CN1139233A - 电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明采用电流源供电，通过开关切换及储能电容将电流转换为电压并存储电能，可有多种输出电压；可采用A/D作检测器，建立程控或智能电源，可兼容数字调校和手动调整，可连续调节输出电压的大小和极性及其输出特性；电度表等小功率电源采用电容电流源，通过开关泄流，减少有功损耗，同时使得电度表避免采用互感器等磁性器件，增强抗干扰能力，并具有高效、高可靠、轻小而廉价、单片化的优点。

Description

电源装置

本发明属于电源装置领域；更具体地，本发明涉及电流源与开关配合的多路直流稳压一次电源。

现有的直流稳压电源，一般采用变压器降压，整流，稳压方式，每路最多提供一正，一负两路电源，效率低，体大，笨重，成本高；开关电源需高压开关，同样需要电感，缺点类似变压器方式，一般效率较高，但小功率场合效率不高。

对于小功率直流电源，一般采用接于交流高电压上的电容作电流源，对该电流源产生的电流整流，最多可获得一正，一负两路电源，但其富余电流通过稳压管泄放，泄放部分能量损耗为Vz×I，效率低，寿命由于稳压管处于大电流工作状态而较短，一但稳压管断路，则交流高电压将冲击后续电路，使事故扩大。

本发明的目的是针对上述缺点，提供一种多路稳压直流输出，高效，长寿，低成本的电源装置，并可提供外部数字调整能力及输出电源状态信号。

技术方案：

一种电源装置，包括若干电流源，若干储能电容和若干控制装置；电流源输出电流至控制器的输入端，控制装置输出电流至储能电容及与电容相连的外部负载，或接地端；

控制装置包括切换开关，检测器和控制器；检测器检测比较输入和/或输出端和/或参考基准的电压或电流信号，输出信号至控制器，控制器输出信号至切换开关并控制该开关将输入电流切换至输出端或接地端，开关接于输出端对储能电容充电，使输出端电压稳定在一定的范围内，接于地端使多余的电流经接地端泄放。

由于为电流源供电，因此通过开关切换及储能电容将电流转换为电压并存储电能，可有多种输出电压。

由于通过开关泄流，开关上的压降远小于稳压管的电压，减少有功损耗。

若干控制装置可有若干输入端与若干电流源按阵列方式连接或选接，

若干输出端与若干储能电容按阵列方式连接或选接；

由于采用阵列互连方式，因此可提供多重供电回路，可获得灵活的功率分配和更高的可靠性。

所述控制器接受检测器的输出信号及外部信号，控制切换开关，调节输出的电压、极性及输出特性，并协调多个控制装置对若干输入和输出电流的控制；可输出电源电压、检测器输出、切换开关等的状态信号。

所述检测器可为多通道误差比较器或A/D，其输出信号送至控制器；控制器可根据外部信号及内部各输出端的电压误差值和优先次序加权，以动态优先级确定各开关的工作状态，满足各级输出端所需的的响应速度和稳定度。

所述检测器可由一个检测控制器及输入电阻，多通道选择开关，积分器和电平检测器构成，可工作于误差比较器或单积分或双积分A/D状态；所述检测控制器可根据控制器给予的指令，选择适当的工作方式，输出信号控制多通道选择开关选通各输入和/或输出端和/或参考端的电压或电流，及其选通时间，依据电平检测器反馈信号的状态和/或时长确定各信号的大小和/或极性，将结果送至控制器。

所述控制装置可分为输入模块和若干输出端组成的输出模块；

输入模块包括电流方向检测器，接地开关及其控制器；

输出模块包括输入切换开关，检测器和控制器；

检测器检测比较输入和/或输出端和/或参考基准的电压或电流信号，输出请求信号至控制器，控制器根据本模块的请求信号和外部输入的允许/禁止信号，输出允许/禁止信号至后续模块及本地切换开关，并控制该开关将输入电流切换至若干输出端；

接地开关控制器接受各模块的请求信号及电流方向检测器的方向信号，输出信号控制接地开关接地或打开，并输出允许/禁止信号至相应输出模块，使电流经相应输出模块流向相应储能电容。

各输出模块可插入嵌装。

还可包括由二极管，储能电容构成的保护支路，用于吸收开关过程或接地不良产生的高电压，并可作为输出支路使用。

将所述保护支路上的储能电容上的电压连至检测器，并将检测信号再连至控制器，构成与其它输出端类同的输出支路。

保护支路上还可包括稳压管，用于泄放过高电压时继续输入的电流。

若干保护支路具有多相整流器。

若干输出端或储能电容可连至控制装置的输入端，可作为辅助的电流源，用于主干线过零或缺相或其它紧急请求状态供电。

所述电流源可由接于交流高电压上的电容或电感构成，也可由开关与电感构成，或由接于高电压的电阻器构成。

附图：

图1为现有小功率直流电源电路结构图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的多输入、输出电源装置电路原理图；

图4为本发明的模块式电源装置电路原理图；

图5为本发明的一个实施例-电度表电源电路图。

图6为电感电流源供电的多路电源原理图；

附图说明：

图1为现有小功率直流电源电路结构图；图中电容的一端接于高压交流电源AC上构成电流源，另一端接于一正、一负两路由二极管、稳压管、储能电容构成的整流稳压支路的输入端，输出电压由稳压管限制其最高电压，由储能电容存储电能；其特点是当电容电压高于稳压极限Vz时，继续输入的富余电流I通过稳压管泄放，泄放部分能量损耗为Vz×I，效率低，寿命由于稳压管处于大电流工作状态而较短，一旦稳压管断路，则交流高电压将冲击后续电路，使事故扩大。

图2为本发明的电路原理图；

图中电容1的输入端接于高压交流电源AC上构成电流源，输出端接切换开关2和保护支路4、5的输入端，切换开关2的输出端接若干储能电容3和地，保护支路4、5由二极管、稳压管、储能电容构成，类似图1的整流稳压支路；

6为多路检测器，包括由施密特门构成的电平检测器7、由运放和电容构成的积分器8、多路切换开关9、电阻排10和检测控制器11；多路切换开关输入端9通过电阻排10连接各储能电容3、两保护支路4和5的输出端、电容1的输出端、正负参考基准电压+Vr和-Vr，并直接连接积分器8的输出端及地，其输出端连接积分器8的输入端，积分器8的输出端连接电平检测器7的输入端，电平检测器7的输出端连接检测控制器11的输入端，检测控制器11通过总线BUS与控制器12交换数据，并输出信号控制切换开关9的动作；检测控制器11通过总线调入各路输出端电压的大小和极性数据，检测器6的工作方式数据，当然各数据可固化于检测控制器内，使检测器6工作于误差比较器或单积分或双积分A/D状态：

开关9可接于积分器8的输出端，使积分电容放电回零，再按电平检测器7的状态选接+Vr或-Vr，使电平检测器7的输出反转，检测控制器11记录该时间间隔作为双积分的参考数值，再接其它输入信号，测量电平检测器7的反转时间间隔，即可测得其输入电流/电压的大小，改变输入电阻排各电阻的数值可获得不同的比率或输出电压值；

当然积分器不一定回零，可直接从电平检测器7的两电平间扫描，但有一倍的电压行程，增加测量时间；电平检测器7也可采用窗口检测器，则可不论输入电流或其和的极性，回零后总有一个反馈信号，降低控制强度，但增加模拟器件；电平开关9可逐个输入端扫描，工作于单积分或双积分状态，也可分时输入方向相反的输入信号和基准信号，测量累积其电流差及其反馈时间间隔确定其误差。

各工作方式或动作顺序可由软件决定；

控制器还可根据所测定的数值判断出当前电源的状况，并输出相应信号。

各电压可通过总线与外部基准进行数字调校；

12为控制器，通过总线BUS与外部和检测器连接，与外部设备和检测器6交换信号，输出信号控制切换开关2的动作，将输入电流切换至输出端或接地端，开关接于输出端对储能电容3充电，使输出端电压稳定在一定的范围内，接于地端使多余的电流经接地端泄放，并可调节输出的电压、极性及输出特性，并协调多个控制装置对若干输入和输出电流的控制；可输出电源电压、检测器输出、切换开关等的状态信号；

控制器12可根据外部信号及内部各输出端的电压误差值和优先次序加权，以动态优先级确定各开关的工作状态，满足各级输出端所需的的响应速度和稳定度。

在本图中，检测器6扫描各端电压，因此检测各输出端电压的下降速度和预测定的储能电容3的值即可测定负载的大小，可凭此建立短路保护，发出警告并断开该路的输入或输出电流，使负载端得到保护。

本图可为一个程控或智能多路电源的硬件基础，通过两控制器11、12(或合而为一个控制器)的软件配置，可获得多种多样的电源；当然大功率场合的电流源需改为电感与开关配合的开关电流源，然而仍可采用本图所述的电流分配和电流/电压转换方式，获得多路可调电压，具体参见图6。

输出电压可通过设置检测器6的参数调整，也可通过调整电阻排10的阻值而调整；通过电阻排10调整时，可增加一个检测器以准确检定和输出各输出电压值。

当然本图中的输出端数目不限于图示的共7个输出电压，本领域的技术人员不难增加开关的端数或开关数量来增加输出电压数，相反也可减少输出端数。

图中要注意的是由于输入的为交流信号，并且各输出端电压不等，所以在开关2切换各时段需检测输入端的电压和极性，确保电流方向正确；各端输出的最大电流总和应少于或等于输入电流的最小值(至小在一定的时间内的总和)，以免供电不足；较大功率或高稳定的输出端可接较大的储能电容或安排较高的优先级；保护支路具有最大电压(正或负)而最低优先级。

本图的另一大特点是除电容外所有器件均为低压直流器件，可集成于同一集成电路内，考虑外部可调特性，可将输入电阻10作为外引反馈回路，通过电阻10调节输出电压，而不须依赖数字系统。

图3为本发明的多输入、输出电源装置电路原理图；

图中检测器6和控制器与图2中的一致或相似，不再赘述；

不同的是输入为由三个电容1接于三相交流电压上构成的三相电流源；保护支路4、5具有三相整流器，保护支路的输出还作为电流源，与三相电流源构成5路的电流总线，提供额外的供电缓冲能力；为表达方便，图2中的切换开关2分为三相电流源的接地开关13和各输出端一个的多路开关14，与图2所述的切换开关2功能相类似，电流过剩时接地开关13闭合泄放电流，控制器12根据检测结果按输出端的需要切换各不同的输入电流；

本图中由于为三相供电，则整周期各时段均有正负电流输入，较单路输入只有半周为正半周为负更稳定，可提供更大的供电能力和更高稳定度，而所需储能电容3的值可减少。

图中各输出端还可选择接地，提供更大的操作空间，如关机和开机电源加载顺序安排等。

当然输出端可通过增加开关14的数量而增加，显而易见检测器6和控制器12也要作适当调整。

图4为本发明的模块式电源装置电路原理图；

图中电容1接于交流高电压上构成所述电流源，15为接地开关，16为电流方向检测器，17为接地开关控制器，18为正向输出模块，19为负向输出模块，3为所述储能电容；

其中电流方向检测器16由非门28和比较器29构成，比较器29检测当前输入电压或电流方向，输出方向信号连至首个正向输出模块18作为允许/禁止信号、接地开关控制器17中的或门25的一个输入端及非门28的输入端，非门28的输出信号连至首个负向输出模块作为允许/禁止信号、接地开关控制器17中的或门26的一个输入端；

接地开关控制器17由或门25、26和与门27构成；或门25接受来自比较器29的输出信号和来自首个正向输出模块18中的与门20输出的请求信号，或门26接受来自非门28的输出信号和首个负向输出模块19中的与门输出的请求信号，与门27的两个输入端分别接两或门的输出信号，输出端输出信号控制开关15将电流接地或切换至其它模块的输入端；

正向输出模块18由与门20和或非门21构成的控制器、运放及电阻稳压基准及施特非门构成的检测器24、开关22、二极管23构成；检测器24检测输出电流/电压的大小，当输出信号小于预定值时输出一个低电平作为请求信号，告知或请求补充电荷/电流；二极管23接于输入电流源及开关22之间，用于限制电流的流向，省去图2所述流向判断检测；开关22的另一输入/输出端接于输出端或储能电容，控制端接于或非门21的输出端，当或非门21分别输入两个低电平信号，即方向检测器16输出低电平指示当前电流/电压方向为正的允许/禁止信号和检测器24输出的低电平表示的本地请求信号时，输出高电平至开关22使其闭合，引入电流至储能电容，同时或非门21的输出信号还连至后续模块，作为后续模块的允许/禁止信号；本地请求信号和后续模块的请求信号分别连至与门20的两个输入端，输出表示本地和后续模块请求的新的请求信号；

后续各正向输出模块具有与首个输出模块完全一致的组成和结构，按前后之间按后向请求输入和前向请求输出，后向允许/禁止输出和前向允许/禁止输入顺次层叠，而电流输入端并联于电流源的输出端上，即可构成层叠式模块电源，只要电流量足够，则可以插入嵌装方式层叠出多个不同电压的电源；

负向模块除检测器与二极管的方向因极性的差异稍有不同外，其余与正向模块一样；

本图中优先级按从下而上，或按与输入模块的距离排列，越在下层或越接近输入模块的输出模块具有越高优先级；

另外优先级也可按电压从低至高自然排列，低电压有较高优先级，则可省去各模块中的或非门和与其相连的允许/禁止信号线，开关直接由本地请求信号控制，各请求信号按正/负方向以线与的形式分别接至开关控制器。

当然，由于图面限制未标出保护支路，但本领域的技术人员不难参照图2加上；保护支路应具有最低优先级或预备其有最差稳定度。

由图及上述描述中可见各模块的输出电压仅由其自身的检测器决定，各模块具有相同的结构和接口，因此可分别按需要选择合适的模块并按一定次序排列可得到多种的电压输出；当然各模块可分别将检测器的若干电阻改为可调电阻，即可调节输出电压的大小和稳定度；

本领域的技术人员不难参照本图设计出其它相类似的模块电源。

图5为本发明的一个实施例-电度表电源电路图。

图中电容1与高压交流电源构成电流源，31、32为加装检测器成为输出支路的保护支路，另30为一个含开关22、二极管23和检测器的输出支路，接地开关15和电流/电压方向检测器与图4所述的相同，33为控制器，接受各检测器输出的信号，输出信号控制接地开关15和开关22，使各支路得到适当的电流和使富余电流入地；34为一般稳压回路，输出二次稳压电源；35为电压基准，向各检测器和稳压回路提供基准电压。

本图可视为图4的一个自然分级的模块电源实例，检测器采用静态误差比较器，降低控制要求，简化电路，降低成本；而其输出的三个电压可分别供给模拟和数字电路分别使用。

由于电度表为高精度衡器，功率小，长年工作，需要节电和高可靠性，而输入信号为交流信号，特别是用在线小电阻取样电流时，为获得足够的放大和转换精度，需要稳定的电压幅值较大的正负电压源，当然电压信号转换及其它模拟电路工作时也希望有大的正负电压源，以获得较大的精度或简化电路；而目前数字电路的工作电压较低，直接分压获取电流浪费电能，单独取电又增加元件和体积；因此本图所示电路正是特别为其设计的电源电路，具有多路稳压输出，适应大的输入电压范围，但极低的有功损耗，而无功损耗为容性，在绝大多数场合反而起补偿作用，并且除电容外均为低压器件，适合集成为单片电路，特别是配合光电隔离器等隔离器件，直接以小电阻取样电流，将其放大、运算、转换为数字信号后再传至数据终端，可避免采用互感器等磁性器件，增强抗干扰能力，并具有高效、高可靠、轻小而廉价的优点。

图6为电感电流源供电的多路电源原理图；

图中只示出主要电流线路，检测和控制可比照图2和图4，不再赘述；

本图中包括多个储能电容3，电感40，开关36、37，二极管38、39，滤波电容40；控制器控制各输入交流电流只从一个方向流经电感35，使电感的两端成为一正、一负的电流源，通过开关切换各电流至储能电容3，得到多路电压输出，两二极管起保护作用，用于分流开关过程中积聚的电流；

通过控制开关的动作，可控制输入的交流电流从而控制电流源的电流值，可适应输出总电流的需要；各储能电容上的电能可通过开关回馈至电感，实现双向或多向电压变换，如交直流UPS；

当然，图中一个显而易见的缺点是交直流共地，在需要隔离的场合可采用脉冲互感器，在原边采用脉冲充磁方式，对视为电感的副边充磁，则分配电路可照样使用；输出的电压数量可随开关的端数而增加，其功率和稳定度可通过储能电容和/或优先级改变，或以智能电源总体监控各点电压/电流。有益效果

由于为电流源供电，因此通过开关切换及储能电容可简易地将电流转换为电压并存储电能，可有多种输出电压。

可多种不同级别的控制方式，实现多种控制，采用A/D作检测器时，可建立程控或智能电源，可兼容数字调校和手动调整，可连续调节输出电压的大小和极性及其输出特性。

对于电度表等小功率场合，可采用电容电流源，通过开关泄流，减少有功损耗，同时使得电度表避免采用互感器等磁性器件，增强抗干扰能力，并具有高效、高可靠、轻小而廉价、单片化的优点。

对于较大功率的场合，如计算机的电源，可采用开关电感电流源，获取多路连续可调电压的相互转换能力。

本发明仅展示了部分的示例，本领域的技术人员可根据本发明的精神设计出更多的实施例。

Claims (12)

1.一种电源装置，包括若干电流源，若干储能电容和若干控制装置；电流源输出电流至控制器的输入端，控制装置输出电流至储能电容及与电容相连的外部负载，或接地端；其特征是：

控制装置包括切换开关，检测器和控制器；检测器检测比较输入和/或输出端和/或参考基准的电压或电流信号，输出信号至控制器，控制器输出信号至切换开关并控制该开关将输入电流切换至输出端或接地端，开关接于输出端对储能电容充电，使输出端电压稳定在一定的范围内，接于地端使多余的电流经接地端泄放。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征是：

若干控制装置可有若干输入端与若干电流源按阵列方式连接或选接，

若干输出端与若干储能电容按阵列方式连接或选接；

3.根据权利要求1所述的电源装置，其特征是：

所述控制器接受检测器的输出信号及外部信号，控制切换开关，调节输出端的电压、极性及输出特性，并协调多个控制装置对若干输入和输出电流的控制；可输出电源电压、检测器输出、切换开关等的状态信号。

4.根据权利要求1所述的电源装置，其特征是：

所述检测器可为多通道误差比较器或A/D，其输出信号送至控制器；控制器可根据外部信号及内部各输出端的电压误差值和优先次序加权，以动态优先级确定各开关的工作状态，满足各级输出端所需的的响应速度和稳定度。

5.根据权利要求4所述的电源装置，其特征是：

所述检测器可由一个检测控制器及输入电阻，多通道选择开关，积分器和电平检测器构成，可工作于误差比较器或单积分或双积分A/D状态；所述检测控制器可根据控制器给予的指令，选择适当的工作方式，输出信号控制多通道选择开关选通各输入和/或输出端和/或参考端的电压或电流，及其选通时间，依据电平检测器反馈信号的状态和/或时长确定各信号的大小和/或极性，将结果送至控制器。

6.根据权利要求1所述的电源装置，其特征是：

所述控制装置可分为输入模块和若干输出端组成的输出模块；

输入模块包括电流方向检测器，接地开关及其控制器；

输出模块包括输入切换开关，检测器和控制器；

检测器检测比较输入和/或输出端和/或参考基准的电压或电流信号，输出请求信号至控制器，控制器根据本模块的请求信号和外部输入的允许/禁止信号，输出允许/禁止信号至后续模块及本地切换开关，并控制该开关将输入电流切换至若干输出端；

接地开关控制器接受各模块的请求信号及电流方向检测器的方向信号，输出信号控制接地开关接地或打开，并输出允许/禁止信号至相应输出模块，使电流经相应输出模块流向相应储能电容。

各输出模块可插入嵌装。

7.根据权利要求1所述的电源装置，其特征是：

还可包括由二极管，储能电容构成的保护支路，用于吸收开关过程或接地不良产生的高电压，并可作为输出支路使用。

8.根据权利要求7所述的电源装置，其特征是：

将所述保护支路的储能电容的电压连至检测器，并将检测信号再连至控制器，构成与其它输出端类同的输出支路。

9.根据权利要求7所述的电源装置，其特征是：

保护支路上还可包括稳压管，用于泄放过高电压时继续输入的电流。

10.根据权利要求7所述的电源装置，其特征是：

若干保护支路具有多相整流器。

11.根据权利要求1所述的电源装置，其特征是：

若干输出端或储能电容可连至控制装置的输入端，可作为辅助的电流源，用于主干线过零或缺相或其它紧急请求状态供电。

12.根据权利要求1所述的电源装置，其特征是：

所述电流源可由接于交流高电压上的电容或电感构成，也可由开关与电感构成，或由接于高电压的电阻器构成。

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