Схема источника электропитания

Схема источника электропитания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к схеме источника электропитания, а также к устройству, содержащему схему источника электропитания.

Предшествующий уровень техники

Схемы источников электропитания, в частности источников электропитания с переключаемым режимом, широко известны в данной области техники. Такие схемы источников электропитания, например, объединены в потребительские и непотребительские продукты. Иллюстративным приложением является электропитание светодиодов (LED) и/или органических светодиодов (OLED), в частности лент LED/OLED, используемых для автомобильного освещения LED/OLED, и вообще систем освещения LED/OLED, питаемых от батареи.

Схемы источников электропитания, которые лучше всего подходят и, следовательно, их предпочтительно используют для вышеназванных приложений, являются, в частности, импульсными последовательными резонансными преобразователями с постоянным средним токовым выходом I, в дальнейшем обозначенными как DSRC-I. Этот тип преобразователя, например, описан в WO2008/110978. Функциональные возможности этого типа преобразователя хорошо понятны специалистам в данной области техники и, следовательно, не объяснены более подробно. Преобразователи DSRC-I предоставляют преимущество постоянного среднего токового выхода, кроме того, не требуется никакого считывания тока и никакого контура управления током. Следовательно, исключены потери, вызванные считыванием тока, и DSRC-I обеспечивает высокоэффективную компактную и легкую конструкцию по сравнению с другими общеизвестными последовательными резонансными преобразователями.

Недостатком основного преобразователя DSRC-I является то, что выходное напряжение должно быть ниже, чем входное напряжение, если не обеспечены трансформатор или дополнительные компоненты, такие как дополнительный удвоитель напряжения. Однако оба решения требуют пространства и увеличивают стоимости схем. В качестве примера, задний фонарь LED автомобиля, который состоит из нескольких LED в последовательном соединении, будет требовать более чем 12 В аккумулятора автомобиля, например, 5 LED последовательно требуют 5Ч3,3 В = 16,5 В. Следовательно, DSRC-I вызывает проблемы, если несколько LED должны быть соединены последовательно, и имеется только низкое напряжение питания, например, в автомобильных приложениях.

Системы, питаемые от батареи, часто также пакетируют в секции последовательно, чтобы достичь более высокого выходного напряжения. Однако достаточное пакетирование секций невозможно во многих высоковольтных приложениях вследствие недостатка пространства.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является предоставить схему источника электропитания, с помощью которой может быть получено выходное напряжения, которое выше, чем входное напряжение. Схема источника электропитания, содержащая функцию повышения напряжения, в соответствии с настоящим изобретением, может пошагово увеличивать входное напряжение, т.е. увеличивать выходное напряжение и, таким образом, уменьшать число секций батареи.

В соответствии с аспектом настоящего изобретения предоставлена схема источника электропитания, содержащая

входные контакты, предназначенные для соединения схемы источника электропитания с источником энергии постоянного тока,

два выходных контакта, предназначенные для соединения схемы нагрузки со схемой источника электропитания,

мостовую схему, содержащую, по меньшей мере, два последовательно соединенных переключателя, соединенные между двумя выходными контактами,

резонансную схему, соединенную на одном конце с одним или более входными контактами, и соединенную на другом конце с межсоединением, по меньшей мере, двух переключателей мостовой схемы, и

по меньшей мере, два диода, причем первый диод соединен между первым входным контактом, обеспеченным для соединения положительного контакта источника энергии, и первого концевого контакта последовательно соединенных переключателей, причем первый концевой контакт соединен с первым выходным контактом и, второй диод соединен между вторым входным контактом, обеспеченным для соединения отрицательного контакта источника энергии, и второго концевого контакта последовательно соединенных переключателей, причем второй концевой контакт соединен со вторым выходным контактом.

Эта топология преобразователя обеспечивает постоянный средний токовый выход при более высоком выходном напряжении, чем входное напряжение. Кроме того, он имеет простую схемную конструкцию и не требует трансформатора или другого дополнительного компонента. В целом, преобразователь предоставляет преимущество в том, что не требуется никакого считывания тока и никакого управления током, кроме того, обеспечивается очень компактная схемная конструкция с объединенным повышением напряжения. Схема источника электропитания в соответствии с настоящим изобретением, является, прежде всего, легкой для конструирования, простой для управления и обеспечивает высокую эффективность. Подробные функциональные возможности схемы электропитания будут объяснены в контексте фигур.

В первом аспекте настоящего изобретения представлена схема источника электропитания, в которой первый диод поляризован относительно назначенного переключателя таким образом, что разрешают протекание отрицательного (поляризованного) резонансного тока, а второй диод поляризован относительно назначенного переключателя таким образом, что разрешают протекание положительного (поляризованного) резонансного тока. Это обеспечивает преимущество в том, что только положительный ток протекает через выход.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена схема источника электропитания, в которой резонансная схема является последовательной резонансной схемой, содержащей индуктивность и емкость. Это является выгодным, так как это гарантирует выгодные функциональные возможности DSRC-I, а также переключение нулевого тока (ZCS), что хорошо известно в данной области техники и, следовательно, не объяснено дополнительно.

Еще в одном аспекте настоящего изобретения представлена схема источника электропитания, в которой резонансная схема соединена с входными контактами, т.е. межсоединениями между диодами и источником энергии. В частности, емкость разделена, по меньшей мере, на две частичные емкости, причем каждая частичная емкость содержит половинную резонансную емкость, при этом каждая частичная емкость соединена с входными контактами, т.е. межсоединениями диодов и источника энергии. Эта топология является выгодной, так как реализована функция повышения напряжения и, кроме того, поддерживается главные преимущества обычного DSRC-I.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена схема источника электропитания, в которой, по меньшей мере, два переключателя резонансной схемы являются полевыми транзисторами с МОП-структурой (MOSFET). Это выгодно, поскольку MOSFET подходят для вышеназванных приложений и, кроме того, являются легкими для управления.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена схема источника электропитания, дополнительно содержащая устройство управления, которое выполнено с возможностью обеспечения максимальной частоты переключения мостовой схемы, которая находится в диапазоне от 10 до 50% от резонансной частоты резонансной схемы, в частности в диапазоне половинной резонансной частоты резонансной схемы.

Кроме того, устройство управления выполнено с возможностью обеспечения переключения переключателей мостовой схемы с рабочим циклом до 50%. В частности, не может быть достигнут рабочий цикл точно 50%, но преимущественно должно быть осуществлено короткое время работы в холостую между переключателем высокой стороны и низкой стороны, которое предпочтительно находится в диапазоне от 100 нс до 1 мкс.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предоставлено устройство, содержащее источник энергии, схему нагрузки и схему источника электропитания, как предложено в соответствии с настоящим изобретением, для питания схемы нагрузки. Следует понимать, что устройство имеет те же преимущества, что и сама схема источника электропитания. Устройство может содержать одну или более нагрузок, в то время как нагрузка содержит один или более LED, OLED или тому подобных, и устройство может быть, например, устройством освещения.

Предпочтительно выходной фильтр расположен между схемой источника электропитания и схемой нагрузки. Выходной фильтр стабилизирует выходное напряжение и, следовательно, гарантирует более низкую пульсацию постоянного тока нагрузки. Выходной фильтр может быть выполнен просто с помощью конденсатора, соединенного параллельно со схемой нагрузки, но возможны более сложные фильтры, например, содержащие последовательные и/или параллельные схемы, содержащие один или более конденсаторов и/или индуктивностей, как широко известно в данной области техники.

Будет понятно, что заявленное устройство имеет аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, что и заявленная схема источника электропитания, как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 изображает принципиальную схему моделирования схемы источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 изображает результаты моделирования для первого множества значений параметров;

фиг.4 изображает результаты моделирования для второго множества значений параметров;

фиг.5 изображает результаты моделирования для третьего множества значений параметров;

фиг.6 изображает результаты моделирования для четвертого множества значений параметров;

фиг.7 изображает упрощенную схему источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.8 изображает дополнительную упрощенную схему источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.9 изображает схему проводящих частей источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, для первого интервала времени;

фиг.10 изображает схему проводящих частей источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, для второго интервала времени;

фиг.11 изображает схему проводящих частей источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, для третьего интервала времени;

фиг.12 изображает схему проводящих частей источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, для четвертого интервала времени;

фиг.13 изображает сигнал резонансного тока.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Фиг.1 изображает блок-схему схемы 1 источника электропитания, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Схема 1 источника электропитания содержит мостовую схему 3, резонансную схему 5, которая является соединяемой на одном конце, т.е. на входных контактах, с источником 7 энергии, причем источник 7 энергии предпочтительно является источником постоянного напряжения V i n . Схема 1 источника электропитания соединена с помощью выходных контактов со схемой 9 нагрузки, которая содержит, по меньшей мере, одну из (на фиг.1) иллюстративные всего четыре нагрузок 11 и сглаживающий конденсатор 13, соединенный параллельно с нагрузками 11. Нагрузка 11 может быть LED, OLED или тому подобным. Выходное напряжение V o u t падает через вектор нагрузок 11.

Мостовая схема 3 содержит, по меньшей мере, два переключателя M 1 и M 2 , которые являются иллюстративными MOSFET, которыми управляют с помощью устройства 14 управления. В ответ на постоянный ток из источника 7 энергии мостовая схема 3 передает сигнал напряжение в резонансную схему 5 с частотой переключения f s w i t c h , которая, в свою очередь, передает переменный ток I r в схему 9 нагрузки.

Переключатели M 1 и M 2 мостовой схемы 3 предпочтительно переключают посредством устройства 14 управления, которое адаптировано обеспечивать рабочий цикл переключения, равный 50%. Кроме того, устройство 14 управления выполнено с возможностью обеспечивать максимальную частоту переключения f s w i t c h мостовой схемы 3, которая предпочтительно равна половинной резонансной частоте f r e s резонансной схемы 5.

Переключатели M 1 и M 2 соединены последовательно, в то время как контакт истока переключателя M 1 соединен с контактом стока переключателя M 2 с помощью межсоединения 15.

Резонансная схема 5 является соединяемой на одном конце с источником 7 энергии и соединена на другом конце с межсоединением 15, по меньшей мере, двух переключателей M 1 и M 2 мостовой схемы 3. Резонансная схема 5 содержит индуктивность L r e s и емкость C r e s , в то время как емкость C r e s иллюстративно разделена на две частичные резонансные емкости C r e s /2. Следовательно, каждая из частичных емкостей C r e s /2 содержит половинную резонансную емкость C r e s .

Фиг.1 дополнительно иллюстрирует, что диод D 1 назначен для переключателя M 1 , а диод D 2 назначен для переключателя M 2 . В частности, диоды D 1 и D 2 взаимно соединены между каждым переключателем M 1 и M 2 и источником 7 энергии и, в частности, соединены последовательно с соответственным назначенным переключателем M 1 и M 2 , с одной стороны, и с источником 7 энергии, с другой стороны. Один из диодов, в частности диод D 1 , поляризован относительно назначенного переключателя M 1 таким образом, что разрешено протекание отрицательного (поляризованного) резонансного тока I r через диод D 1 , а другой диод, в частности диод D 2 , поляризован относительно назначенного переключателя M 2 таким образом, что разрешено протекание положительного (поляризованного) резонансного тока I r через диод D 2 .

Как будет объяснено более подробно ниже, падение напряжения V 1 на резонансной схеме 5 зависит от диодов и зависит, в частности, от того, какой диод в настоящий момент является проводящим. Следовательно, падение напряжения на резонансной схеме 5 может быть резюмировано следующим образом: M 1 включен, D 1 является проводящим: − V i n /2; M 1 соединен с D 2 , D 2 является проводящим: V i n /2- V o u t ; M 2 соединен с D 2 : D 2 является проводящим: V i n /2; M 2 включен, D 1 является проводящим: V i n /2+ V o u t .

Частичные емкости C r e s /2 соединены последовательно с индуктивностью L r e s и дополнительно соединены с межсоединениями между диодом D 1 или D 2 и источником 7 энергии. Таким образом, одна частичная емкость C r e s /2 соединена с межсоединением 17 между диодом D 1 и источником 7 энергии, а другая частичная емкость C r e s /2 соединена с межсоединением 19 между диодом D 2 и источником 7 энергии.

Вышеописанная новая топология схемы 1 источника электропитания реализует DSRC-1, содержащую большинство из ее главных преимуществ, и, кроме того, обеспечивает функцию повышения напряжения, таким образом, что выходное напряжение V o u t выше, чем входное напряжение V i n , без необходимости каких-либо дополнительных компонентов, таких как трансформатор.

Следует упомянуть, что устройство 21 в соответствии с настоящим изобретением содержит схему 1 источника электропитания и, кроме того, может содержать одну или более схем 9 нагрузки.

Фиг.2 изображает принципиальную схему моделирования схемы 1 источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, в то время как фиг.3-6 изображают результаты моделирования для разных множеств значений параметров. Принципиальная схема моделирования фиг.2 основана на топологии схемы источника электропитании, проиллюстрированной на фиг.1.

Фиг.3 изображает результаты моделирования для первого множества значений параметров. В частности, результаты моделирования основаны на входном напряжении V i n =24 В, выходном напряжении V o u t =30 В и частоте переключения мостовой схемы f s w i t c h = f r e s /2, т.е. частота переключения равна половинной резонансной частоте f r e s .

Самая верхняя диаграмма моделирования фиг.3 иллюстрирует токи I( V 1 ) и I( V 4 ) как функции времени t. Таким образом, напряжение V 1 соответствует напряжению V i n , проиллюстрированному на фиг.1, а напряжение V 2 соответствует напряжению V o u t , проиллюстрированному на фиг.1. Очевидно, что выходной ток I( V 4 ) ниже, чем входной ток I( V 1 ).

Средняя диаграмма моделирования фиг.3 иллюстрирует токи диодов I( D 1 ) и I( D 2 ) как функцию времени t. Как объяснено выше, диоды D 1 и D 2 соединены со своими назначенными переключателями M 1 и M 2 с противоположными поляризациями. Следовательно, диоды D 1 и D 2 разрешают попеременное протекание тока в зависимости от поляризации резонансного тока I r , как будет объяснено более подробно далее в настоящей заявке.

Нижняя диаграмма моделирования фиг.3 иллюстрирует резонансный ток I( L r e s ) как функцию времени. Резонансный ток I( L r e s ) соответствует резонансному току I r фиг.1.

Фиг.4 изображает результаты моделирования для второго множества значений параметров. В частности, результаты моделирования основаны на входном напряжении V i n =24 V, выходном напряжении V o u t =40 V и частоте переключения мостовой схемы f s w i t c h = f r e s /2, т.е. частота переключения равна половинной резонансной частоте f r e s .

Фиг.5 изображает результаты моделирования для третьего множества значений параметров. В частности, результаты моделирования основаны на входном напряжении V i n =24 V, выходном напряжении V o u t =50 V и частоте переключения мостовой схемы f s w i t c h = f r e s /2, т.е. частота переключения равна половинной резонансной частоте f r e s .

Фиг.6 изображает результаты моделирования для четвертого множества значений параметров. В частности, результаты моделирования основаны на входном напряжении V i n =24 V, выходном напряжении V o u t =40 V и частоте переключения мостовой схемы f s w i t c h = f r e s /3, т.е. частота переключения равна одной третьей резонансной частоте f r e s .

Для того чтобы описать функциональные возможности схемы 1 источника электропитания, топология, изображенная на фиг.1, может быть упрощена, как проиллюстрировано на фиг.7 и фиг.8. На фиг.7 обеспечены две емкости C i n 1 и C i n 2 и, дополнительно, резонансная емкость C r e s . На фиг.8 частичные резонансные емкости C r e s /2 фиг.1 объединены в одну единственную емкость C r e s , а источник 7 энергии виртуально разделен на два частичных источника 7' и 7'', причем каждый обеспечивает постоянное напряжение V i n /2. Следует заметить, что использование двух частичных емкостей C r e s или двух емкостей C i n 1 и C i n 2 и, кроме того, резонансной емкости C r e s приводит к одинаковому результату. Из фиг.8 можно видеть, что напряжение, падающее на емкость C r e s , обозначено как V C , а напряжение, падающее на индуктивность L r e s , обозначено как V L .

Резонансная схема 5 может быть описана с помощью своей резонансной частоты f r e s и своего импеданса Z r e s .

f r e s = 1 2 π L r e s ⋅ C r t s           ( 1 )

z r e s = L r t s C r t s           ( 2 )

На основании результатов моделирования поведение схемы может быть объяснено следующим образом. Для описания в интервалах времени определен резонансный период τ .

τ = 1 2 ⋅ T r e s = 1 2 ⋅ 1 f r e s           ( 3 )

Период переключения переключателей M 1 и M 2 является T s w i t c h , как можно видеть из фиг.7, и 2 ∗ T r e s ≤ T s w i t c h . Проводящие части в каждом интервале времени изображены на фиг.10 по фиг.13.

Фиг.9 изображает схему проводящих частей схемы 1 источника электропитания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения для первого интервала времени t 1 : 0 < t ≤ τ , который проиллюстрирован на фиг.13. В течение этого интервала времени переключатель M 1 включен, а переключатель M 2 выключен. Резонансная схема 5 генерирует в этом интервале времени первую отрицательную полуволну, иллюстративно обозначенную на фиг.13 с помощью W 1