CN106992668B - 一种交直流混合输入直流电源 - Google Patents
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Abstract
一种交直流混合输入直流电源，包括交直流转换器，所述交直流转换器输出端连接一双刀双掷开关的两个输入端，所述双刀双掷开关的第一输出端连接第一直流转换器的电源输入端，第二输出端连接第一单刀双掷开关的第一输入端，所述第一单刀双掷开关的第二输入端连接第二直流转换器的电源输出端；所述直流电源还包括第二单刀双掷开关和第一比较器，所述第二单刀双掷开关的第一输入端和第二输入端分别连接第一直流转换器的电源输出端和第二直流转换器的电源输入端。本发明采用交流充电、直流供电的方式，对交流端的纹波及功率影响实现隔离，减少了交流输出纹波对供电的影响。
Description
技术领域
本发明属于电子领域，涉及一种直流电源，具体涉及一种交直流混合输入直流电源。
背景技术
随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
现有设备中一般使用交流电作为常用工作电源，但交流电网的不稳定性，使得对于一些对输出直流电源电平要求稳定的设备，交流电网的电网纹波造成的电压波动易造成用电设备的不良影响。
发明内容
为克服现有交流电供电电源对于电源敏感用电设备易造成不良影响的技术缺陷，本发明公开了一种交直流混合输入直流电源。
本发明所述交直流混合输入直流电源，包括交直流转换器，所述交直流转换器输出端连接一双刀双掷开关的两个输入端，所述双刀双掷开关的第一输出端连接第一直流转换器的电源输入端，第二输出端连接第一单刀双掷开关的第一输入端，所述第一单刀双掷开关的第二输入端连接第二直流转换器的电源输出端，所述第一单刀双掷开关的输出端作为所述直流电源的电源输出端；
所述直流电源还包括第二单刀双掷开关和第一比较器，所述第二单刀双掷开关的第一输入端和第二输入端分别连接第一直流转换器的电源输出端和第二直流转换器的电源输入端；所述第二单刀双掷开关的输出端连接充电电池正极板，所述第一比较器的两个比较输入端分别连接充电电池正极板和一基准电压源；第一比较器的输出端输出用于控制单刀双掷开关和双刀双掷开关的控制信号；
所述第一比较器对开关的控制逻辑为：检测到充电电池正极板电压低于基准电压源的电压时，第一单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，第二单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，双刀双掷开关的第一输出端与输入端闭合；高于时，第一单刀双掷开关的第二输入端与输出端连接，第二单刀双掷开关的第二输入端与输出端连接，双刀双掷开关的两路开关均断开；
所述第一直流转换器为降压型直流转换器，所述第二直流转换器为升压型直流转换器。
优选的，所述交直流转换器输出端到地连接有稳压电容。
优选的，所述单刀双掷开关和双刀双掷开关均为数字型开关。
优选的，所述基准电压源由串联在直流电源的电源输出端和地之间的第一限流电阻和稳压二极管组成，稳压二极管正极接地，第一限流电阻两端分别连接直流电源的电源输出端和稳压二极管负极。
优选的，所述直流电源还包括驱动输出级，所述驱动输出级包括NPN管、NMOS管、集电极电阻及运算放大器，所述NPN管的基极、发射极和集电极分别接运算放大器的输出端、地及NMOS管栅极，所述集电极电阻两端分别接NPN管集电极和直流电源的电源输出端，所述NMOS管的源极和漏极分别连接直流电源的电源输出端和用电输出正端；所述用电输出正端和用电输出负端之间连接有供电电容，所述运算放大器的反相输入端连接用电输出正端，正相输入端连接一固定直流电压。
进一步的，所述运算放大器的正相输入端连接一分压电阻串的中间结点，所述分压电阻串的两端分别接地和基准电压源。
进一步的，所述驱动输出级还包括连接在用电输出正端和用电输出负端之间的轻负载保护电路，所述轻负载保护电路包括连接在输出电压端和用电输出正端之间的常断开关和第一继电器，所述第一继电器由继电器开关和继电器线圈组成，第一继电器的继电器开关与常断开关并联，继电器线圈连接在输出电压端和常断开关之间；
用电输出负端和地之间连接有第二限流电阻，所述直流电源还包括一第二比较器和第二继电器，第二继电器由继电器开关和继电器线圈组成，所述第一比较器反相输入端与用电输出负端连接，正相输入端与基准电压连接，输出端连接第二继电器的继电器线圈，第二继电器的继电器线圈另一端通过第三限流电阻接地；第二继电器的继电器开关与备用负载电阻串联后连接在输出电压端和地之间；所述输出电压端为NMOS管的漏极。
采用本发明所述的交直流混合输入直流电源，具有如下优越性：
一．采用交流充电、直流供电的方式，对交流端的纹波及功率影响实现隔离，减少了交流输出纹波对供电的影响，避免交流输入功率的波动影响到供电输出端，使得输出供电不受交流电网波动影响。
二.采用降压存储电能，升压供给电能的直流充电和放电模式，在电能存储端实现了低压工作，降低了设备价格和尺寸，更加便携，低压存储电能更易于实现，存储安全系数更高，储能时间更长。
三.利用检测电池电压方式切换充电及供电模式，电池电压不足时自动切换，并能使用交流端临时供电，方便操作。
附图说明
图1为本发明所述便携式可调节电烙铁内部电路的一种具体实施方式示意图，图1中标记名称为：BAT-充电电池、ACIN-交流输入端、AC/DC交直流转换器、 K1-第一单刀双掷开关、K2-双刀双掷开关、K3-第二单刀双掷开关DC1-第一直流转换器、DC2-第二直流转换器、R1-集电极电阻、R2-可调电阻、R3-第一限流电阻、D-稳压二极管、AMP-运算放大器、COMP1-第一比较器、T-NPN管、M-NMOS管、C1-供电电容、C2-稳压电容、OUTP -用电输出正端、OUTN -用电输出负端、CTRL-控制信号,OP-轻负载保护电路；图1中单刀双掷开关内的1、2表示输入端的序号，VDD1、VDD2表示不同的直流电压值；
图2为本发明所述轻负载保护电路的一种具体实施方式示意图，图2中附图标记名称为UI-输出电压端，K4-常断开关，P1-用电输出正端，P2-用电输出负端，R11-第二限流电阻，R12-第三限流电阻， RL-负载电阻，RLB-备用负载电阻，COMP2-第二比较器，图2中的11表示第一继电器，12表示第二继电器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述一种交直流混合输入直流电源，其特征在于，包括交直流转换器，所述交直流转换器输出端连接一双刀双掷开关的两个输入端，所述双刀双掷开关的第一输出端连接第一直流转换器的电源输入端，第二输出端连接第一单刀双掷开关的第一输入端，所述第一单刀双掷开关的第二输入端连接第二直流转换器的电源输出端，所述第一单刀双掷开关的输出端作为所述直流电源的电源输出端；
所述直流电源还包括第二单刀双掷开关和第一比较器，所述第二单刀双掷开关的第一输入端和第二输入端分别连接第一直流转换器的电源输出端和第二直流转换器的电源输入端；所述第二单刀双掷开关的输出端连接充电电池正极板，所述第一比较器的两个比较输入端分别连接充电电池正极板和一基准电压源；第一比较器的输出端输出用于控制单刀双掷开关和双刀双掷开关的控制信号；
如图1所示，在交流输入端ACIN处输入220V市电，经过交直流转换器AC/DC首先转化为12V直流电，12V直流电通过双刀双掷开关K3及第一单刀双掷开关K1可切换作为驱动输出级的电源使用（即图1中VDD2=12V），也可以被第一直流转换器DC1 降压到运算放大器的直流工作电压VDD1，运算放大器的一个输入端连接用电输入正端，对用电输入正端OUTP端的电压进行采样，控制驱动输出级的输出功率，实现输出稳定，运算放大器AMP的另一个输入端连接可调电阻R2作为被比较电压信号，可调电阻R2连接在地和基准电压源的输出电压之间，可以通过调节该可调电阻的阻值比例实现调节输出功率和工作温度。
VDD1一方面通过第一直流转换器DC1获得电能，同时VDD1自身作为电源通过第二直流转换器DC2升压并给后续的驱动输出级供电，通过第二单刀双掷开关的切换，决定VDD1连接的电池BAT是在充电还是供电状态中。
第一比较器对各个开关K1、K2、K3的控制逻辑为：检测到充电电池正极板电压低于基准电压源的电压时，第一单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，第二单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，双刀双掷开关的第一输出端与输入端闭合；高于时，第一单刀双掷开关的第二输入端与输出端连接，第二单刀双掷开关的第二输入端与输出端连接，双刀双掷开关的两路开关均断开。第一比较器的以上控制方式可以通过简单的数字逻辑电路实现，实现方式也有多种，属于本领域现有技术。
充电电池正极板电压低于基准电压源的电压时，此时判断认为电池电压值不足，第一比较器控制第一单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，第二单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，双刀双掷开关的第一输出端与输入端闭合。交直流转换器输出端通过双刀双掷开关与第一直流转换器连接并向第一直流转换器供电，第一直流转换器工作后向充电电池BAT充电使VDD1上升。
上述充电过程中， 第一单刀双掷开关K1的输出端可以与第一输入端连接，此状态下用电输出端即通过交直流转换器继续获得电源。在不需要供电时，第一单刀双掷开关K1的输出端也可以不与任何一个输入端连接。
充电电池正极板电压高于基准电压源的电压时，此时判断认为电池电压可以正常供电，第一比较器控制第一单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，第二单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，双刀双掷开关的第二输出端与输入端断开。
此时正常供电，充电电池BAT作为电源，通过第二直流转换器DC2升压至后续VDD2所需的电压值，此时双刀双掷开关的两路开关均可以断开，避免交直流转换器和第二直流转换器的输出电压相互影响。
本发明中，采用上述供电及切换方式，具有如下优越性：
一．采用交流充电、直流供电的方式，对交流端的纹波及功率影响实现隔离，减少了交流输出纹波对供电的影响，避免交流输入功率的波动影响到供电输出端，使得输出供电不受交流电网波动影响。
二.采用降压存储电能，升压供给电能的直流充电和放电模式，在电能存储端实现了低压工作，降低了设备价格和尺寸，更加便携，低压存储电能更易于实现，存储安全系数更高，储能时间更长。
三.利用检测电池电压方式切换充电及供电模式，电池电压不足时自动切换，并能使用交流端临时供电，方便操作。
单刀双掷开关和双刀双掷开关均可以采用数字型开关，便于集成和控制，基准电压源可以外置芯片实现，也可以内置电路实现，图1所示的具体实施方式中，基准电压源由串联在直流电源的电源输出端VDD2和地之间的第一限流电阻和稳压二极管组成，稳压二极管正极接地，第一限流电阻两端分别连接直流电源的电源输出端和稳压二极管负极，以稳压二极管电压设置基准电压源的输出电压值。
图1所示的具体实施方式中，在驱动输出级还可以设置功率调节功能，驱动输出级包括NPN管、NMOS管和集电极电阻，所述NPN管的基极、发射极和集电极分别接运算放大器的输出端、地及NMOS管M栅极，所述集电极电阻两端分别接NPN管集电极和交直流转换器输出端，所述NMOS管M的源极和漏极分别接交直流转换器输出端和用电输入正端OUTP, 用电输入负端OUTN一般接地。例如当功率大于额定值使运算放大器输出的模拟电压升高时，NPN管T集电极电流增大，使集电极电阻R1的压降增大，NMOS管栅极降低，NMOS管电流减小，输出功率变小，从而实现调节。
图1所示的具体实施方式中，第二直流转换器为S8254，运算放大器为 LM358，所述第一直流转换器为78L05。用电输入正负端之间可以并联稳压电容C1。
现实使用中，为避免负载端突然脱落悬空，造成空载，在驱动输出级可以设置连接在用电输出正端和用电输出负端之间的轻负载保护电路，所述轻负载保护电路包括连接在输出电压端和用电输出正端之间的常断开关K4和第一继电器，所述第一继电器由继电器开关和继电器线圈组成，第一继电器的继电器开关与常断开关并联，继电器线圈连接在输出电压端和常断开关之间;
用电输出负端和地之间连接有第二限流电阻，所述直流电源还包括第二比较器和第二继电器，第二继电器由继电器开关和继电器线圈组成，所述第一比较器反相输入端与用电输出负端连接，正相输入端与基准电压连接，输出端连接第二继电器的继电器线圈，第二继电器的继电器线圈另一端通过第三限流电阻接地；第二继电器的继电器开关与备用负载电阻串联后连接在输出电压端和地之间；
所述输出电压端UI为NMOS管的漏极。
如图2所示,RL为要接入的负载电阻,使用时将负载接入用电输出正端P1和用电输出负端P2之间,按下常断开关K,使电路导通,第一继电器11的继电器线圈流过电流,使第一继电器的继电器开关闭合,从而使常断开关在人手脱离后,仍然维持电路导通。
正常使用时， 负载电阻RL连接在用电输出正端P1和用电输出负端P2之间，第一限流电阻R1上压降较大，第二比较器反相输入端电压大于基准电压，第二比较器输出低电平信号，第二继电器的继电器线圈上没有电流，使第二继电器的继电器开关断开。此时电源为正常工作状态。
当负载电阻未接入时，第一限流电阻R1上没有电流，第二比较器反相输入端电压为零，第二比较器正相输入端电压为大于零的基准电压，使第二比较器输出高电平信号，从而使第二继电器的继电器线圈上有电流流过，第二继电器的继电器开关闭合，从而使备用负载电阻RLB连接在输出电压端和地之间，避免了输出电压端的开路。图2中，第二限流电阻R2用于限制第二继电器12的继电器线圈电流。RLB阻值应取值较大，避免无谓的功耗，通常在兆欧级别以上。
以上方案通过采用继电器控制，实现了小电流控制大功率电流，负载端与电源实现了电学隔离，避免了电源漏电造成负载端直接放电损害交通设备的情况。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种交直流混合输入直流电源，其特征在于，包括交直流转换器，所述交直流转换器输出端连接一双刀双掷开关的两个输入端，所述双刀双掷开关的第一输出端连接第一直流转换器的电源输入端，第二输出端连接第一单刀双掷开关的第一输入端，所述第一单刀双掷开关的第二输入端连接第二直流转换器的电源输出端，所述第一单刀双掷开关的输出端作为所述直流电源的电源输出端；
所述直流电源还包括第二单刀双掷开关和第一比较器，所述第二单刀双掷开关的第一输入端和第二输入端分别连接第一直流转换器的电源输出端和第二直流转换器的电源输入端；所述第二单刀双掷开关的输出端连接充电电池正极板，所述第一比较器的两个比较输入端分别连接充电电池正极板和一基准电压源；第一比较器的输出端输出用于控制单刀双掷开关和双刀双掷开关的控制信号；
所述第一比较器对开关的控制逻辑为：检测到充电电池正极板电压低于基准电压源的电压时，第一单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，第二单刀双掷开关的第一输入端与输出端连接，双刀双掷开关的第一输出端与输入端闭合；高于时，第一单刀双掷开关的第二输入端与输出端连接，第二单刀双掷开关的第二输入端与输出端连接，双刀双掷开关的两路开关均断开；
所述第一直流转换器为降压型直流转换器，所述第二直流转换器为升压型直流转换器。
2.如权利要求1所述交直流混合输入直流电源，其特征在于，所述交直流转换器输出端到地连接有稳压电容。
3.如权利要求1所述交直流混合输入直流电源，其特征在于，所述单刀双掷开关和双刀双掷开关均为数字型开关。
4.如权利要求1所述交直流混合输入直流电源，其特征在于，所述基准电压源由串联在直流电源的电源输出端和地之间的第一限流电阻和稳压二极管组成，稳压二极管正极接地，第一限流电阻两端分别连接直流电源的电源输出端和稳压二极管负极。
5.如权利要求1所述交直流混合输入直流电源，其特征在于，所述直流电源还包括驱动输出级，所述驱动输出级包括NPN管、NMOS管、集电极电阻及运算放大器，所述NPN管的基极、发射极和集电极分别接运算放大器的输出端、地及NMOS管栅极，所述集电极电阻两端分别接NPN管集电极和直流电源的电源输出端，所述NMOS管的源极和漏极分别连接直流电源的电源输出端和用电输出正端；所述用电输出正端和用电输出负端之间连接有供电电容，所述运算放大器的反相输入端连接用电输出正端，正相输入端连接一固定直流电压。
6.如权利要求5所述交直流混合输入直流电源，其特征在于，所述运算放大器的正相输入端连接一分压电阻串的中间结点，所述分压电阻串的两端分别接地和基准电压源。
7.如权利要求5所述交直流混合输入直流电源，其特征在于，所述驱动输出级还包括连接在用电输出正端和用电输出负端之间的轻负载保护电路，所述轻负载保护电路包括连接在输出电压端和用电输出正端之间的常断开关和第一继电器，所述第一继电器由继电器开关和继电器线圈组成，第一继电器的继电器开关与常断开关并联，继电器线圈连接在输出电压端和常断开关之间；
用电输出负端和地之间连接有第二限流电阻，所述直流电源还包括一第二比较器和第二继电器，第二继电器由继电器开关和继电器线圈组成，所述第一比较器反相输入端与用电输出负端连接，正相输入端与基准电压连接，输出端连接第二继电器的继电器线圈，第二继电器的继电器线圈另一端通过第三限流电阻接地；第二继电器的继电器开关与备用负载电阻串联后连接在输出电压端和地之间；所述输出电压端为NMOS管的漏极。
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Granted publication date: 20190517 |
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