Оптическая система электропитания электронных устройств
OPTICAL POWER SYSTEM OF ELECTRONIC DEVICES

Изобретение относится к системам питания электронных устройств с помощью оптического излучения и может найти применение в измерительных устройствах с гальванической развязкой области измерений и области отображения информации, например в высоковольтных или взрывоопасных устройствах.
Известна система питания электронных устройств оптическим излучением, состоящая из источника излучения, оптически связанного с фотовольтаическим преобразователем, который состоит из нескольких последовательно соединенных фотовольтаических элементов (https://www.lumentum.com/sites/default/files/technical-libary-items/poweroverfiberkit/ds-pv-ae.pdf, а также Weiss, Stephan; Werthen, Jan; Andersson, Anders, Optically Powered Sensor Technology, ISA '97 paper, May 4-8, 1997 in Orlando, FL, USA). Величина оптической мощности является фиксированной и выбирается так, чтобы обеспечивалось надежное функционирование электронного устройства, подключенного к системе питания при всех условиях эксплуатации.
Недостатками данной системы питания является низкий КПД, поскольку оптическая мощность, поступающая на фотовольтаический преобразователь, не зависит от электрических параметров питаемой электронной схемы, которые могут значительно изменяться в широком диапазоне условий эксплуатации (например, изменении температуры от -60 до +60°С). Вследствие этого мощность излучения, устанавливаемая для питания устройства в жестких условиях эксплуатации, может превышать в несколько раз мощность, требуемую для питания электронного устройства в нормальных условиях эксплуатации. Низкий КПД системы питания в нормальных условиях эксплуатации приводит к перегреву фотовольтаического преобразователя избыточной оптической мощностью и его ускоренной деградации. Недостатком данного устройства является также сложность изготовления многоэлементного фотовольтаического преобразователя и необходимость равномерной засветки всех последовательно соединенных фотовольтаических элементов, поскольку в противном случае ток в цепи будет ограничиваться элементом с наименьшей засветкой и, следовательно, с наибольшим последовательным сопротивлением.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству и выбранным в качестве прототипа является "Оптическая система электропитания для электронных схем с использованием одного фотогальванического элемента" патент РФ 2431915, 2011 г.
Оптическая система электропитания, описанная в данном патенте, содержит источник излучения, одиночный фотовольтаический элемент, оптический тракт, связывающий источник излучения с одиночным фотовольтаическим элементом и усилитель напряжения, выполненный в виде емкостного или индуктивного преобразователя напряжения, вход которого подключен к фотовольтаическому элементу, а выход - к питаемому электронному устройству.
В качестве фотовольтаического элемента, в соответствии с указанным патентом, может применяться светодиод, а оптический тракт, связывающий источник излучения с одиночным фотовольтаическим элементом, может быть выполнен на основе оптического волокна. Усилитель напряжения может также включать цифровое устройство вывода, которое показывает состояние света, падающего на фотовольтаический элемент. Недостатками данного устройства являются низкий КПД, поскольку уровень "питающей" оптической мощности не зависит от мощности потребляемой электронным устройством и является избыточным, поскольку выбирается исходя из требований надежного запуска индуктивного преобразователя при наихудших условиях работы системы. Это связано с тем, что индуктивные преобразователи напряжения в момент запуска потребляют от фотовольтаического элемента значительный ток (до 1 А), что требует повышенной оптической мощности при запуске системы питания. После запуска преобразователя в таком режиме и сохранении мощности излучения рабочий КПД системы питания не превышает 10-20%. Сохранение высокой мощности оптического излучения при работе электронного устройства в нормальных условиях приводит к перегреву фотовольтаического элемента и требует повышенного тока питания источника излучения, что приводит к ускоренной деградации оптических компонентов системы электропитания и снижает ее надежность.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение КПД и надежности оптической системы электропитания электронных устройств с использованием одного фотовольтаического элемента.
Для решения поставленной задачи в оптической системе электропитания электронных устройств, которая содержит источник излучения, одиночный фотовольтаический элемент, оптический тракт, связывающий источник излучения с одиночным фотовольтаическим элементом, и усилитель напряжения, выполненный в виде емкостного или индуктивного преобразователя напряжения, вход которого подключен к фотовольтаическому элементу, а выход - к питаемому электронному устройству, дополнительно введены регулируемый источник тока, измеритель напряжения и оптическая система передачи информации, причем выход регулируемого источника тока подключен к источнику излучения, а его управляющий вход связан с выходом оптической системы передачи информации, вход которой связан с выходом измерителя напряжения.
Измеритель напряжения может быть выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя или преобразователя напряжение - частота.
В заявленной оптической системе электропитания электронных устройств вход измерителя напряжения может быть связан с выходом фотовольтаического элемента или выходом повышающего преобразователя напряжения.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На Фиг. 1 представлена блок схема заявленной оптической системы электропитания электронных устройств.
На Фиг. 2 показана зависимость КПД фотовольтаического преобразователя от сопротивления нагрузки при различных значениях падающей оптической мощности.
На Фиг. 3 показана зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки на примере индуктивного преобразователя TPS60312.
Предложенная оптическая система электропитания электронных устройств содержит (Фиг. 1) регулируемый источник 1 тока лазера 2, оптический тракт, (например, волоконно-оптический) передачи излучения от лазера 2 до фотовольтаического элемента 3, выход которого подключен к входу повышающего преобразователя 4 напряжения, питаемое электронное устройство 5, измеритель 6 напряжения, вход которого подключен к выходу фотовольтаического элемента 3 или к выходу повышающего преобразователя 4 напряжения, а выход измерителя 6 напряжения подключен к входу волоконно-оптической системы 7 передачи информации (ВОСПИ), выход которой подключен к управляющему входу регулируемого источника тока 1.
Волоконно-оптическая система 7 передачи информации содержит источник 8 излучения и фотоприемник 9. Вход источника 8 излучения соединен с выходом измерителя 6 напряжения, а выход фотоприемника 9 соединен с управляющим входом регулируемого источника 1 тока. Излучение источника 8 передается на фотоприемник 9 посредством оптического тракта, который может быть выполнен как открытым, так и волоконно-оптическим. Измеритель 6 напряжения может быть выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или преобразователя напряжение - частота.
Оптическая система электропитания электронных устройств работает следующим образом. При включении регулируемого источника тока 1 через лазер 2 протекает ток накачки, при котором мощность его излучения достаточна для генерации напряжения Uзап на фотовольтаическом элементе 3, при котором надежно запускается преобразователь 4 напряжения. После запуска этого преобразователя на его выходе появляется напряжение ,которым питается электронное устройство 5, измеритель напряжения 6 и источник 8 излучения ВОСПИ 7. Ток запуска обеспечивается тем, что при включении системы питания напряжение на управляющем входе блока регулирования (на выходе фотоприемника ВОСПИ) равно нулю. Величина тока регулируемого источника 1 ограничивается, например, мощностью источника питания или токоограничивающим резистором. После запуска системы питания на выходе фотовольтаического элемента и на выходе преобразователя напряжения 4 появляются напряжения Uзап и Uпит, одно из которых измеряется измерителем напряжения 6, который генерирует на выходе цифровой или частотный код, который передается на вход источника 8 излучения ВОСПИ 7. Принятый фотоприемником 9 сигнал, соответствующий измеренному напряжению Uзап, поступает на управляющий вход регулируемого источника 1 тока и запоминается. После этого начинается уменьшение тока питания лазера 2 до величины, при которой мощность излучения достаточна для поддержания напряжения на фотовольтаическом элементе 0,85-0,9 Uзап, где Uзап - напряжение фотовольтаического элемента, при котором запускается повышающий преобразователь (если к входу АЦП подключен выход фотовольтаического элемента) или до величины 0,97-0,99 Upaб, где Upaб - напряжение стабилизации вторичного преобразователя (если к входу АЦП подключен выход повышающего преобразователя). Напряжение Uзап зависит от типа применяемого повышающего преобразователя напряжения и может составлять при применении преобразователя LTC3105 0,3-1,2 В. Выходное напряжение повышающего преобразователя Upaб может составлять 1,5-5 В.
Из зависимостей, приведенных на Фиг. 2, видно, что в момент запуска системы питания, когда сопротивление нагрузки мало (преобразователь отбирает большой ток от фотовольтаического элемента), КПД преобразователя оказывается очень низким. Типичное напряжение запуска Uзап индуктивного повышающего преобразователя напряжения для фотовольтаических элементов на основе AlGaAs-GaAs составляет 1,2-1,15 В, которое затем может быть снижено (уменьшением оптической мощности) до величины 0,85-0,9 Uзап. При этом выходное стабилизированное напряжение повышающего преобразователя уменьшается не более чем на 1-3%.
Из зависимостей, приведенных на Фиг. 3, видно, что при фиксированной мощности излучения (мощность излучения 86 мВт) запуск преобразователя возможен только при малом потребляемом токе (большом сопротивлении нагрузки),однако, после его запуска ток нагрузки (и, следовательно, отдаваемая электрическая мощность при заданной мощности излучения) может быть увеличен почти в два раза при снижении выходного напряжения не более чем на 0,05 В от номинального напряжения стабилизации.
В Таблице 1 отражены пороговые значения оптической мощности, при которых включается и выключается выходное стабилизированное напряжение 3,3 В индуктивного преобразователя МАХ1724, а также значение КПД оптической системе питания при запуске системы и ее работе при заданной нагрузке.
Как видно из Таблицы 1, после запуска преобразователя при заданном сопротивлении нагрузки (определяется током, потребляемым питаемой электронной схемой) рабочая мощность излучения может быть значительно снижена, что соответствует увеличению КПД системы питания почти в два раза.
Введение дополнительных элементов регулирования в схему не ухудшает КПД системы, поскольку электрическая мощность, потребляемая современными АЦП (например, AD7942), не превышает единиц микроватт при частоте измерения 100 выборок в секунду, что достаточно для надежного функционирования блока регулирования мощности источника излучения, который поддерживает требуемое напряжение питания электронного устройства. Снижение в 1,5-2 раза оптической мощности, необходимой для питания по оптическому волокну удаленной измерительной микропроцессорной системы (ток лазера уменьшается с 700 мА при запуске до 400 мА в рабочем режиме), обеспечивает увеличение КПД системы оптического питания в 1,5-2 раза (до 20-30%) и увеличивает ресурс источника излучения в 2,5-4 раза.
Технический результат, достигаемый при применении предложенной оптической системы электропитания электронных устройств состоит в уменьшении оптической мощности, необходимой для нормального функционирования питаемого электронного устройства. При этом повышается КПД системы питания, уменьшается нагрузка на лазер питания и фотовольтаический элемент, что обеспечивает увеличение ресурса работы всей системы оптического питания.