CN220382764U - 用于断路器控制器的电源供电电路以及包含其的断路器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于断路器控制器的电源供电电路以及包含其的断路器。用于断路器控制器的电源供电电路包括：第一直流‑直流变换器(DC/DC1)，将直流电源电压变换为用于保护功能负载和其他功能负载的供电电压；第二电压阈值检测器，检测第二电压(V2)，并将第二电压与第二电压的第一电压阈值(V2_th1)进行比较；第一开关，基于第二电压与第二电压的第一电压阈值的比较结果被使能或关断，以调制第二电压的电压值。

Description

用于断路器控制器的电源供电电路以及包含其的断路器

技术领域

本实用新型涉及一种用于断路器控制器的电源供电电路以及包含其的断路器，尤其涉及一种基于USB电源、辅助直流电源或基于断路器主回路的CPS电源(current powersupply)供电的用于断路器控制器的电源供电电路以及包含其的断路器。

背景技术

一般来说断路器的控制器通过主回路电流供电，即通过CPS供电，可以确保在有过载或短路电流条件下，能够有足够的能量触发断路器的脱扣机构脱扣，实现保护。

随着断路器数字化功能的增加，断路器的控制器的功耗增加，且对于断路器控制器的供电方式有更多的需求。例如：采用USB电源供电以实现和手机、电脑的互联，进行功能配置，脱扣测试等；采用辅助电源(Aux 24V)供电以实现更多的自诊断保护脱扣，例如，断线检测保护脱扣等。

在采用USB电源供电和采用辅助电源(Aux 24V)供电的供电方式下，主回路可能存在或不存在，也即主回路CPS可能存在或不存在，需要保证有足够的能量能够触发断路器的脱扣机构脱扣；同时也要保证有足够的电能去给断路器的控制器的数字化功能供电。另一方面，通过USB或者辅助电源供电的能力有一定的限制：例如USB 2.0协议规定5V供电电流不超过500mA；而辅助电源供电电流加大，也会增加供电电路单元的尺寸和成本。

因此，需要提供一种基于USB电源、辅助直流电源或基于断路器主回路的CPS电源供电的断路器控制器的电源供电电路，去解决断路器以及断路器的控制器所涉及的保护/测试/数字化功能对电能的需求和供电能力之间的矛盾。

实用新型内容

根据本申请的一方面，提供一种用于断路器控制器的电源供电电路，包括：第一直流-直流变换器，将直流电源电压变换为用于保护功能负载和其他功能负载的供电电压；第二电压阈值检测器，检测第二电压，并将第二电压与第二电压的第一电压阈值进行比较；第一开关，基于第二电压与第二电压的第一电压阈值的比较结果被使能或关断，以调制第二电压的电压值。

其中，所述第二电压阈值检测器将第二电压与第二电压的第二电压阈值进行比较,第二电压的第二电压阈值小于第二电压的第一电压阈值，其中，所述的电源供电电路还包括：第二开关，基于第二电压与第二电压的第二电压阈值的比较结果被使能或关断，以将直流电源电压接入第一直流-直流变换器作为第一直流-直流变换器的输入，或者将直流电源电压与第一直流-直流变换器断开连接。

其中，直流电源为USB电源、24V辅助电源、CPS电源中的至少之一。

其中，所述的电源供电电路还包括：防反电路，用于直流电源正负极接反时进行保护动作；储能电容器，用于经过直流电源电压充电以存储电能；限流电流，用于限制给储能电容器充电的电流。

其中，当存在CPS电源以及另一种直流电源输入时，CPS电源优先进行输入供电。

其中，所述的电源供电电路还包括：第三开关，用于基于直流电源电压经过防反电路和阈值可切换限流电路之后的第一电压与第一电压的电压阈值的比较结果被使能或关断；其中，所阈值可切换述限流电路基于第三开关的使能或关断，来控制分别进行低限流值限流和高限流值限流。

其中，所述的电源供电电路还包括：与逻辑电路，将附加控制器的控制信号和基于第二电压与第二电压的第二电压阈值的比较结果而产生的使能信号进行与逻辑操作，基于与逻辑电路的输出信号来使第二开关使能。

根据本申请的一方面，提供一种断路器，包括如上所述的用于断路器控制器的电源供电电路。

附图说明

通过下面结合附图对实施例的描述，本公开的方面、特征和优点将变得更加清楚和容易理解，其中：

图1示出了现有的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的示意图。

图2示出了根据本实用新型第一实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的示意图。

图3示出了根据本实用新型第一实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的工作回路示意图。

图4A、4B、4C是针对图3的三种负载情况的仿真波形示意图。

图5示出了根据本实用新型第二实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的示意图。以及

图6示出了根据本实用新型第三实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的示意图。

具体实施方式

下面将参考本实用新型的示例性实施例对本实用新型进行详细描述。然而，本实用新型不限于这里所描述的实施例，其可以以许多不同的形式来实施。所描述的实施例仅用于使本公开彻底和完整，并全面地向本领域的技术人员传递本实用新型的构思。所描述的各个实施例的特征可以互相组合或替换，除非明确排除或根据上下文应当排除。

在本实施新型的实施例中，除非另有明确说明，“连接”并不意味着必须“直接连接”或“直接接触”，而仅需要电学上连通即可。此外，文中的“第一”、“第二”等表述仅用于区分部件，并不表示任何优先级或排序，也不代表两个部件的参数值是否相同或不同。

图1示出了现有的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的示意图。

图1中，直流电源为基于USB电源的5V电压升压得到的例如24V直流电源。直流电源经过防反电路、限流电路后得到电压V2，V2电压给储能电容器充电。防反电路是针对直流电源正负极接反时的保护电路，限流电流是限制给储能电容器充电的电流，使USB供电电流不超过USB协议规定的限值。DC/DC1变换器基于V2电压生成用于基本保护功能负载的供电电压1；DC/DC3变换器基于直流电源的电压生成用于其他功能负载(例如Zigbee之类的更多的数字化功能)的供电电压2。根据实际应用，供电电压1和供电电压2的电压值可以相同也可以不同。

图1中设置了电压V2的一个阈值V2_th1。通过V2电压阈值检测器来检测阈值V2_th1。电源供电电路中的开关1的使能和关断通过V2电压与V2_th1的比较来调制确定的。其中，实践中，采用V2>V2_th1_high，开关1使能，V2<V2_th1_low，开关1关断，V2_th1_high>V2_th1>V2_th1_low，设置V2_th1_high和V2_th1_low这样的阈值上下边界是为了实现一定的滞回。本文中，V2电压与V2_th1的比较意味着V2与V2_th1_high的比较以及V2与V2_th1_low的比较。

V2_th1的作用:依据储能电容器上的电压(V2)的检测，来实现CPS供电、直流电源供电时经由DC/DC1回路的调制。V2_th1的存在本身是为了在CPS供电模式下避免V2电压过高，损坏储能电容器、DC/DC1变换器等。根据开关1的控制信号FETGATEI的调制脉冲频率来判断CPS供电回路是否正常。开关1有一个合理的开关频率，可以根据开关1的控制信号FETGATEI的调制脉冲频率来判断CPS供电回路是否正常，当开关1的控制信号FETGATEI的调制脉冲频率在合理的开关频率范围之外时，可以判断CPS供电回路出现故障。

电源供电电路基于负载情况可以分为基本版本和高级版本。基本版本的电源供电电路针对只有基本保护功能负载的情况，因此只包含DC/DC1变换器就可以，DC/DC1的负载电流大于10-30mA。高级版本的电源供电电路针对基本保护功能负载和其他功能负载均存在的情况，因此需要包含DC/DC1变换器和DC/DC3变换器二者，DC/DC1的负载电流能达到80mA。

图1的电源供电电路由两路DC/DC变换器实现，DC-DC变换器造成的成本高。另外，对于输入为USB、24V直流电源或者CPS供电电源的每一种类型的电源，都需要去管理两路DC/DC变换器，电源供电管理的逻辑更复杂(例如，CPS供电电源需要管理DC/DC3变换器，且管理逻辑与USB/24V直流电源供电方式不同)。

根据本实用新型实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路基于以下的设计考虑。

·在仅有USB电源输入情况下，能保证供电，并且使得USB总供电不超限值(例如，USB 2.0协议规定5V供电电流不超过500mA)。

保证供电的含义是控制作为基本保护功能负载的保护电路及作为其他负载的其他电路都能按照满负荷工作，且储能电容器的电压能充到一定的电压，保证储存足够的电能来实现断路器的测试或者保护脱扣。

因为模拟器件的特性问题，不同温度下限流值不同，要兼顾低温下的最大USB供电限值，以及兼顾在高温下的供电能力几乎减半。所以目前确保：在全温度条件下能实现基本版本的电源供电电路和高级版本的电源供电电路。

·在CPS电源的大电流输入条件下能够触发开关1，支持利用开关1的控制信号FETGATEI的高低电平的频率来判断CPS供电回路是否正常，根据本实用新型，开关1有一个合理的开关频率，可以根据开关1的控制信号FETGATEI的调制脉冲频率来判断CPS供电回路是否正常，当开关1的控制信号FETGATEI的调制脉冲频率在合理的开关频率范围之外时，可以判断CPS供电回路出现故障；

同时还需要避免开关1长时间处于导通模式，导致其过热；

使得供电的整体功耗更优化；以及

同时CT二次侧电流通路的负载由CPS供电，而非USB/24V来供电。

下面具体详述根据本实用新型实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路。

图2示出了根据本实用新型第一实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的示意图。

图2的根据本实用新型实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路中，设置了电压V2的两个阈值V2_th1和V2_th2。且V2_th2<V2_th1。通过V2电压阈值检测器来检测阈值V2_th1和V2_th2。根据本实用新型实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路中的开关1、开关2的使能和关断通过V2电压分别与V2_th1和V2_th2的比较来调制确定的。其中，实践中，采用V2>V2_th1_high，开关1使能，V2<V2_th1_low，开关1关断，V2_th1_high>V2_th1>V2_th1_low；并采用V2>V2_th2_high，开关2关断，V2<V2_th2_low，开关2使能，V2_th2_high>V2_th2>V2_th2_low。设置V2_th1_high和V2_th1_low、V2_th2_high和V2_th2_low这样的阈值上下边界是为了实现一定的滞回。本文中，V2电压与V2_th1的比较意味着V2与V2_th1_high的比较以及V2与V2_th1_low的比较。V2电压与V2_th2的比较意味着V2与V2_th2_high的比较以及V2与V2_th2_low的比较。

V2_th1的作用:依据储能电容器上的电压(V2)的检测，来实现CPS供电、直流电源供电时经由回路1、回路3(参见图3所示)供电时的调制。V2_th1的存在本身是为了在CPS供电模式下避免V2电压过高，损坏储能电容器、DC/DC1变换器等。根据开关1的控制信号FETGATEI的调制脉冲频率来判断CPS供电回路是否正常。开关1有一个合理的开关频率，可以根据开关1的控制信号FETGATEI的调制脉冲频率来判断CPS供电回路是否正常，当开关1的控制信号FETGATEI的调制脉冲频率在合理的开关频率范围之外时，可以判断CPS供电回路出现故障。

V2_th2:依据储能电容器上的电压(V2)的检测，来实现直流电源供电经由回路2(参见图3所示)供电时的调制。

通过基于V2电压与V2_th2(且V2_th2<V2_th1)的比较(其决定开关2的控制信号FETGATEV)的调制可以避免如下问题：在直流电源的输入电压高于V2_th1_high的时候，因为直流电源的输入电压>V2,DC/DC1始终通过直流电源供电；储能电容器一旦储满电之后，消耗很小，所以开关1始终导通，不进行调制，则在测试中无法实现通过FETGATEI的调制脉冲频率来判断CPS供电回路是否正常。

而通过基于V2电压与V2_th2的比较(其决定开关2的FETGATEV)的调制，且V2_th2<V2_th1,可以确保在CPS电源的供电输入存在的情况下，尽量通过CPS电源给负载供电，而非直接通过开关1导通，直接旁路。一方面从能效角度减少了直流供电电源上的功耗，另一方面通过DC/DC1及其负载的消耗可以实现基于V2电压与V2_th1的比较(其决定开关1的FETGATEI)的调制，支持通过开关1的控制信号FETGATEI的调制脉冲频率来判断CPS供电回路是否正常。

图2中，直流电源为基于USB电源的5V电压升压得到的例如24V直流电源或者辅助24V直流电源(Aux 24V)。

直流电源的电压V3经过防反电路、限流电路后得到电压V2，V2电压给储能电容器充电。防反电路是针对直流电源正负极接反时的保护电路，限流电流是限制给储能电容器充电的电流，使USB供电电流不超过USB协议规定的限值。V2电压作为DC/DC1变换器的输入电压之一。DC/DC1变换器可基于V2电压生成用于保护功能负载和其他功能负载的供电电压。

电压阈值检测器检测V2_th1和V2_th2，其中V2_th1>V2_th2。

开关1被控制以基于V2电压阈值检测器检测的V2_th1使能或关断，当V2<V2_th1_low时，控制开关1关断，此时开关1的控制电平为低，即FETGATEI＝0，此时直流电源的电压V3经过防反电路、限流电路后得到电压V2，V2电压给储能电容器充电，使得V2电压上升或维持不变(当电容器充满时)；当V2>V2_th1_high时，控制开关1使能，此时开关1的控制电平为高，即FETGATEI＝1，开关1使能。此时开关1旁路直流电源的电压V3经过防反电路、限流电路后的电压V2，使得V2电压下降。

V3电压经过开关2的控制接入到DC/DC1变换器，作为DC/DC1变换器的输入电压之一。即，当开关2被控制使能(导通)时，DC/DC1变换器可基于V3电压生成用于保护功能负载和其他功能负载的供电电压。开关2基于V2电压阈值检测器检测的V2_th2使能或关断，当V2>V2_th2_high时，控制开关2关断，此时开关2的控制电平为高，即FETGATEV＝1；当V2<V2_th2_low时，控制开关2使能(导通)，此时开关2的控制电平为低，即FETGATEV＝0。

根据本实用新型实施例，DC/DC1变换器可基于V2电压或/和基于V3电压生成用于保护功能负载和其他功能负载的供电电压。

图3示出了根据本实用新型第一实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的工作回路示意图。

根据本实用新型实施例的电源供电电路处于回路1-3中哪个回路中取决于直流电源V3的电压值以及V2的电压值。其中，开关1、开关2的关断或使能取决于V2的电压值与V2_th1和V2_th2的比较结果。

如图3所示，当初始接入直流电源V3时，开关1的初始状态为关断。电压经过回路3给储能电容器充电。随着V2电压的升高，当V2>V2_th1以后，通过V2的电压值与V2_th1的比较结果来调制开关1的关断或使能。

当接入直流电源V3电压低于某一阈值，在该阈值下，且V2<V2_th2时，控制开关1的FETGATEI＝0，开关1关断；并控制开关2的FETGATEV＝0，开关2使能(导通)，从而通过回路2将V3电压引入给DC/DC1供电。

当接入直流电源V3电压高于某一阈值，在该阈值下，且V3-(最低限流压降+防反压降)>V2_th1时，根据本实用新型实施例的电源供电电路的负载分为三种工作情况：

(a)轻载情况,基于V2的电压波动，使得开关1的控制电压FETGATEI呈现脉冲形状，开关1处于关断和使能交替状态；同时使得开关2的控制电压FETGATEV处于高电平状态，即FETGATEV＝1，开关2关断，此时通过回路1给DC/DC1供电；

(b)中载情况,基于V2的电压波动，使得开关1的控制电压FETGATEI处于低电平状态，即FETGATEI＝0,开关1关断；同时使得开关2的控制电压FETGATEV处于高电平状态，即FETGATEV＝1，开关2也关断。此时通过回路1给DC/DC1供电；

(c)重载情况,基于V2的电压波动，使得开关1的控制电压FETGATEI处于低电平状态，即FETGATEI＝0,开关1总处于关断；同时使得开关2的控制电压FETGATEV呈现脉冲形状，开关2处于关断和使能交替状态。

此时，当FETGATEV＝1的时候，开关2使能，通过回路2，直接将V3电压引入给DC/DC1供电，此时回路1中的电流方向与回路1供电时的电流方向相反，即此时回路1不向DC/DC1供电；当FETGATEV＝0的时候，开关2关断，此时，通过回路1给DC/DC1供电。综上可看出，在重载情况下回路1和回路2处于交替供电状态。

图4A、4B、4C是针对图3的三种负载情况的仿真波形示意图。不同温度下限流值不同，对应的轻载，重载的阈值不同。但理论上高温限流值小，供电能力低，容易达到重载的条件；低温限流值大，供电能力强，更容易达到轻载的条件。其中，V(usb_24V)是USB升压成24V后的输入电压波形；V(V2)是V2电压波形；V(FETGATEI)是开关1的控制信号波形；V(FETGATEV)是开关2的控制信号波形；I(回路2)是回路2的电流波形；I(回路1)是回路1的电流波形。如图3所示的根据本实用新型第一实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路，只需要采用一套DC/DC1变换器，这样能够节省成本，简化电源供电电路的管理逻辑，能够提升电源供电电路的效率。

如图3所示的根据本实用新型实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路，能够兼顾基本版本和高级版本的电源供电电路的应用。当需要针对无其他负载情况的基本版本的电源供电电路时，不包含开关2即可。当需要针对包含其他负载情况的高级版本的电源供电电路时，包含开关2即可。

如图3所示的根据本实用新型第一实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路，在重载的情况下，两个回路(即回路1和回路2)交替供电(本身是一个自动的交替过程)，电源供电电路的负载从时间上更均衡，提升电源供电电路的效率。

图5示出了根据本实用新型第二实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的示意图。在图5中，与图2相比，增加了一路CPS电源的供电输入。如前所述，V2_th2(针对开关2的控制电压FETGATEV)的调制，且V2_th2<V2_th1,可以确保在CPS电源的供电输入存在的情况下，尽量去通过CPS电源去给负载供电，而非直接通过开关1导通，直接旁路。一方面从能效角度，减少直流电源上的功耗，另一方面通过DC/DC1及其负载的消耗，可以实现开关1的控制电压FETGATEI调制，支持通过开关1的控制电压FETGATEI的调制频率来判断CPS供电回路是否正常。

图6示出了根据本实用新型第三实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路的示意图。

在图6中，与图2相比，根据本实用新型第三实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路使用阈值可切换限流电路，在阈值可切换限流电路之后增加了开关3和V1电压过阈值检测器，V1电压过阈值检测器对阈值可切换限流电路和开关3之间的电压V1进行过压检测。基于过压检测结果(例如V1<10V))来使开关3断开，不对储能电容器充电，并且阈值可切换限流电路使用高限流值来限流。基于过压检测结果(例如V1>10V))来使开关3使能(导通)，开始对储能电容器充电，并且阈值可切换限流电路使用低限流值来限流。

具体如下来实现根据本实用新型第三实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路：

·针对开关2的使能，增加附加的控制电路进行控制。先通过供电回路1给附加的控制电路供电，当附加的控制电路完成供电，且检测到V3电压高于阈值的时候，将附加的控制电路的控制信号和基于V2的电压与V2_th2的比较结果而产生的使能信号进行与逻辑操作，与逻辑的输出控制信号控制导通开关2。

·根据本实用新型第三实施例的基于直流电源供电的断路器控制器的电源供电电路使用阈值可切换限流电路限流，即，V1低电压(<10V)的时候用高限流值，使DC/DC1供电更快更稳健地建立起来，V1高电压(>10V)的时候用低限流值限流，来确保总功耗不超限制，也能减少对电容器的热冲击。通过这个方式去兼顾上电时间和总功耗的需求。

·用V1电压过阈值(例如10V)来实现高电流阈值到低电流阈值的切换。

·用V1电压过阈值(例如10V)来使能储能电容器的充电。

本实用新型中涉及的电路、器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些电路、器件、装置、设备、系统，只要能够实现所期望的目的即可。

本领域技术人员应该理解，上述的具体实施例仅是例子而非限制，可以根据设计需求和其它因素对本实用新型的实施例进行各种修改、组合、部分组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围内，即属于本实用新型所要保护的权利范围。

Claims (8)

1.一种用于断路器控制器的电源供电电路，其特征在于包括：

第一直流-直流变换器(DC/DC1)，将直流电源电压变换为用于保护功能负载和其他功能负载的供电电压；

第二电压阈值检测器，检测第二电压(V2)，并将第二电压与第二电压的第一电压阈值(V2_th1)进行比较；

第一开关，基于第二电压与第二电压的第一电压阈值的比较结果被使能或关断，以调制第二电压的电压值。

2.如权利要求1所述的电源供电电路，其特征在于：

其中，所述第二电压阈值检测器将第二电压与第二电压的第二电压阈值(V2_th2)进行比较,第二电压的第二电压阈值(V2_th2)小于第二电压的第一电压阈值(V2_th1)，

其中，所述的电源供电电路还包括：

第二开关，基于第二电压与第二电压的第二电压阈值的比较结果被使能或关断，以将直流电源电压接入第一直流-直流变换器作为第一直流-直流变换器的输入，或者将直流电源电压与第一直流-直流变换器断开连接。

3.如权利要求1-2之一所述的电源供电电路，其特征在于：

直流电源为USB电源、24V辅助电源、CPS电源中的至少之一。

4.如权利要求1-2之一所述的电源供电电路，其特征在于：

所述的电源供电电路还包括：

防反电路，用于直流电源正负极接反时进行保护动作；

储能电容器，用于经过直流电源电压充电以存储电能；

限流电流，用于限制给储能电容器充电的电流。

5.如权利要求3所述的电源供电电路，其特征在于：

当存在CPS电源以及另一种直流电源输入时，CPS电源优先进行输入供电。

6.如权利要求4所述的电源供电电路，其特征在于：

所述的电源供电电路还包括：

第三开关，用于基于直流电源电压经过防反电路和阈值可切换限流电路之后的第一电压(V1)与第一电压的电压阈值的比较结果被使能或关断；

其中，所阈值可切换述限流电路基于第三开关的使能或关断，来控制分别进行低限流值限流和高限流值限流。

7.如权利要求3所述的电源供电电路，其特征在于：

所述的电源供电电路还包括：

与逻辑电路，将附加控制器的控制信号和基于第二电压与第二电压的第二电压阈值的比较结果而产生的使能信号进行与逻辑操作，基于与逻辑电路的输出信号来使第二开关使能。

8.一种断路器，其特征在于包括如权利要求1-2之一所述的用于断路器控制器的电源供电电路。