CN116760166B - 一体式升降压灯具专用应急电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一体式升降压灯具专用应急电源，包括AC‑DC降压电路、供电稳压电路、充电控制电路、升压逆变电路、MCU处理电路、外部通讯电路以及输出转换电路。本发明应急电源内部集成了AC‑DC降压电路、供电稳压电路、充电控制电路、升压逆变电路、MCU处理电路、外部通讯电路以及输出转换电路，可大量减少连接线路，降低生产组装难度，提高生产效率，降低硬件成本，降压生产组装成本。
Description
技术领域
本发明涉及应急电源技术领域，特别是一体式升降压灯具专用应急电源。
背景技术
现有技术应急电源内部电气连接复杂，加工成本高，硬件成本高，生产效率底。因电源内部需要采用大量导线将各电路进行电气连接，存在成本高、生产组装耗费时间的问题。且电池组采用串联方式，无法使电池容量保持一致。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一体式升降压灯具专用应急电源。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一体式升降压灯具专用应急电源，包括AC-DC降压电路、供电稳压电路、充电控制电路、升压逆变电路、MCU处理电路、外部通讯电路以及输出转换电路。
作为本发明的进一步改进，所述AC-DC降压电路包括第一整流滤波电路、高配变换器、第二整流滤波电路、取样比较电路以及开关占空比控制电路，所述第一整流电路、高配变换器、第二整流滤波电路依次连接以用于将外部电源进行处理后输出，所述高配变换器、第二整流滤波电路、取样电路、比较电路以及开关占空比控制电路之间依次连接形成反馈。
作为本发明的进一步改进，所述第一整流滤波电路包括接入端、电感LF1、热敏电阻NTC1、电容C5、电容C6以及整流桥B1，所述电感LF1一端与接入端连接、另一端与整流桥B1连接，所述整流桥B1并联连接有电容C5、电容C6，所述热敏电阻NTC1位于整流桥B1与电容C5之间。
作为本发明的进一步改进，所述开关占空比控制电路包括脉宽调制芯片U1、MOS管Q33、MOS管Q34、电容C14以及变压器T2，所述MOS管Q33、MOS管Q34的G极均与脉宽调制芯片U1连接，所述MOS管Q33的D极与MOS管Q34的D极相连，所述MOS管Q33的S极接入电能，所述所述MOS管Q34的S极接地，所述变压器T2的一端与MOS管Q34的D极、S极连接，所述电容C14连接在MOS管Q34的D极与变压器T2之间；
作为本发明的进一步改进，所述取样比较电路包括与脉宽调制芯片U1、变压器T2另一端连接的电阻R17、电阻R18以及电阻R19。
作为本发明的进一步改进，所述第二整流滤波电路包括MOS管Q1，MOS管Q2、变压器T1、肖特基二极管D100，肖特基二极管D101、以及电感L100，所述变压器T1的一端分别与MOS管Q1、MOS管Q2连接，所述变压器T1的另一端分别与肖特基二极管D100，肖特基二极管D101连接，所述肖特基二极管D101与电感L100连接。
所述供电稳压电路包括依次连接的场效应管Q11、降压芯片U1以及电感L1以及线性稳压管U7。
作为本发明的进一步改进，所述充电控制电路包括场效应管N7、场效应管N8、同步降压开关调节控制器U10、电感L1、电容C89、电阻R131以及电阻R138，所述同步降压开关调节控制器U10分别与场效应管N7、场效应管N8、电感L1连接，所述场效应管N7、场效应管N8与电感L1连接，电感L1与电容C89连接，所述电阻R131以及电阻R138连接于电感L1与电容C89之间并与同步降压开关调节控制器U10连接。
作为本发明的进一步改进，所述升压逆变电路包括脉宽调制芯片IC1以及与脉宽调制芯片IC1连接的开关管G2，储能电感L1、续流二极管D8和滤波电容CE2，所述开关管G2分别与储能电感L1、续流二极管D8连接，所述滤波电容CE2与续流二极管D8、开关管G2连接以形成回路。
作为本发明的进一步改进，所述输出转换电路包括主控芯片U5、开关N13、开关N12、场效应管Q5以及场效应管Q13，所述主控芯片U5与开关N13的基极连接，所述开关N13的集电极与开关N12的基极连接，所述开关N12的集电极分别与与场效应管Q13的G极、场效应管Q5的G极连接，所述开关N12的发射极分别与场效应管Q13的S极、场效应管Q5的S极连接。
本发明的有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明应急电源内部集成了AC-DC降压电路、供电稳压电路、充电控制电路、升压逆变电路、MCU处理电路、外部通讯电路以及输出转换电路。可大量减少连接线路，降低生产组装难度，提高生产效率，降低硬件和生产组装成本。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明AC-DC降压电路的电路原理图。
图3为本发明供电稳压电路的电路原理图。
图4为本发明充电控制电路的电路原理图。
图5为本发明升压逆变电路的电路原理图。
图6为本发明MCU处理电路的电路原理图。
图7为本发明外部通讯电路的电路原理图。
图8为本发明输出转换电路的电路原理图。
图9为本发明AC-DC降压电路的原理框图。
图10为本发明第一整流滤波电路的电路原理图。
图11为本发明开关占空比控制电路的电路原理图。
图12为本发明取样比较电路的电路原理图。
图13为本发明第二整流滤波电路的电路原理图。
图14为本发明升压逆变电路的电路简化原理图。
具体实施方式
下面将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，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参考图1至图13，系统具体实施方式如下：
1、系统原理框图各部分电路接口供电说明
1.1、由开关电源“AC-DC降压电路”提供系统供电电压DC36V:主电源AC220V由J1接口接入，由变压器耦合隔离输出DC36V,由标号+36V_ZD&BD与GND对系统提供36V/9A电源。
1.2、由+36V_ZD&BD与GND对“系统供电稳压电路”提供输入电源，经过DC-DC降压后，为其它电路提供DC12V工作电压，DC12V经过U7线性稳压IC输出DC3.3V电源，对主MCU提供稳定的工作电源，输出电源接口为+12V,VCC(+3.3V)和GND。
1.3、由+36V_ZD&BD与GND对“充电控制电路”提供输入电源，经过U10-MP9928采用PWM电流控制架构，具有精确的逐周期电流限制功能。它能够驱动双N沟道MOSFET开关，经蓄能电感L1后，输出14.2V/3A的恒压恒流电源对电池提供电源，输出接口为+14.2和GND。
1.4、由1节12V电池组对“升压逆变电路”提供输入电源，电池组+12V连接至BAT+接口,电池组负极0V连接至BAT-接口。电池电压通过开关导管G2的开关，来控制电路中的蓄能电感L1进行能量储存以及释放，从而产生输出设定的电源DC36V/9A。由接口+36V_ZD&BD和GND组成升压输出接口对负载端提供电源。
1.5、由“MCU处理电路”中U1第2脚为电池的充电使能信号，使能信号连接至“充电控制电路”中的CHARGE_EN接口端。由U5第59脚产生脉冲信号连接至“MBUS输出转换电路”端口SD_H1,驱动+36V_ZD&BD电源产生36V的脉冲信号输出给负载端。
1.6、由“外部通讯电路”接口J11与上位机通过CAN通讯总线进行数据交换，通过U19通讯隔离电路的第3脚与第4脚连接至“MCU处理电路”电路中的U5的44脚与45脚。
1.7、由开关电源“AC-DC降压电路”提供系统供电电压DC36V及“升压逆变电路”升压逆变的电源DC36V，通过场效应管Q5和Q13组成对外输出回路，由L+和GND_OUT接口对外输出脉冲电源信号，脉冲电源信号受SD_H1信号控制。
2、各电路模块的工作原理描述
2.1、电路模块“AC-DC降压电路”电源方案采用了双管正激拓扑，输入电源AC220交流电源经整流滤波成直流后，经过高频变换器耦合隔离电压，再经过整流滤波后输出到负载端。工作原理框图，如图9所示。
第一整流滤波电路原理描述，如图10所示：
输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。当电源开启瞬间,要对C5和C6充电,由于瞬间电流大,NTC1(热敏电阻)就能有效的防止浪涌电流。LF1抑制相线与相线、相线与中线之间的差模干扰及共模干扰。交流电经过B1整流桥整流后,由C5和C6滤波得到较为纯净的直流电压。
2.1.2、开关占空比控制电路，如图11所示：
本方案选用的脉宽调制芯片为NCP1252A，是一种电流型开关电源集成控制器，其优点有外接元件少，外电路装配简单等优点。能够搭建高可靠性的正激AC-DC变换器,NCP1252A检测输出过载不依赖VCC,并提供输入过低保护,保证变换器的安全。NCP1252A采用固定工作频率脉宽调制方式,输出电压或负载变化时仅调整导通宽度。Q33,Q34,C14及T2组成了双MOS管Q1,Q2推动电路，同时对NCP1252A起到隔离保护的作用，提高电路的可靠性。
2.1.3、比较电路和取样电路，如图12所示：
NCP1252A芯片具备限流保护及稳压功能，电路中电阻R17,R18,R19起到限流保护的功能，即电流过渡比较电路，当过流保护点超过设计值10A时，NCP1252A停止输出驱动信号。输出端稳压电路主要由光耦U2和稳压管TL431组成输出高精度的固定电源电压。ZD51,ZD52及U3组成限压保护功能，当稳压功能失效后，限压保护功能很好的起到保护负载设备损坏。
2.1.4、第二整流滤波电路，如图13所示：
由开关占空比控制电路和MOS管Q1,Q2驱动电路来驱动变压器T1工作，通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管Q1,Q2进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频率的交流电提供给高频变换器T1进行变压,高频变换器T1次级感应出高频交流电压,交流电压经过高频变换器后先经过肖特基二极管D100,D101的整流，得到近似直流电的纹波,再经过电感L100和电容C106,C107的滤波得到平滑的直流输出电压。电感L100有储能的作用,在开关管闭合期间提供能量。输出部分通过反馈电路给控制芯片NCP1252A,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。
2.2、系统供电稳压电路原理描述，如图3所示：
系统供电工作流程如下：降压后的主电源+36V_ZD&BD经过Q11场效应管，Q11场效应管受N11控制关断与导通，当控制信号(SYS_OFF_BD)为高电平时，Q11导通工作。+36V_ZD&BD经过DC-DC降压芯片U11和L1组成的降压电路，将电压降压到+12V，+12再经过线性稳压管U7降压到+5.0V,+12V给MBUS输出电源提供驱动电源，+5.0V给MUC主控芯片提供工作电源。当控制信号(SYS_OFF_BD)为低电平时，Q11场效应管关断输出，使降压芯片U11停止电源输出，+12V关断后系统自动关机。
2.3充电控制电路原理描述，如图4所示
系统降压工作流程如下：
主电源+36V_ZD&BD输入到N7场效应管,N7受U10-M8829同步降压开关调节控制器控制，MP9928使用PWM电流控制架构，MP9928具有精确的逐周期限流保护功能。MP9928能够驱动2路N-通道MOSFET开关管N7和N8。全方位的故障保护包括精确的输出过压保护(OVP)、输出过流保护(OCP)和过温关断保护。
降压恒压恒流充电流程如下：电源+36V_ZD&BD输入到N7场效应管导通后，电源经过储能电感L1给电容C89充电，当电压达能14.2V时，电压过R131和R138分压反馈到U10第8脚，FB一旦触发,MP9928将进入放电模式，N7关闭，N8打开并一直打开，直到触发反向限流，N7关闭后，电感电流将增加到0。N7将在下一个时钟周期再次打开,MP9928工作在放电模式，直到过电压条件清除。
RL1电流分流器反馈的电压值将做为恒流源参考。由FB及恒流模式组成的恒压恒流模式对电池充电，起到防止过压和过流充电，赶到防止损坏电池的目的。
2.4、升压逆变电路原理描述，如图5所示
系统升压工作流程如下：
升压电路原理由图5所示是DC-DC升压型开关电源的主电路，主要构成元器件包括脉宽调制芯片IC1-TL494，开关管G2，储能电感L1、续流二极管D8和滤波电容CE2。
图5工作原理可简化为图14，以上电路采用的是并联式的结构，既在主回路中开关管T与输出端负载RL并联。由PWM波控制开关管T的关断导通时间，高电平时开关管导通，由于导通压降很小，所以续流二极管D截止，此时Ui通过开关管对电感器L充电，负载RL靠电容C中存储的电能供电。低电平时开关管关断，此时续流二极管D导通，Ui与电感器L产生的感应电势正向叠加后，通过续流二极管D对电容器C充电，并同时对负载RL供电。并联式的开关电源电路可以使输出电压高于输入电压，既可实现DC-DC升压的功能。
此升压方案在不改变电路输出PWM波频率的情况下，通过电压反馈电路，调节输出PWM波的宽度来达到稳压目的。电压反馈电路的工作原理是：当输入电压增大时，取样电阻输出的采样电压也将增大，并在比较放大器和基准电压进行比较，通过放大器输出的信号去控制PWM产生器，使输出脉冲占空比减小，输出电压保持稳定。反之，当输入电压减小时，PWM产生器输出脉冲占空比增大，输出电压仍可以保持稳定。
本升压电路中，IC1-TL494引脚1脚接升压输出电压反馈，达到稳压目的。IC1-TL494引脚15，16脚并联接分流电阻RS1,RS2,作为输出电流反馈比较值，达到限流保护目的。
本升压电路可以实现DC12V输入，DC36V的输出，最大输出电流可达9A，效率高于86％，负载调整率约为2％，电压调整率为1.45％，并且具有过压保护和过流保护的能力。
2.5、MCU主控制电路原理描述，如图6所示
此MCU主控制电路中，U1芯片为8位单片机，负责控制主电压的检测，主备电源切换开关，电池电压检测，充电截止，放电保护，输出电压输出电流检测等功能。
U5芯片为32位单片机，负责与U1通讯，读取相关信息；发送与接收MBUS信号，与消防应急灯具进行数据交换；发送与接收CAN通讯数据，与上位机进行数据交换。
MBUS通讯接口可将数据发送给消防应急灯具，并接收处理灯具反馈的信息。通讯方式采用的是下行电压脉冲发送，上行采用电流环下拉检测。
CAN通讯接口可将检测到的数据及灯具信息与上位机进行数据交换，CAN总线具有搞干扰能强及通讯距离远的优点。
2.6、MCU主控制电路原理描述，如图7所示
CAN通讯模组采用的是金升阳单路高速CAN隔离收发电路，主要功能是将TTL/CMOS电平转换为CAN总线的差分电平，实现信号隔离；是一款采用IC集成化技术，集电源隔离、信号隔离、CAN收发和总线保护于一体的CAN总线收发电路，可实现3000VDC电气隔离。每个网络最多可接入110个单路TD_CAN隔离CAN收发电路，通用电路通讯距离大于1km。
通讯根据技术参考，总线通讯距离与通讯速率以及现场应用相关，可根据实际应用和参考相关标准设计，通讯线缆选择双绞线或屏蔽双绞线并尽量远离干扰源。远距离通讯时，终端电阻R44值需要根据通讯距离以及线缆阻抗和节点数量选择合适值。
2.7、MBUS输出转换电路原理描述，如图8所示
MBUS，全称Meter-Bus，是用一对导线传输串行数据的仪表总线，总线系统由挂接在总线上的一个主机和一系列从机组成，可以满足各消防应急灯具的组网和远程通讯的需要，同时还可以满足远程供电或电池供电系统的特殊要求，具有高可靠、低成本组网特点。
系统发送逻辑0，对应MBUS总线电压高于12V，主机发送逻辑1，对应MBUS总线电压为36V且比逻辑0时高10V以上；主机接收逻辑1时，MBUS总线上的下拉电流不大于1.5mA，主机接收逻辑0时，MBUS总线电流比逻辑1时大11～20mA。
MBUS输出工作原理描述如下：此电路为MBUS输出电路，电源+36V_ZD&BD输入到Q5和Q13场效应管，由MCU主控芯片U5-59脚输出脉冲调制信号SD-H1,SD-H1信号驱动N13，当SD-H1为高电平时N13导通将电平拉低，N12导通输出高电平使Q5和Q13截止输出，同理，当SH-H1为低电平时，Q5和Q13导通输出高电平DC36V，SD-H1控制脉冲电平输出宽度来达到信号的传输。
当SD-H1为高电平时，脉冲电平停止输出，由MCU主控芯片U5-58脚输出高电平使能MBUS使能处理接收状态，当FD1为高电平时，N14导通将电平拉低，此时三极管P3导通使能达林顿管P5导通放电，当输出端L+有短时间的拉电流时，BL1输出高电平；同理没有拉电流时，输出高电平，MBUS通过判断有无负载端有无拉电流来处理信号的反馈。
本方案中将开关电源AC-DC电路部分，DC12升压至DC36V电路部分，电池充电电路部分及MBUS输出电路部分集成为一个单元模组，即将降压电路与升压电路及其它电路集成在一块线路板上，大大减少外围连接线及接口。此方案中，将一节电池DC12V升压逆变到DC36V是本方案的关键，采用一节电池12V供电可防止电池充放电时电池电量的不均衡，导致电池组寿命缩短。采用一节电池组供电，可提高电池组的使用寿命，并降低了多电池组的安装工序。提高电路的集成度，可提高系统可靠性，降低生产组装成本。
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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一体式升降压灯具专用应急电源，其特征在于，包括AC-DC降压电路、供电稳压电路、充电控制电路、升压逆变电路、MCU处理电路、外部通讯电路以及输出转换电路；
所述AC-DC降压电路包括第一整流滤波电路、高配变换器、第二整流滤波电路、取样比较电路以及开关占空比控制电路，所述第一整流滤波电路、高配变换器、第二整流滤波电路依次连接以用于将外部电源进行处理后输出，所述高配变换器、第二整流滤波电路、取样电路、比较电路以及开关占空比控制电路之间依次连接形成反馈；
所述第一整流滤波电路包括接入端、电感LF1、热敏电阻NTC1、电容C5、电容C6以及整流桥B1，所述电感LF1一端与接入端连接、另一端与整流桥B1连接，所述整流桥B1并联连接有电容C5、电容C6，所述热敏电阻NTC1位于整流桥B1与电容C5之间；
所述开关占空比控制电路包括脉宽调制芯片U1、MOS管Q33、MOS管Q34、电容C14以及变压器T2，所述MOS管Q33、MOS管Q34的G极均与脉宽调制芯片U1连接，所述MOS管Q33的D极与MOS管Q34的D极相连，所述MOS管Q33的S极接入电能，所述MOS管Q34的S极接地，所述变压器T2的一端与MOS管Q34的D极、S极连接，所述电容C14连接在MOS管Q34的D极与变压器T2之间；
所述取样比较电路包括与脉宽调制芯片U1、变压器T2另一端连接的电阻R17、电阻R18以及电阻R19。
2.根据权利要求1所述的一体式升降压灯具专用应急电源，其特征在于：
所述第二整流滤波电路包括MOS管Q1，MOS管Q2、变压器T1、肖特基二极管D100，肖特基二极管D101、以及电感L100，所述变压器T1的一端分别与MOS管Q1、MOS管Q2连接，所述变压器T1的另一端分别与肖特基二极管D100，肖特基二极管D101连接，所述肖特基二极管D101与电感L100连接。
3.根据权利要求1所述的一体式升降压灯具专用应急电源，其特征在于：
所述供电稳压电路包括依次连接的场效应管Q11、降压芯片U1以及电感L1以及线性稳压管U7。
4.根据权利要求1所述的一体式升降压灯具专用应急电源，其特征在于：
所述充电控制电路包括场效应管N7、场效应管N8、同步降压开关调节控制器U10、电感L1、电容C89、电阻R131以及电阻R138，所述同步降压开关调节控制器U10分别与场效应管N7、场效应管N8、电感L1连接，所述场效应管N7、场效应管N8与电感L1连接，电感L1与电容C89连接，所述电阻R131以及电阻R138连接于电感L1与电容C89之间并与同步降压开关调节控制器U10连接。
5.根据权利要求1所述的一体式升降压灯具专用应急电源，其特征在于：
所述升压逆变电路包括脉宽调制芯片IC1以及与脉宽调制芯片IC1连接的开关管G2，储能电感L1、续流二极管D8和滤波电容CE2，所述开关管G2分别与储能电感L1、续流二极管D8连接，所述滤波电容CE2与续流二极管D8、开关管G2连接以形成回路。
6.根据权利要求1所述的一体式升降压灯具专用应急电源，其特征在于：所述输出转换电路包括主控芯片U5、开关N13、开关N12、场效应管Q5以及场效应管Q13，所述主控芯片U5与开关N13的基极连接，所述开关N13的集电极与开关N12的基极连接，所述开关N12的集电极分别与场效应管Q13的G极、场效应管Q5的G极连接，所述开关N12的发射极分别与场效应管Q13的S极、场效应管Q5的S极连接。
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