Источник питания

Предлагаемая полезная модель относится к источникам питания постоянного или переменного тока и может быть применена для питания или зарядки аккумуляторов бытовой электроники, портативных устройств, подвижного транспорта, в том числе электромобилей, питания потребителей от низковольтных источников, таких как солнечные батареи, построения прецизионных источников напряжения или тока.
При подключении потребительского устройства к источнику питания с помощью соединительных проводов на переходных контактах, соединительных проводах и других неоднородностях возникает падение напряжения. Современный мобильный телефон использует для зарядки аккумуляторов стандартный компьютерный разъем USB [1] (на конце зарядного устройства USB-A, на конце телефона Micro USB-B или Micro USB-C), с помощью которого телефон подключается к источнику питания напряжением 5-5,5 вольт. По экономическим соображениям, а также с целью улучшения удобства пользования, в кабеле питания телефона применяют относительно тонкие провода, имеющие значительное электрическое сопротивление. Зарядный ток, потребляемый мобильным телефоном, может достигать 1,5-2 А. При этом, падение напряжения на проводах может достигать 1-1,2 вольт. Контроллер заряда телефона отслеживает снижение напряжения на своем входе до 4,5 В и отключает зарядку аккумулятора или ограничивает ток зарядки, вследствие чего время зарядки мобильного телефона сильно увеличивается [2].
Существуют источники питания, имеющие внутреннюю компенсацию падения напряжения на основе данных о потребляемом токе. Распространенное решение для компенсации заключается в использовании специальной микросхемы - датчика тока, например, LT6110 фирмы Linear Technology [3] или датчика тока, выполненного на дискретных компонентах. Выход датчика тока подключается к источнику опорного напряжения так, чтобы при повышении потребляемого тока источник увеличивал свое выходное напряжение пропорционально заранее заданному масштабному коэффициенту, рассчитывая на усредненное сопротивление проводов 0,5 Ом. Изменение данного коэффициента невозможно без вмешательства в устройство, поэтому при использовании проводов различной длины (или различных производителей) компенсация происходит не полностью.
Известна схема компенсации падения напряжения, описанная в заявке US 2015/0333514 А1 (МПК H02J 1/14, опуб. 19.11.2015 г.), в которой для компенсации падения напряжения на соединительных проводах используется стабилизатор 250, датчик тока Red, дифференциальный усилитель 235, компараторы 225, 245, ключевой транзистор 230, драйвер ключевого транзистора 210, ключ 240, постоянные резисторы R1, R2, Rc, блокировочный конденсатор Со. Схема действует следующим образом: при повышении тока нагрузки свыше порогового, заданного напряжением на входе компаратора 245, в цепь обратной связи стабилизатора напряжения подключается дополнительное сопротивление, заставляющее стабилизатор 250 увеличивать выходное напряжение. При перегрузке источника питания (ток нагрузки станет выше тока, заданного напряжением на входе компаратора 225) выходное напряжение отключается ключевым транзистором 230. Данная схема компенсации имеет следующие недостатки:
1) компенсация сопротивления проводов будет нормально работать только для одной, заранее определенной нагрузки, и одного и того же соединительного провода;
2) в случае изменения потребляемого тока или переходного сопротивления, например, при износе контактов разъема питания, компенсация будет неполной;
3) при потребляемом токе, незначительно превышающем порог включения компаратора 245, компенсация получится избыточной, что может повлечь за собой аварийное превышение напряжения и повреждение питаемого устройства.
Известен также внешний источник питания с компенсацией падения напряжения на проводах для портативных устройств US 2011/0221604 А1 (МПК H02J 7/04, опуб. 15.09.2011 года), содержащий внешний генератор идентификатора 41, преобразователь напряжения 43, измерительный усилитель 47, декодер схемы компенсации и управляющее устройство 86, контроллер шины USB 22, схема зарядки батареи 26, контроллер ключей 3. Схема работает путем измерения напряжения на контактах схемы зарядки портативного устройства. Для этого линии D+ и D- устройства временно переключаются на контакты разъема питания в портативном устройстве. В источнике питания линии D+ и D- подключены к входам измерительного усилителя 47, и устройство управления по разнице между заданным и измеренным напряжением дает команду на увеличение напряжения.
Недостатками схемы являются:
1) высокая сложность;
2) требования к изменению схем контроллеров зарядки портативных устройств;
3) взаимное влияние цифровых и аналоговых схем, использующих одни и те же провода D+, D-;
4) при работе схемы компенсации невозможна передача данных по линиям D+, D. Если же компенсацию сделать не непрерывной, а периодической, схема усложнится еще больше.
Наиболее близким к предлагаемому зарядному устройству является адаптивный компенсатор падения напряжения на проводах, описанный в заявке WO 2015/184337 A1 (МПК G08C 19/02, опуб. 03.12.2015 г.), Адаптивный компенсатор 100 содержит источник питания 102, нагрузку 104, кабель с падением напряжения 106, источник смещения 110, сумматоры и масштабные усилители. На сумматор подается напряжение обратной связи и напряжение, зависящее от процента нагрузки и масштабного коэффициента. Процент нагрузки высчитывается исходя из потребляемого нагрузкой тока и напряжения. Масштабный коэффициент задается заранее, исходя из сопротивления компенсируемого кабеля. При повышении мощности, потребляемой нагрузкой, растет доля, добавляемая сумматором к напряжению обратной связи что, в свою очередь, увеличивает выходное напряжение. Задачей этой полезной модели является устранение недостатков обычных схем компенсации. Схема имеет следующие недостатки:
1) компенсация сопротивления проводов будет нормально работать лишь для одной заранее определенной нагрузки и одного и того же соединительного провода;
2) в случае изменения потребляемого тока или переходного сопротивления, например, при износе контактов разъема питания, компенсация будет неполной.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является уменьшение времени зарядки аккумулятора мобильного устройства за счет увеличения подаваемого тока при тех же соединительных проводах. Таким образом, пользоваться устройством становится удобнее, производительность работы увеличивается.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемой полезной модели измеряется разность потенциалов на стороне источника питания между минусовым выходом источника питания и корпусом разъема, подключенного к оплетке кабеля, и затем для полной компенсации измеренное напряжение умножается на два и добавляется к напряжению обратной связи или опорному напряжению.
Предлагаемый способ компенсации использует в качестве датчика тока сам соединительный провод. Это становится возможным потому, что по стандартам провод для передачи данных [1] имеет экранирующую оплетку, соединяемую с корпусом устройства и минусовой линией на разъеме питания портативного устройства. В предлагаемой полезной модели измеряется разность потенциалов на стороне источника питания между минусовым выходом источника питания и корпусом разъема, подключенного к оплетке кабеля, и затем для полной компенсации измеренное напряжение умножается на два и добавляется к напряжению обратной связи или опорному напряжению. Такая схема устройства позволяет осуществлять полную компенсацию падения напряжения на проводах, используя различные кабели, соответствующие стандарту, и портативные устройства без переделок, не мешая передаче данных по тому же кабелю.
Источник питания с компенсацией падения напряжения на соединительных проводах, содержащий стабилизатор напряжения, соединительный провод, масштабирующий усилитель, сумматор, отличающийся тем, что в качестве провода обратной связи используется экран кабеля, а компенсирующее напряжение подается в цепь обратной связи стабилизатора.
В частном случае выполнения компенсирующее напряжение подается в цепь источника опорного напряжения стабилизатора.
В частном случае выполнения в качестве провода обратной связи используется дополнительно проложенный провод соединительного кабеля.
В частном случае выполнения между минусовым выходом источника питания и входом для экрана кабеля подключается постоянный резистор сопротивлением, по крайней мере, в 10 раз большим сопротивления проводов Rпров, для защиты устройства от пропадания контакта или применения нестандартного кабеля без экрана (или с неподключенным экраном).
Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1 и фиг. 2. Согласно фиг. 1 источник питания - стабилизатор напряжения 3 имеет входы 1 и 2 питающего напряжения сети, вход напряжения обратной связи 5, выход преобразованного напряжения 4 и 20. Питающее напряжение с выхода 4 поступает на разъем кабеля на стороне источника через контакты 12, 13, на сам кабель, обладающий сопротивлением R провода 10, на разъем кабеля на стороне питаемого устройства через контакты 15, 16 и на собственно питаемое устройство 6. Минусовой провод кабеля подключен к выходу 20 блока питания 3 и соединен через контакты разъема 16, 17 на стороне питаемого устройства с экраном кабеля. Стабилизатор напряжения 3 поддерживает напряжение на своем выходе, сравнивая его с опорным напряжением 19, через цепь обратной связи 5. При подключении устройство начинает потреблять ток 11. Протекая по питающему кабелю, ток 11 создает падение напряжения Uкомп на его сопротивлении Rпровода 10. Так как оба проводника кабеля одинаковые, то и их сопротивление, и падение напряжения будут одинаковыми. Напряжение на минусовом проводе кабеля через контакт 17, экран и контакт 14 подводится на вход масштабирующего усилителя 9, имеющего коэффициент передачи (-2). На выходе усилителя 9 появляется напряжение, равное падению напряжения на обеих проводах кабеля 10 с отрицательным знаком. Далее это напряжение поступает на сумматор 18 в цепи обратной связи стабилизатора 3, где добавляется к напряжению, измеряемому на выходе стабилизатора 4. На выходе сумматора 18 напряжение равно выходному напряжению стабилизатора 3 минус удвоенное падение напряжения на питающем проводе 10 и контактах разъема 13, 16. Так как стабилизатор напряжения 3 поддерживает напряжение на своем выходе 4, сравнивая его с опорным напряжением 19, через цепь обратной связи 5, то это изменение заставляет стабилизатор 3 увеличивать свое выходное напряжение на величину падения напряжения на питающих проводах и контактах разъема. Таким образом, падение напряжения на кабеле и переходном сопротивлении контактов оказывается скомпенсированным.
В частном случае выполнения (см. фиг. 2) компенсирующее напряжение суммируется с опорным напряжением 19 стабилизатора 3. Для этого вместо масштабирующего усилителя с коэффициентом передачи (-2) используется масштабирующий усилитель 9 с коэффициентом передачи (+2), выходом опорного напряжения 19 является контакт 8, сумма опорного напряжения и удвоенного компенсирующего подается на контакт 7. Работа происходит аналогично предыдущему случаю, т.к. увеличение опорного напряжения заставляет стабилизатор увеличивать и напряжение на выходе.
В частном случае выполнения в соединительный кабель специально добавляется еще один проводник (он может быть меньшего сечения, чем силовые) между контактами разъема 14 и 17, соединяющийся через разъем питания с минусовым проводом питаемого устройства (контактом 16).
В частном случае выполнения между минусовым выходом источника питания 20 и входом для экрана кабеля 14 подключается постоянный резистор сопротивлением, по крайней мере в 10 раз большим сопротивления проводов Rпров 10, для защиты устройства от пропадания контакта или применения нестандартного кабеля без экрана (или с неподключенным экраном).
Полезная модель реализована с применением интегральной схемы стабилизатора напряжения LM2596T-ADJ, масштабирующего усилителя и сумматора на основе сдвоенного операционного усилителя LM358.
1. http://www.usb.org/developers/docs/usb20_docs/ USB 2.0 Specification.
2. http://www.ixbt.com/blogs/preview/cirk-shapito-s-micro-usb-kabelyami-uzhe-v-vashem-gorode.html Цирк-шапито с micro-USB кабелями уже в вашем городе! 13 октября 2015 г.
3. http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/6110fa.pdf LT6110 Cable/Wire Drop Compensator.