ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
UNINTERRUPTED POWER SUPPLY SOURCE

Изобретение относится к источникам питания, которые выполняют функцию обеспечения бесперебойного резервированного питания оборудования от двух или более независимых источников переменного или постоянного тока. Источник питания предназначен для обеспечения питания устройств в аварийных ситуациях при перебоях с подачей электроэнергии (устройства вычислительной техники, системы мониторинга и управления, охранной и пожарной сигнализации, связи) и для питания устройств, критичных к перебоям питания (промышленное автоматическое оборудование, медицинская техника).
При подаче напряжения только на один из нескольких гальванически развязанных входов источник питания может быть использован в качестве обычного нерезервированного источника питания.
Известен бесперебойный источник питания [1], содержащий трансформатор с двумя первичными обмотками, к каждой из которых подключены цепи, соответствующие отдельным независимым каналам питания, включающие силовой ключ с драйвером и диод, ограничивающий обратный ток. К вторичной обмотке трансформатора подключена общая для обоих каналов питания выходная цепь, соответствующая прямоходовой (forward) топологии. Оба силовых ключа через гальваническую развязку подключены к выходу ШИМ-контроллера, который обеспечивает их синхронное переключение в соответствии с сигналом обратной связи, формируемым усилителем напряжения ошибки на выходе источника питания. Аналогичные по указанным признакам технические решения приведены также в [2, 3].
Недостатком описанного источника питания являются отсутствие возможности независимого управления приоритетом каналов. В данном источнике питания селекция каналов осуществляется по уровню входного напряжения. Мощность будет всегда потребляться с того канала, уровень напряжения на входе которого, пересчитанный через коэффициент трансформации между первичными обмотками, будет больше, чем уровень напряжения соседнего канала. Единственная возможность установить один канал питания в качестве приоритетного (основного), а второй в качестве дополнительного (резервного) - это задать определенный коэффициент трансформации между первичными обмотками, чтобы во всем диапазоне рабочих значений трансформированное напряжение основного канала превышало напряжение резервного. Однако чем шире диапазон рабочих напряжений каждого канала, тем сильнее приходится "уводить" коэффициент трансформации между первичными обмотками от оптимального значения, диктуемого требованиями к соотношению числа витков между первичными и вторичной обмоткой. Таким образом, невозможно установить приоритет независимо, не влияя на другие параметры качества источника питания.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является бесперебойный источник питания [4], содержащий трансформатор с двумя первичными обмотками, к каждой из которых подключены цепи, соответствующие отдельным независимым каналам питания, включающие силовой ключ, блок управления, и диод, ограничивающий обратный ток. К вторичной обмотке трансформатора подключена общая для обоих каналов питания выходная цепь, соответствующая обратноходовой (flyback) топологии. Блок управления (контроллер) каждого канала управляет работой силовых ключей в соответствии с сигналом обратной связи, формируемым в выходной цепи усилителем напряжения ошибки. В отдельный момент времени работает только один из контроллеров, соответствующий текущему активному каналу, а второй контроллер блокируется. Переключением каналов управляет детектор входного напряжения, подключенный к входу канала, выбранного приоритетным (основным). При наличии напряжения в основном канале питания детектор через цепь гальванической развязки блокирует работу контроллера резервного канала и разрешает работу контроллера основного канала. При пропадании напряжения (снижении его ниже определенного порога) происходит обратное переключение. В данном техническом решении, по сравнению с ранее приведенным аналогом, проблема управления приоритетом решена путем введения дополнительных цепей контроля и управления. Аналогичные описанному по указанным признакам технические решения приведены также в [5-7].
Недостаток приведенного источника питания заключается в том, что введение дополнительных цепей контроля и управления увеличивает сложность и стоимость источника питания, требует наличия дополнительной, гальванически развязанной, линии связи между входными каналами. Другой недостаток связан с тем, что осуществление селекции каналов по уровню входного напряжения не позволяет полностью использовать резервы мощности каналов источника питания. Уровень напряжения, при котором происходит переключение, выбирается таким, чтобы при снижении входного напряжения до порогового значения источник питания все еще был в состоянии выдать номинальную мощность в нагрузку. Это приводит, например, к преждевременному переключению на канал батарейного питания, в то время как данный уровень сетевого напряжения вполне может поддерживать запрашиваемую, небольшую по величине, мощность в нагрузке.
При создании настоящего изобретения стояла задача снижения сложности схемной реализации, и, как следствие, снижения стоимости и габаритов, бесперебойного источника питания с автоматической селекцией каналов и возможностью независимой установки приоритета каналов.
Данная задача решается за счет того, что в источнике бесперебойного питания, содержащем основной и резервный канал питания, каждый из которых состоит из силового ключа, блока управления, подключенного к силовому ключу, и диода, ограничивающего обратный ток ключа, и высокочастотный трансформатор с двумя первичными и одной вторичной электрически изолированными обмотками, причем к первой первичной обмотке последовательно подключены силовой ключ и диод основного канала питания, а ко второй соответственно - силовой ключ и диод резервного канала питания, общий для обоих каналов питания выходной низковольтный блок, выполненный по прямоходовой топологии и подключенный к вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, блок обратной связи, состоящий из усилителя напряжения ошибки, обеспечивающего сравнение выходного напряжения источника питания с опорным напряжением и вырабатывающего сигнал обратной связи, вход которого подключен к выходу выходного низковольтного блока, первого и второго элементов гальванической развязки сигнала обратной связи соответственно основного и резервного канала питания, входы которых соединены с выходом усилителя напряжения ошибки, а выходы подключены к входам сигнала обратной связи блоков управления основного и резервного каналов питания соответственно, между выходом усилителя напряжения ошибки и входом второго элемента гальванической развязки дополнительно введена цепь смещения уровня постоянной составляющей сигнала обратной связи для канала резервного питания.
Именно за счет введения указанной цепи смещения и ее связей с другими узлами устройства предлагаемое техническое решение позволяет реализовать селекцию и управление приоритетом каналов, используя уже существующие в источнике питания цепи обратной связи, и отказаться от дополнительных цепей контроля и управления, как это реализовано в прототипе. Действительно, функциональное назначение дополнительно введенных элементов состоит в том, чтобы анализировать возможность приоритетного канала обеспечивать питание нагрузки (по уровню входного напряжения) и соответственно переключать каналы питания, блокируя блок управления (контроллер) не используемого в данный момент времени канала. Аналогичными возможностями контроля и управления обладают и цепи обратной связи. По цепи обратной связи также можно заблокировать схему управления любого канала, а о нехватке мощности для питания нагрузки можно судить по сигналу рассогласования с выхода усилителя напряжения ошибки. Необходимо добавить лишь цепи, задающие логику работы, что и предложено в настоящем изобретении. Преимущество изобретения в простоте реализации. Таким образом, достигается значительное упрощение схемы источника бесперебойного питания и снижение его стоимости и габаритов.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого источника бесперебойного питания, на фиг.2 приведена диаграмма, поясняющая работу предлагаемого устройства и характеризующая зависимость сигнала обратной связи каждого канала от напряжения на выходе усилителя напряжения ошибки, на фиг.3 приведен пример реализации принципиальной схемы блока обратной связи.
Предлагаемый источник бесперебойного питания, представленный на фиг.1, содержит высокочастотный трансформатор 1 с двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, обеспечивающий передачу энергии и гальваническую развязку между цепями, подключенными к обмоткам. К первичным обмоткам трансформатора 1 подключены цепи независимых каналов питания 2 и 3, полностью электрически изолированные от выходного блока 4 и между собой. На входные клеммы 5 и 6 каналов питания 2 и 3 подается постоянное напряжение от источника постоянного напряжения (например, аккумулятора) либо переменное сетевое напряжение, предварительно выпрямленное и отфильтрованное. Входное напряжение может подаваться как от отдельных источников, так и от одного, что не меняет сущности изобретения. В последнем случае входные клеммы 5 и 6 соединяются параллельно, и тем самым достигается резервирование узлов источника бесперебойного питания. Цепи канала питания 2 состоит из силового ключа 7 и диода 8, ограничивающего обратный ток в источник напряжения, подключаемый к клеммам 5. Силовой ключ 7 соединен с блоком управления 9, соединенным с блоком обратной связи 10. Канал питания 3 состоит из силового ключа 11, диода 12 и блока управления 13, аналогичных по функциям соответствующим элементам канала питания 2. К выходной обмотке высокочастотного трансформатора 1 подключен общий для обоих каналов питания 2, 3 выходной блок 4, выполненный по прямоходовой (forward) топологии и состоящий из дросселя 14 и выходного конденсатора 15, аккумулирующих энергию для питания нагрузки, а также коммутирующих диодов 16 и 17. Сигнал обратной связи для блоков управления 9, 13 обоих каналов вырабатывает блок обратной связи 10, вход которого подключен к выходным клеммам источника бесперебойного питания 18. Блок обратной связи 10 состоит из усилителя напряжения ошибки 19, обеспечивающего сравнение выходного напряжения источника питания с опорным напряжением и вырабатывающего усиленный сигнал рассогласования, элементов гальванической развязки 20 и 21, цепи смещения уровня постоянной составляющей сигнала рассогласования 22.
Источник бесперебойного питания работает следующим образом. В момент подачи напряжения на входные клеммы каналов питания 2 и 3, на блоки управления 9 и 13 поступают сигналы обратной связи, свидетельствующие о низком напряжении на выходе источника питания. Зависимость уровня сигнала обратной связи каждого канала 2, 3 от уровня напряжения рассогласования на выходе усилителя ошибки 19 приведена на фиг.2. За счет использования цепи смещения 22 сигнал обратной связи для резервного канала (см. фиг.2) смещен по уровню постоянной составляющей относительно аналогичного сигнала для основного канала на величину К. В зависимости от величины сигнала обратной связи блоки управления 9 и 13 обоих каналов могут работать в трех режимах: «выключено», «линейное регулирование», «максимальная мощность». Границы между режимами на диаграмме (фиг.2) обозначены пунктирными линиями. В момент старта напряжение на выходе источника питания ниже номинального (Upac.≤0) и блоки управления 9 и 13 переключаются в режим максимальной мощности. Ключи 7 и 11 обоих каналов начинают асинхронно включаться с максимальной длительностью рабочего цикла. Идет накачка энергии в выходной конденсатор 15 и дроссель 14. Энергия поступает с того канала, ключ которого в данный момент открыт. Если ключи 7 и 11 открыты одновременно, энергия поступает с того канала, напряжение на входе которого, пересчитанное через коэффициент трансформации между первичными обмотками трансформатора 1, больше напряжения на входе другого канала. От перегрузки ключей 7, 11 по току и насыщения трансформатора 1 защищают встроенные в блоки управления 9 и 13 цепи контроля тока, отключающие соответствующий ключ по достижении током порогового значения. По достижении напряжением на выходе источника питания номинального значения начинает расти уровень напряжения рассогласования на выходе усилителя 19 напряжения ошибки (Upac.>0). С ростом напряжения рассогласования блок управления 13 резервного канала 3 переключается в режим линейного регулирования, уменьшая длительность рабочего цикла и снижая процент мощности, поступающей с резервного канала 3. Однако блок управления 9 основного канала 2 продолжает работать в режиме максимальной мощности, и напряжение рассогласования продолжает увеличиваться, вплоть до полной блокировки блока управления 13 резервного канала 3. Далее, блок управления 9 основного канала 2 переходит в режим линейного регулирования, и напряжение рассогласования (соответственно и напряжение на выходе источника питания) устанавливается в стационарное значение в зависимости от потребляемой мощности. Источник бесперебойного питания в данный момент работает от основного канала питания 2, а резервный канал питания 3 выключен. Если основной канал питания 2 не может обеспечивать требуемую мощность в нагрузке (пропало или снизилось ниже критического уровня входное напряжение), напряжение на выходе источника бесперебойного питания, а соответственно и напряжение рассогласования начинает снижаться. По сигналу обратной связи, поступающему с выхода блока обратной связи 10, происходит автоматический запуск блока управления 13 резервного канала питания 3. Оба ключа 7, 11 будут работать в асинхронном режиме, как и в момент запуска источника питания. Резервный канал питания 3 подпитывает энергией нагрузку до тех пор, пока не восстановится работоспособность основного канала питания 2. Как только резерв мощности основного канала питания 2 становится достаточным для питания нагрузки, напряжение рассогласования увеличивается, и резервный канал 3 выключается. Скорость переключения каналов 2, 3 ограничена только постоянной времени цепей обратной связи, что обеспечивает бесперебойную подачу напряжения питания в нагрузку. Точность поддержания выходного напряжения при переключении каналов ограничена коэффициентом усиления усилителя напряжения ошибки 19. На практике отклонение выходного напряжения составляет менее 1%.
Один из вариантов реализации предлагаемого устройства приведен на фиг.3. Усилитель напряжения ошибки 19, состоящий из управляемого стабилитрона 23 и делителя напряжения на резисторах 24 и 25, задает напряжение на выходе источника питания. Сигнал обратной связи на входы блоков управления 9 и 13 каналов питания 2, 3 поступает через элементы гальванической развязки, выполненные на оптронах 20 и 21. Резисторы 26 и 27 преобразуют напряжение рассогласования на выходе усилителя напряжения ошибки 19 в токовый сигнал, т.к. оптроны 20 и 21 управляются током. Смещение уровня постоянной составляющей сигнала рассогласования для канала резервного питания 3 осуществляется с помощью резистора 28, который задает дополнительный ток через оптрон 20.
Предложенное устройство можно модифицировать для случая наличия двух и более резервных каналов питания. При этом для каждого канала резервного питания вводится своя цепь смещения уровня постоянной составляющей сигнала обратной связи. Приоритет каналов определяется величиной смещения. Чем больше величина смещения, тем ниже приоритет канала. Сущность изобретения в данном случае не меняется.
Возможны и другие модификации предложенного устройства, не влияющие на сущность изобретения. Например, в предлагаемом устройстве на выходе бесперебойного источника питания формируется только одно выходное напряжение. Добавив дополнительные вторичные обмотки в высокочастотный трансформатор и дополнительные выходные цепи, можно получить целый ряд гальванически изолированных выходных напряжений. Другим вариантом исполнения является предлагаемое устройство, имеющее съемные цепи каналов питания в виде отдельных модулей, подключаемых к первичным обмоткам высокочастотного трансформатора, за счет чего достигается возможность быстрой замены (в том числе и "горячей") вышедших из строя входных цепей. Все это дает неоспоримые преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США №6212081, кл. МПК Н02М 3/335, 03.04.2001.
2. Патент США №6912123, кл. МПК G05F 1/10, 10.03.2005.
3. Патент США №4745299, кл. МПК H02J 9/00, 17.05.1988.
4. Патент США №6504270, кл. МПК Н01H 9/54, 07.01.2003.
5. Патент США №7187563, кл. МПК Н02М 3/335, 06.03.2007.
6. Патент США №6650028, кл. МПК H02J 1/00, 18.11.2003.
7. Патент ЕР №706256, кл. МПК Н02М 3/28, приоритет Германии, 10.04.1996.