ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения переменного тока (Analog Current) в напряжение постоянного тока (модуль AC/DC), получающих входное питание в широком диапазоне и при наличии микросекундных импульсных помех с амплитудой до 1000 В по ГОСТ Р 51317.4.5-99, 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.
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.
В известном преобразователе напряжения фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений прерывает передачу входного напряжения при наличии импульсного напряжения определенной длительности.
Указанный недостаток не позволяет 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 многорежимный источник питания не защищен от импульсных перенапряжений в питающей цепи. Указанный недостаток не позволяет вырабатывать на выходе источника питания качественное электропитание.
Известен интеллектуальный источник питания (патент РФ №86330, G06F 1/00 от 27.08.2009 г.), содержащий 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 и, соответственно, уменьшается его КПД. Качество выходного электропитания известного интеллектуального источника питания за счет применения в выходном фильтре полярного сглаживающего конденсатора со временем ухудшается, и, соответственно, уменьшается срок службы интеллектуального источника питания.
Известен интеллектуальный источник питания (патент РФ №92210, G06F 1/00 от 02.11.2009 г.) - прототип.
Известный интеллектуальный источник питания содержит преобразователь напряжения, состоящий из шести полевых транзисторов, четырех драйверов затвора полевого транзистора и автотрансформатора, выходной фильтр, состоящий из двух LR-контуров, конденсатора, симметрирующего трансформатора, двух варисторов, RC-цепочки и разрядника, выходной фильтр, состоящий из RC-цепочки, диода, трех сглаживающих дросселей, двух сглаживающих конденсаторов, датчика тока, датчика напряжения, двух проходных конденсаторов и резистора, микроконтроллер, приемо-передатчик последовательного интерфейса, входную положительную шину, выходную положительную шину, общую отрицательную шину.
В известном интеллектуальном источнике питания отсутствует электрическая изоляция между входными и выходными цепями.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение электрической изоляции между входными и выходными цепями.
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, причем преобразователь напряжения содержит четыре полевых транзистора, четыре драйвера затвора полевого транзистора, при этом четыре выхода порта универсальных входов/выходов микроконтроллера соединены с соответствующими драйверами затвора полевого транзистора, выходной фильтр содержит последовательную RC-цепь, три сглаживающих дросселя, два сглаживающих конденсатора, 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, второй выход датчика тока соединен с первым входом датчика напряжения и через первый проходной конденсатор - с положительным 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 дросселя, симметрирующий трансформатор, два варистора, введены во входной фильтр дополнительные дроссель и варистор, при этом фаза «А» источника питания через первый дроссель и первую обмотку симметрирующего трансформатора соединена с первым и вторым варисторами, фаза «В» источника питания через второй дроссель и вторую обмотку симметрирующего трансформатора соединена со вторым и третьим варисторами, фаза «С» источника питания через третий дроссель и третью обмотку симметрирующего трансформатора соединена с первым и третьим варисторами, выходы входного фильтра подключены к дополнительным первичным обмоткам силовых трансформаторов, соединенных «звездой», и входами трехфазного выпрямителя, в состав которого входят шесть диодов и конденсатор, один из выходов выпрямителя подключается к входной положительной шине, а другой - к входной отрицательной шине, в преобразователь напряжения - дополнительные параллельная RL-цепь, первичная обмотка трансформатора, две последовательные RC-цепи и варистор, при этом стоки первого и второго полевых транзисторов соединены с входной положительной шиной, исток первого полевого транзистора соединен с параллельной RL-цепью и стоком третьего полевого транзистора, исток второго полевого транзистора соединен со вторым выводом первичной обмотки трансформатора, последовательной RC-цепью, и стоком четвертого полевого транзистора, первый вывод первичной обмотки трансформатора соединен с параллельной RL-цепью и последовательной RC-цепью, истоки третьего и четвертого полевых транзисторов соединены с входной отрицательной шиной, входная положительная шина соединена с входной отрицательной шиной через вторую последовательную RC-цепь и варистор, в выходной фильтр - дополнительные вторичная обмотка трансформатора, два полевых транзистора, два драйвера затвора полевого транзистора, два диода, последовательная RC-цепь и варистор, при этом вторичная обмотка трансформатора зашунтирована первой последовательной RC-цепью, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с первым сглаживающим дросселем, стоком второго полевого транзистора и катодом второго диода, второй вывод вторичной обмотки трансформатора соединен со вторым сглаживающим дросселем, стоком первого полевого транзистора и катодом первого диода, причем точка соединения первого и второго сглаживающего дросселя и первого сглаживающего конденсатора через третий сглаживающий дроссель соединена с входом датчика тока, выходная положительная шина соединена с выходной отрицательной шиной через последовательную RC-цепь, второй сглаживающий конденсатор и варистор, при этом истоки первого и второго полевых транзисторов, аноды первого и второго диодов соединены с выходной отрицательной шиной, два выхода порта универсальных входов/выходов микроконтроллера соединены с первым и вторым драйверами затвора полевого транзистора, вторичные обмотки силовых трансформаторов соединены с дополнительными однофазными выпрямителями, состоящие каждый из четырех диодов, выходы однофазных выпрямителей соединены с третьим, четвертым и пятым входами аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, и через диодную развязку с вторичным источником питания микроконтроллера, выход которого соединен с входом питания микроконтроллера.
На фигуре показана структурная схема интеллектуального источника питания.
На фигуре показано:
1 - входной фильтр;
2 - выпрямитель трехфазный;
3 - преобразователь напряжения;
4 - выпрямитель и выходной фильтр;
5 - микроконтроллер (микросхема MSP430F5437IPN, ф. Texas Instruments);
6 - приемо-передатчик последовательного интерфейса (базовая микросхема MAX13488EESA+, ф. Maxim);
7 - вторичный источник питания микроконтроллера (ВИЛ МК);
8 - входная положительная шина;
9 - входная отрицательная шина;
10 - выходная положительная шина;
11 - выходная отрицательная шина;
15.1-17.1 - первичные обмотки силовых трансформаторов (6022-016 ф. API Delevan);
Входной фильтр 1 содержит:
12 - входные сглаживающие дроссели (дроссели B82472-G4102-M ф. Epcos);
13 - симметрирующий трансформатор (трансформатор T60405-S6123-X106 ф. Vacuumschmeize);
14 - варисторы (варисторы V660LA100B ф. Littelfuse);
Выпрямитель 3 состоит из шести диодов (диоды DSP 25-16AT ф. IXYS) и конденсатора (конденсатор 205РРА122K ф. Illinois Capacitor).
Преобразователь напряжения 3 содержит:
18-21 - драйверы затвора полевого транзистора (базовые микросхемы MIC4452BM, ф. Micrel);
22-25 - полевые транзисторы (транзисторы IXFB30N120P ф. IXYS);
26 - дроссель (дроссель IHLP2525CZERR10M01 ф. Vishay Dale);
27 - резистор (резистор PI-12-1-100 Ом±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ);
28.1 - первичную обмотку трансформатора (трансформатор ШЮГИ.671121.262);
29 - конденсатор (конденсатор 1206GC221KAT1A ф. AVX);
30 - резистор (резистор Р1-12-2-100 Ом-±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ);
31 - конденсатор (конденсатор 2220SC103MAT1A ф. AVX);
32 - резистор (резистор Р1-12-0,5-10 Ом±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ);
33 - варистор (варистор V660LA100B ф. Littelfuse);
Выпрямитель и выходной фильтр 4 содержит:
28.2 - вторичную обмотку трансформатора (трансформатор ШЮГИ.671121.262);
34, 35 - драйверы затвора полевого транзистора (базовые микросхемы MIC4452BM, ф. Micrel);
36, 37 - полевые транзисторы (транзисторы APT50M50L2FLL ф. Advanced Power Technology);
38, 39 - диоды (диоды PDU540-13 ф. Diodes);
40 - конденсатор (конденсатор 1206GC221KAT1A ф. AVX);
41 - резистор (резистор Р1-12-2-1000 Ом-±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ);
42-44 - сглаживающие дроссели (дроссель РМ2110-101K-RC ф. Bourns);
45 - сглаживающий конденсатор (конденсатор B32564J6475K000 ф. Epcos);
46 - сглаживающий конденсатор (конденсатор ST205C476MAJ05 ф. AVX);
47 - конденсатор (конденсатор К10-47Ма-100В-0,047 мкФ±20%-Н30 ОЖ0.460.174-МТУ);
48 - резистор (резистор P1-12-0,5-5,1 Ом±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ);
49 - датчик тока (микросхема ACS712ELCTR-30A-T, ф. Allegro MicroSystems);
50 - датчик напряжения - делитель напряжения из трех резисторов (резисторы Р1-16-0,062-47 кОм±0,1%-0,5-Г; Р1-16П-0,062-2 кОм±0,1%-0,5-Г АЛЯР.434110.002ТУ);
51 - варистор (варистор SIOV-S20K40G5S5 ф. EPCOS);
52, 53 - проходные конденсаторы (фильтры Б23Б-2-0,22 мкФ±10%-250В-25А-4-В ОЖ0.206.021ТУ);
54 - резистор (резистор P1-12-0,5-5,1 Ом±5%-Н ШКАБ.434110.002ТУ).
Микроконтроллер 5 содержит следующие основные узлы:
1) Порт универсальных входов/выходов предназначен для выдачи управляющих сигналов на драйверы 18-21,34,35 затвора полевого транзистора.
2) Порт JTAG подсоединяется к интерфейсу JTAG для отладки микроконтроллера (работа организована в соответствии с требованиями американского стандарта IEEE 1.149.1-1990).
3) Порт UART соединяется с приемопередатчиком последовательного интерфейса 6 (работа организована в соответствии с требованиями американского национального стандарта ANSI/TIA/EIA-485-A-1998), который предназначен для внешнего управления работой интеллектуального источника питания.
4) Процессор CPU предназначен для формирования сигналов управления преобразователя напряжения 3 и выходного синхронного выпрямителя на основе алгоритмов, реализованных в рабочей программе.
5) Аналого-цифровой преобразователь АЦП предназначен для приема и оцифровки информации аналоговых датчиков тока 49 и напряжения 50, фазного напряжения.
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.
Напряжение вторичного источника питания микроконтроллера 5 формируется с помощью следующих блоков:
15-17 - вторичных обмотот силовых трансформаторов (6022-016 ф. API Delevan);
55 - однофазных выпрямителей, выполненных на диодах (диоды MBRS190T3 ф. ON Semiconductor);
56 - диодной развязки (диоды MBRS190T3 ф. ON Semiconductor);
Кроме того, интеллектуальный источник питания содержит следующие выводы:
57 - технологические входы/выходы к интерфейсу JTAG рабочего места;
58 - рабочие входы/выходы к внешним устройствам (компьютер, тумблер включения, пульт управления);
59  -вход фазы «А»;
60 - вход фазы «В»;
61 - вход фазы «С»;
62 - положительный выход;
63 - отрицательный выход;
Драйверы затвора полевого транзистора 18-21, 34, 35 предназначены для передачи сигнала управления из порта универсальных входов/выходов микроконтроллера 5 на затвор полевых транзисторов 22-25, 36, 37, гальванической изоляции, усиления мощности сигнала управления и обеспечения быстродействия работы коммутирующих элементов.
Интеллектуальный источник питания работает в режиме понижения напряжения с широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляциями входного напряжения.
На входы фаз «А» 59, «В» 60, «С» 61 источника питания подается напряжение переменного тока в диапазоне от 130 до 600 В. Энергия микросекундных импульсных помех с амплитудой до 1000 В, присутствующих во входном напряжении питания, рассеивается на элементах входного фильтра 1: часть энергии - на входных сглаживающих дросселях 12 и симметрирующем трансформаторе 13 (амплитуда положительной или отрицательной полярности); оставшаяся часть энергии помехи рассеивается на варисторах 14.
Входное напряжение через сглаживающие дроссели 12 и симметрирующий трансформатор 13 поступает на первичные обмотки силовых трансформаторов 15.1-17.1, соединенные «звездой», и на входы выпрямителя 2. Напряжение вторичных обмоток силовых трансформаторов 15.2-17.2 через однофазные полномостовые диодные выпрямители 55 поступает на третий, четвертый и пятый каналы АЦП и на аноды диодов 56, выполняющие роль диодной развязки. Напряжение на выходе диодной развязки 56 поступает на вход ВИН МК 7, который формирует требуемое напряжение питания микроконтроллера 5.
Напряжение на выходах выпрямителя 2 подключается к входной положительной шине 8 и входной отрицательной шине 9, являющихся входами преобразователь напряжении 3.
Преобразователь напряжения 3 построен на основе регулируемой полномостовой схемы, выполненной на полевых транзисторах 22-25, в которой совмещены функции модулирования и регулирования входного напряжения за счет устройства управления (микроконтроллер 5), основанного на принципе широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции.
Коммутирующие элементы 22 и 25, 23 и 24 включаются попарно синхронно. Формирование длительности и паузы импульса напряжения обеспечивается попеременным включением коммутирующих элементов 22 и 25, 23 и 24. В программе управления интеллектуального источника питания предусмотрена защита от протекания сквозных токов. Элементы параллельной RL-цепи, выполненной дросселем 26 и резистором 27, и последовательной RC-цепи, выполненной конденсатором 29 и резистором 30, обеспечивают увеличение длительности фронтов импульса напряжения с целью уменьшения уровня коммутационных помех, создаваемых преобразователем напряжения 3. Через первичную обмотку трансформатора 28.1 происходит передача импульса напряжения из преобразователя напряжения 3 в выходной фильтр 4.
На основе сигналов датчика напряжения 50, микроконтроллер 5 на соответствующих выходах формирует импульсные последовательности с управляемыми длительностью или периодом импульса, поступающие через драйверы управления затвором полевого транзистора 18-21, 34, 35 на затворы полевых транзисторов 22-25, 36, 37.
При превышении заданного уровня сигнала датчика тока 49 микроконтроллер 5 запрещает выдачу управляющих сигналов на затворы полевых транзисторов 22-25, 36, 37, если параметры тока вышли за допустимые пределы, например, вызваны коротким замыканием на нагрузке.
Информация от датчика тока 49 и датчика напряжения 50 поступает на соответствующие входы преобразователя АЦП, затем на процессор микроконтроллера 5, в котором он сравнивается с величиной, записанной в программе микроконтроллера 5.
Напряжение вторичной обмотки трансформатора 28.2 подается на синхронный выпрямитель, выполненный на основе полевых транзисторов 36, 37, управляемых драйверами затвора полевых транзисторов 34, 35, что повышает быстродействие источника питания, и позволяет увеличить КПД по сравнению с выпрямителем, выполненным на основе диодов. Остальные элементы выходного фильтра 4 сглаживают пульсации напряжения и тока, возникающие при регулировании.
Микроконтроллер 5 посредством приемо-передатчика интерфейса 6 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.
Дополнительным преимуществом данного интеллектуального источника питания по сравнению с источниками питания без микроконтроллера является возможность программного управления и регулирования работой источника питания, вывода информации в компьютер для мониторинга работы источника питания. Кроме того, в интеллектуальном источнике питания обеспечена связь с компьютером (или другим устройством ввода информации - таким, как, например, программатор) для ввода в память начальных данных.