13-18, если параметры тока вышли за допустимые пределы, например, вызваны коротким замыканием на нагрузке.

Информация от датчика тока 37 и датчика напряжения 38 поступает на соответствующие входы преобразователя АЦП, затем на процессор микроконтроллера 4, в котором он сравнивается с величиной записанной в программе микроконтроллера 4.

В режиме управления, прямой передачи напряжения, т.е. диапазон входного питания, соответствует требуемому диапазону выходного питания, интеллектуальный источник питания работает следующим образом:

полевые транзисторы 13 и 16 постоянно выключены, 14, 15, 17 и 18 постоянно включены, тем самым обеспечивается прямая трансляция входного напряжения (без преобразования) из входной положительной шины 6 через встречно-параллельно включенные обмотки автотрансформатора 19, параллельно включенные через полевые транзисторы 14, 15, 17 и 18 в выходную положительную шину 7. При этом достигается максимальный коэффициент полезного действия (КПД) источника питания, т.к. отсутствуют потери на преобразование напряжения.

В режиме управления, понижающий напряжение, т.е. максимальное значение входного питания выше максимального значения требуемого выходного питания, интеллектуальный источник питания работает следующим образом:

по алгоритму, реализующемуся в микроконтроллере 4, синхронно включаются сначала полевые транзисторы 13, 14 и 17 на время передачи импульса пониженного напряжения, в соответствии с коэффициентом трансформации автотрансформатора 19, а затем, через промежуток времени, необходимый для завершения переходных процессов в элементах схемы, полевые транзисторы 15, 16 и 18, обеспечивая, таким образом, передачу энергии из входной положительной шины 6 через автотрансформатор 19, с понижением напряжения, в выходную шину 7. Кроме того, понижение выходного напряжения так же возможно за счет увеличения промежутка времени между импульсами напряжения, создаваемого включением синхронно транзисторов 13, 14, 17 и 15, 16, 18.

В режиме управления, повышающий напряжение, т.е. минимальное значение входного питания ниже минимального значения требуемого выходного питания, интеллектуальный источник питания работает следующим образом:

по алгоритму, реализующемуся в микроконтроллере 4, синхронно включаются сначала полевые транзисторы 13, 15 и 18 на время передачи импульса повышенного напряжения, в соответствии с коэффициентом трансформации автотрансформатора 19, а затем, через промежуток времени, необходимый для завершения переходных процессов в элементах схемы, полевые транзисторы 14, 16 и 17, обеспечивая, таким образом, передачу энергии из входной положительной шины 6 через автотрансформатор 19, с повышением напряжения, в выходную шину 7. Кроме того, увеличивая промежуток времени между импульсами напряжения, создаваемые включением полевых транзисторов 13 и 16, можно уменьшать величину повышения выходного напряжения.

При наличии во входном питании амплитуды импульсного напряжения до 1000 В энергия помехи рассеивается на элементах входного фильтра 2: часть энергии - на LR-контурах 20, 21 и симметрирующем трансформаторе 23 (амплитуда положительной или отрицательной полярности); оставшаяся часть энергии помехи рассеивается на варисторах 24, 25 и на разряднике 28.

Элементы выходного фильтра 3 сглаживают импульсные напряжения, возникающие при переключениях полевых транзисторов 13-18.

Обеспечивается возможность объединения выходных напряжений нескольких интеллектуальных источников питания для питания общих датчиков и общих модулей без использования внешних диодов.

Одним из преимуществ данного интеллектуального источника питания за счет использования микроконтроллера является возможность коррекции и модификации программы и начальных данных, а также вывод информации в компьютер для мониторинга работы источника питания. Кроме того, в нем обеспечена связь с компьютером (или другим устройством ввода информации - таким, как, например, программатор) для ввода в память начальных данных.

Интеллектуальный источник питания, содержащий входной фильтр, преобразователь напряжения, выходной фильтр, микроконтроллер, приемопередатчик интерфейса, входную положительную шину, выходную положительную шину, общую отрицательную шину, причем преобразователь напряжения содержит четыре полевых транзистора, четыре драйвера затвора полевого транзистора и автотрансформатор, при этом средний вывод автотрансформатора соединен с входной положительной шиной, стоки первого и второго полевого транзистора соединены с соответствующими крайними выводами автотрансформатора, а их истоки с общей отрицательной шиной, стоки третьего и четвертого полевого транзистора соединены с выходной положительной шиной, четыре выхода порта универсальных входов/выходов микроконтроллера соединены с соответствующими драйверами затвора полевого транзистора, выходной фильтр содержит RC-цепочку, диод, два сглаживающих дросселя, сглаживающий конденсатор, датчик тока, датчик напряжения, два проходных конденсатора, обкладки которых соединены с помощью резистора, при этом первый выход датчика тока соединен с первым входом, а выход датчика напряжения - со вторым входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, выходная положительная шина соединена с общей отрицательной шиной через RC-цепочку, катод диода соединен с выходной положительной шиной, а его анод с общей отрицательной шиной, второй выход датчика тока соединен с первым входом датчика напряжения и через первый проходной конденсатор - с положительным выходом источника питания, общая отрицательная шина соединена через второй сглаживающий дроссель со вторым входом датчика напряжения, через сглаживающий конденсатор и первый сглаживающий дроссель - с входной положительной шиной и через второй проходной конденсатор - с отрицательным выходом источника питания, выходной фильтр заключен в экранирующий контур, в который включены два проходных конденсатора и резистор, порт UART микроконтроллера соединен с первыми выводами приемопередатчика интерфейса, вторые выводы которого подсоединяются к внешним устройствам (компьютер, тумблер включения, пульт управления), порт JTAG микроконтроллера подсоединяется к интерфейсу JTAG рабочего места для настройки и отладки программ микроконтроллера, входной фильтр содержит два LR-контура, конденсатор, симметрирующий трансформатор, два варистора, RC-цепочку, разрядник, при этом положительный вход источника питания через первый LR-контур и первую обмотку симметрирующего трансформатора соединен с входной положительной шиной, отрицательный вход источника питания через второй LR-контур и вторую обмотку симметрирующего трансформатора - с общей отрицательной шиной, которая через RC-цепочку и два последовательно соединенных варистора соединена с входной положительной шиной, входы симметрирующего трансформатора соединены между собой конденсатором, корпусной вход источника питания через разрядник соединен с точкой соединения варисторов между собой, входной фильтр заключен в экранирующий контур, отличающийся тем, что преобразователь напряжения содержит два дополнительных полевых транзистора, при этом исток и затвор третьего полевого транзистора соединены с истоком и затвором первого дополнительного транзистора соответственно, исток и затвор четвертого полевого транзистора соединены с истоком и затвором второго дополнительного транзистора соответственно, стоки первого и второго дополнительных полевых транзисторов соединены с внутренними выводами автотрансформатора, выходной фильтр содержит дополнительный сглаживающий дроссель и дополнительный сглаживающий конденсатор, при этом точка соединения первого сглаживающего дросселя и сглаживающего конденсатора через дополнительный сглаживающий дроссель соединена с входом датчика тока и через дополнительный сглаживающий конденсатор - со вторым входом датчика напряжения.