CN107294375B - 一种智能直流转换装置及应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能直流转换装置及应用系统。其中，所述装置包括：输入模块、电源转换模块和控制器；电源转换模块包括电压调节器、电源转换器、输出保护电路、负载开关、稳压器、第一输出端口和第二输出端口；输入模块的输入端连接适配器的输出端，输入模块的输出端连接电源转换器的输入端，电源转换器的输出端分别连接电压调节器的输入端、控制器和输出保护电路的输入端，输出保护电路的输出端分别连接负载开关和稳压器，控制器还与电压调节器的输入端连接，电压调节器的输出端连接电源转换器；负载开关连接第一输出端口，稳压器连接第二输出端口。本发明解决直流供电系统中存在的稳定性与智能性的问题，达到可精确控制输出直流信号的效果。

Description

一种智能直流转换装置及应用系统

本申请是申请号为：201510582019.6的申请的分案申请。

技术领域

本发明实施例涉及供电装置，尤其涉及一种智能直流转换装置及应用系统。

背景技术

在目前信息科学技术高速发展的时代，电子产品以各式各样的形态及功能存在于人们生产和生活中。这当中，供电系统是最基本的系统，直接决定着电子产品行业的发展。

在供电系统中，尤其以直流最为常见，其稳定性直接影响着电子产品的性能。目前，应用最广泛的直流供电系统的输出电压范围从零点几伏特到几十伏特，电压相对较低，电流较大，这使得供电系统必需具备高稳定性；与此同时，由于直流电源的能量最初都是来自交流市电，而交流市电易受其它因素影响而稳定性不好，从而要求直流供电系统必需具备智能的自我管理功能。

在现有的直流供电系统中，一部分具备稳压能力，但不够智能，当发生异常情况时没有保护自己及负载的能力；一部分虽然具备一定的输出监控功能，但稳定性十分有限。例如通过稳压二极管实现稳压输出，这是十分脆弱的保护措施，不但做不到输出电压的精确控制，在极端条件下也易受到损坏。

发明内容

本发明提供一种智能直流转换装置及应用系统，以实现供电的稳定性和智能性，达到可精确控制输出的两路直流电源的效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种智能直流转换装置，包括：输入模块、电源转换模块和控制器；所述电源转换模块包括电压调节器、电源转换器、输出保护电路、负载开关、稳压器、第一输出端口和第二输出端口；

所述输入模块的输入端连接适配器的输出端，所述输入模块的输出端连接电源转换器的输入端，所述电源转换器的输出端分别连接电压调节器的输入端、控制器和输出保护电路的输入端，所述输出保护电路的输出端分别连接负载开关和稳压器，所述控制器还与所述电压调节器连接，所述电压调节器的输出端连接所述电源转换器；所述负载开关连接第一输出端口，所述稳压器连接第二输出端口；

所述输入模块，对适配器输入的直流信号进行输入保护处理后输出至电源转换器；

所述电源转换器，根据所述控制器和电压调节器的控制，调整输出的直流信号，直至达到负载需要的直流信号后输出至输出保护电路；

所述输出保护电路，对所述电源转换器输出的直流信号进行输出保护处理后分为两路分别输出给负载开关和稳压器，以提供两路直流电源。

第二方面，本发明实施例还提供了一种智能直流转换装置的应用系统，包括上述第一方面提供的智能直流转换装置，还包括：

应用接口模块，用于在控制器的控制下，输出应用系统的状态的提示信息，和/或，执行对外部元件的驱动操作。

本发明通过输入模块对适配器输入的直流信号进行输入保护，通过控制器和电压调节器控制电源转换器调整输出的直流信号，直至达到负载需要的直流信号后输出至输出保护电路，通过输出保护电路对电源转换器输出的直流信号进行输出保护处理后分为两路分别输出给负载开关和稳压器，以提供两路直流电源。本发明解决目前直流供电系统中存在的稳定性与智能性的问题，通过控制器结合电压调节器对电源转换器输出的直流信号进行调节，达到可精确控制输出两路直流电源的效果。

附图说明

图1a是本发明实施例一中的一种智能直流转换装置的结构示意图；

图1b是本发明实施例一中的智能直流转换装置的电源转换器的电路原理图；

图1c是本发明实施例一中的智能直流转换装置的电压调节器的电路原理图；

图1d是本发明实施例一中的智能直流转换装置的结构框图；

图2是本发明实施例二中的一种智能直流转换装置的应用系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1a为本发明实施例一提供的一种智能直流转换装置的结构示意图，该智能直流转换装置可设置在适配器与负载之间，为负载提供稳定的输出电压。所述智能直流转换装置包括：输入模块110、电源转换模块130和控制器120；

所述电源转换模块130包括电压调节器131、电源转换器132、输出保护电路133、负载开关134、稳压器135、第一输出端口136和第二输出端口137。

所述输入模块110的输入端连接适配器的输出端，所述输入模块110的输出端连接电源转换器132的输入端，所述电源转换器132的输出端分别连接电压调节器131的输入端、控制器120和输出保护电路133的输入端，所述输出保护电路133的输出端分别连接负载开关134和稳压器135，所述控制器120还与所述电压调节器131的输入端连接，所述电压调节器131的输出端连接所述电源转换器132；所述负载开关134连接第一输出端口136，所述稳压器135连接第二输出端口137。

所述输入模块110，对适配器输入的直流信号进行输入保护处理后输出至电源转换器132。其中，输入保护处理可以选择输入保护电路对输入的直流信号进行输入保护。例如，可以是输入浪涌保护电路112和输入负压保护电路113。参见图1d所示，所述输入模块110具体可以包括直流输入电路111、输入浪涌保护电路112和输入负压保护电路113；所述直流输入电路111连接适配器的输出端，所述直流输入电路111的输出端连接输入浪涌保护电路112的输入端，所述输入浪涌保护电路112的输出端连接输入负压保护电路113的输入端，所述输入负压保护电路113的输出端连接电源转换器132的输入端；所述直流输入电路110，将所述适配器输入的直流信号输出至输入浪涌保护电路112；所述输入浪涌保护电路112，对所述直流输入电路111输出的直流信号进行浪涌保护后输出至输入负压保护电路113；所述输入负压保护电路113，对所述输入浪涌保护电路112输入的直流信号进行负压保护后输出至电源转换器132。

所述电源转换器132，根据所述控制器120和电压调节器131的控制，调整输出的直流信号，直至达到负载需要的直流信号后输出至输出保护电路133；其中，所述电源转换器132可以选择能够实现电压反馈调节的电路。例如，所述电源转换器132可以包括：开关电源转换芯片、第一滤波子电路和第二滤波子电路；所述开关电源转换芯片的使能端连接所述控制器120的使能信号管脚，所述开关电源转换芯片的反馈端连接所述电压调节器131的输出端，所述开关电源转换芯片的输入端通过第一滤波子电路与所述输入模块110的输出端连接；所述开关电源转换芯片的输出端通过第二滤波子电路分别连接所述输出保护电路133的输入端、所述电压调节器131的输入端和所述控制器120。其中，所述开关电源转换芯片可以为能够实现输出电压可调的芯片，诸如TPS56628系列芯片等。参见图1b所示，所述开关电源转换芯片TPS56628的电压输入端与所述输入模块110连接，并且开关电源转换芯片与输入模块110的公共端连接有第一滤波子电路，所述第一滤波子电路由并联的三个电容组成。所述开关电源转换芯片的使能端串联第一电阻后连接所述控制器120的使能信号管脚，所述第一电阻与所述开关电源转换芯片的公共端还与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端接地。所述开关电源转换芯片的反馈端连接所述电压调节器131的输出端。参考电压端VREG5与第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端接地。状态指示端PG连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接所述开关电源转换芯片与所述第一电容的公共端。驱动端VBST与开关电源转换芯片的输出端配合控制芯片内部的场效应管的导通或者截止。驱动端VBST连接第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端连接第三电容的一端，所述第三电容的另一端接地。所述开关电源转换芯片的输出端连接所述第二电容与所述第四电阻的公共端。电感的一端连接所述第二电容与所述第四电阻的公共端，所述电感的另一端连接第二滤波子电路后输出电压VOUT。所述第二滤波子电路由三个并联的电容组成。所述输出电压VOUT分别输出至输出保护电路133、电压调节器131和控制器120。

参见图1c所示，电压调节器131包括数字电位器，示例的可以采用MCP456X系列的数字电位器芯片。本领域技术人员可以得知能够实现电阻阻值根据实际需要调整的元件都可以作为本实施例中数字电位器的替换元件。数字电位器MCP456X为单电位器，其中，第一引脚为SDA引脚，第二引脚为SCL引脚，第五引脚为POA引脚，第六引脚为POW引脚，第七引脚为POB引脚，第一电阻为电阻R401，第二电阻为电阻R404，第一电容为电容C402，其SDA引脚和SCL引脚连接控制器120，以通过I²C协议与所述控制器120进行通信。其中，SDA引脚与所述控制器120的公共端串联电阻R403后连接电源VDD，SCL引脚与所述控制器120的公共端串联电阻R402后连接电源VDD。将VSS引脚和AO引脚接地。POA引脚串联电阻R405后与电源转换器132的电压输出端(图1b所示的开关电源转换芯片的输出端)连接。POW引脚连接所述电源转换器132的反馈端(图1b所示的开关电源转换芯片的反馈端)。电容C402通过POA引脚、POW引脚与MCP456X芯片内的电阻网络并联，以滤除直流电压中的纹波信号。电阻R401通过POB引脚、POA引脚与MCP456X芯片内的电阻网络并联。POB引脚串联电阻R404后接地，通过确定R401和R404的取值可以限制POA引脚与POB引脚之间的电压的取值范围。

所述电源转换器132根据所述控制器120和电压调节器131的控制实现电压调节的原理是：开关电源转换芯片向控制器120输出直流电压VOUT，所述控制器120将输入的电压VOUT与预设的负载需要的电压进行比较，根据比较结果向电压调节器131输出控制信号。通过所述控制信号使所述电压调节器131输出的反馈电压减小或使所述电压调节器131输出的反馈电压增大。所述电压调节器131根据所述控制信号调节数字电位器内部电阻网络的阻值，达到增大或减小输出电压的目的。开关电源转换芯片输出的直流电压VOUT经电阻R405分压后输入数字电位器。数字电位器的输出电压为所述电压调节器131的反馈电压。所述电压调节器131将所述反馈电压输出至所述开关电源转换芯片的反馈端。所述开关电源转换芯片将输入的反馈电压与内部的参考电压进行比较，若反馈电压小于内部的参考电压，则所述开关电源转换芯片提高输出电压。否则，若反馈电压大于内部的参考电压，则所述开关电源转换芯片降低输出电压。例如，当前所述开关电源转换器132的输出电压VOUT为3V，预设的参考电压为4.5V，然而，负载需要的电压是5V，那么，控制器120根据所述开关电源转换器132的输出电压小于负载需要的电压，向所述电压调节器131输出控制电路分压增大的控制信号。所述电压调节器131根据所述控制信号调节电路连接，可以是在电流不变的情况下，减少并联电阻的数量，则并联电阻的分压增大，所述电压调节器131输出的反馈电压减小，其中，反馈电压小于3V。所述开关电源转换芯片将所述反馈电压与预设的参考电压进行比较，反馈电压小于所述参考电压，则所述开关电源转换芯片提高输出电压。

所述输出保护电路133，对所述电源转换器132输出的直流信号进行输出保护处理后分为两路分别输出给负载开关134和稳压器135，以提供两路直流电源。

其中，输出保护处理可以选择输出保护电路133对输出的直流信号进行输出保护，以降低因输出电压异常而损坏负载的风险。例如，可以选择短路保护电路、过压保护电路、欠压保护电路和/或负压保护电路等。

本实施例的技术方案，通过输入模块110对输出直流信号进行输入保护，通过控制器120和电压调节器131控制电源转换器132将输入的直流信号转换成负载需要的电压，对电源转换器132输出的电压进行输出保护获得次级电压，并调整所述次级电压提供两路直流电源。本发明解决目前直流供电系统中存在的稳定性与智能性的问题，装置还具备自我保护功能，同时，为负载提供短路、过压、欠压或负压等防护，且输出电压可以根据需要进行调节，达到可精确控制输出直流信号的效果。

作为所述输入模块110的一种优选的实现方式，参见图1d所示，所述输入模块110还可以包括系统供电电路114；所述输入负压保护电路113的输出端连接系统供电电路114的输入端；

所述输入负压保护电路113对所述输入浪涌保护电路112输入的直流信号进行负压保护后还输出至所述系统供电电路114，所述系统供电电路114为所述控制器120以及外围电路140供电。这样设置的好处是避免通过外接电源为控制器120以及外围电路140供电，有助于减小智能直流转换装置的体积。

本领域的技术人员应该理解，上述系统供电电路114可以集成在所述输入模块110中，也可以集成于电源转换模块130中，还可以独立设置于电路板上。

在上述技术方案的基础上，所述装置优选的还可以包括：输入检测电路，所述输入检测电路包括分压子电路；

所述分压子电路的输入端连接所述输入负压保护电路的输出端，所述分压子电路的输出端连接所述控制器120；

所述分压子电路，将所述输入负压保护电路输入的直流信号进行分压处理后输出至所述控制器120；

所述控制器120通过模数转换电路将所述分压子电路输入的直流信号进行模数转换，根据所述模数转换电路输出的直流信号检测输入电压和/或输入电流是否在预设范围内。例如，控制器120通过输入检测电路检测到输入电压超出预设的输入电压的范围时，则通过串口向外部主机发送报警信息。同时，所述控制器120控制所述输入模块与开关电源转换芯片的开关断开，以避免因输入电压超过所述开关电源转换芯片的额定电压而损坏芯片。这样设置的好处在于，控制器120能够在发生输入异常时，及时做出相应的反应以减少输入异常对智能直流转换装置的危害。

在上述技术方案的基础上，如图1d所示，所述电源转换模块130优选的还可以包括：放电电路138，所述放电电路138分别连接所述负载开关134的输出端和所述稳压器135的输出端，所述放电电路138在装置停止向负载供电时，对所述第一输出端口136和第二输出端口137残留的电压进行放电处理。这样设置的好处在于，输出端口(包括第一输出端口136和第二输出端口137)无残留电压，保障负载安全上电或下电。

在上述技术方案的基础上，所述装置优选的还可以包括：与所述控制器120连接的串口，所述控制器120通过所述串口与外部主机进行通信；

以及，还包括：与所述控制器120连接的输出检测电路；

所述输出检测电路采集所述开关电源转换芯片、所述第一输出端口136和所述第二输出端口137的输出直流信号，将所述输出直流信号输出至所述控制器120，所述控制器120根据所述输出直流信号检测输出电压和/或输出电流是否在预设范围内。这样设置的好处在于，可以通过串口与外部主机进行通信，使得装置更加智能化，同时，通过输出检测可以显示输出直流信号的值，还可以在输出直流信号超过预设的输出信号范围时，通过串口向外部主机发送报警信息。

实施例二

图2是本发明实施例二中的一种智能直流转换装置的应用系统的结构示意图。所述应用系统包括上述实施例中的智能直流转换装置，该应用系统还包括：

应用接口模块210，用于在控制器的控制下，输出应用系统的状态的提示信息，和/或，执行对外部元件的驱动操作。其中，所述提示信息可以是报警信息或者负载上电或下电指示等信息。

进一步地，所述应用接口模块210包括输出提示信息的发光二极管212和蜂鸣器213，和/或执行驱动操作的驱动模块214，其中，所述外部元件包括电磁阀。例如，在所述应用系统发生故障时，通过所述二极管发光和/或蜂鸣器213报警以提示用户发生故障。还执行对诸如电磁阀等外部元件的驱动操作。例如，通过传感器检测电磁阀的工作状态并输入至控制器，所述控制器根据预设的电磁阀当前应当执行的动作以及传感器采集到的电磁阀所处的状态，向驱动模块214发送相应的动作指令，以通过所述驱动模块214驱动所述电磁阀开启或关闭。

进一步地，所述驱动模块214包括驱动电路和驱动机构；

所述驱动电路的输入端连接所述控制器，所述驱动电路的输出端连接外部元件，所述驱动电路根据所述控制器驱动外部元件；

所述驱动机构连接于所述控制器和外部元件之间，所述驱动机构根据所述控制器的控制驱动外部元件。所述应用系统上集成了外部元件的双路驱动接口。例如，用户可以将电磁阀与所述驱动电路对应的驱动接口连接，通过驱动电路、传感器和控制器实现对电磁阀的驱动控制。同时，用户还可以将电磁阀与气缸等执行机构连接，将所述气缸与所述驱动机构连接。用户通过所述应用接口模块210的按键211向控制器输入信号，所述控制器根据输入的信号通过驱动机构控制气缸的活塞抬起或放下，进而实现控制电磁阀的开启或关闭。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种智能直流转换装置，其特征在于，包括：输入模块、电源转换模块和控制器；所述电源转换模块包括电压调节器、电源转换器、输出保护电路、负载开关、稳压器、第一输出端口和第二输出端口；

所述输入模块的输入端连接适配器的输出端，所述输入模块的输出端连接电源转换器的输入端，所述电源转换器的输出端分别连接电压调节器的输入端、控制器和输出保护电路的输入端，所述输出保护电路的输出端分别连接负载开关和稳压器，所述控制器还与所述电压调节器连接，所述电压调节器的输出端连接所述电源转换器；所述负载开关连接第一输出端口，所述稳压器连接第二输出端口；

所述输入模块，对适配器输入的直流信号进行输入保护处理后输出至电源转换器；

所述电源转换器，根据所述控制器和电压调节器的控制，调整输出的直流信号，直至达到负载需要的直流信号后输出至输出保护电路；

所述输出保护电路，对所述电源转换器输出的直流信号进行输出保护处理后分为两路分别输出给负载开关和稳压器，以提供两路直流电源；

其中，所述电压调节器包括能够实现电阻阻值调整的元件；

所述电源转换器、所述控制器和所述电压调节器之间形成一个反馈机制以实现电压调节。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述电压调节器为数字电位器，具体为：第二引脚和第三引脚连接控制器，第五引脚与电源转换器的电压输出端连接，第六引脚连接所述电源转换器的反馈端，第一电容通过第五引脚、第六引脚与电位器内的电阻网络并联,第一电阻通过第七引脚、第五引脚与电位器内的电阻网络并联,第七引脚串联第二电阻后接地，通过确定第一电阻和第二电阻的取值限制第五引脚与第七引脚之间的电压的取值范围。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电源转换器包括：开关电源转换芯片、第一滤波子电路和第二滤波子电路；

所述开关电源转换芯片的使能端连接所述控制器的使能信号管脚，所述开关电源转换芯片的反馈端连接所述电压调节器的输出端，所述开关电源转换芯片的输入端通过第一滤波子电路与所述输入模块的输出端连接；所述开关电源转换芯片的输出端通过第二滤波子电路分别连接所述输出保护电路的输入端、所述电压调节器的输入端和所述控制器。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述开关电源转换芯片输出直流电压至所述数字电位器，数字电位器的输出电压为所述电压调节器的反馈电压，所述电压调节器将所述反馈电压输出至所述开关电源转换芯片的反馈端，所述开关电源转换芯片将输入的反馈电压与内部的参考电压进行比较，若反馈电压小于内部的参考电压，则所述开关电源转换芯片提高输出电压，否则，若反馈电压大于内部的参考电压，则所述开关电源转换芯片降低输出电压。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输入模块包括直流输入电路、输入浪涌保护电路和输入负压保护电路；

所述直流输入电路连接适配器的输出端，所述直流输入电路的输出端连接输入浪涌保护电路的输入端，所述输入浪涌保护电路的输出端连接输入负压保护电路的输入端，所述输入负压保护电路的输出端连接电源转换器的输入端；

所述直流输入电路，将所述适配器输入的直流信号输出至输入浪涌保护电路；

所述输入浪涌保护电路，对所述直流输入电路输出的直流信号进行浪涌保护后输出至输入负压保护电路；

所述输入负压保护电路，对所述输入浪涌保护电路输入的直流信号进行负压保护后输出至电源转换器。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述输入模块还包括系统供电电路；所述输入负压保护电路的输出端还连接系统供电电路的输入端；

所述输入负压保护电路对所述输入浪涌保护电路输入的直流信号进行负压保护后还输出至所述系统供电电路，所述系统供电电路为所述控制器以及外围电路供电。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：输入检测电路，所述输入检测电路包括分压子电路；

所述分压子电路的输入端连接所述输入负压保护电路的输出端，所述分压子电路的输出端连接所述控制器；

所述分压子电路，将所述输入负压保护电路输入的直流信号进行分压处理后输出至所述控制器；

所述控制器通过模数转换电路将所述分压子电路输入的直流信号进行模数转换，根据所述模数转换电路输出的直流信号检测输入电压和/或输入电流是否在预设范围内。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源转换模块还包括：放电电路，所述放电电路分别连接所述负载开关的输出端和所述稳压器的输出端，所述放电电路在装置停止向负载供电时，对所述第一输出端口和第二输出端口残留的电压进行放电处理。

9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：与所述控制器连接的串口，所述控制器通过所述串口与外部主机进行通信；

以及，还包括：与所述控制器连接的输出检测电路；

所述输出检测电路采集所述开关电源转换芯片、所述第一输出端口和所述第二输出端口的输出直流信号，将所述输出直流信号输出至所述控制器，所述控制器根据所述输出直流信号检测输出电压和/或输出电流是否在预设范围内。

10.一种智能直流转换装置的应用系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任一所述的智能直流转换装置，还包括：

应用接口模块，用于在控制器的控制下，输出应用系统的状态的提示信息，和/或，执行对外部元件的驱动操作。

11.根据权利要求10所述的应用系统，其特征在于，所述应用接口模块包括输出提示信息的发光二极管和蜂鸣器，和/或执行驱动操作的驱动模块，其中，所述外部元件包括电磁阀。

12.根据权利要求11所述的应用系统，其特征在于，所述驱动模块包括驱动电路和驱动机构；

所述驱动电路的输入端连接所述控制器，所述驱动电路的输出端连接外部元件，所述驱动电路根据所述控制器驱动外部元件；

所述驱动机构的输入端连接所述控制器，所述驱动机构的输出端连接外部的执行机构的输入端，所述执行机构的输出端连接所述外部元件，所述驱动机构根据所述控制器的控制驱动执行机构，以通过所述执行机构执行对外部元件的控制操作。