CN101001490A - 加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加热装置，包括：至少两个单独供电的加热元件，用于对被加热体加热；以及控制器，用于控制这些加热元件分步启动工作。因此，这些加热器分步工作可避免因功率配置有限使启动瞬间电源过载的现象。

Description

加热装置

技术领域

本发明涉及一种加热装置，具体而言，该加热装置可包括例如用于加热通信基站机箱的直流加热装置。

背景技术

为拓展通信基站工作温度范围(-40～70℃)，特别是对于室外型基站，需要对机箱内环境引入加热装置，使置于机箱内各单板器件获得允许的工作温度。

目前市场上的加热装置通常采用PTC(Positive TemperatureCoefficient正的温度系数)材料。图1、2示出了PTC元件的工作特性(温-阻特性)。图1中的各变量含义如下：R电阻、Rc开关电阻、Rp最大工作电阻、Rmax最大电阻、Rmin最小电阻、R25室温电阻、T温度、Tc居里温度、Tp最大工作温度、Tmax最大温度、Tmin最小温度、T25室温(25℃)&电阻温度系数。

如图1所示的温-阻特性可知，其阻值在Rc～Rp范围变化即作为功率器件在Rc重负载向轻负载范围Rp变化；由电流-时间曲线可知，启动瞬态冲击电流是稳态电流150％，进入稳态持续时间较长。该PTC材料具有正温度系数特性，在静态特性称低阻状态。因此，PTC元件在启动瞬间具有大电流冲击特性。

图2示出了现有技术的直流加热装置启动瞬间的电流波形。现有的直流加热装置由散热片、风扇、两个单独供电的加热丝组成：两个加热丝用耐高温绝缘材料嵌入在散热片中，后背一个8W风扇形成后向前的风道经过散热片对被加热体形成对流，1号加热丝、2号加热丝、风扇这三个负载并联在输入48V器中，加热丝在启动瞬间因其自身温-阻特性即材料温度增高有使其阻值增大的作用即负载减轻，但同时风扇也启动后形成对流使其温度降低，这恰好有使加热丝负载加重。如图2所示，这个反作用在启动瞬间因负载加重使其瞬间电流更大也使其进入稳态区时间加长。因此，当将加热丝嵌入散热片中时，风扇对散热片的风冷作用使加热丝瞬态大电流持续时间加长。由于电源的功率配置是有限的，所以电源长时间过流将发生电源拉死现象。

原加热装置中控制器件采用温度开关，它既完成温度采样又用做大电流功率器件，加热器在启动瞬间使温度开关所承受的功率已超出器件的应用范围，属小功率型器件。温度开关的关断虽然简单，但关断灵敏度较差，其闭合和断开温度误差较大为±5℃，另外，温度开关因其闭合、断开仅仅靠其机械特性完成，所以一旦成型，就不能再设置其闭合、断开温度点。

因此，需要一种全新的加热装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明提供了一种加热装置，解决了由于电源的功率配置是有限的，电源长时间过流将发生电源拉死现象等问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种加热装置，包括：至少两个单独供电的加热元件，用于对被加热体加热；以及控制器，用于控制这些加热元件分步启动工作。

在上述的加热装置中，还包括：散热片，其内部包括用耐高温绝缘材料嵌入的所述至少两个加热元件。

在上述的加热装置中，还包括：风扇，用于形成风道，经过散热片对被加热体形成对流以加热。

在上述的加热装置中，控制器还用于控制风扇与所述至少两个加热元件同步启动工作和关断。

在上述的加热装置中，加热装置为直流加热装置，其加热元件和控制器都在直流电源下工作。

在上述的加热装置中，直流电源提供42V～57V的直流电压。

在上述的加热装置中，被加热体包括通信基站的机箱的机箱内环境。

在上述的加热装置中，加热装置约为350W，各加热元件为150W～200W。

在上述的加热装置中，控制器包括：一级关断控制元件，用于控制所述所述至少两个加热元件在低温点分步启动工作和在高温点同时关断。

在上述的加热装置中，控制器包括：一级关断控制元件采样环境温度量转化成温度电压，将温度电压与预设的启动基准电压和关断基准电压相比较，以确定是否开启或关断加热元件。

在上述的加热装置中，启动基准电压对应于低温点0℃，关断基准电压对应于高温点15℃。

在上述的加热装置中，一级关断控制元件包括：负温度系数热敏电阻(例如，温度越低阻值越大获得的采样温度电压越大)，用于采样环境温度量转化成温度电压；以及迟滞比较器，用于获得两个基准电压：开启(第一加热丝)基准电压和关断(两个加热丝)基准电压。

在上述的加热装置中，一级关断控制元件还包括：第一加热驱动器和第二加热驱动器，分别用于根据迟滞比较器的比较结果，来启动驱动第一加热元件并经延时启动驱动第二加热丝；或同时停止驱动两个加热元件中的第一加热元件和第二加热元件；其中，当第一和第二加热驱动器处于停止驱动时，一旦迟滞比较器的比较结果表明温度电压高于启动基准电压，则第一加热驱动器启动驱动，经延时20～29秒在第二加热驱动器；以及当第一和第二加热驱动器处于启动驱动时，一旦迟滞比较器的比较结果表明温度电压低于关断基准电压，则第一和第二加热驱动器同时停止驱动。

显然，当加热器多于两个时，所述加热驱动器也多于两个。

在上述的加热装置中，第二加热驱动器还包括延时器，使第一和第二加热驱动器分步启动工作。

在上述的加热装置中，加热装置为直流加热装置，其加热元件和控制器都在直流电源下工作，一级关断控制元件还包括输入防反接和反接指示器，用于如果输入电源极性正确，则将其接入向后级负载供电，反之则将截至输入电源，并指示接反。

在上述的加热装置中，控制器还包括：二级关断控制元件，用于一旦一级关断控制元件失效，则进行关断保护。

在上述的加热装置中，二级关断控制元件是40～50℃温度开关，连接于一级关断控制元件与加热装置的电源之间。

通过上述技术方案，本发明实现了如下技术效果：两加热器分步工作可避免电源拉死的现象；启动电流比单用350W加热丝减少一半，一个加热器先加热使另一个加热元件在静态下预热有使负载变轻进而使启动电流减小作用。引进两级关断保护技术；加热器由至少两个独立供电的加热丝、装置在耐高温电绝缘散热器内形成热源，背置8W风扇通过对流方式对被加热体散热。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了PTC元件的工作特性；

图2示出了现有技术的直流加热装置启动瞬间的电流波形；

图3示出了根据本发明的实施例的用于加热通信基站机箱的直流加热装置的框图；

图4示出了输入防反接和反接指示电路示意图；以及

图5示出了控制器的等效电路图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

根据本发明的加热装置包括：两个单独供电的加热元件(例如，加热丝)，用于对被加热体(例如，机箱内环境)形成对流；以及控制器，用于控制两个加热元件分步启动工作。

可选地，在上述的加热装置中，还包括：散热片，其内部包括用耐高温绝缘材料嵌入的两个加热元件；风扇，用于形成风道，经过散热片对被加热体形成对流以加热。其中，控制器，还可用于控制风扇与两个加热元件同步启动工作和关断。

实现上述的分步控制可以有多种方式，以下将以该加热装置用于加热通信基站机箱为例，详细说明本发明的装置结构及用途，在本实施例中，加热装置为直流加热装置。图4示出了根据本发明的实施例的用于加热通信基站机箱的直流加热装置的框图，图5示出了输入防反接和反接指示电路示意图，图6示出了控制器的等效电路图。

结合图4及图5描述如图3所示的本发明的实施例，如图3所示，将单体350W加热装置分为两部分，将其各单体加热装置功率限制在150W～200W，两加热装置分步工作可避免因加热装置的特性造成启动瞬间电流过大将电源拉死的现象，

当1号加热装置启动时2号加热经适当延时后再工作，这样比单用350W加热丝启动瞬间冲击电流减少一半，且散热片的热源作用有使其2号加热丝在静态下阻值变大即负载变轻使之启动瞬间电流有减小作用。

同时，引进两级关断保护技术，一路通过热敏电阻采样环境温度量转化成电压，依靠迟滞比较器获得开通和关断加热装置两个判别点(即设定的开启加热装置低温点0℃和关断加热装置高温点15℃)完成一级关断，这样保证机箱内环境开启温度点(0℃以下)和关断温度点(15℃以上)有至少15℃的间隔，如果不引入迟滞比较器而仅仅是常规比较器，开启第一加热丝温度点(0℃)和关断两加热丝及风扇的温度点间隔很小(有可能0.5～1℃就关断)，还有可能出现打嗝现象即加热器出现频繁开、关；未能达到关断温度点设定状态。这个设定状态一般经实验得出；外界环境在一定范围内，只需加热一次以后基站系统内环境自身发热足以维持这个状态除非外界环境有大的降温需阶段性加热。

另一路一旦该控制器失效需要二次保护：即在-48V给加热装置供电前级加40～50℃温度开关进行关断保护，本器采用关断比较器LM358供电电源来实现一级保护，两者关系是只有一级保护器失效的情况下二级关断才起作用。二级关断控制元件是40～50℃温度开关，连接于一级关断控制元件与加热装置的电源之间，仅仅用于关断一级关迟滞比较器的电源从而使一级关断失效的情况下实现二级关断，该控制电路功耗在100mA以下，所以该温度开关仅用作控制器件而非用作功率器件。

在上述的加热装置中，二级关断控制元件是使用温度开关属于粗保护，使用时关断灵敏度虽有±5℃偏差但对机箱环境温度在40～50℃有很大富余度(室内型基站工作在-40～70℃；室外型工作在-40～55℃)。

在本实施例中，加热装置结构如下：加热装置由至少两个独立供电的加热丝、装置在耐高温电绝缘散热器内，背置8W风扇通过对流方式对被加热体散热。

更具体地，参照图4所示的输入防反接和反接指示电路，如果输入电源极性正确将使MOS管VT3导通给后级负载供电，反之，将使VT3截至不能给后级负载供电，此时，HL1红色二极管灯亮指示接反。

需要指出的是，在本实施例中，加热装置供电通常是直流通信电源供电范围(-42V至-57V)，为使控制器可靠工作而引入辅助电源，通过ZD1稳压管与R15分压取得，可提供不大于100mA的电流；

继续参照图5描述本实施例所使用的控制器，如图5所示，D5与R3、R6、C2组成基准稳压源经R6接D4-2比较器的负端提供比较基准2.5V；R17为负温度系数的热敏电阻用于采样机箱内环境温度，与R4分压经R7到D4-3比较器的正端，在低温时随温度降低R17阻值增大与R4将15V分压的电压大于基准电压2.5V，D4-7输出高电平。

当D4-7输出高电平时，一路经VD5驱动MOS管使之对地饱和导通，这样1号加热丝接通电源而发热；另一路经VD4时R2对C4充电，当充电电压达2.5V时使精密基准放大器D2饱和导通进而使光藕二极管有电流流过使其3、4脚导通而驱动MOS管VT1的对地导通，这样2号加热丝对地构成回路而发热，而风扇与加热丝是并联关系此时也转动形成后向前的风道。

以下将描述两加热丝之间的启动、延时逻辑关系。

由上述控制关系可知：1号加热装置启动后经延时20-29秒后即1号加热丝工作进入稳态后，2号加热丝与风扇才开始启动对机箱通过风扇对流散热。，其目的用于第一元件的加热使散热器形成热源、第二加热元件嵌入散热片中此时散热器以热传导的方式使第二加热元件因在静态下温度升高使其阻值增大即负载变轻，经延时后使其启动瞬间冲击电流减小。

启动1号加热装置时，因加热装置在静态时呈低阻状态故启动瞬间吸收较大的电流且2-3秒达到最大电流值，因其发热由PTC材料温-阻特性可知阻值会增大，此时风扇不转动，有如下好处：

1、快速进入较高阻值状态使其进入稳态仅可能缩短5秒时间；如风扇与1号加热装置并联达到稳太所需时间是20～25秒，转速越大达到稳太时间越长，而单独启动1号加热丝从最大电流到稳态仅需7秒即1号从启动到稳态全过程仅需9～10秒，在该过程中1号加热丝远未达到居里温度点即可正常工作。

2、启动最大冲击电流可减少1.5A，原加热丝并联风扇启动电流可到8A，仅启动1号加热丝最大电流为6.5A；

3、因为1、2号加热丝嵌入耐高温电绝缘散热器中，1号加热器启动加热后已使散热器形成较小的热源，而此时风扇与2号加热丝并未启动，这样热量仅通过热的传导方式来传给2号加热丝，未启动的2号加热丝在静态下温度会升高，由温-阻特性可知其阻值增大即负载变轻，在1、2加热丝同等功率情况下，2号加热丝启动电流比1号加热丝更小

当1号加热丝达到稳态后继续延时7～10秒MOS管VT3饱和导通使2号加热器与风扇构成回路而工作，2号加热装置的启动电流在1号加热丝稳态的基础上叠加冲击至9A后持续15～20秒到达稳态，稳态整个负载电流为7.4A，即，48V*7.4A＝355W，而在该电压下的标称电流为0.18A即48V*0.18A＝8.64W，加热装置在标称电压下的标称功率为350W，这与实际测试基本吻合。

该控制器方案在该PTC材料加热装置通用化：

此加热装置控制器的应用可推广到通信基站加热的以外领域；

开通加热装置起始点温度可由R17来设置，本基站加热装置起始加热温度为0℃，热敏电阻选用规格：N124RAO104F型100K±1％@25℃；

关断加热装置起始点温度由R9来设置，本基站加热装置关断加热温度点为15℃，R9越大迟滞判别点越低，但是有条件限制的，这与加热装置的功率大小、基站有效空间，设置关断温度有关，有可能达到热平衡而不能达到该温度点一直在加热；

C4决定1号加热丝工作后与启动二号加热丝的间隔时间，当然是一号加热丝进入稳态后在启动二号加热装置。这个可自由选取但时间不能过长，防止1号加热丝达到居里温度点。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

(1)两加热器分步工作可避免因加热器的特性造成启动瞬间电流过大将电源拉死的现象；

(2)启动电流比单用3 50W加热丝减少一半，且先启动1号加热丝形成散热器的热源作用有使其2号加热丝在静态下阻值变大即负载变轻使之启动瞬间电流有减小作用；

(3)引进两级关断保护技术，在-48V给加热器供电前级加40～50℃温度开关进行关断保护，采用关断比较器LM358供电电源来实现二级保护，两者关系是只有一级保护电路失效的情况下二级关断才起作用；

(4)加热器由至少两个独立供电的加热丝、装置在耐高温电绝缘散热器内，背置8W风扇形成前向风道通过对流方式对被加热体(机箱内环境)散热。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的实施例仅是实现分步控制的其中一种方式而已。

值得注意的是，上面的举例虽然以两个加热器进行的说明，但显然本发明可以推广到多于两个加热器的情形，这并不脱离本发明的精神范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种加热装置，其特征在于，包括：

至少两个单独供电的加热元件，用于对被加热体加热；以及

控制器，用于控制所述至少两个加热元件分步启动工作。

2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，还包括：散热片，其内部包括用耐高温绝缘材料嵌入的所述至少两个加热元件。

3.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于，还包括：风扇，用于形成风道，经过所述散热片对被加热体形成对流以加热。

4.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，所述控制器还用于控制所述风扇与所述至少两个加热元件同步启动工作和关断。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置为直流加热装置，其加热元件和控制器都在直流电源下工作。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的加热装置，其特征在于，所述直流电源提供42V～57V的直流电压。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的加热装置，其特征在于，所述被加热体包括通信基站的机箱的机箱内环境。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置约为350W，各加热元件为150W～200W。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的加热装置，其特征在于，所述控制器包括：

一级关断控制元件，用于控制所述至少两个加热元件在低温点分步启动工作和在高温点同时关断。

10.根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于所述一级关断控制元件采样环境温度转化成温度电压，将所述温度电压与预设的启动基准电压和关断基准电压相比较，以确定是否开启或关断所述加热元件，所述启动基准电压对应所述低温点，所述关断基准电压对应所述高温点。

11.根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述低温点为0℃，所述高温点为15℃。

12.根据权利要求11所述的加热装置，其特征在于，所述一级关断控制元件包括：

热敏电阻，用于采样环境温度量转化成温度电压；以及迟滞比较器，用于将所述温度电压与所述启动基准电压和关断基准电压相比较。

13.根据权利要求11所述的加热装置，其特征在于，所述一级关断控制元件还包括：

至少两个加热驱动器，分别用于根据所述迟滞比较器的

比较结果，来启动驱动或停止驱动所述至少两个加热元件；其中，

当所述至少两个加热驱动器处于停止驱动时，一旦所述迟滞比较器的比较结果表明所述温度电压所对应的环境温度低于所述启动基准电压所对应的低温点，则所述至少两个加热驱动器分步启动驱动；以及

当所述至少两个加热驱动器处于启动驱动时，一旦所述迟滞比较器的比较结果表明所述温度电压所对应的环境温度高于所述关断基准电压所对应的高温点，则所述至少两个加热驱动器停止驱动。

14.根据权利要求13所述的加热装置，其特征在于，所述至少两个加热驱动器中的至少一个加热驱动器还包括延时器，用于使所述至少两个加热驱动器分步启动工作。

15.根据权利要求10所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置为直流加热装置，其加热元件和控制器都在直流电源下工作，所述一级关断控制元件还包括输入防反接和反接指示器，用于如果输入电源极性正确，则将其接入向后级负载供电，反之则将截至输入电源，并指示该状态为接反状态。

16.根据权利要求10所述的加热装置，其特征在于，所述控制器还包括：

二级关断控制元件，用于一旦所述一级关断控制元件失效，则进行二级关断保护。

17.根据权利要求16所述的加热装置，其特征在于，所述二级关断控制元件是40℃～50℃温度开关，连接于所述一级关断控制元件与所述加热装置的电源之间。

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