CN104078940A - 一种二次电源系统和供电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种二次电源系统和供电设备。该二次电源系统用于为负载设备提供电源，包括熔断器电路、滤波器电路和变换器电路，还包括过欠压保护电路，熔断器电路、滤波器电路、过欠压保护电路和变换器电路依次串联连接；过欠压保护电路用于在一次电源供电出现过压或欠压时，切断输出至变换器电路的供电；变换器电路用于将一次电源转换为二次电源。该二次电源系统通过设置过欠压保护电路，使变换器电路中的部分元件耐压大大降低，从而增加了变换器电路中元件选型的灵活性，并能使可选择元件的体积大大减小，进而不仅降低了变换器电路的成本，还节约了变换器电路的占用空间。

Description

一种二次电源系统和供电设备
技术领域
本发明涉及负载设备供电技术领域，具体地，涉及一种二次电源系统和供电设备。
背景技术
飞机机载设备供电分为交流和直流两种类型。对于飞机机载设备的直流供电，通常通过设计二次电源系统来实现。
不同机载设备二次电源系统的设计差异很大。如图1所示为一种采用直流28V电源供电的飞机机载设备的二次电源系统的原理框图。主电路包括熔断器5、滤波器6、变换器7等。熔断器5的作用是提供安全保护，在一次电源电路过压或后级负载电路出现短路等异常情况而导致输入电流急剧增大时，熔断器5断开以保证一次电源电路以及变换器7和后级负载电路的安全。滤波器6用于抑制来自一次电源的干扰，同时防止二次电源系统产生的干扰对一次电源造成污染。变换器7是二次电源系统的核心，它将从一次电源输入的28V直流电转换为飞机机载设备所需要的二次电源，如：电压为12V、5V、3.3V、1.5V等的各种直流电源。
上述的二次电源系统中，变换器的具体设计电路如图2所示。将来自一次电源的28V直流电经熔断器和滤波器接至变换器，为了满足GJB181-86标准中耐过压浪涌要求，变换器中的输入滤波电容(如C1和C2)，电源控制芯片(如TPS5450)等元件的耐压均需大于80V，较高的耐压造成元件选型困难，元件体积增大，成本增加。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种二次电源系统和供电设备。该二次电源系统通过设置过欠压保护电路，使其在满足国标标准中耐过压浪涌要求的前提下，变换器电路中的部分元件耐压得以大大降低，从而增加了变换器电路中元件选型的灵活性，并能使可选择元件的体积大大减小。
本发明提供一种二次电源系统，用于为负载设备提供电源，包括熔断器电路、滤波器电路和变换器电路，还包括过欠压保护电路，所述熔断器电路、所述滤波器电路、所述过欠压保护电路和所述变换器电路依次串联连接；
所述熔断器电路用于在输入端接入一次电源，并在所述一次电源或连接于其输出端的后级电路出现过流时切断输出至后级电路的供电；
所述滤波器电路用于抑制所述一次电源的噪声对所述二次电源系统造成的影响，同时防止所述二次电源系统产生的干扰反串入所述一次电源；
所述过欠压保护电路用于在所述一次电源供电出现过压或欠压时，切断输出至所述变换器电路的供电；
所述变换器电路用于将所述一次电源转换为所述负载设备所需要的二次电源。
优选地，所述过欠压保护电路包括相互连接的集成子电路和外围子电路，所述集成子电路包括过压取样端、欠压取样端和栅极驱动端，所述外围子电路包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和开关管，所述开关管包括栅极、第一极和第二极；
所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)依次串联连接，所述第一电阻(R1)的未经串联连接的一端为串联连接的所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)的第一端，所述第一端与所述滤波器电路的输出端连接，所述第三电阻(R3)的未经串联连接的一端为串联连接的所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)的第二端，所述第二端接地；
所述集成子电路的欠压取样端与所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)的连接点连接，所述集成子电路的过压取样端与所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)的连接点连接；
所述开关管的栅极与所述集成子电路的栅极驱动端连接，所述开关管的第一极与所述滤波器电路的输出端连接，所述开关管的第二极作为所述过欠压保护电路的输出端。
优选地，所述二次电源系统的过压阈值＝[(R1+R2)×(2.5V/R3-21μA)]+2.5V，所述二次电源系统的欠压阈值＝2.5V+[R1×(21μA+2.5V/(R2+R3))],所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)的阻值都能进行调节。
优选地，所述外围子电路还包括第四电阻，所述集成子电路还包括过电源输入端和过流取样端，所述第四电阻的第一端与所述滤波器电路的输出端和所述集成子电路的电源输入端连接，所述第四电阻的第二端与所述开关管的第一极和所述集成子电路的过流取样端连接。
优选地，所述开关管采用MOS管，所述集成子电路采用LM5069。
优选地，所述熔断器电路的额定熔断电流为连接于其输出端的后级电路的额定工作电流的两倍。
优选地，所述变换器电路包括DC/DC转换器，所述一次电源用于提供直流28V电源，所述DC/DC转换器用于将直流28V电源转换为直流12V电源和/或直流5V电源。
优选地，所述DC/DC转换器采用灌封封装。
优选地，所述变换器电路还包括低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器与所述DC/DC转换器串联连接，用于将直流5V电源转换为直流3.3V电源和/或直流1.5V电源。
优选地，所述变换器电路还包括继电保护器，所述继电保护器串联连接在所述DC/DC转换器与所述负载设备之间，和/或，所述继电保护器串联连接在所述DC/DC转换器与所述低压差线性稳压器之间。
本发明还提供一种供电设备，用于为负载设备供电，包括上述二次电源系统。
本发明的有益效果：本发明所提供的二次电源系统，通过设置过欠压保护电路，使得该二次电源系统在满足国标标准中耐过压浪涌要求的前提下，变换器电路中的部分元件耐压得以大大降低，从而增加了变换器电路中元件选型的灵活性，并能使可选择元件的体积大大减小，这不仅降低了变换器电路的成本，还节约了变换器电路的占用空间。
本发明所提供的供电设备，通过采用上述二次电源系统，不仅降低了该供电设备的成本，还节约了该供电设备的占用空间。
附图说明
图1为现有技术中二次电源系统的原理框图；
图2为图1中变换器的电路图；
图3为本发明实施例1中二次电源系统的原理框图；
图4为图3中过欠压保护电路的电路图；
图5为图3中变换器电路的原理框图；
图6为本发明实施例2中过欠压保护电路的电路图。
其中的附图标记说明：
1.熔断器电路；2.滤波器电路；3.过欠压保护电路；4.变换器电路；5.熔断器；6.滤波器；7.变换器；10.飞机机载设备；41.DC/DC转换器；42.低压差线性稳压器；43.继电保护器。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种二次电源系统和供电设备作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种二次电源系统，用于为负载设备提供电源，如图3所示，包括熔断器电路1、滤波器电路2和变换器电路4，还包括过欠压保护电路3，熔断器电路1、滤波器电路2、过欠压保护电路3和变换器电路4依次串联连接。熔断器电路1用于在输入端接入一次电源，并在一次电源或连接于其输出端的后级电路出现过流时切断输出至后级电路的供电。滤波器电路2用于抑制一次电源的噪声对二次电源系统造成的影响，同时防止二次电源系统产生的干扰反串入一次电源。过欠压保护电路3用于在一次电源供电出现过压或欠压时，切断输出至变换器电路4的供电。变换器电路4用于将一次电源转换为负载设备所需要的二次电源。
过欠压保护电路3的设置，使得该二次电源系统在满足国标标准中耐过压浪涌要求的前提下，变换器电路4中的部分元件(如图2中DC/DC变换器的输入滤波电容C1和C2、电源控制芯片TPS5450等)耐压得以大大降低，从而增加了变换器电路4中元件选型的灵活性，并能使可选择元件的体积大大减小，这不仅降低了变换器电路4的成本，还节约了变换器电路4的占用空间。
需要说明的是，负载设备可以是火车车载设备、轮船船载设别或飞机机载设备等各种负载设备。本实施例中，负载设备为飞机机载设备。
本实施例中，如图3和图4所示，过欠压保护电路3包括相互连接的集成子电路和外围子电路，集成子电路采用LM5069。外围子电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和开关管Q1，开关管Q1包括栅极、第一极和第二极。第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3依次串联连接，第一电阻R1的未经串联连接的一端为串联连接的第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的第一端，该第一端与滤波器电路2的输出端L1连接，第三电阻R3的未经串联连接的一端为串联连接的第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的第二端，该第二端接地。
集成子电路LM5069的欠压取样端UVLO与第一电阻R1和第二电阻R2的连接点连接，集成子电路LM5069的过压取样端OVLO与第二电阻R2和第三电阻R3的连接点连接。
开关管Q1的栅极与集成子电路LM5069的栅极驱动端GATE连接，开关管Q1的第一极与滤波器电路2的输出端L1连接，开关管Q1的第二极作为过欠压保护电路3的输出端L2。
本实施例中，开关管Q1采用MOS管，如高端驱动的NMOS管，开关管Q1的第一极为源极，第二极为漏极或者第一极为漏极，第二极为源极；当NMOS管的栅源电压小于栅源阈值电压时，NMOS管的源极和漏极不导通；当NMOS管的栅源电压大于栅源阈值电压时，NMOS管的源极和漏极导通，而且此时，源极的电压和漏极的电压相同。
需要说明的是，集成子电路LM5069还具有OUT端、PGD端、PWR端和TIMER端。其中，TIMER端为延时端，用于进行故障(如过压欠压故障)延时，还用于设定集成子电路LM5069的重启时间。OUT端和PGD端之间可以连接外围显示器件，用于在集成子电路LM5069判断发生故障时进行故障指示。PWR端为电源限制端，该端可以连接一个外部电阻，用于在一次电源通过开关管Q1时，在外部电阻与第四电阻Rs的共同作用下设置允许的最大电源损耗。集成子电路LM5069的上述端子在需要时可以连接相应的外围电路，本实施例中，上述端子可以不用，所以关于这些端子的具体情况不再详述。
其中，集成子电路LM5069能承受的最高电压为100V，能够确保在一次电源出现80V过压浪涌时依然可以安全的工作，从而确保该二次电源系统能够满足GJB181-86标准(飞机机载设备的国标标准)中耐过压浪涌的要求。
本实施例中，二次电源系统的过压阈值UOVL＝[(R1+R2)×(2.5V/R3-21μA)]+2.5V，二次电源系统的欠压阈值UUVL＝2.5V+[R1×(21μA+2.5V/(R2+R3))]，第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的阻值都能进行调节。由此可以看出，该二次电源系统的过压阈值UOVL和欠压阈值UUVL的设置可以随意调节，以满足后面的变换器电路4的正常工作要求，从而使该二次电源系统能够更加安全正常地对飞机机载设备进行供电。
下面以一次电源出现过压浪涌为例说明上述图4中的过欠压保护电路3的具体工作过程：当来自一次电源的直流供电出现过压浪涌时，经第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3分压，加到集成子电路LM5069的过压取样端OVLO的电压超过集成子电路LM5069内部设定的过压阈值(即二次电源系统的过压阈值UOVL)，集成子电路LM5069的栅极驱动端GATE输出低电平，开关管Q1的栅源电压UGS小于栅源阈值电压UGS(th)，此时，开关管Q1截止，输出至变换器电路4的供电被切断，从而使变换器电路4免受过压侵害，进而保证了变换器电路4以及后续负载电路的安全。而当来自一次电源的直流供电正常时，经第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3分压，加到集成子电路LM5069的过压取样端OVLO的电压小于集成子电路LM5069内部设定的过压阈值(即二次电源系统的过压阈值UOVL)，集成子电路LM5069的栅极驱动端GATE输出高电平，开关管Q1的栅源电压UGS大于栅源阈值电压UGS(th)，此时，开关管Q1导通，对于高端驱动的NMOS管，源极的电压和漏极的电压相同，因此能够确保过欠压保护电路3的输出端L2的输出电压等于滤波器电路2的输出端L1的输出电压，从而能够确保连接在过欠压保护电路3后面的变换器电路4能够正常工作，进而确保该二次电源系统能够正常地为飞机机载设备供电。
同样的原理，当来自一次电源的直流供电出现欠压(即电压不足)时，经第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3分压，加到集成子电路LM5069的欠压取样端UVLO的电压低于集成子电路LM5069内部设定的欠压阈值(即二次电源系统的欠压阈值UUVL)，集成子电路LM5069的栅极驱动端GATE输出低电平，开关管Q1的栅源电压UGS小于栅源阈值电压UGS(th)，此时，开关管Q1截止，输出至变换器电路4的供电被切断，从而使变换器电路4免受欠压侵害，进而保证了变换器电路4以及后续负载电路的安全。
需要说明的是，集成子电路也可以采用除LM5069以外的任何能够实现上述过欠压保护功能的集成子电路。这里不再一一例举。
本实施例中，熔断器电路1的额定熔断电流为连接于其输出端的后级电路的额定工作电流的两倍。如此设置，能够使该二次电源系统的输入范围加宽，同时还能更好地满足防止发生越级动作而扩大故障停电范围的需要。其中，熔断器电路1可以选择圆筒帽形熔断器、刀型触头熔断器、螺旋式熔断器或快速式熔断器等任意类型的熔断器，具体类型选择可以根据二次电源系统所带的负载类型决定。
本实施例中，如图3、图4和图5所示，变换器电路4包括DC/DC转换器41，一次电源用于提供直流28V电源，DC/DC转换器41用于将直流28V电源转换为直流12V电源或直流5V电源。其中，DC/DC转换器41采用灌封封装，该种封装类型能使DC/DC转换器41的散热和结构强度均得到较大提升，从而提高了二次电源系统的可靠性。
另外，变换器电路4还包括低压差线性稳压器42，低压差线性稳压器42与DC/DC转换器41串联连接，用于将直流5V电源转换为直流3.3V电源或直流1.5V电源。低压差线性稳压器42的成本低，噪音低，静态电流小且效率高，能够很好地实现低压降的电压转换。
本实施例中，变换器电路4还包括继电保护器43，继电保护器43串联连接在DC/DC转换器41与飞机机载设备10之间，和，继电保护器43串联连接在DC/DC转换器41与低压差线性稳压器42之间。继电保护器43可以设置多个，分别对多个负载(如飞机机载摄像头和数据处理模块)进行保护，如：当某个负载因短路出现过流时，继电保护器43能够及时切断对该负载的供电，以防止短路对该负载以及其他负载造成侵害。
实施例2：
本实施例提供一种二次电源系统，与实施例1不同的是，如图6所示，外围子电路还包括第四电阻Rs，第四电阻Rs的第一端与滤波器电路的输出端L1和集成子电路LM5069的电源输入端VIN连接，第四电阻Rs的第二端与开关管Q1的第一极和集成子电路LM5069的过流取样端SENSE连接。
第四电阻Rs的设置使得当过欠压保护电路所连接的后级电路因短路或其他原因出现过流时，该过欠压保护电路能够切断对其后级电路的供电，从而保护后级电路免受侵害。
需要说明的是，第四电阻Rs的阻值为一定值，当通过第四电阻Rs的电流增大，使得第四电阻Rs的压降达到某个设定值时，则集成子电路LM5069判定过欠压保护电路的后级电路出现了过流，此时，开关管Q1截止，从而切断对后级电路的供电。
本实施例中二次电源系统的其他结构与实施例1中相同，此处不再赘述。
实施例1-2的有益效果：实施例1-2中的二次电源系统，通过设置过欠压保护电路，使得该二次电源系统在满足国标标准中耐过压浪涌要求的前提下，变换器电路中的部分元件耐压得以大大降低，从而增加了变换器电路中元件选型的灵活性，并能使可选择元件的体积大大减小，这不仅降低了变换器电路的成本，还节约了变换器电路的占用空间。
实施例3：
本实施例提供一种供电设备，用于为负载设备供电，包括实施例1-2任意一个中的二次电源系统。
通过采用实施例1-2任意一个中的二次电源系统，不仅降低了该供电设备的成本，还节约了该供电设备的占用空间。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种二次电源系统，用于为负载设备提供电源，包括熔断器电路、滤波器电路和变换器电路，其特征在于，还包括过欠压保护电路，所述熔断器电路、所述滤波器电路、所述过欠压保护电路和所述变换器电路依次串联连接；
所述熔断器电路用于在输入端接入一次电源，并在所述一次电源或连接于其输出端的后级电路出现过流时切断输出至后级电路的供电；
所述滤波器电路用于抑制所述一次电源的噪声对所述二次电源系统造成的影响，同时防止所述二次电源系统产生的干扰反串入所述一次电源；
所述过欠压保护电路用于在所述一次电源供电出现过压或欠压时，切断输出至所述变换器电路的供电；
所述变换器电路用于将所述一次电源转换为所述负载设备所需要的二次电源。
2.根据权利要求1所述的二次电源系统，其特征在于，所述过欠压保护电路包括相互连接的集成子电路和外围子电路，所述集成子电路包括过压取样端、欠压取样端和栅极驱动端，所述外围子电路包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和开关管，所述开关管包括栅极、第一极和第二极；
所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)依次串联连接，所述第一电阻(R1)的未经串联连接的一端为串联连接的所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)的第一端，所述第一端与所述滤波器电路的输出端连接，所述第三电阻(R3)的未经串联连接的一端为串联连接的所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)的第二端，所述第二端接地；
所述集成子电路的欠压取样端与第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)的连接点连接，所述集成子电路的过压取样端与所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)的连接点连接；
所述开关管的栅极与所述集成子电路的栅极驱动端连接，所述开关管的第一极与所述滤波器电路的输出端连接，所述开关管的第二极作为所述过欠压保护电路的输出端。
3.根据权利要求2所述的二次电源系统，其特征在于，所述二次电源系统的过压阈值＝[(R1+R2)×(2.5V/R3-21μA)]+2.5V，所述二次电源系统的欠压阈值＝2.5V+[R1×(21μA+2.5V/(R2+R3))],所述第一电阻(R1)、所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)的阻值都能进行调节。
4.根据权利要求2所述的二次电源系统，其特征在于，所述外围子电路还包括第四电阻，所述集成子电路还包括过电源输入端和过流取样端，所述第四电阻的第一端与所述滤波器电路的输出端和所述集成子电路的电源输入端连接，所述第四电阻的第二端与所述开关管的第一极和所述集成子电路的过流取样端连接。
5.根据权利要求2所述的二次电源系统，其特征在于，所述开关管采用MOS管，所述集成子电路采用LM5069。
6.根据权利要求1所述的二次电源系统，其特征在于，所述熔断器电路的额定熔断电流为连接于其输出端的后级电路的额定工作电流的两倍。
7.根据权利要求1所述的二次电源系统，其特征在于，所述变换器电路包括DC/DC转换器，所述一次电源用于提供直流28V电源，所述DC/DC转换器用于将直流28V电源转换为直流12V电源和/或直流5V电源。
8.根据权利要求7所述的二次电源系统，其特征在于，所述DC/DC转换器采用灌封封装。
9.根据权利要求7所述的二次电源系统，其特征在于，所述变换器电路还包括低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器与所述DC/DC转换器串联连接，用于将直流5V电源转换为直流3.3V电源和/或直流1.5V电源。
10.根据权利要求7所述的二次电源系统，其特征在于，所述变换器电路还包括继电保护器，所述继电保护器串联连接在所述DC/DC转换器与所述负载设备之间，和/或，所述继电保护器串联连接在所述DC/DC转换器与所述低压差线性稳压器之间。
11.一种供电设备，用于为负载设备供电，其特征在于，包括权利要求1-10任意一项所述的二次电源系统。
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