CN201789415U - 一种用于脉冲型负载的供电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于脉冲型负载的供电装置，包括：电源、开关型恒流充电电路、电容器、以及DC/DC电路；当脉冲型负载处于工作间隙时，电源通过充电电路为电容器充电；当脉冲型负载处于工作期间，充电电路与电容器共同向DC/DC电路供电。本实用新型允许储能电容上的电压大范围波动，大幅度的减少电容量，从而在释放同样能量的前提下节省了成本并减少了体积和重量。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子技术领域，尤其是无线通信设备的电源技术领域。
背景技术
在无线通信、高能激光、雷达等技术领域，负载消耗的功率往往不是恒定的，而是周期性的脉冲，如常见的雷达发射机、以及GSM和TD-SCDMA通信网络的射频功放等。这些负载周期性的工作，峰值功率往往会超过平均功率的几倍，甚至几个数量级。由于上述因素的影响，造成了这些设备的电源选择上出现两难的境地：假如按照平均功率设计，则最大的功率输出能力不能满足负载的需求；假如按照峰值功率设计，则平均功率又过大造成浪费。为了解决这个问题，一般使用大容量的储能电容，在负载工作的间隙存储来自电源的能量，并在负载大功率工作时释放能量供负载使用。
在现有技术中，储能电容连接方式有两种。一种连接方式如图1所示(以下简称方案1)，储能电容跟脉冲型负载并联在一起，所示的DC/DC电路含有限流功能以保护电源不超载。在负载电流较小时，DC/DC电路对电容充电，而在负载电流较大时，电容器释放电流补充DC/DC电路输出的不足。
在方案1中，由于电容并联在DC/DC电路的输出端，电容充放电会导致该网络上电压波动。如果负载对电压的稳定性要求比较高，就会需要一个很大容量的电容进行储能，给设备的成本和体积造成很大影响，甚至会影响到该方案的可实现性。
另一种连接方式如图2所示(以下简称方案2)，将储能电容并联在DC/DC电路之前，并将一个线性限流电路插入到供电设备和电容之间。只要储能电容上的电压高于DC/DC电路的最小输入电压，即可保证DC/DC电路正常工作。在此前提下，负载端的电压稳定通过DC/DC电路的瞬态响应能力来保证，跟电容上的电压跌落无关。由于方案2允许储能电容上的电压有较大幅度的跌落，所以储能电容只需要较小的容量就能满足存储和释放能量的需求。
但方案2仍有缺陷。首先，因为储能电容上的电压有较大波动，会导致线性限流电路的输入电压(电源端)和输出电压(电容端)之间出现明显差异，从而在该限流电路上产生不可避免的功率损耗，降低了供电效率，恶化了设备散热；其次，电容上的电压波动，受到供电端电压和DC/DC电路的最小输入电压的限制，导致在很多情况下，电容的容量仍旧较大，影响设备的成本和体积。
实用新型内容
本实用新型提供一种适用于脉冲型负载的供电装置，提高储能电容的电压跌落范围，降低对储能电容的容量需求。
本实用新型采用了如下技术方案：
一种用于脉冲型负载的供电装置，其特征在于，所述装置包括：电源、开关型充电电路、电容器、以及DC/DC电路；所述DC/DC电路的输出与所述脉冲型负载相连；当所述脉冲型负载处于工作间隙时，所述电源通过所述开关型充电电路为所述电容器充电；当所述脉冲型负载处于工作期间，所述开关型充电电路与所述电容器共同向所述DC/DC电路供电。
所述的开关型充电电路为恒流型。
所述电容器输入端之前还包含有输出过压保护模块，该模块可以集成到所述开关型充电电路，也可以独立于该电路。
给负载端供电的DC/DC电路可根据需要采取合适的电路结构，设计中保证两点即可：第一，瞬态响应足够好，以保证输出端电压的稳定；第二，输入电压范围足够大，这样就可以允许储能电容上的电压波动足够大，在释放能量相同时，降低电容的容量。
本实用新型的有益效果是：(1)利用含有输出过压保护模块的开关型充电电路，使得储能电容上的电压能大范围波动，这样在释放同样能量的前提下，可以大幅度的减少电容量，从而节省成本并减少体积和重量；(2)相对于方案2来说，使用该充电电路让电源满负荷工作的同时，可以将功率损耗降低，提高效率，且改善了设备的散热。
附图说明
图1是现有技术中储能电容的一种连接方式(前述方案1)示意图；
图2是现有技术中储能电容的另一种连接方式(前述方案2)示意图；
图3是本实用新型的结构示意图；
图4是本实用新型的一个具体实施例的电路原理框图。
图5是本实用新型的另一个具体实施例的电路原理框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
外部条件：供电设备(即电源)是一个电脑的USB HOST接口，可以对外提供最大2.5W(5V/500mA)的功率。负载是脉冲型的，工作电压范围3.3V±0.15V(3.15～3.45V)，周期5ms，在1/8的周期(0.625ms)中，消耗电流为4A，其余时间消耗电流为0。
容易计算得到，该负载的平均功率为1.65W，小于USB口所能提供的2.5W功率，但峰值功率为13.2W，又远大于USB口所能提供的最大功率，应该使用储能电容来补充峰值功率。另外，假设DC/DC电路的转换效率为90％。
现在相同的外部条件下，将前述现有技术的两种方案与本实用新型的一个具体实施例进行对比。
方案1，如图1所示，当最大功率2.5W输入时，DC/DC电路的输出功率为2.5W×90％＝2.25W，输出电流为2.25W÷3.3V＝682mA，则在0.625ms期间，电容需要补充的电流为4A-0.682A＝3.32A。
因为电容和负载并联，所允许的电压波动范围是3.15V～3.45V，在负载工作的0.625ms之内，根据电容的放电导致电压降低，有
(3.45-3.15)×C＝3.32×0.625(假设电容为C)
解方程得：C＝5533uF
即需要一个6.3V/6800uF的电容才能满足要求，体积大成本高。
此时方案1的供电效率为90％。
方案2，如图2所示，采用一个BUCK型DC/DC电路给负载供电。电容上最高电压能充到5V，为保证DC/DC的输出电压稳定，输入电压最多允许跌落到3.5V。由于电容器上的电压跌落会导致来自线性横流电路输入到电容上的功率降低，我们采用电容上电压中值近似其平均电压，用来计算限流电路的平均输出功率。
限流电路的平均输出电压为(5V+3.5V)÷2＝4.25V，平均输出功率为4.25V×500mA＝2.125W，则在0.625ms内，给负载供电的DC/DC电路的输入功率为13.2W÷90％＝14.7W，所以需要电容补充的功率为：14.7W-2.125W＝12.6W。根据能量守恒，有
12.6×0.625＝0.5×C×(52-3.52)(假设电容为C)
得到C＝1235uF。
即需要一个6.3V/1500uF的电容可以满足需求。
方案2的供电效率为前后2级效率之积，即(4.25V÷5V)×90％＝76.5％。
本实用新型的一个实施例，如图3所示，通过一个BOOST型恒流充电电路向输出端充电，该电路的最高输出电压设计为12V，以方便使用标称电压为16V的电容储能。此时同样采用一个BUCK型DC/DC电路给负载供电。该DC/DC电路的输出电压为3.3V，输入的最低电压为3.5V，输入的最高电压不低于12V。
假设BOOST型恒流充电电路的效率亦为90％，则输出功率为2.5W×90％＝2.25W。在0.625ms的时间内，DC/DC电路的输入功率为13.2W÷90％＝14.7W。在此0.625ms期间内，电容提供的功率为14.7W-2.25W＝12.4W。因为电容器的最大跌落是从12V到3.5V，因此，根据0.625ms内的能量守恒，有：
12.4×0.625＝0.5×C×(122-3.52)(假设电容为C)
解方程得：C＝117.6uF。
可见，本实用新型实施例只需要使用16V/150uF的电容。
此时供电效率为90％×90％＝81％。
从上述分析可以看出，本实用新型在节省电容方面的巨大优势，以及在效率方面相对于方案2的优势，如下表所示：
| 方案 | 方案1 | 方案2 | 本实用新型 |
| 电容电压波动 | 3.45V-3.15V | 5V-3.6V | 12V-3.6V |
| 电容计算值 | 5533uF | 1235uF | 117.6uF |
| 电容实际取值 | 6800uF/6.3V | 1500uF/6.3V | 150uF/16V |
| 总体供电效率 | 90％ | 76.5％ | 81％ |
为了具体说明本实用新型的特点与效果，下面进一步给出本实用新型的两个具体实施例。
参照图4，本实用新型的一个具体实施例的电路原理框图。在图4所示的具体实施例中，开关型充电电路为BOOST恒流开关型充电电路10，包括有一电感、两个开关K1和K2；DC/DC电路为BUCK型，含有一电感、两个开关K3和K4。
在BOOST开关型充电电路10中，开关K1和K2闭合，充电电路通过采用输入电流进行反馈控制，使输入电流等于电源输出额定电流，让电源满负荷地工作。
当脉冲型负载处于工作间隙，开关K1和K2闭合，开关K3和K4打开，BOOST开关型充电电路10为储能电容充电；
当脉冲型负载处于工作期间，开关K1、K2、K3和K4均闭合，BOOST开关型充电电路10和储能电容共同为BUCK型DC/DC电路20提供电流。
虽然BOOST恒流开关型充电电路10可以让电源满负荷地工作，但该电路的输出端的电流不恒定，会随着电容上的电压大小而变化。为了防止负载电流太小导致电压过高引起器件损坏，需要过压保护模块来保护电路中各器件。
出于节省空间、减小体积的考虑，可以将该过压保护模块集成到充电电路中，如图5所示。图5示出本实用新型的另一个具体实施例的电路原理框图，在BOOST恒流开关型充电电路10’中，过压保护模块被集成到BOOST开关型充电电路。
不论图4或图5所示的具体实施例中，给脉冲型负载供电的BUCK型DC/DC电路20可以根据需要采取合适的电路结构，但要提供有足够大的输入电压范围，以保证在储能电容的电压大范围变化时能提供稳定的输出电压，同时，所述DC/DC电路也要有足够快的瞬态响应能力，以保证在负载电流突变时能提供稳定的输出电压。
通过上述实施例可以看出，本实用新型实施例中由于采用开关型充电电路，以及设计结构保证有高瞬态响应和允许大范围电压的DC/DC电路，使得本实用新型能够大幅度的减少电容量而又不降低效率。
以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所做的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于脉冲型负载的供电装置，其特征在于，所述装置包括：电源、开关型充电电路、电容器、以及DC/DC电路；所述DC/DC电路的输出与所述脉冲型负载相连；当所述脉冲型负载处于工作间隙时，所述电源通过所述开关型充电电路为所述电容器充电；当所述脉冲型负载处于工作期间，所述开关型充电电路与所述电容器共同向所述DC/DC电路供电。
2.根据权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述开关型充电电路为恒流型。
3.根据权利要求2所述的供电装置，其特征在于，在所述电容器输入端之前还包含有输出过压保护模块。
4.根据权利要求3所述的供电装置，所述输出过压保护模块集成到所述充电电路。
5.根据权利要求3所述的供电装置，所述输出过压保护模块独立于充电电路。
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