ES2534953B2 - Sistemas y procedimientos para proteger una fuente conmutada - Google Patents
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Abstract
Sistemas y procedimientos para proteger una fuente conmutada.#Permite proteger una fuente conmutada (SMPS), que incluye un conector de potencia de entrada, un rectificador y filtro de entrada, un transformador, un rectificador y filtro de salida, y un conector de potencia de salida. Un circuito de control genera selectivamente una señal de conmutación para conducir el transformador en base a una señal de retroalimentación y una señal de protección generada por un circuito de protección. El circuito de protección genera la señal de protección con un ciclo de trabajo asimétrico que oscila entre un estado de habilitación y un estado de inhibición. Un circuito de detección recibe la señal de retroalimentación y fuerza selectivamente la señal de protección al estado de habilitación cuando la señal de retroalimentación indica que una tensión de salida es demasiado alta.
Description
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una señal de CA de 220/240 voltios. La SMPS 100 puede incluir un rectificador y filtro de entrada (IRF) 120 configurado para rectificar y/o filtrar la señal de alimentación de CA a una señal de alimentación de CC.
La SMPS 100 se puede configurar para conmutar la señal de alimentación de CC entre dos
o más estados (tales como encendido y apagado o positivo y negativo) a través de un devanado(s) primario(s) de un transformador de potencia 130. Una señal de conmutación 140, generada por un circuito de control 150, puede controlar la frecuencia a la que la señal de alimentación de CC se conecta a través del devanado(s) primario(s) del transformador de potencia 130. El circuito de control 150 puede modificar el ciclo de frecuencia y/o el ciclo de trabajo de la señal de conmutación 140 para ajustar (aumentar o disminuir) la tensión y/o la corriente de salida mediante la SMPS 100.
El circuito de retroalimentación 160 puede proporcionar una señal de retroalimentación al circuito de control 150, estando la señal de retroalimentación asociada con la salida de CC de la SMPS 100. El circuito de control 150 puede generar selectivamente la señal de conmutación 140 en base a la señal de retroalimentación. La señal de conmutación 140 puede conmutar la salida de CC del IRF (o la señal de alimentación de CC de entrada originalmente) a través de un devanado primario del transformador de potencia 130, para inducir selectivamente una corriente en el devanado secundario del transformador de potencia 130. En consecuencia, el circuito de control 150 puede ajustar la señal de conmutación 140 sobre la base de la señal de retroalimentación para aumentar o disminuir la salida de CC de la SMPS 100.
La relativamente alta frecuencia de conmutación de la señal de alimentación de CC a través del devanado(s) primario induce una corriente de CA a través de uno o más devanados secundarios del transformador de potencia 130. En consecuencia, la SMPS 100 puede incluir un rectificador y/o filtro de salida (ORF) 170 configurado para rectificar la corriente de CA en el devanado(s) secundario para generar una o más salidas de CC en una o más tensiones deseadas. La salida(s) de CC se puede proporcionar a uno o más dispositivos a través de uno o más conectores de potencia de salida 180. Como se ha descrito anteriormente, el circuito de retroalimentación 160 puede generar una señal de retroalimentación asociada con la salida de CC y proporcionarla al circuito de control 150. El circuito de control 150 puede utilizar la señal de retroalimentación para modificar el ciclo de frecuencia y/o el ciclo de trabajo de la señal de conmutación 140 para aumentar o disminuir la tensión y/o la corriente de la salida de CC de la SMPS 180. La señal de retroalimentación
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consecuencia, el condensador 305 se carga lentamente a través de la resistencia relativamente grande combinada de la primera resistencia 350 y la segunda resistencia 320.
Cuando el condensador 305 está suficientemente cargado, la entrada del inversor de onda cuadrada 340 será alto, haciendo la salida del inversor de onda cuadrada baja, en 360. Esto puede hacer que la puerta del MOSFET 310 sea negativa con relación a la fuente del MOSFET 310, ya que la segunda resistencia 320 tiene una resistencia mucho mayor que la primera resistencia 350. En consecuencia, con la entrada del inversor de onda cuadrada 340 alta (y la salida del inversor de onda cuadrada 340 baja, en 360, el condensador 305 se descarga de manera relativamente rápida a través del MOSFET 310 y la primera resistencia 350 relativamente pequeña. En consecuencia, el MOSFET 310 permite que el condensador 305 se descargue rápidamente a través de la primera resistencia 350 y hace que el condensador 305 se cargue de forma relativamente lenta a través de la resistencia relativamente grande combinada de la primera resistencia 350 y la segunda resistencia 320.
La capacidad del condensador 305, la resistencia de la primer resistencia 350 y la segunda resistencia 320, y las características del MOSFET 310 se pueden seleccionar para obtener cualquiera de una amplia variedad de ciclos de trabajo y/o frecuencias. Como se describió anteriormente, el circuito de oscilación 300 puede estar configurado para oscilar a una frecuencia entre aproximadamente 0,5 hercios y 100 hercios y puede mantenerse en un estado de inhibición 370 (alta tensión en el ejemplo ilustrado) entre el 51 y el 99,99 por ciento del tiempo. En una realización, la señal de protección 390 puede oscilar en aproximadamente 1 hercios y estar configurada para permanecer en un estado de inhibición (alto) 370 durante aproximadamente 900 milisegundos, y en un estado de habilitación 360 durante aproximadamente 100 milisegundos.
La figura 3B ilustra otra realización de un circuito de oscilación 301 de un circuito de protección que incluye un primer inversor de onda cuadrada 340 y un segundo inversor de onda cuadrada 355. El primer inversor de onda cuadrada 340 puede incluir una red de retroalimentación que comprende unas resistencias 320 y 350, un MOSFET 310 y un condensador 305. El primer inversor de onda cuadrada 340 puede estar configurado para generar una señal de protección intermedia, que puede entonces invertirse mediante el segundo inversor de onda cuadrada 355 para generar la señal de protección 395. La señal de protección 395 puede comprender un ciclo de trabajo asimétrico con un estado de habilitación 360 y un estado de inhibición 370. La señal de protección 395 puede oscilar a una frecuencia relativamente baja, tal como entre aproximadamente 0,5 hercios y 100
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hercios. En algunas realizaciones, un inversor de onda sinusoidal puede ser utilizado en lugar de los inversores de onda cuadrada 340 y/o 355.
La red de retroalimentación del primer inversor de onda cuadrada 340 puede comprender una primer resistencia 350 en serie con una segunda resistencia 320 que conecta una salida del primer inversor de onda cuadrada 340 a una entrada del primer inversor de onda cuadrada 340. Un MOSFET (Canal-P) 310 puede estar en paralelo con la primera resistencia 350, con el drenaje del MOSFET 310 conectado a la salida del primer inversor de onda cuadrada 340, la fuente del MOSFET 310 conectado entre la primera 350 y la segunda 320 resistencias, y la puerta del MOSFET 310 conectada a la salida del segundo inversor de onda cuadrada 355. Además, un condensador 305 puede conectar la entrada del inversor de onda cuadrada 340 a un terminal de tierra 330 (u otra tensión más baja o negativa como entendería un experto en la técnica).
En diversas realizaciones, la primera resistencia 350 puede tener una resistencia mucho mayor que la segunda resistencia 320. En consecuencia, cuando la salida del segundo inversor de onda cuadrada 355 es baja y la salida del primer inversor de onda cuadrada 340 es alta, en 360, el MOSFET 310 se encenderá, permitiendo una salida alta del primer inversor de onda cuadrada 340 para cargar rápidamente el condensador 305 a través del MOSFET 310 y la resistencia relativamente pequeña de la segunda resistencia 320. Cuando el condensador 305 está suficientemente cargado, la entrada del primer inversor de onda cuadrada 340 será alta, haciendo la salida del segundo inversor de onda cuadrada 355 también alta. El MOSFET 310 se apagará porque la puerta del MOSFET 310 está conectada a la salida del segundo inversor de onda cuadrada 355. Con el MOSFET 310 apagado, actuará como un circuito abierto. En consecuencia, el condensador 305 se descarga lentamente a través de la gran resistencia combinada relativa de la segunda resistencia 320 y la primera resistencia 350.
Por consiguiente, el MOSFET 310 del circuito de oscilación 301 permite que el condensador 305 se cargue rápidamente a través de la segunda resistencia 320 y hace que el condensador 305 se descargue de forma relativamente lenta a través de la resistencia relativamente grande combinada de la segunda resistencia 320 y la primera resistencia 350.
La capacidad del condensador 305, las resistencias de la primer resistencia 350 y la segunda resistencia 320, y las características del MOSFET 310 se pueden seleccionar para obtener cualquiera de una amplia variedad de ciclos de trabajo y/o frecuencias. Como se
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señal de protección puede tener características similares a las descritas en relación con otras realizaciones. Como en otras realizaciones, un inversor de onda sinusoidal se puede utilizar en lugar del primer 440 y/o segundo 455 inversores de onda cuadrada.
La red de retroalimentación puede incluir una primera resistencia 450 en serie con una segunda resistencia 420 que conecta una salida del primer inversor de onda cuadrada 440 a una entrada del primer inversor de onda cuadrada 440. Un diodo 410 puede estar en paralelo con la segunda resistencia 420, con el ánodo del diodo 410 conectado entre la primera resistencia 450 y la segunda resistencia 420, y el cátodo del diodo 410 conectado a la entrada del primer inversor de onda cuadrada 440. Además, un condensador 405 puede conectar la entrada del primera inversor de onda cuadrada 440 a un terminal de tierra 430 (u otra tensión más baja o negativa como entendería un experto en la técnica).
En diversas realizaciones, la segunda resistencia 420 puede tener una resistencia mucho mayor que la primera resistencia 450. En consecuencia, cuando la salida del primer inversor de onda cuadrada 440 es alta (y la entrada del primer inversor de onda cuadrada 440 es baja), el condensador 405 se cargará con relativa rapidez a través de la primera resistencia 450 y el diodo 410. Cuando el condensador 405 está suficientemente cargado, la entrada del primer inversor de onda cuadrada 440 será alta, haciendo la salida del primer inversor de onda cuadrada 440 baja. Con la entrada del primer inversor de onda cuadrada 440 alta (y la salida del primer inversor de onda cuadrada 440 baja, el condensador 405 se descargará de forma relativamente lenta a través de la resistencia relativamente grande de la segunda resistencia 420 y la primera resistencia 450. El segundo inversor de onda cuadrada 455 invierte la salida del primer inversor de onda cuadrada 440 y proporciona la señal de protección al circuito de control 495.
La capacitancia del condensador 405, las resistencias de la primera resistencia 450 y la segundo resistencia 420, y las características del diodo 410 se pueden seleccionar para obtener cualquiera de una amplia variedad de ciclos de trabajo y/o frecuencias, como se describe en el presente documento en combinación con otras realizaciones. Un transistor de unión bipolar (BJT) 445 puede funcionar como un circuito de detección. Si la señal de retroalimentación es alta, indicando que la tensión de salida de la SMPS es demasiado alta, el BJT 445 hará la entrada del primer inversor de onda cuadrada 440 baja, obligando a la señal de protección proporcionada al circuito de control 495 a un estado de activación. La resistencia 435 puede limitar la cantidad de corriente que fluye desde el circuito de retroalimentación 404 a tierra 430 a través del BJT 445. La resistencia 425 puede ser
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relativamente grande y proporcionar estabilidad mientras permite una cantidad limitada de la corriente que fluye desde el circuito de retroalimentación 404 a tierra 430.
El circuito de protección 400 puede estar configurado para limitar la potencia de salida media de la SMPS en escenarios de alta demanda. Por ejemplo, si 404 genera una señal "baja", indicando que se necesita más potencia, el circuito de control 495 puede conducir normalmente la SMPS en condiciones de sobrecarga y/o de sobrecalentamiento. En un escenario de alta demanda, el BJT 445 se apagará y funcionará como un circuito abierto. Por consiguiente, una señal de protección se genera con un ciclo de trabajo asimétrico a una frecuencia relativamente baja. La señal de protección puede tener un ciclo de trabajo alterno entre un estado de inhibición y un estado de habilitación, para limitar la potencia de salida media de la SMPS dentro de los límites predefinidos. Por ejemplo, el ciclo de protección puede inhibir el circuito de control 495 durante 900 milisegundos para enfriar los componentes, y luego habilitar el circuito de control 495 durante 100 milisegundos para permitir la generación de salida de CC. Los ciclos de trabajo y/o frecuencias se pueden adaptar para una configuración específica.
La figura 4B ilustra una realización de un diagrama de bloques de una SMPS 460, que incluye un circuito de protección de vista de componente 400. La SMPS 460 puede incluir un conector de alimentación de entrada 465 configurado para recibir una señal de alimentación de corriente alterna (CA), tal como una señal de CA de 110/120 voltios o de CA de 220/240 voltios. La SMPS 460 puede incluir un IRF 467 configurado para rectificar y/o filtrar la señal de alimentación de CA a una señal de corriente continua.
La SMPS 460 se puede configurar para cambiar la señal de alimentación de CC entre dos o más estados (tales como encendido y apagado o positivo y negativo) a través de un devanado(s) primario de un transformador de potencia 469. Una señal de conmutación 475, generada por un circuito de control 495, puede controlar la frecuencia a la que la señal de alimentación de CC se conecta a través del devanado(s) primario del transformador de potencia 469. El circuito de control 495 puede modificar el ciclo de trabajo y/o la frecuencia de la señal de conmutación 475 para ajustar (aumentar o disminuir) la tensión y/o la corriente de salida mediante la SMPS 460.
El circuito de retroalimentación 404 puede proporcionar una señal de retroalimentación al circuito de control 495, estando la señal de retroalimentación asociada con la salida de CC de la SMPS 460. El circuito de control 495 puede generar selectivamente la señal de
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conmutación 475 en base a la señal de retroalimentación y a la señal de protección generada por el circuito de protección 400. La señal de conmutación 475 puede cambiar la salida de CC del IRF (o la señal de alimentación de CC de entrada originalmente) a través de un devanado primario del transformador de potencia 469, para inducir selectivamente una corriente en el devanado secundario del transformador de potencia 469. En consecuencia, el control de circuito 495 puede ajustar la señal de conmutación 475 sobre la base de la señal de retroalimentación para aumentar o disminuir la salida de CC de la SMPS
460.
Además, la SMPS 460 puede incluir un ORF 471 configurado para rectificar la corriente alterna en el devanado(s) secundario para generar una o más salidas de CC en una o más tensiones deseadas. La salida(s) de CC se puede proporcionar a uno o más dispositivos a través de uno o más conectores de potencia de salida 473. Como se ha descrito anteriormente, el circuito de retroalimentación 404 puede generar una señal de retroalimentación asociada con la salida de CC y proporcionarla al circuito de control 495. El circuito de control 495 puede utilizar la señal de retroalimentación para modificar la frecuencia y/o la carga de trabajo de la señal de conmutación 475 para aumentar o disminuir la tensión y/o la corriente de la salida de CC de la SMPS 460.
Como se describe en relación con la figura 4A, el circuito de protección 400 puede estar configurado para limitar la potencia de salida media de la SMPS 460. El circuito de protección 400 puede estar configurado para limitar la potencia media de salida de la SMPS 460 en base a una limitación de una carcasa, una condición operativa, una especificación de seguridad, una especificación de componente, una especificación de diseño, y/u otra condición de limitación de potencia, de limitación de corriente, de limitación de tensión, y/o de limitación temperatura. Por ejemplo, el circuito de protección 400 puede estar configurado para limitar la potencia de salida media de la SMPS 460 para evitar que un componente interno se sobrecaliente y/o falle. Adicional o alternativamente, el circuito de protección 400 puede estar configurado para limitar la potencia de salida media de la SMPS 460 para evitar que una carcasa externa se sobrecaliente y provoque daños y/o que presente un riesgo de seguridad.
El circuito de protección 400 puede estar configurado para inhibir selectivamente el circuito de control 495 de la generación de la señal de conmutación 475. El circuito de protección 400 puede proporcionar al circuito de control 495 una señal de protección que alterna entre un estado de habilitación y un estado de inhibición. La señal de protección puede oscilar a
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configurado para generar una señal de protección intermedia, que puede entonces ser invertida por el segundo inversor de onda cuadrada 555 para generar una señal de protección. La señal de protección puede entonces proporcionarse al circuito de control 595. La señal de protección puede tener un ciclo de trabajo asimétrico y oscilará entre un estado de habilitación y un estado de inhibición. La señal de protección puede oscilar a una frecuencia relativamente baja, tal como entre aproximadamente 0,5 hercios y 100 hercios. En algunas realizaciones, un inversor de onda sinusoidal puede ser utilizado en lugar de los inversores de onda cuadrada 540 y/o 555.
La red de retroalimentación del primer inversor de onda cuadrada 540 puede comprender una primer resistencia 550 en serie con una segunda resistencia 520 que conecta una salida del primer inversor de onda cuadrada 540 a una entrada del primer inversor de onda cuadrada 540. Un MOSFET (Canal-P) 510 puede estar en paralelo con la primera resistencia 550, con el drenaje del MOSFET 510 conectado a la salida del primer inversor de onda cuadrada 540, la fuente del MOSFET 510 conectada entre la primera 550 y la segunda 520 resistencias, y la puerta del MOSFET 510 conectada a la salida del segundo inversor de onda cuadrada 555. Además, un condensador 505 puede conectar la entrada del inversor de onda cuadrada 540 a un terminal de tierra 530 (u otra tensión más baja o negativa como entendería un experto en la técnica).
La primera resistencia 550 puede tener una resistencia mucho mayor que la segunda resistencia 520. En consecuencia, cuando la salida del segundo inversor de onda cuadrada 555 es baja y la salida del primer inversor de onda cuadrada 540 es alta, el MOSFET 510 se encenderá, permitiendo que la alta salida del primer inversor de onda cuadrada 540 cargue rápidamente el condensador 505 a través del MOSFET 510 y la relativamente pequeña resistencia de la segunda resistencia 520. Cuando el condensador 505 está suficientemente cargado, la entrada del primer inversor de onda cuadrada 540 será alta, haciendo la salida del segundo inversor de onda cuadrada 555 alta también. El MOSFET 510 se apagará porque la puerta del MOSFET 510 está conectada a la salida del segundo inversor de onda cuadrada 555. Con el MOSFET 510 apagado, actuará como un circuito abierto. En consecuencia, el condensador 505 se descarga lentamente a través de la gran resistencia combinada relativa de la segunda resistencia 520 y la primera resistencia 550.
La capacidad del condensador 505, las resistencias de la primer resistencia 550 y la segunda resistencia 520, y las características del MOSFET 510 se pueden seleccionar para obtener cualquiera de una amplia variedad de ciclos de trabajo y/o frecuencias. Un transistor
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de unión bipolar (BJT) 545 puede funcionar como un circuito de detección. Si la señal de retroalimentación es alta, indicando que se está emitiendo un exceso de energía mediante las SMPS, el BJT 545 hará la entrada del primer inversor onda cuadrada 540 baja, obligando a la señal de protección proporcionada al circuito de control 595 a un estado de activación. La resistencia 535 puede limitar la cantidad de corriente que fluye desde el circuito de retroalimentación 504 a tierra 530 a través del BJT 545. La resistencia 525 puede ser relativamente grande y proporcionar estabilidad, al tiempo que permite que una cantidad limitada de la corriente fluya desde el circuito de retroalimentación 504 a tierra 530.
El circuito de protección 500 puede estar configurado para limitar la potencia de salida media de la SMPS en escenarios de alta demanda. Por ejemplo, si el circuito de retroalimentación 504 genera una señal "baja", lo que indica que se necesita más potencia, el circuito de control 595 puede conducir normalmente la SMPS en condiciones de sobrecarga y/o de sobrecalentamiento. En un escenario de alta demanda, el BJT 545 se apagará y funcionará como un circuito abierto. Por consiguiente, una señal de protección se genera con un ciclo de trabajo asimétrico a una frecuencia relativamente baja. La señal de protección puede tener un ciclo de trabajo alterno entre un estado de inhibición y un estado de habilitación, para limitar la potencia de salida media de la SMPS dentro de los límites predefinidos. Por ejemplo, el ciclo de protección puede inhibir el circuito de control 595 durante 900 milisegundos para enfriar los componentes, y luego habilitar el circuito de control 595 durante 100 milisegundos para permitir la generación de salida de CC. Los ciclos de trabajo y/o frecuencias se pueden adaptar para una configuración específica.
La figura 5B ilustra una realización de un diagrama de bloques de una SMPS 560, que incluye un circuito de protección de vista de componentes 500. La SMPS 560 puede incluir un conector de alimentación de entrada 561 configurado para recibir una señal de alimentación de corriente alterna (CA), tal como una señal de CA de 110/120 voltios o 220/240 voltios. La SMPS 560 puede incluir un IRF 562 configurado para rectificar y/o filtrar la señal de alimentación de CA a una señal de CC.
La SMPS 560 se puede configurar para conmutar la señal de alimentación de CC entre dos
o más estados (tales como encendido y apagado o positivo y negativo) a través de un devanado(s) primario de un transformador de potencia 564. Una señal de conmutación 563, generada por un circuito de control 595, puede controlar la frecuencia a la que la señal de alimentación de CC se conecta a través del devanado(s) primario del transformador de potencia 564. El circuito de control 595 puede modificar la frecuencia y/o ciclo de trabajo de
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