CN111262216B - 一种带远端补偿的高速型源载保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带远端补偿的高速型源载保护装置，包括保护执行单元、远端补偿单元、嵌入式控制单元、三态辅助供电单元、人机交互单元、外部接口单元；保护执行单元包括滤波电路、保护执行电路和驱动保护电路；远端补偿单元包括输出采样电路、隔离放大电路、信号调理电路；嵌入式控制单元包括设定电路、PWM生成电路、故障自锁电路、故障复位电路；三态辅助供电单元分别与所述保护执行单元、嵌入式控制单元、人机交互单元电气连接；人机交互单元包括触摸显示模块、编码器控制模块、键盘控制模块和蜂鸣器控制模块。该装置具备100μs以下的保护速度、高精度远端补偿功能、高可靠性、保护限值可调、通用性和可维护性强的特点。

Description

一种带远端补偿的高速型源载保护装置

技术领域

本发明涉及交直流电源设备技术领域，尤其涉及一种带远端补偿的高速型源载保护装置。

背景技术

在自动化测试、工业控制设备、科学实验、信息通讯等领域中，在设备研制、维修保障和计量测试等场合都使用着各种高精度直流稳定电源和电子负载。近年来，随着工业化技术水平的不断提高，对电源和负载提出多种综合需求，其中对精密贵重被测物的保护特性就是其中的一项重点指标。

高精度交直流稳定电源应用广泛，在自动化测试、工业控制设备、科学实验、信息通讯等技术领域应用中往往被测物非常精密贵重，对输出电压、电流、功率限值和过载时间极其敏感，需要针对性优化设计保护单元或装置。现有技术中交直流电源、电子负载、大功率变换器中此类保护设计和装置存在的主要问题有：1)当输出电压、电流、功率超限值后，保护装置的响应速度不够快，往往在数十ms以上，不能快速有效的保护被测物；2)配置保护单元或装置后，整个设备的电压和电流输出精度、负载调整率指标往往大幅变差甚至超标，难以满足系统需要；3)对于BUCK类、串联型输出拓扑往往具有先天性设计缺陷，不能可靠避免和抑制功率器件失效，可靠性较差；4)装置保护限值固定或调节不便，对于宽范围输出类电源和多种被测物的适应性不强；5)装置往往接线复杂、内置不可移动、限值调节范围窄，通用性和可维护性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种带远端补偿的高速型源载保护装置，该装置具备100μs以下的保护速度、高精度远端补偿功能、高可靠性、保护限值可调、通用性和可维护性强的特点，能够实现高速、高质、可靠的保护精密贵重被测物。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种带远端补偿的高速型源载保护装置，所述保护装置包括保护执行单元、远端补偿单元、嵌入式控制单元、三态辅助供电单元、人机交互单元、外部接口单元，其中：

所述保护执行单元包括滤波电路、保护执行电路和驱动保护电路，该保护执行单元通过铜排或叠层母排输入端与交直流电源和远端补偿单元电气连接，这三者的电气连接用于透传输出功率和远端补偿信号；该保护执行单元进一步与嵌入式控制单元电气连接，用于接收嵌入式控制单元产生的PWM信号；所述保护执行单元在输出电压、电流、功率超限值时，用于切断功率输出回路，当使用者排除故障后按指令恢复功率输出，并且保证高速性、高可靠性和双向流动性，同时抑制和衰减长距离功率回路中的共模和差模噪声；所述交直流电源为所述保护装置的测量对象和功率输入；

所述远端补偿单元包括输出采样电路、隔离放大电路、信号调理电路，该远端补偿单元分别与被测设备、保护执行单元、嵌入式控制单元电气连接，用于提供远端感应测量和远端输出补偿功能，能够消除所述保护装置中串联器件的影响，提高保护装置的电压和电流输出精度、负载调整率；所述被测设备为所述保护装置的保护对象；

所述嵌入式控制单元包括设定电路、PWM生成电路、故障自锁电路、故障复位电路，该嵌入式控制单元分别与所述保护执行单元、远端补偿单元、人机交互单元和外部接口单元电气连接，用于根据人机交互单元或外部接口单元输入的通讯指令信息，灵活调节所述保护装置的输出保护设定值，当发生故障以后该嵌入式控制单元提供快速的自动封锁控制逻辑信号，并且按照所述人机交互单元与外部接口单元的指令完成实时的故障复位，恢复设备输出；

所述三态辅助供电单元分别与所述保护执行单元、嵌入式控制单元、人机交互单元电气连接，通过任选交流市电、直流24V、电源本身输入电压三种方式之一为所述保护装置提供辅助供电；

所述人机交互单元包括触摸显示模块、编码器控制模块、键盘控制模块和蜂鸣器控制模块，用于通过所述触摸显示模块、编码器控制模块和键盘控制模块实现人机交互功能，并利用所述蜂鸣器控制模块实现故障报警；

所述外部接口单元包括LAN接口模块、USB接口模块、GPIB接口模块和模拟接口模块，用于提供各种不同的接口实现外部通讯功能，以便适应自动化测试系统需要；

所述人机交互单元和外部接口单元分别与所述嵌入式控制单元电气连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置具备100μs以下的保护速度、高精度远端补偿功能、高可靠性、保护限值可调、通用性和可维护性强的特点，能够实现高速、高质、可靠的保护精密贵重被测物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的带远端补偿的高速型源载保护装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的保护执行单元中滤波电路的电路示意图；

图3为本发明实施例提供的保护执行单元中保护执行电路的电路示意图；

图4为本发明实施例提供的保护执行单元中驱动保护电路的电路示意图；

图5为本发明实施例提供的远端补偿单元中输出采样电路的电路示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的带远端补偿的高速型源载保护装置的结构示意图，所述保护装置主要包括保护执行单元、远端补偿单元、嵌入式控制单元、三态辅助供电单元、人机交互单元、外部接口单元，其中：

所述保护执行单元包括滤波电路、保护执行电路和驱动保护电路，该保护执行单元通过铜排或叠层母排输入端与交直流电源和远端补偿单元电气连接，这三者的电气连接用于透传输出功率和远端补偿信号；该保护执行单元进一步与嵌入式控制单元电气连接，用于接收该嵌入式控制单元产生的PWM信号；所述保护执行单元在输出电压、电流、功率超限值时，用于切断功率输出回路，当使用者排除故障后按指令恢复功率输出，并且保证高速性、高可靠性和双向流动性，同时抑制和衰减长距离功率回路中的共模和差模噪声；

上述交直流电源为所述保护装置的测量对象和功率输入；此外，该保护执行单元具备电流双向流动性，故所述保护装置的输入对象或保护对象不仅适用于交、直流电源，同样适用于双向变换器和电子负载等；

所述远端补偿单元包括输出采样电路、隔离放大电路、信号调理电路，该远端补偿单元分别与被测设备、保护执行单元、嵌入式控制单元电气连接，用于提供远端感应测量和远端输出补偿功能，能够消除所述保护装置中串联器件的影响，提高保护装置的电压和电流输出精度、负载调整率，指标可以媲美近端测量值，所述被测设备为所述保护装置的保护对象；

所述嵌入式控制单元包括设定电路、PWM生成电路、故障自锁电路、故障复位电路，该嵌入式控制单元分别与所述保护执行单元、远端补偿单元、人机交互单元和外部接口单元电气连接，用于根据人机交互单元或外部接口单元输入的通讯指令信息，灵活调节所述保护装置的输出保护设定值，当发生故障以后该嵌入式控制单元提供快速的自动封锁控制逻辑信号，并且按照所述人机交互单元与外部接口单元的指令完成实时的故障复位，恢复设备输出；

所述三态辅助供电单元分别与所述保护执行单元、嵌入式控制单元、人机交互单元电气连接，通过任选交流市电、直流24V、电源本身输入电压三种方式之一为所述保护装置提供辅助供电；

所述人机交互单元包括触摸显示模块、编码器控制模块、键盘控制模块和蜂鸣器控制模块，用于通过所述触摸显示模块、编码器控制模块和键盘控制模块实现人机交互功能，并利用所述蜂鸣器控制模块实现故障报警；

所述外部接口单元包括LAN接口模块、USB接口模块、GPIB接口模块和模拟接口模块，用于提供各种不同的接口实现外部通讯功能，以便适应自动化测试系统需要；

所述人机交互单元和外部接口单元分别与所述嵌入式控制单元电气连接。

具体实现中，如图2所示为本发明实施例提供的保护执行单元中滤波电路的电路示意图，该滤波电路采用增强型模式设计，用于抑制和衰减功率回路中的共模差模噪声；由于交直流电源的输出存在大量高频开关噪声，会形成EMI干扰源，为了抑制和衰减功率回路中的共模差模噪声，所以必须在保护装置的输入、输出端设计滤波电路；

如图3所示为本发明实施例提供的保护执行单元中保护执行电路的电路示意图，该保护执行电路采用高速高可靠性功率对管阵列设计，用于当输出电压、电流、功率超出限值时，切断功率输出主回路，保证高速性与高可靠性；具体来说：当输出电压、电流、功率超限值时，功率管阵列接收到驱动指令迅速切断功率输出回路，确保响应速度小于100μs。对于BUCK类、串联型输出拓扑功率管工作在高频开关状态，回路中分布电容电感参数较为复杂，很难避免和抑制功率器件失效；一旦功率器件失效为短路模式的话，1.25倍限值以上的电压直接长时间加在精密被测物两端，可能对被测物造成永久损毁；并且这种失效是电源内置保护机制抑制不住的。保护执行电路设计的高速功率管阵列工作在低频状态，功率裕量足够，可靠性非常高，高速高可靠性功率对管阵列设计使保护执行单元具备电流双向流动性，所以整个保护装置的输入对象或保护对象不仅适用于交/直流电源，同样适用于双向变换器和电子负载；

如图4所示为本发明实施例提供的保护执行单元中驱动保护电路的电路示意图，所述驱动保护电路采用隔离驱动模式设计，与所述保护执行电路电气连接，用于为所述保护执行电路提供有效的驱动信号，保证所述保护执行电路可靠运行；具体来说：由于保护执行电路采用的功率管阵列源极均与模拟地非等电势，所以驱动电路采用“光耦隔离”加“专用芯片驱动”方案，驱动保护电路把嵌入式控制单元传递出的PWM信号转化为驱动信号；电源运行之前，保护装置预先开启高电平驱动；当输出电压、电流、功率超限值时，驱动信号封锁。

进一步的，在所述远端补偿单元中：

如图5所示为本发明实施例提供的远端补偿单元中输出采样电路的电路示意图，所述输出采样电路采用差分型模式设计，具备优秀的抑制共模信号的能力，用于在被测设备近端采样输出电压、电流、功率信号，既用作保护限值对比又用于远端补偿，提高整个装置的电压和电流输出精度、负载调整率指标；具体实现中，由于每个器件，包括运放、电阻、电容都会对保护精度产生很大的影响，故为了更好的抑制共模信号，本实例中电路的电阻选用精度较高的高精密电阻，选择精度为0.1％、温度系数为10ppm或优于这个参数的电阻都比较理想；电容选用高精度、低温漂、低损耗的COG型表贴陶瓷电容；

所述隔离放大电路采用高带宽磁隔离结构设计，用于高共模电压环境下的小信号测量，对被测设备和数据采集系统予以隔离，从而提高共模抑制比；具体实现中，该隔离放大电路由差分采样放大、差分模数转换、高速模码转换模块、高频隔离器、高速码模转换模块、数模转换六部分构成，可应用于交流电源、双极性电源、多象限电源等功率输出地信号非固定且不可直接用于采样系统的场合，能够提供300kHz左右的高带宽的远端补偿信号，同时该电路还内置了隔离所需的供电电源；

所述信号调理电路用于保证弱电采样信号稳定传输，抑制长距离采样线路中分布参数对输出精度影响。

另外，具体实现中，上述人机交互单元和外部接口单元可采用外置、易拆卸的方式设计，并具备多种定制模式选择，提高了通用性和可维护性。

在所述嵌入式控制单元中，故障自锁电路、故障复位电路可采用FPGA逻辑电路来实现。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。例如，人机交互单元中远程交互应用SCPI标准指令集，使用Labview编写而成，也可根据实际需要设置不同格局的界面。

综上所述，本发明实施例所提供的保护装置具有如下优点：

1)能够在输出电压、电流、功率超限值时，对精密贵重被测设备实施高速有效的保护，响应速度低至100μs以下；

2)具备远端补偿功能，整个装置的电压和电流输出精度、负载调整率指标可以媲美近端测量值，能够保证系统需要；

3)保护装置对于BUCK类、串联型输出拓扑具有良好的适应性，能够避免和抑制功率器件失效；

4)保护装置可以宽范围、灵活调节保护限值，对于宽范围输出类电源和多种被测物的适应性大大增强；

5)保护装置可就近保护被测设备，人机交互单元具备多种模式选择，提高了通用性和可维护性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种带远端补偿的高速型源载保护装置，其特征在于，所述保护装置包括保护执行单元、远端补偿单元、嵌入式控制单元、三态辅助供电单元、人机交互单元、外部接口单元，其中：

所述保护执行单元包括滤波电路、保护执行电路和驱动保护电路，该保护执行单元通过铜排或叠层母排输入端与交直流电源和远端补偿单元电气连接，这三者的电气连接用于透传输出功率和远端补偿信号；该保护执行单元进一步与嵌入式控制单元电气连接，用于接收嵌入式控制单元产生的PWM信号；所述保护执行单元在输出电压、电流、功率超限值时，用于切断功率输出回路，当使用者排除故障后按指令恢复功率输出，并且保证高速性、高可靠性和双向流动性，同时抑制和衰减长距离功率回路中的共模和差模噪声；所述交直流电源为所述保护装置的测量对象和功率输入；

其中，在所述保护执行单元中：

所述滤波电路采用增强型模式设计，用于抑制和衰减功率回路中的共模差模噪声；

所述保护执行电路采用高速高可靠性功率对管阵列设计，用于当输出电压、电流、功率超出限值时，切断功率输出主回路，保证高速性与高可靠性；

所述驱动保护电路采用隔离驱动模式设计，与所述保护执行电路电气连接，用于为所述保护执行电路提供有效的驱动信号，保证所述保护执行电路可靠运行；

所述远端补偿单元包括输出采样电路、隔离放大电路、信号调理电路，该远端补偿单元分别与被测设备、保护执行单元、嵌入式控制单元电气连接，用于提供远端感应测量和远端输出补偿功能，能够消除所述保护装置中串联器件的影响，提高保护装置的电压和电流输出精度、负载调整率；所述被测设备为所述保护装置的保护对象；

其中，在所述远端补偿单元中：

所述输出采样电路采用差分型模式设计，用于在被测设备近端采样输出电压、电流、功率信号，既用作保护限值对比又用于远端补偿，以提高整个装置的电压和电流输出精度、负载调整率指标；

所述隔离放大电路采用高带宽磁隔离结构设计，用于高共模电压环境下的小信号测量，对被测设备和数据采集系统予以隔离，从而提高共模抑制比；

所述信号调理电路用于保证弱电采样信号稳定传输，抑制长距离采样线路中分布参数对输出精度影响；

所述嵌入式控制单元包括设定电路、PWM生成电路、故障自锁电路、故障复位电路，该嵌入式控制单元分别与所述保护执行单元、远端补偿单元、人机交互单元和外部接口单元电气连接，用于根据人机交互单元或外部接口单元输入的通讯指令信息，灵活调节所述保护装置的输出保护设定值，当发生故障以后该嵌入式控制单元提供快速的自动封锁控制逻辑信号，并且按照所述人机交互单元与外部接口单元的指令完成实时的故障复位，恢复设备输出；

所述三态辅助供电单元分别与所述保护执行单元、嵌入式控制单元、人机交互单元电气连接，通过任选交流市电、直流24V、电源本身输入电压三种方式之一为所述保护装置提供辅助供电；

所述人机交互单元包括触摸显示模块、编码器控制模块、键盘控制模块和蜂鸣器控制模块，用于通过所述触摸显示模块、编码器控制模块和键盘控制模块实现人机交互功能，并利用所述蜂鸣器控制模块实现故障报警；

所述外部接口单元包括LAN接口模块、USB接口模块、GPIB接口模块和模拟接口模块，用于提供各种不同的接口实现外部通讯功能，以便适应自动化测试系统需要；

所述人机交互单元和外部接口单元分别与所述嵌入式控制单元电气连接。

2.根据权利要求1所述带远端补偿的高速型源载保护装置，其特征在于，

所述人机交互单元和外部接口单元采用外置、易拆卸的方式设计，并具备多种定制模式选择。

3.根据权利要求1所述带远端补偿的高速型源载保护装置，其特征在于，

所述故障自锁电路、故障复位电路采用FPGA逻辑电路来实现。

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