具有長保電時間的電源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及一種具有長保電時間的電源。更具體地，涉及一種基于非同步、非隔離的回掃降壓(fly-buck)電路結(jié)構(gòu)的具有長保電時間的電源。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)控制系統(tǒng)中，可編程控制器(PLC)通常通過控制繼電器的接通/斷開操作來完成工業(yè)控制動作。由于繼電器自身存在最低工作電壓的限制，因此為了保證繼電器的正確操作，對向包含可編程控制器(PLC)和繼電器等的工業(yè)控制系統(tǒng)供電的DCDC電源要求在電源關(guān)斷時具備一定的保電能力，使電源的輸出電壓能維持一段時間。這里一般涉及2個保電維持時間的要求:
[0003]1.當輸入電壓中斷1ms (或其他規(guī)定時間)時，輸出24V電壓不能跌落到繼電器工作電壓(一般17V)以下、輸出5V不能有波動。
[0004]2.當輸入電壓關(guān)斷時，輸出5V需要維持一段時間(一般需要維持50到200ms)。
[0005]這就使得電源電路中需要有足夠的儲能元件來實現(xiàn)以上兩項保電維持時間的要求。電容器是常見的儲能元件，但如果在電源輸入口放置滿足上述儲能需要的電容器，則所需電容器的電容值很大，電容器的體積也很大，這一方面會造成電源啟動時沖擊電流過大，對為電源提供能量的前級供電電源增加了容量要求，同時也增加了電源自身的體積和成本要求。
[0006]而且，由于受到繼電器最低工作電壓限制，如果使用同一端口電容器來實現(xiàn)上述兩項保電維持時間要求，則為使兩項要求都能滿足，非隔離DCDC變換的電容量需要按二者需求的最大選，這會造成浪費。
[0007]例如:當輸入電壓中斷1mS時，輸出24V電壓允許從20V開始跌落到17V，如果電源功率25W，選用的電容量滿足0.5*0 (202-172) =25ff*10ms,則電容量C=4500uF。
[0008]當輸入關(guān)斷時，從輸出電壓跌落到17V開始，到5V開始下降，這段時間要滿足要求。如果這段時間要求為60ms，5V輸出功率為2W(此時24V輸出為0)，24V轉(zhuǎn)5V的D⑶C變換的最低工作電壓為7V，選用的電容量滿足0.5*C*( 172-72)=2ff*60ms,則電容量C=1000uF。
[0009]為同時滿足上述兩項保電維持時間要求，電容器的容量必須按大的選，即選擇電容量 C=4500uF。
[0010]圖1是工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的具有長保電時間的電源的基本結(jié)構(gòu)圖。
[0011]在圖1中，來自外部源的輸入電壓24V經(jīng)由24V-24V降壓型ECDC變換器I輸出穩(wěn)定的24V直流電壓。來自外部源的輸入電壓24V經(jīng)由24V-5V降壓型DCDC變換器2輸出穩(wěn)定的5V直流電壓。在輸入端口處有多個并聯(lián)在輸入電壓和地之間的電容器Cl.....Cn，形成滿足長保電時間要求的電容量。圖1的電源結(jié)構(gòu)簡單，但是啟動沖擊電流大，體積也大，耗費空間成本。
[0012]圖2是工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的具有長保電時間的電源的另一種基本結(jié)構(gòu)圖。
[0013]在圖2中，采用的是兩級電路法。其中來自外部源的輸入電壓24V經(jīng)由24V-24V隔離或非隔離回掃型DCDC變換器I輸出穩(wěn)定的24V直流電壓(前級電路)。DCDC變換器I的輸出電壓24V經(jīng)由24V-5V降壓型DCDC變換器2輸出穩(wěn)定的5V直流電壓(后級電路)。在D⑶C變換器I輸入端口有接地的電容器Cl，在D⑶C變換器I的輸出端口處有接地的電容器C2，電容器C1、C2具有滿足長保電時間要求的電容量。第一項保電時間要求由電容I完成，第二項保電時間要求由電容2完成。圖2的電源能有效利用電容量，減小輸入口電容量；但是功率經(jīng)過兩級轉(zhuǎn)換，效率低。
[0014]圖3是工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的具有長保電時間的電源的第三種基本結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3所示的電路是施耐德電器工業(yè)公司的專利(專利號201220549312.4)的典型應(yīng)用，采用的是旁路升降壓法。其中來自外部源的輸入電壓24V經(jīng)由二極管Dl后輸入到24V-24V降壓型DCDC變換器I以輸出穩(wěn)定的24V直流電壓。來自外部源的輸入電壓24V經(jīng)由二極管Dl后輸入到24V-5V降壓型DCDC變換器2以輸出穩(wěn)定的5V直流電壓。在Dl的兩端并聯(lián)一旁路支路。該旁路支路包括串聯(lián)連接的24V-36V升壓型DCDC變換器3以及36V-24V降壓型D⑶C變換器4。在變換器3和變換器4的連接點上有接地的電容器Cl，電容器Cl具有滿足長保電時間要求的電容量。
[0016]圖3所示的電路通過旁路支路的升壓來減小儲能電容器的電容量，控制簡單精準，旁路支路基本不造成損耗，效率較高。但是，旁路支路中的兩個DCDC變換器的成本較高；并且因為旁路支路中的24V-36V升壓型DCDC變換器3的電路特性，決定了不能完全控制整個電源的啟動沖擊電流。
[0017]圖4是工業(yè)控制系統(tǒng)中正在研究使用的具有長保電時間的電源的第四種基本結(jié)構(gòu)圖。
[0018]在圖4中的電源采用的是雙向旁路DCDC法，其在圖1電源的基礎(chǔ)上增加了一個24V-36V升壓/36V-24V降壓雙向的DCDC變換器3，變換器3的一端連接來自外部源的輸入電壓24V，變換器3的另一端連接一接地的儲能電容器Cl，電容器Cl具有滿足長保電時間要求的電容量。
[0019]當電源正常工作時，來自外部源的輸入電壓24V經(jīng)由變換器3的升壓變換為輸出電壓36V，并對電容器Cl進行充電來存儲能量。當電源的輸入電壓短暫中斷或關(guān)斷時，電容器Cl上的電能經(jīng)由變換器3的降壓變換為輸出電壓24V以繼續(xù)為變換器1、2提供電能，實現(xiàn)電源的長保電時間。
[0020]圖4所示的電路使用的器件較少，控制精度高，效率高；但是雙向DCDC變換的控制方法較復(fù)雜，并且同樣因為變換器3中的24V-36V升壓型DCDC變換的電路特性，決定了不能完全控制整個電源的啟動沖擊電流。
[0021]因此，需要設(shè)法找到一種能夠克服上述缺點的工業(yè)控制系統(tǒng)用的Drac電源，其具有較長保電時間，較小的啟動沖擊電流且沖擊電流完全可控，較高的轉(zhuǎn)換效率，較低的成本，同時減少儲能電容器的電容量進而減少電源的體積。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于工業(yè)控制系統(tǒng)的電源，包括:第一二極管；第二二極管；第一變換器，輸入電壓經(jīng)由第一二極管后輸入到第一變換器以輸出穩(wěn)定的第一直流電壓，其中所述第一變換器是降壓型DCDC變換器；第二變換器，輸入電壓經(jīng)由第一二極管后輸入到第二變換器以通過降壓變換輸出的第二直流電壓，并通過回掃變換輸出的第三直流電壓，其中所述第二變換器是回掃降壓型DCDC變換器；電容器，利用第三直流電壓為電容器充電；開關(guān)，當接收到控制信號時，將電容器的電能經(jīng)由第二二極管輸入到第一變換器和第二變換器；輸入電壓比較器，將輸入電壓與一閾值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果來輸出控制信號以對開關(guān)進行控制。
[0023]其中，通過將一降壓型Drac變換器的變換電感器上增加一組線圈來形成所述第二變換器；其中所述線圈的輸出經(jīng)由串聯(lián)的第三二極管D3、接地的所述電容器形成整流回路；其中，所述線圈和電感器的匝數(shù)比使得整流回路的輸出電壓為高于輸入電壓的電壓。
[0024]其中，所述開關(guān)具有單刀雙擲的功能，并能通過一個N型MOSFET晶體管和一個P型MOSFET晶體管來實現(xiàn)。
[0025]其中，如果輸入電壓大于閾值，則電源正常工作，輸入電壓比較器不輸出控制開關(guān)動作的控制信號，此時，開關(guān)處于常閉觸點接通狀態(tài)，使得第二變換器輸出的第三直流電壓對電容器進行充電；如果輸入電壓小于或等于閾值，則電源處于保電工作狀態(tài)，輸入電壓比較器輸出控制開關(guān)動作的信號，此時，開關(guān)處于常斷觸點接通狀態(tài)，使得電容器的電能經(jīng)由第二二極管輸入到第一變換器和第二變換器。
[0026]其中，輸入電壓為24V，第一直流電壓為24V，第二直流電壓為5V，第三直流電壓為36V,閾值為17V。
[0027]本發(fā)明的基于非同步、非隔離的回掃降壓(fly-buck)電路