高压电路设备（共7篇）
高压电路设备 篇1
0 引言
随着智能电网建设的推广与普及, 电网设备在线监测技术的应用也越来越广泛, 与之相关的传感器技术也快速发展。传感器是一种将设备状态的各种物理量或化学量转变成电信号的部件。由于电信号容易进行各种处理, 故无论被测量是电量还是非电量, 一般都要通过各类传感器将其转换成电信号后再处理[1]。大部分传感器输出的都是模拟信号 (电流、电压等) , 在传感器信号采集系统设计中, 需要将模拟信号转换为数字信号, 供后续处理电路进行分析、计算、通信等。在智能变电站中, 需要传感器采集监测的量类型很多, 部分被监测量的变化范围很大, 导致传感器输出的模拟量变化范围也较大, 给数据采集系统中的模数转换带来一定的困难。
1 智能高压电器宽范围变化信号
智能高压电器中, 需要监测的量很多, 主要包括两个方面:1、主电路的实时电量参数, 如:电流、电压、频率、相位等;2、设备状态参数, 如开关设备的状态、机械状态、绝缘情况等。
在被监测量中, 部分量的变化范围很宽, 例如:126k V变电站正常状态下, 主电路的电流, 从0A到4k A;避雷器泄漏电流, 要求监测范围从100μA到50m A。一般情况下, 传感器的输出信号都是与变化信号成线性关系的模拟信号, 因此, 传感器的输出信号变化范围也较大。
2 传感器信号的处理
在高压电器设备中, 需要监测的量, 通过传感器转换为模拟量, 再经过处理电路, 变成可以用于微处理器运算和通信的数字信号。传感器将监测到的物理量变化以模拟量的形式输出 (连续变化的电流、电压) , 该模拟信号经过整形、滤波、放大处理, 转换为可以稳定进行A/D转换 (模数转换) 的信号, 此模拟信号经过A/D转换, 变为数字信号。
2.1 信号调 理电路
传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。传感器把需要测量的物理量转换为电压或电流信号, 成为传感器的原始输出信号, 这些信号往往比较微弱, 并且受环境因素影响较大, 信号上叠加一定的干扰信号, 需要经过调理电路, 对信号波形进行调理, 才能够进行模数转换。该调理过程一般包括滤波和放大。
2.2 宽范围变化信号的放大问题
在数据采集系统中, 若待测信号是很微小的电信号, 需要用放大器来加以放大[2]。普通运算放大器的放大增益是由硬件电路的结构和参数决定的, 如果要更改放大增益, 需要对硬件电路进行修改, 即普通运算放大器电路对待测信号的放大倍数是固定的[3]。如果放大倍数低, 则不能满足微弱信号的测量需求, 如果放大倍数高, 则较大的信号经放大后, 容易失真, 不能满足后续运算需求。
在智能高压电器中如何解决宽范围信号放大检测问题, 对信号进行非线性压缩计算是一种很好的解决思路。对于函数Y=log10X , 当X=1时Y=log101=0;当X=10时, Y= log1010=1;当X=100时, Y=log10100=2。X每扩大10倍 , Y只增加一个数量级 , X在一个很大的范围内变化时, Y只在一个很小的范围内变化。所以, 对数放大器具有很好的压缩性。
3 宽范围变化信号检测电路设计
3.1 对数运算放大器
理想的对数放大器是输出信号幅值与输入信号幅值成对数关系的放大电路。实际的对数放大器在输入信号幅值较小时, 具有线性放大的功能增益较大;当输入信号较大时, 具有对数放大的功能, 增益随输入信号的增加而减小[4]。在宽范围变化信号测量领域, 输入信号在短时间内会有很大变化, 输出信号应稳定在几十毫伏到几伏之间。对数放大器能够自适应调节输出增益可以避免输入信号过大时, 增益过大所产生的饱和。
图1中, 横轴为对数刻度, 当VX=VIN时, 对数为零, 称VX为对数放大器的截止电压。VY是10 VX对应的输出电压, 即以10为基数, 对应的对数为1时, 输出值。VX、VY为对数截距, VOUT为输出电压。
从图3可以看出, 随着输入电压VIN的增加, 其对应的输出值的增益减少。
3.2 对数放大器电路原理
对数放大器利用硅二极管上的电压与流过它上面的电流成对数关系的原理制成, 结构如图4所示。
硅二极管的正向特性曲线函数为
图4所示基本对数放大器构架的转换方程为:
式 (1) 和 (2) 中, k为玻尔兹曼常数, T为绝对温度, q为电子电荷, I为正向电流 , 为反相饱和电流 ;VIN为输入电压, RIN为输入电阻。
3.3 对数运算放大器应用电路
对数运算放大器应用于宽范围变化信号测量系统中, 传感器发出小的传感器信号, 经过滤波电路接入对数放大器, 对数放大器的输出经过一定增益的线性放大后, 接入A/D转换电路, 转换为相应的数字信号。
DSP接收到转换后的数字信号 , 根据对数放大器的输出特性及线性放大增益, 计算出对应的传感器输出信号, 从而得到待测信号信息。
对数放大器应用于测量系统中, 可以简化硬件电路设计, 在小信号、宽范围变化信号检测系统中具有明显的优势。
4 试验及结论
采用对数放大器方案, 设计一个信号处理系统, NI公司的PXI-4132系统作为信号源 , 信号采集系统对信号源电流信号进行采集处理, 对比信号采集系统实际测量的试验结果。
通过表1数据可以看出, 对数放大器信号采集系统所采集到的结果与NI信号源发出电流信号相比误差并不大, 因此, 该系统有较好的采集精度。可应用于多种宽范围变化量的采集。例如, 变电站中避雷器绝缘性能在线监测是通过监测其泄漏电流实现的, 按照相关标准, 监测设备的监测范围应是100μA-50m A, 最大值是最小值的500倍, 如果再考虑监测精度要求, 一般放大电路难以满足需求, 该电路的特性可满足此监测范围的需求。而电子式电流互感器应用于126k V智能站时, 其主电路电流变化范围从0A-4k A, 短路电流则可能更大, 监测的最大值和最小值相差104倍, 一般的放大电路难以满足需求, 此电路的输出特性能够满足监测需求。
参考文献
[1]黄新波.变电设备在线监测与故障诊断[M].2版.北京:中国电力出版社, 2012.
[2]黄梓瑜, 高文刚, 谭威, 范维志.宽范围微弱电流对数放大电路设计与仿真[J].工业控制计算机, 2013 (26) , 6:130-131.
[3]汪俊杰, 盖建新, 刘旭, 程爽.增益连续可调宽带前置放大电路设计与实现[J].信息技术, 2012, 10:33-36.
[4]贺欣.宽带大动态AGC电路设计[J].电子设计工程, 2012 (20) , 8:167-170.
[5]刘伟, 黄新波, 章云.电容型高压设备介损在线监测系统的现场采集单元设计[J].计算机测量与控制, 2010, 18 (1) :233-236.
高压电路设备 篇2
目前我段管内站内轨道电路主要使用的有25 Hz相敏轨道电路, 高压脉冲轨道电路。25 Hz轨道电路分旧型和97型, 我段目前主要用的是97型。高压脉冲轨道电路, 始于1953年, 之前称为高压不对称轨道电路。这种轨道电路起初是为解决钢轨表面生锈、撒砂和油污引起列车分路不良而研制的, 后来才逐渐完善用于直流、交流电化区段和车站和区间。
1 现对25 Hz, 高压脉冲轨道电路原理简要介绍如下
1.1 25 Hz轨道电路工作原理
25 Hz轨道电路的信号电源是由铁磁分频器供给25 Hz交流电, 以区分50 Hz牵引电流, 接受器采用二元二位轨道继电器, 该继电器的轨道线圈由送电端25 Hz轨道电源经轨道传输后供电, 局部线圈则由25 Hz局部分频器电源供电。轨道继电器工作时, 从轨道电路取得较少的功率而大部分功率是通过局部线圈取自局部电源, 因而轨道电路的控制距离可以延长, 且只有轨道继电器上的轨道线圈电压Ug和局部线圈电压Uj之间的相位角接近或等于90°时, 转矩最大, 使翼片绕轴旋转, 带动接点动作, 否则, 翼片不能旋转, 不能带动接点动作。所以, 25 Hz轨道电路既有对频率的选择性, 又有相位的选择性。当轨道线圈和局部线圈电源电压满足规定的相位要求时, GJ吸起, 轨道电路处于调整状态, 即表示轨道电路空闲。当列车占用时轨道电路被分路, GJ落下。若频率、相位不对时, GJ也落下。因而, 其抗干扰性能较强, 广泛应用于交流电力牵引区段。
25 Hz相敏轨道电路的原理图如图1。
1.2 高压脉冲轨道电路工作原理
轨道电源经电缆送至高压脉冲发码电源变压器的I次侧, 变压器II次侧可提供300 V、400 V、500 V的交流电压, 可以根据轨面的生锈程度及轨道电路的长度选择合适的电压。变压器次级电压给高压脉冲发码盒提供工作电源, 发码盒输出经过调整电阻在高压脉冲扼流变压器的信号侧放电, 产生头部和尾部不对称的高压脉冲, 该脉冲经过扼流变压器传送至轨面。在接收端, 扼流变压器把轨面上的高压不对称脉冲信号传送到译码器上, 译码器通过变换分别把高压脉冲中的正脉冲和负脉冲分别输出, 供给二元差动继电器工作。如果极性相反, 二元差动继电器不吸起, 以保证有可靠的极性交叉。
2 轨道区段相邻时的问题探讨
轨道电路毕竟要有相邻区段, 那么如何保证与相邻区段的相互独立性, 并在与相邻区段绝缘节处出现短路问题时, 如何保证相邻俩区段都倒向安全面, 对于电务安全很重要, 那么接下来本文就将讨论一下高压脉冲轨道电路如何做到与相邻轨道电路区段的独立性和安全性。
2.1 高压脉冲轨道电路与高压脉冲轨道电路相邻时
当两个高压脉冲轨道电路相邻时, 采用极性交叉来防护, 所谓极性交叉, 是指两根相邻钢轨在绝缘节两端的高压脉冲极性是相异的, 见图2。
其防护原理是:因为接收端的译码器是有极性的, 它只能接收本区段轨道上发送来的高压脉冲才能工作, 因此, 当钢轨绝缘节破损时, 相邻轨道电路的不对称脉冲信息就干扰该区段的译码器, 但它的脉冲极性正好与该区段的脉冲相反。这时, 译码器的输出电压, 正好使二元差动轨道继电器的尾部线圈电压提高, 头部线圈电压下降, 根据二元差动闭磁路继电器的特性可知, 在这种情况下, 继电器将失磁, 从而起到钢轨绝缘破损防护的目的。高压脉冲轨道电路, 站内正线相邻轨道区段均应设计为极性交叉, 但对非正线上, 若为双送电端的相邻轨道区段, 允许不作极性交叉, 从技术角度和节省投资看, 为了提高轨道电路设备的可靠性、经济性, 应尽量多采用双送电端或双受电端方式为好。
2.2 高压脉冲轨道电路与25 HZ轨道电路相邻时
高压脉冲轨道电路与25周相敏轨道电路相邻时, 由于25周轨道电路, 在钢轨上传送的信息为连续而对称的正弦波, 由二元差动轨道继电器的工作原理可知, 高压脉冲轨道电路是有良好的防护性能的。另外由于不对称脉冲的占空比极小, 所以当相邻钢轨绝缘节破损时, 对25周轨道继电器即使有不对称脉冲的瞬时冲击干扰, 但是轨道继电器由于电磁及机械的惯性, 它是不会误动的。由此可见, 当上述两种轨道电路相邻时, 相互间互不干扰, 都能独立保持着自己制式的各项功能。
高压电路设备 篇3
以低压直流作基础产生较高的直流电压,常见的方式有3种类型:利用电容充电后再垫高负极电位,即自举升压;利用电感产生的自感电动势对电容强制充电;利用振荡电路将直流变为交流或直流脉冲,再通过倍压整流产生高压。
1 利用电容充电后再垫高负极电位
电容被电源E充电后,其正、负极之间将维持一定的电压Uc=U+-U-=E,若负极电位为零,即U-=0,则正极电位与电容上充的电压相等,U+=Uc;若充电完毕后,将负极接到某一电位U0上,尽管此时电容上的电压不变,但其正极电位就等于电容上的电压与负极所接电位之和,即U+=Uc+U0,从而可以实现U+>E,即得到高于电源的电压,有时将这种升压方式叫自举升压。
(1) 黑白电视机行扫描电路中的倍压电路
在黑白电视机中,整机内部采用12 V直流供电,但为了改善行扫描的线性,需要提高行输出级上的行偏转使用的电压,一般是将电源12 V提高到24 V左右加到偏转线圈上,采用的方法如图1所示:该图是黑白电视机的行输出级电路,整体看该级使用的电源为12 V,但工作时经过电容C0、二极管D0、电感L0组成的升压电路转换,行输出管集电极c实际得到的直流电压为24 V左右,即行偏转线圈实际使用的电源为24 V左右,达到了改善行线性的目的。
原理为:行输出管T在行脉冲的作用下工作于开关状态,因而其集电极流过的是脉冲电流,当T导通时,电流经升压二极管D0、行输出变压器Tr的初级线圈L0的下半部流过,并产生上正下负的自感电动势e1=12 V,上部自然会感应出电动势e2方向亦为上正下负,若D0的负极接在L0的中点,则有e2=e1(若不在中点,则有e2<e1或e2>e1),该电动势会通过D0对C0充电,使电容C0上出现大小与e2相等的电压,即升压电容C0上会维持12 V的电压,而C0的负极与电源12 V相连,这样C0正极对地的实际电位应是12 V电源电压与C0上电压之和,即可达到24 V,若用万用表的直流电压档测量,行输出管T集电极、电容Cs上的直流电压均为24 V,从而实现了提升局部供电电压的目标,达到了改善行线性目的。 升压二极管D0既给电源提供了向输出级输入能量的通道,同时又隔离了24 V倍压与12 V电源电压。显然,若D0的负极不是连接在L0的中间点,例如上部匝数偏多,则C0上的电压会大于12 V,最终的升压可能会大于24 V,反之则低于24 V。
(2) OTL功放电路中的自举升压
电子线路上常用的OTL互补对称功率放大电路,如图2所示。
T1,T2为2只互补型的功放管,静态时A点电压
(3) 手机读卡电路
在手机读卡电路上要用到5 V的电压,而手机所用电池早期为4.8 V,现在的手机均为3.6 V,因电池电压往往随所剩电量的多少有所变化,为确保手机工作稳定,不因电池电压的变化而影响通话质量,电池电压并未直接供给手机各部分使用,而是通过稳压IC变为3.2 V,2.8 V,3 V等更低的电压供各部分使用。在这种情况下就需要通过升压电路将3 V左右的电压升为5 V。如图3(a)所示,是用在爱立信788手机上的升压电路。
N750为一电子开关电路,型号为C70851,电压从2脚输入后,内部电子电路开始工作,可以实现将第1,8脚接的电容C752与第4,5脚接的电容C751定时相并联、相串联,也就是使两电容交替性地相并联、相串联。+3 V的电源经R607,C606,R751,C757组成的RC滤波网络后,电压约为2.5 V送入N750的2脚,首先C752,C751处于并联状态,2.5 V的电源对其充电,使两电容上均出现2.5 V的电压,然后经内部电子开关转换使C751与C752处于串联状态,并且其中一支的负极与另一支的正极相连,如图3(b),(c)所示,这样两电容上的总电压成为5 V,经电容滤波后从第3脚输出,供SIM卡电路使用。
2 利用电感的自感电动势强制对电容充电升压
电感产生的自感电动势的大小ε=Lⅹdi/dt,即电感量大小一定后,自感电动势的大小只与电感中电流的变化速度有关,而与电感上原来施加的电压无关。若电感中注入电流脉冲,当频率高到一定程度时,无论电感上施加的电压如何,上面就会产生远高于施加电压的自感电动势,然后再对这一感应电动势产生的电流进行整流,并对电容充电就会输出一较高的直流电压。
(1) 黑白电视机行扫描电路中的高压电路
在上述图1所示的行输出级电路中,产生的24 V倍压直流不仅用于改善行线性,其实在电视机中该级还承担着产生10 000 V直流高压的任务。该电压由行输出变压器次级输出,加到显像管上形成光栅,其产生过程为:由于行管的集电极有24 V的倍压,该电压同样也出现在与行管T的c,e极相连的电容CS上,工作时行输出管处于开关工作状态,当T导通时,Cs放电,电流经Ly,T的c,e极流过;当T截止后,由于Ly中的电流急剧变小,内部产生的较大的自感电动势,促使电流还要继续流动以释放电感上的磁能。由于此时T已截止,故刚刚通过T流动的电流,会对逆程电容C1做强制性的充电,最终Ly上的磁能会转化为C1上的电场能,根据
(2) 摩托罗拉手机读卡电源电路
如图4所示,是摩托罗拉V998电源模块U900的升压电路。由于该机供电电池电压为3.6 V,故内部使用的+B约3.6 V,但手机有些电路需用+5 V的电压,为此在电源模块的C5,B6端,要通过B10端得到5.6 V直流电压。方法是:+B经L901接到U900的B10端,B10端内部等效于与地断续相连的电子开关,当B10端与地相连时,电源电流流经L901入地。显然,电感L901上施加的电压为+B,当电流达到一定数值时,B10内的电子开关突然与地断开,L901上的电流会突然变小而产生较强的自感电动势ε,该电动势的方向为左负右正,该电动势经整流管CR901对电容C934充电,使C934上瞬时出现峰值接近于自感电动势的电压,B10内下次与地接通后,电源电流又经L901流向B10内部,C934上刚才充的电压由于CR901的存在而将C934与B10引脚隔离开,使C934上维持约5.6 V的直流电压,并通过C5、B6端向U900供电。
3 倍压整流升压电路
倍压整流是对直流脉冲或交流而言的,在直流电路中要通过倍压整流电路将较低的电压转换为较高的电压,就需将低压直流首先通过振荡电路转换出直流脉冲或交流,然后通过二极管及电容组成倍压整流得到较高直流电压。
(1) LCD液晶显示偏压电路
如图5所示,是爱立信788中文手机显示屏显示偏压生成电路,该屏正常工作时需要-5 V的显示偏压VLCD,而整机电路使用的是3 V左右的电压,-5 V的显示偏压VLCD产生过程是利用CPU D60095959696脚输出2.5 V左右的脉冲经倍压整流最后得到5 V左右的直流。95959696交替输出幅值约2.5 V的矩形脉冲U0,9696有脉冲时9595电压为零,该脉冲通过D1对C773充电,使C773充的电压为U0,通过D3使C770,C771上的电压为U0的一半,电容上的电压极性为左负右正;9595有脉冲时9696电压为零,该脉冲经D2对C770充电,由于此时C773左极板的电位是-U0故充电的结果是C770上出现2U0的电压,方向左正右负;9696脉冲到来9595电压为零,该脉冲又经D3对C771充电,由于C770右极板的电位是-2U0,故C771上会出现3U0的电压,并且方向是左负右正,所以下一时刻9696电位为零,C771左极板电位约为-3U0=-3×2.5 V =-7.5 V,因而C772经D4到C771的负极会有一放电电流,使C772上出现上负下正的电量,即电路的输出端对地是一负电压,由于每一只电容充电放电是交替进行的,经几个周期后,各电容上的平均电压会稳定下来,最终C772上的电压介于0与最大值-3U0之间,约为-5 V左右,当然输出电压的高低不仅与脉冲的高度有关也与脉冲的宽度有关,还与-5 V输出电流的大小有关。
(2) DC-AC-DC逆变升压电路
这种电路局部由低压直流供电,并产生自激振荡,在变压器的初级产生脉冲电流,若变压器设计成升压变压器,则次级就会输出更高的交流脉冲,该脉冲经倍压整流滤波后即可得到较高的直流电压。
如图6所示,是在小型电器中常用的DC-AC-DC直流变换电路。晶体管T与定时电容C,电阻R以及变压器Tr的初级带抽头的线圈L1,L2构成振荡电路,使T处于开关状态。故L2上流过的是直流脉冲,该部分使用的电源约为3 V,振荡电路工作后,L2上会出现峰值为3 V左右,频率约30 kHz的脉冲电压,波形如图7所示。
由于变压器次级匝数较多,故它是升压变压器,其次级会输出较高的脉冲电压,当然其频率与初级一样,后续电路为倍压整流电路,当脉冲的正半周到来时,方向上正下负,电压会经D1对C1充电,使C1上出现等于Tr次级峰值的电压,负半周到来时,电压方向相反,脉冲电压与C1上的电压之和经D2对C2充电,使C2上出现2倍的峰值电压,下一周期的正半周到来,次级电压与C1,C2上的电压合成后会经D3对C3充电,最终使C3上出现峰值的2倍压,经过n个周期后,除C1上为峰值的1倍压外其余均为2倍压,这样只要电路输出电流不太大,就可以确保从不同的位置取出峰值的1倍压、2倍压、…、n倍压的直流。
综合上述3种形式的升压电路,它们都是建立在电容储能后两极维持一定数值的电压这一基础之上。当单只电容上的电压达不到要求数值时,利用2只或2只以上的电容按一定方式进行组合,最终从电容器所在电路的某2点取出所需电压。但无论采取何种形式的变换电路,最后得到的较高电压其能量均是取自低压直流电源,即在遵从能量守恒的前提下电压转换只是电能表现形式的改变。
参考文献
[1]王佩珠,许开军.电路与模拟电子技术[M].南京:南京大学出版社,2005.
[2]秦曾煌.电工学(电子技术)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[3]王成安,张树江.模拟电子技术[M].大连:大连理工出版社,2006.
[4]解相吾,解文博.移动通信终端设备原理与维修[M].北京:人民邮电出版社,2005.
高压电路设备 篇4
USB端口是快速数据传输的首选方法,也正在迅速成为便携式设备电池充电的首选方法,因为可以不再需要单独的交流适配器。不过,用USB端口给设备电池充电时存在功率限制。另外,由于便携性需求,越来越需要在家庭之外的场所充电(例如,在汽车中)。但是汽车电源也有缺点,如电压瞬态或来自交流发电机的浪涌。因此,电池充电器集成电路需要很好地保护,以应对这类严酷的情况。模拟集成电路中的电源通路(PowerPath)充电系统拓扑为系统设计师和最终产品用户带来了无数优点,如能够自主和无缝地管理多个输入电源,为系统负载供电并给电池充电。这种集成电路拓扑除了能减少热量,还可实现较快的充电时间和即时接通工作。
这类集成电路的一个新趋势是集成高压能力和过压保护功能,以处理汽车、Firewire或未稳压交流适配器输入。这些电源通路管理器集成电路采用扁平封装,需要极少的外部组件,可为个人导航器、媒体播放器、数码相机、PDA和智能电话等手持式电子产品组成简单、紧凑和经济的解决方案。
设计难题
能承受汽车电源、Firewire端口或未稳压12V/24V适配器等高压输入电源为在家庭或办公室之外的场所充电提供了方便。例如,有了适配器电源,手持式产品中的适配器电压和电池电压之间的压差可以很大。而视所需充电时间和充电电流的不同,线性充电器也许不能承受这么大的功耗。这种情况通常需要一个具有开关模式拓扑的集成电路来保持快速充电,同时提高效率并减少热量管理问题。另外,具有高压能力和/或过压保护的集成电路还不容易受到输入电压瞬态的损害,提高了集成电路和系统的抗瞬态性和可靠性。
管理最终产品中的电源通路是另一个设计难题。今天,很多便携式电池供电电子产品可以由低压源(交流适配器、USB端口或锂离子/聚合物电池等)以及高压源供电。不过,自主管理这些电源和电池之间的电源通路并为负载供电带来了极大的技术挑战。传统上,设计师一直用少量MOSFET、运算放大器和其它组件来单独实现这一功能,但是一直面临着负载热插拔、负载上有大浪涌电流以及大电压瞬态等难题,这些问题可能引起严重的系统可靠性问题。
锂离子和锂聚合物电池是便携式消费类电子产品的首选,因为它们的能量密度相对较高,在给定尺寸和重量限制下,可比其它可用化学材料实现更高的电池容量。随着便携式产品变得越来越复杂,它们消耗的功率也越来越多,因此对较高容量电池的需求也增强了,相应地也需要更先进的电池充电器。较大的电池要充满电就需要较高的充电电流或者需要更长的充电时间。另外,在很多情况下,能用USB端口给电池充电意味着对用户更方便,但是USB兼容性造成了对USB电流(最大500mA)和功率(最大2.5W)的限制。基于USB的电池充电器必须尽可能高效率地从USB端口抽取更多功率,以满足今天功率密集型应用严格的热量限制。
大多数消费者都希望缩短充电时间,因此提高充电电流似乎是显而易见的选择,但是提高充电电流有两个大的弊端。首先,就线性充电器而言,提高电流会增加功耗,这些功耗转换成了热量,从而将典型的实际“最大”功率降至2.1W。其次,充电器必须视主器件协商好的模式,将从5V USB总线吸取的电流限制为1 0 0 m A(5 0 0 m W)或500mA(2.5W)。充电过程中浪费的任何功率都直接导致较长的充电时间。需要高效率充电、电池充电器集成电路具有高的功能集成度以及需要节省电路板空间和提高产品可靠性,这些都给由电池供电的电子产品的设计师施加了压力。
制造商们也正在改变印刷电路板的使用方式,现在他们不是使用单个多层电路板,而是越来越多地在空间受限设计中使用相互堆叠的多个电路板。先进的封装有助于减少高度/厚度并节省印刷电路板面积,可以实现更高效的堆叠。
总之,系统设计师面临的主要难题包括:
·最大限度地提高从USB端口获得的电流(可提供2.5W);
·管理多个输入电压源和电池之间的电源通路,同时向负载供电;
·保护集成电路免被高压系统瞬态损坏;
·最大限度减少热量同时快速充电;
·最大限度提高充电效率和延长电池工作时间;
�最大限度减小解决方案占板面积和高度。
具有高压输入能力和过压保护功能、集成和紧凑的电源通路管理器IC简单轻松地解决了这些问题。
一个简单的解决方案
具有电源通路控制功能的集成电路能够自主和无缝地管理USB、交流适配器、电池等不同输入电源之间的电源通路,同时优先向负载供电。为了确保充满电的电池在连接USB总线时仍然保持满电量,这类集成电路通过USB总线向负载供电而不是从电池抽取功率。一旦电源去掉,电流就通过一个内部低损耗理想二极管从电池流向负载,从而最大限度地提高效率、降低功耗。理想二极管的正向压降远低于常规或肖特基二极管,因此最大限度地提高了能量传输效率,反向电流泄漏也更小。典型值为20mV的微小正向压降减少了功率损耗和自热,因此延长了电池工作时间。另外,三终端(或“中间总线”)拓扑去掉了电池与VOUT的耦合,允许最终产品一插上电源插头就立即工作,而不管电池的充电状态甚至电池缺失也一样,这通常称作“即时接通”工作。
电池充电器与电源通路控制器和理想二极管器件(“电源通路管理器”)集成,可高效管理各种输入电源、给电池充电、优先向负载供电并降低功耗。电源通路控制电路可以采取线性或开关拓扑,因为视具体充电要求不同,他们对系统而言都有一定的优点。
开关电源通路系统的优点
与电池馈送型系统相比,线性电源通路系统的优点是向负载/系统提供功率的效率高,但是在线性电池充电器单元中有功率损耗,尤其是如果电池电压较低(导致输入电压和电池电压之间出现大的压差)时更是这样。而基于开关模式拓扑的电源通路电路通过符合USB要求的降压型开关稳压器产生中间总线电压,稳压器稳定在比电池电压高300mV的电压上(参见图1)。这种形式的自适应输出控制被凌力尔特公司称作“电池跟踪(BatTrack)”。稳定的中间电压刚好高到允许通过内部线性充电器恰当充电。用这种方法跟踪电池电压,最大限度地降低了线性电池充电器中的功率损耗、提高了效率并最大限度地提高了提供给负载的功率。具有平均输入限流的开关架构最大限度地提高了使用USB电源提供的所有2.5W功率的能力。可选外部PFET降低了电池和负载之间理想二极管的阻抗,进一步减少了热损耗。这种架构是使用大电池(>1.5AHr)的系统“必须”采用的。
LTC4098—兼具高效率充电和高压保护
LTC4098(图2)是一种自主式高效率电源通路管理器、理想二极管控制器和电池充电器,用于通过USB供电的便携式设备,如媒体播放器、数码相机、PDA、个人导航器和智能电话,该器件采用超薄(0.55mm)20引脚3mm×4 m m Q F N封装。就汽车、Firewire或其它高压应用而言,LTC4098用凌力尔特公司的开关稳压器提供电池跟踪控制,工作输入高达38V(瞬态为60V),最大限度地提高了电池充电器效率、减小了热损耗,甚至用更高电压电源也可以无缝运作。
LTC4098提供高达66V的过压保护(OVP)电路,仅需要一个外部NFET/电阻组合,可防止偶然的高压情况引起的输入损坏。该集成电路自动降低充电电流可实现快速接通工作,确保一插上电源插头就向系统负载供电,甚至电池没电或缺失时也一样。其片上理想二极管保证总是向VOUT提供充足的功率,即使LTC4098的两个输入引脚的功率不充足也一样。该集成电路的理想二极管控制器可用来驱动可选PFET的栅极,将对电池的阻抗降至30mΩ或更低。
LTC4098的全功能单节锂离子/聚合物电池充电器允许负载电流超过从USB端口吸取的电流,同时符合USB负载规范。因为保存了能量,所以就快速充电而言,该集成电路的高效率开关输入级几乎将USB端口提供的所有2.5W功率都转换成了可用系统电流,从USB端口限制的500mA实现了高达700mA的电流。用交流适配器供电时还有1.5A的可用充电电流。
过压保护(OVP)
LTC4098仅用N沟道FET和6.04kΩ电阻这样两个外部组件,就能在VB U S或WALL意外地加上过大电压时保护自己免受损坏。最高安全过压幅度将由该外部NMOS晶体管及其漏极击穿电压决定。
电池跟踪开关稳压器的输入限流和高压控制
LTC4098从VBUS到VOUT的功率传递由2.25MHz恒定频率降压型开关稳压器控制。为了满足USB最大负载规格要求,该开关稳压器含有一个测量和控制系统,以确保平均输入电流保持低于CLPROG引脚的编程值。这样,VOUT就可以驱动外部负载和电池充电器的组合。
如果这个组合负载没有让开关电源达到编程设定的输入限流值,那么该集成电路的VOUT将跟踪大约比电池电压高0.3V。通过将电池充电器电压保持在这个低电压值上,最大限度地降低了电池充电器的功率损耗。
如果组合外部负载加上电池充电电流足够大,使得开关电源达到了编程设定的输入限流值,那么电池充电器将严格按照满足外部负载所需的量降低充电电流。即使电池充电电流被编程至超过容许的USB电流,就平均输入电流而言,也不会不满足USB性能规格。另外,如果VOUT端的负载电流导致超过从VBUS的编程设定功率,那么将通过理想二极管从电池吸取额外的负载电流,即使电池充电器正在工作也一样。
W A L L、/A C P R和VC引脚可连同LT3480等外部高压降压型开关稳压器一起使用,以最大限度地减少用较高电压源工作时产生的热量。电池跟踪控制电路将外部开关稳压器的输出电压调节至较高的(BAT+300mV)或3.6V。这最大限度地提高了电池充电器的效率,同时在电池深度放电时仍然允许即时接通工作。
L T C 4 0 9 8先进的超薄(典型值为0.55mm)QFN封装在印刷电路板相互堆叠的空间受限应用中使用有优势。这种封装可组成“体积”紧凑的解决方案,为系统设计师提供了灵活性。另外,该器件具有与更高的(0.75mm)前一代QFN封装相同的热性能。
结语
对小尺寸和方便地使用多种输入电源的需求以及对快速充电、低功耗和USB兼容性的需求给由电池供电的产品设计师带来了挑战。通过汽车适配器或Firewire端口供电正在变得越来越普遍,但缺点是存在可能损坏集成电路的高压瞬态。同时,设计集成度越来越高,以节省电路板空间、降低制造成本并提高产品可靠性。凌力尔特公司不断扩大的开关模式拓扑电源通路管理器集成电路系列使产品设计师的工作轻松多了。
这些集成电路能够从USB端口抽取更多功率、无缝管理不同输入电源和电池之间的电源通路并优先向负载供电、减少热量、通过电池跟踪自适应输出控制提高效率以及通过使用数目更少和尺寸更小的外部组件简化设计。
参考文献
高压电路设备 篇5
1. 传统设计思路所采用的射源油箱电路
传统设计思路在采用普通的多倍整流升压电路（图1），此电路下注电容在一个周期内仅在很短时间内获得电荷，而差不多在一个周期的时间内流失电荷，其纹波系数为：
Id为输出电流；
n为倍压级数；
f为工作频率；
C为倍压电容容量；
V0为输出电压；
其串联临界级数公式为：
其中um为变压器副边输出电压峰值
可以明显看出其缺点是：高压硅堆多级串联，高压纹波仍然比较大，带载能力差，高压不稳等。
2. 单向对称倍压整流升压电路
如图2所示，此电路同样第一级为变压器升压，第二级为高压硅堆整流升压。与普通多倍压整流升压电路相比，其优点是：整流输出电压纹波小，带载力增强，输出电压稳定，电路内部压降低，波动小，临界级数高，输出电压高。其缺点是：如果输出电压比较高，高压硅堆串联级数多，对绝缘耐压要求苛刻。此电路有两个升压变压器，中间柱电容在半个周期内获得电荷一次，而流失电荷时间不到半个周期，其纹波系数为：
Id为输出电流；
n为倍压级数；
f为工作频率；
C为倍压电容容量；
V0为输出电压；
可以看出，与普通多倍压整流升压电路相比，此电路高压输出纹波明显减小。
其串联临界级数公式为：
串联临界级数是普通倍压电路的2倍，其中um为变压器副边输出电压峰值。
3. 单向对称倍压整流升压电路对比传统设计电路的优势
虽然使用单向对称倍压整流升压电路会使得射源油箱的制作成本大大提高，但X射线类产品本身生产量有限，成本劣势不明显。但更好地纹波系数和带载、升压能力可以保证X射线源的良好稳定性，同时由于在实际的产品中优化了单向对称倍压整流升压电路，如图3所示，正负双向对称倍压整流电路其实是两路对称倍压电路的叠加串联，上半路对称倍压电路负责正向倍压整流升压，下半路对称倍压电路负责负向倍压整流升压；为了减小电路输出纹波，该电路采用两组高压变压器同时给上半路对称倍压电路和下半路对称倍压电路供电。两组高压变压器异名端都与地相连，作为正负倍压电路中心参考点。正负双向对称倍压整流电路，其正向倍压整流升压电路和负向倍压整流升压电路充放电原理一样，只是它们的充电电压和整流二极管方向相反。
这种结构进一步的保证了该电路具有较小的输出高压纹波系数、更强的带载能力、升压能力强、对高压绝缘要求低、变压器发热小、体积小。在同等的升压倍数下，其纹波系数理论上是单向对称倍压电路的近似0.5倍；升压能力是单向对称倍压电路2倍；在高压数值一样的环境下，其对绝缘要求是单向对称倍压电路的一半。
4.总结
高压电路设备 篇6
关键词：高压共轨柴油发动机,喷油电磁阀,驱动电路
0引言
近10年来,中国汽车工业蓬勃发展,产量和规模已经站在了世界的前沿,迎来了高速发展的黄金期。汽车工业高速发展的同时必须面对现代化工业高速发展后带来能源短缺问题以及环境污染问题。高压共轨柴油发动机的发展能够在一定程度上解决我们所面临的问题。
电控高压共轨发动机的动力性、经济性、排放性等诸多性能取决于燃烧过程的供油规律。喷油电磁阀的开启时刻决定喷油时刻的开始,开启时长决定了喷油量。高压共轨柴油机的燃烧时间非常短暂,因此要求喷油电磁阀具备足够快的开、关能力。而电磁阀的开启时刻和开启时长以及开启速度则是由驱动电流控制,除了喷油器的机械结构影响驱动电流外,所设计的驱动电路和控制方法也影响着电磁阀驱动电流的控制精度。
根据喷油器的自身结构电器特性及对其驱动控制电流要求,对喷油电磁阀的驱动电路设计和驱动电流的控制进行了研究。本文设计了一种喷油器闭环控制的驱动电路,并进行了硬件在环实验和台架测试,实现了喷油电磁阀电流的精确控制。
1喷油器驱动电路设计
1.1喷油器电磁阀特性与驱动要求
为了打开喷油器,电磁阀需要产生一定的电磁力,而电磁力是由电磁阀本身的结构、材料和使用参数等因素决定。电磁阀的电磁力Fm的计算公式如下:
公式中的N、i、μ、δ和A分别为线圈匝数、线圈电流、磁导率、气隙长度和电磁阀吸合面积。当电磁阀材料等参数确定以后,电磁力的大小主要由线圈电流i和气隙长度δ决定。假设在磁芯材料没有达到磁饱和状态或者处于磁饱和临界范围的情况下,忽略导磁材料的各种因素的影响,则电磁力与输入线圈电流i的平方成正比,当喷油器选定后,喷油器电磁阀的本身材料和结构参数已经确定,故只考虑电流对电磁力的影响,当电磁阀磁芯材料未达到饱和状态时,电磁阀的电流越大,电磁力也越大。而要使线圈电流在短时间内迅速增大,就要求di/dt足够大。并且为了保证喷油器的寿命和可靠性,要求通过电磁线圈的电流不能一直较大。
根据对喷油器的驱动要求分析,需要一个Peak&Hold电流波形来驱动喷油器,电磁阀的控制可以分为五个阶段。如图1所示。
第一阶段:为了使电磁阀迅速打开,对电磁线圈输入一个48V的高压使线圈电流迅速上升到18A的大电流。第二阶段:通过24V输入电压和反馈电流使电磁线圈电流保持在18A,持续的大电流能使电磁阀快速打开。第三阶段:电磁阀从大电流过度至保持电流阶段。第四阶段:为了降低能耗,防止烧坏电磁铁的线圈,将最大电流降低到维持电流12A。第五阶段:电磁铁断电,电磁阀衔铁在复位弹簧的作用下,关闭球阀,针阀落座。
1.2电磁阀驱动方法
为了使电磁阀的电流达到理想的Peak&Hold波形,采用双电压脉冲调制式驱动电路。其原理图如图2所示。
双电压24V和48V分别来自蓄电池和48V升压电路。24V和48V两个输出脉冲信号通过两个高端MOS管控制喷油器电磁阀接通24V或是48V。选缸信号通过控制喷油器低端的MOS管控制各缸喷油器的开启和关闭。下边的电流检测芯片通过和软件结合稳定电流。例如,为了使喷油器针阀开启电流稳定在18A,当48V电源把电磁阀线圈电流拉升到18A时,电压切换到24V,当电流小于17A时,24V输出脉冲信号输出高电平使24V给电磁线圈供电,使电流上升到19A,当电流大于19A时,24V输出脉冲信号输出低电平使切断电磁线圈24V供电。因此就可以把电流稳定在17A到19A之间。
1.3喷油电磁阀驱动电路设计
喷油器驱动电路主要包括MOS管驱动电路、反向电动势控制电路和电流检测电路。
1MOS管驱动电路。
由于控制信号输出的是微弱信号,不能直接驱动喷油器电磁阀,于是需要设计MOS管的驱动电路。TLE6282G是英飞凌生产的一款适合于大电流直流电刷电机和喷油器驱动的芯片,可以适用于12,24和42V的电源。它的两个半桥可以独立操作,甚至可以在不同的电压下进行操作。因此该芯片用作喷油器电磁阀驱动的栅极驱动器,其应用电路如图3所示。
驱动电路采用两片TLE6282G驱动芯片。芯片的13管脚为控制高端48V的MOS管,C28为电荷泵使芯片的13管脚输出电压比MOS管的低端电压高15V左右。芯片的11和20管脚控制两个低端MOS管,也就是控制喷油器的选缸。
2反向电动势控制电路。
由于电磁阀为感性负载,当喷油器关断时,电磁线圈会产生很高的感生电动势。因此要设计反向电动势控制电路。有很多种反向电动势控制电路,例如二极管抑制电路、二极管-电阻抑制、电阻-电容-二极管抑制、稳压二极管TVS抑制电路。本文采用稳压二极管TVS抑制电路来进行感生电动势的泄流。在电磁线圈的高端和低端分别反接一个51V的稳压二极管TVS来进行泄流。
3电流检测电路。
为了达到喷油器电磁阀驱动电流的要求,实现PeakHold的电流波形,则需要对流过电磁阀的电流进行闭环控制,才能有效、准确地控制电流,通过对喷油电磁阀的电流进行采样,作为闭环控制的反馈信号,利用软件,控制电流大小。为了得到反馈信号,则需要对电流进行采样,设计相应的电流采样电路。本文采用的是精密电阻检测采样,利用流过电阻的电流使得电阻两端的电压变化,通过放大器把微弱的信号放大成所需的电压范围,检测电流值。电路图4所示。
2实验设计分析
2.1实验设计
用所设计的驱动电路板进行台架试验。分析电磁阀的实际电流波形的几个重要参数和控制方式的优点。
此次实验的软件部分是由我们实验室的软件组提供,喷油信号有TC1728的GPTA模块提供,电流反馈信号有A/D模块进行收集分析。
如图5所示为驱动板的台架实验图,将云内动力YN38的BOSCH的ECU拆除,换上自主设计的线束,控制器为TC1728的开发板,PC机通过UDE给开发板烧写发动机控制程序且监控各个变量值。本次台架试验进行了发动机由启动至怠速的实验。
2.2实验结果及分析
一切准备就绪,给驱动板、开发板上电,启动发动机,当启动电机拖动发动机到150转每分钟时MCU开始判缸。如图6所示为启动怠速过程中的判缸结果,该图来源于PC机中的UDE调试软件所监控的判缸结果。可以看出程序正确的判断出1、3、4、2的喷油次序。
MCU根据判缸结果和传感器信号识别发动机工况计算出合理的控制信号至各个执行器,发动机最重要的执行器喷油器的控制信号和电磁线圈的喷油波形如图7所示,示波器3通道为48V开关信号,1通道为24V抖动信号,4通道为喷油器电磁阀电流波形。可以看出电流波形在不到100us的时间里从0A拉升到20A,然后在50us由Peak阶段转换到Hold阶段,最后完成快速关断。可以得出Peak&Hold电流波形完全满足喷油器驱动要求。
由于正确的判缸结果和满足要求的Peak&Hold电流波形,所以发动机顺利启动。发动机转速迅速上升到800转每分的怠速工况并保持平稳运行。且无敲缸、冒黑烟现象。可以得出所设计的高压共轨驱动板可以满足发动机的控制需求,可用于电控系统开发阶段的测试。
参考文献
[1]中国汽车工业协会统计专区[EB/OL].2005-2015.http://www.caam.org.cn/.
[2]徐全奎,祝轲卿,陈自强,等.基于PSPICE的电控柴油机电磁阀驱动电路仿真设计[J].农业机械学报,2008,39(2):15-19.
[3]黄茂杨,张靖,翟羽健.共轨式柴油机用高速电磁阀特性研究[J].仪器仪表学报,2004,8(4):29-31.
[4]魏朝廷.柴油机高压共轨系统电子控制单元硬件的研究与开发[D].昆明:昆明理工大学,2014.
[5]尹存源.高压共轨柴油机ECU硬件研究与开发[D].昆明:昆明理工大学,2015.
[6]Infineon Technologies.Peak&Hold Current Shape generated by Tri Core derivative TC1775[EB/OL].(2002-09).http://www.infineon.com.
高压电路设备 篇7
DX-60 0发射机在运行中发生功放单元高压变压器温控器损坏, 引起功放单元因电源变压器温度故障关机。国内无法购买到相同型号的器件, 因此, 必须对温度检测器件和电路进行改造。该温控器系美国PEPI公司生产, 型号为PEPI-KH、13V+200A, 属缓跳式温控器, 具有较高的电流敏感性, 最大直流工作电压为13V, 检测温度范围为80℃~20 0℃, A表示测温偏差为±10℃。常温下完好的温控器控制常闭接点阻值约为6Ω, 损坏后测得的阻值约为5MΩ。该型号温控器目前国内市场难以买到, 也没用国产器件可以直接替换, 虽然它损坏后, 在确认变压器工作正常的情况下, 可以通过短接该控制接点的方法使发射单元恢复正常工作, 但机器运行中对变压器温度的检测十分重要, 我们只有想办法用市场上易购的温控产品对其进行改造, 恢复功放单元高压变压器温度检测。
二、温度检测电路改造原理及安装
1. 实现的功能
原有变压器温度检测电路中只采用温控器控制该电路的一组常闭接点来实现检测, 温控器使用功能单一, 我们通过改造后又多增加了三项功能, 它主要功能有:超温保护检测关闭功放单元;超温报警;变压器运行中温度直接监测显示;温控器损坏时合应急开关恢复功放单元正常工作。
2. 温控器的选购
改造中采用的温控器为E5C4型温控器, 电子市场上容易购买到。该温控器外观尺寸为4.8cm×4.8cm×8cm, 体积小, 面板装有温度指示灯、工作指示灯和温度设定拨码开关, 工作电压为220VAC, 检测温度范围为0~400℃, 配热电偶 (感温头) 型号是W R N-03型、引线长度为2m。它温度设定操作简单, 测量温度范围宽, 检测到的温度显示直观, 较长的热电偶引线可以将它安装在变压器的外部, 便于巡机监测。
3. 电路原理
改造设计电路图如图1所示。图1中, E5C4的1, 2接热电偶;4, 6常开接点;7, 8接电源。J为220VAC电压继电器, S1为报警解除开关, S2为应急开关。
工作原理:图1中A, B两点间220VAC电源取至功放单元6TB6-1, 2接线端;C, D两点与功放单元6J14-1, 2连接, 电路投入工作时, 热电偶将检测到的温度传导给温控器, 温控器显示变压器工作温度。当检测到的变压器温度超过设定值时, 温控器4脚、6脚间的常开接点闭合, 电压继电器J加电工作, J常开接点闭合, 报警器加电发出报警声, 同时, J常闭接点断开, 使6J14-1, 2接点开路, 发射机温度检测电路产生超温故障检测, 功放单元自动关闭。断开关S1, 可解除报警声。在实际使用中, 如果变压器运行正常, 但该温度检测电路发生故障时, 我们可以接通应急开关S2, 让6J14-1, 2接点闭合, 使发射机变压器温度检测电路不产生超温故障, 恢复功放单元正常工作。
4. 电路安装及检测温度设定
将热电偶插入原有温控器安装的检测小管里, 通过变压器顶部的穿线孔与E5C4温控器连接。由于热电偶引线较长, 可以将温控器和电路板安装在变压器的中间顶部外边沿, 便于值班员巡机时直接看到变压器的工作温度。通过E5C4温控器的温度设定拨码开关将检测温度设定在180℃。变压器原设定检测温度为200℃, 在实际运行中, 我们观测得到它工作时的温度在100℃~130℃之间, 因此工作中将检测温度设置在180℃比较合适。
三、应用情况