直流电源及其充电电路的制作方法

1.本申请涉及自动化技术领域，特别是涉及一种直流电源及其充电电路。


背景技术：

2.对于需要使用直流供电的负载，通常需要使用直流电源为其提供工作电能。传统的直流电源充电电路，由于上电瞬间储能电容相当于短路状态，会产生很大的浪涌电流，不但会增加充电电路中各器件的电流应力，还会影响到前级电路各器件的电流应力，影响直流电源的可靠性。为了限制浪涌电流，通常在前级电路和储能电容之间的主回路连接一个电阻，然而，由于该电阻的存在，在电源稳定运行时会增加额外损耗，降低了电源的转换效率。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对传统的直流电源及其充电电路电源转换效率低的问题，提供一种直流电源及其充电电路，达到提高电源转换效率的效果。
4.本申请第一方面，提供了一种直流电源充电电路，包括第一分压单元、控制单元、开关单元、第二分压单元、储能单元和分流单元；
5.所述第一分压单元用于连接前级电路，所述储能单元用于连接后级电路，所述第二分压单元连接所述储能单元；所述控制单元连接所述第一分压单元和所述第二分压单元，所述控制单元还连接所述开关单元的控制端；所述分流单元的第一端连接所述前级电路，所述分流单元的第二端连接所述储能单元，所述开关单元的第一端连接所述分流单元的第一端，所述开关单元的第二端连接所述分流单元的第二端；所述控制单元在所述第二分压单元的采样电压大于所述第一分压单元的采样电压时，控制所述开关单元闭合。
6.在其中一个实施例中，所述第一分压单元包括第一分压电阻和第二分压电阻；所述第一分压电阻和所述第二分压电阻串联，形成的公共端连接所述控制单元，所述第一分压电阻的另一端连接所述前级电路的第一端，所述第二分压电阻的另一端连接所述前级电路的第二端。
7.在其中一个实施例中，所述第二分压单元包括第三分压电阻和第四分压电阻；所述第三分压电阻和所述第四分压电阻串联，形成的公共端连接所述控制单元，所述第三分压电阻的另一端连接所述储能单元的第一端，所述第四分压电阻的另一端连接所述储能单元的第二端。
8.在其中一个实施例中，所述分流单元为分流电阻。
9.在其中一个实施例中，所述储能单元为电容。
10.在其中一个实施例中，所述控制单元为运算放大器，所述运算放大器的第一输入端连接第一分压单元，所述运算放大器的第二输入端连接第二分压单元，所述运算放大器的输出端连接所述开关单元。
11.在其中一个实施例中，所述开关单元为mos管。
12.在其中一个实施例中，还包括稳压单元，所述稳压单元连接所述开关单元的控制端和第一端。
13.在其中一个实施例中，所述稳压单元包括稳压二极管和稳压电阻，所述稳压二极管的阴极连接所述开关单元的控制端，所述稳压二极管的阳极通过所述稳压电阻连接所述开关单元的第一端。
14.本申请第二方面，提供了一种直流电源，包括前级电路、后级电路和上述任意实施例中的直流电源充电电路。
15.上述直流电源充电电路，在电路上电初期，储能单元前级电路之间连接有分流单元，可以限制上电瞬间的浪涌电流，降低器件的电流应力。在充电过程中，第一分压单元的采样电压由前级电路的输出电压决定，第二分压单元的采样电压随着储能单元的储能电压上升而增大。在第二分压单元的采样电压大于第一分压单元的采样电压时，由控制单元控制开关单元闭合，此时，分流单元被短路，可以降低分流单元的能耗，提高电源转换效率。
附图说明
16.图1为一实施例的直流电源充电电路组成框图；
17.图2为另一实施例的直流电源充电电路组成框图；
18.图3为一实施例的直流电源充电电路结构示意图。
具体实施方式
19.为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
20.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
21.可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
22.可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
23.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
24.为了在抑制浪涌电流的同时提高电源的转换效率，可通过两种解决方案。一种是在前级电路和储能电容之间主回路连接一个热敏电阻。电路上电初期，由于热敏电阻温度较低，阻值较高，可以有效的限制浪涌电流；电路工作过程中，热敏电阻温度升高，阻值降低，能耗随之降低。然而，这种直流电源充电电路，一方面，热敏电阻的阻值降低后，也需要
消耗一定的能量，对电源转换效率的提高效果有限；另一方面，由于热敏电阻温度下降需要时间，因此直流电源无法在关断后马上开启，将会限制直流电源的应用场景。
25.另一种是增加开关管与主回路中的电阻并联，并增加控制器和采样电路。由采样电路采集储能电容的储能或电流大小，再由控制器根据采样电路的反馈信号，进行开关管的控制：在电路上电时，控制开关管断开，限制浪涌电流；电路平稳运行后，控制开关管闭合，电阻被短路，减小额外的能量消耗。然而，这种直流电源充电电路，需要额外增加控制器和采样电路，电路复杂且成本高。
26.由此可见，以上直流电源充电电路都存在各自的缺陷，基于此，本申请第一方面，提供了一种直流电源充电电路，既不需要增加控制器和采样电路，又不存在热敏电阻的缺点，并且能达到抑制浪涌电流的同时提高电源的转换效率的效果。
27.在一个实施例中，请参考图1，提供了一种直流电源充电电路，包括第一分压单元10、控制单元20、开关单元30、第二分压单元40、储能单元50和分流单元60。其中，第一分压单元10用于连接前级电路，储能单元50用于连接后级电路，第二分压单元40连接储能单元50；控制单元20连接第一分压单元10 和第二分压单元40，控制单元20还连接开关单元30的控制端；分流单元60的第一端连接前级电路，分流单元60的第二端连接储能单元50，开关单元30的第一端连接分流单元60的第一端，开关单元的第二端连接分流单元60的第二端。控制单元20在第二分压单元40的采样电压大于第一分压单元10的采样电压时，控制开关单元30闭合。
28.其中，第一分压单元10和第二分压单元40包括分压器、分压电阻等可以实现分压功能的器件。控制单元20包括控制芯片、电压比较器等可以通过电压比较控制输出的器件。开关单元30包括继电器或mos管 (metal
‑
oxide
‑
semiconductor field
‑
effect transistor，金氧半场效晶体管)等可以通过改变输入控制开闭的开关器件。进一步的，继电器可以是电压继电器，也可以是电流继电器。分流单元60包括分流器、分流电阻等可以实现分流功能的器件。储能单元50包括储能电容、储能电池等可以实现储能功能的器件。总之，本申请实施例对各组成部分的具体器件构成并不作限定。
29.具体的，分流单元60可以设置于前级电路与储能单元50之间的任意位置。电路上电时，前级电路输入的电能通过分流单元60到达储能单元50，可以有效限制上电瞬间的浪涌电流。在电路工作过程中，控制单元20通过第一分压单元 10和第二分压单元40，分别对前级电路和储能单元50进行采样。其中，第一分压单元10的采样电压由前级电路的输出电压决定，第二分压单元40的采样电压随着储能单元50的储能电压上升而增大。当第二分压单元40的采样电压大于第一分压单元10的采样电压时，控制单元20控制开关单元30闭合，分流单元60被短路，充电电流通过开关单元30到达储能单元50，继续给储能单元 50充电，直至充电完成。
30.上述直流电源充电电路，在电路上电初期，储能单元50前级电路之间连接有分流单元60，可以限制上电瞬间的浪涌电流，降低器件的电流应力，提高可靠性。在充电过程中，第一分压单元10的采样电压由前级电路的输出电压决定，第二分压单元40的采样电压随着储能单元50的储能电压上升而增大。在第二分压单元50的采样电压大于第一分压单元10的采样电压时，由控制单元20控制开关单元30闭合，此时，分流单元60被短路，可以降低分流单元60的能耗，提高电源转换效率。
31.在一个实施例中，请参考图2，该直流电源充电电路还包括稳压单元70，稳压单元70连接开关单元30的控制端和第一端。
32.其中，稳压单元70包括稳压器、稳压芯片或稳压二极管等能实现稳压功能的器件。具体的，在开关单元30的控制端和第一端之间设置稳压单元70，可以保持开关单元30的控制端和第一端之间的电压差恒定，有利于提高直流电源充电电路的稳定性。
33.在一个实施例中，请参考图3，第一分压单元10包括第一分压电阻r1和第二分压电阻r2；第一分压电阻r2和第二分压电阻r2串联，形成的公共端连接控制单元20，第一分压电阻r1的另一端连接前级电路的第一端j1，第二分压电阻r2的另一端连接前级电路的第二端j2。
34.其中，前级电路的第一端j1和第二端j2的电极类型并不唯一。当前级电路的第一端j1为正极时，则第二端j2为负极；对应的，当前级电路的第一端j1 为负极时，则第二端j2为正极。具体的，控制单元20接收的第一采样电压，由前级电路的输出电压，以及第一分压电阻r1和第二分压电阻r2的阻值决定。当前级电路的第一端j1为正极时，该第一采样电压的采样值v1为：
[0035][0036]
式中，r1为第一分压电阻r1的阻值，r2为第二分压电阻r2的阻值， v
前级电路
为前级电路的输出电压。
[0037]
上述实施例中，通过选择合适阻值的第一分压电阻r1和第二分压电阻r2，可以确定控制单元20的第一采样电压v1，进而确定开关单元30开闭的启动条件。
[0038]
在一个实施例中，请继续参考图3，第二分压单元40包括第三分压电阻r3 和第四分压电阻r4；第三分压电阻r3和第四分压电阻r4串联，形成的公共端连接控制单元20，第三分压电阻r3的另一端连接储能单元50的第一端，第四分压电阻r4的另一端连接储能单元50的第二端。
[0039]
其中，储能单元50连接后级电路，储能单元50的第一端，连接后级电路的第一端j3，储能单元50的第二端，连接后级电路的第二端j4。后级电路的第一端j3和第二端j4的电极类型，与前级电路的第一端j1和第二端j2的电极类型对应。具体的，后级电路的第一端j3的电极类型与前级电路的第一端j1对应，后级电路的第二端j4的电极类型与前级电路的第二端j2对应。当前级电路的第一端j1为正极时，则后级电路的第一端j3为正极，第二端j4为负极；对应的，当前级电路的第一端j1为负极时，则后级电路的第一端j3为负极，第二端j4 为正极。具体的，控制单元20接收的第二采样电压，由储能单元50的电压、以及第三分压电阻r3和第四分压电阻r4的阻值决定。当储能单元50的第一端连接后级电路的正极时，该第二采样电压的采样值v2为：
[0040][0041]
式中，r3为第三分压电阻r3的阻值，r4为第四分压电阻r4的阻值， v
储能单元
为前级电路的输出电压。
[0042]
上述实施例中，通过选择合适阻值的第三分压电阻r3和第四分压电阻r4，可以确
定控制单元20的第二采样电压v2，有利于确定开关单元30开闭的启动条件，调整开关单元30的闭合时间。
[0043]
在一个实施例中，请继续参考图3，分流单元60为分流电阻r5。
[0044]
其中，该分流电阻r5可以为热敏电阻、压敏电阻等可调电阻，也可以为阻值恒定的不可调电阻。总之，本申请实施例对分流电阻r5的具体类型不作限定。该分流电阻r5的阻值，远小于上述任意分压电阻的阻值。具体的，分流电阻 r5可以设置于前级电路与储能单元50之间的任意位置。电路上电时，前级电路输入的电能通过分流电阻r5到达储能单元50，可以有效限制上电瞬间的浪涌电流。例如，请参考图3，可以将分流电阻r5设置于前级电路的一端j2与储能单元50之间。可以理解，j2可以为前级电路的输出正极，也可以为前级电路的输出负极。
[0045]
上述实施例中，分流单元60为分流电阻r5，电路简单，既可以有效的降低上电瞬间的浪涌电流，又有利于降低直流电源充电电路的成本。
[0046]
在一个实施例中，请继续参考图3，储能单元50为电容c1。
[0047]
其中，电容c1的两端，分别连接后级电路的第一端j3和第二端j4。可以理解，后级电路的第一端j3的极性与前级电路的第一端j1的极性相同，后级电路的第二端j4的极性与前级电路的第二端j2的极性相同。例如，j1为正极j2 为负极时，对应的，j3为正极j4为负极。
[0048]
具体的，该电容c1，可以为超级电容，也可以为普通电容。当电容c1为超级电容时，根据储能机理的不同，电容c1可以为双电层电容，也可以为法拉第准电容。其中，双电层电容主要是通过纯静电电荷在电极表面进行吸附来产生存储能量。法拉第准电容主要是通过活性电极材料(如过渡金属氧化物和高分子聚合物)表面及表面附近发生可逆的氧化还原反应产生法拉第准电容，从而实现对能量的存储与转换。其次，根据电解液种类的不同，电容c1可以为水系超级电容器，也可以为有机系超级电容器。此外，根据活性材料的类型是否相同，电容c1还可以为对称超级电容或非对称超级电容。最后，根据电解液的状态形式，电容c1可以为固体电解质超级电容或液体电解质超级电容。总之，本申请实施例对电容c1的具体类型不作限定。
[0049]
在一个实施例中，请继续参考图3，控制单元20为运算放大器u1，运算放大器u1的第一输入端连接第一分压单元10，运算放大器u1的第二输入端连接第二分压单元40，运算放大器u1的输出端连接开关单元30。
[0050]
其中，运算放大器u1可以为通用型运算放大器(如μa741、lm358和lm324 等)、高阻型运算放大器(如lf355、ca3130和ca3140等)、低温漂型运算放大器(如op07、op27等ad508)、高速型运算放大器(如lm318、μa715等)、低功耗型运算放大器(如tl
‑
022c、tl
‑
060c等)、高压大功率型运算放大器(如 d41)和可编程控制型(如pga103a)等。本申请实施例对运算放大器的具体类型不作限定。
[0051]
具体的，运算放大器u1的第一输入端和第二输入端的采样电压分别由第一分压单元10和第二分压单元40的分压值确定。具体的，根据开关单元30的不同，将运算放大器u1同相输入端、反相输入端的其中一端选择为第一输入端，另一端选择为第二输入端。当第一输入端为同相输入端时，则第二输入端为反相输入端，对应的，当第一输入端为反相输入端时，则第二输入端为同相输入端。以反相输入端作为第一输入端，同相输入端作为第二输入
端为例，电路上电初期，第一输入端的采样电压大于第二输入端的采样电压，运算放大器u1输出控制信号控制开关单元30断开，充电电流通过分流单元60给储能单元50充电，储能单元50的电压上升。运算放大器u1第二输入端的采样电压随着储能单元50的电压的上升而增大，当第二输入端的采样电压大于或等于第一输入端的采样电压时，运算放大器u1输出控制信号控制开关单元30导通，分流单元 60被短路，充电电流通过开关单元30给储能单元50充电，直至充电完成。
[0052]
在一个实施例中，请继续参考图3，开关单元30为mos管k1。其中，依照其工作载流子的极性不同，mos管可分为“n型”与“p型”的两种类型，通常又称为nmos管与pmos管。本申请实施例对mos管的种类不作限定。为便于理解，下面以nmos管为例进行说明。
[0053]
具体的，运算放大器u1的第一输入端为反相输入端，第二端为同相输入端。运算放大器u1的输出端连接nmos管k1的栅极g；nmos管的源极s连接前级电路，nmos管k1的漏极d连接储能单元50。电路上电初期，运算放大器u1的反相输入端的采样电压大于同相输入端的采样电压，输出低电平，控制 nmos管k1断开，充电电流通过分流单元60给储能单元50充电，储能单元 50的电压上升。运算放大器u1同相输入端的采样电压随着储能单元50的电压的上升而增大，当同相输入端的采样电压大于或等于反相输入端的采样电压时，运算放大器u1输出高电平，控制nmos管k1导通，分流单元60被短路，充电电流通过nmos管k1给储能单元50充电，直至充电完成。
[0054]
在一个实施例中，请继续参考图3，稳压单元70包括稳压二极管d1和稳压电阻r6，稳压二极管d1的阴极连接开关单元30的控制端，稳压二极管d1 的阳极通过稳压电阻r6连接开关单元30的第一端。
[0055]
其中，稳压二极管d1是指利用pn结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。具体的，稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。当反向电压临近击穿电压时，反向电阻骤然降至很小值，此时尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了二极管的稳压功能。
[0056]
具体的，选择合适阻值的稳压电阻r6，与稳压二极管d1串联，不但可以实现稳压功能，还能通过稳压电阻r6限制流经稳压二极管d1的电流，防止稳压二极管d1因功耗过大而损坏。
[0057]
在一个实施例中，请继续参考图3，前级电路的第一端j1为正极，第二端 j2为负极，后级电路的第一端j3为正极，第二端j4为负极。第一分压单元10 包括第一分压电阻r1和第二分压电阻r2；第二分压单元40包括第三分压电阻 r3和第四分压电阻r4。控制单元20运算放大器u1，开关单元30为nmos管 k1，储能单元50为电容c1，分流单元60为分流电阻r5，稳压单元70包括稳压二极管d1和稳压电阻r6。
[0058]
其中，第一分压电阻r2和第二分压电阻r2串联，形成的公共端连接运算放大器u1的反相输入端，第一分压电阻r1的另一端连接前级电路的第一端j1，第二分压电阻r2的另一端连接前级电路的第二端j2。第三分压电阻r3和第四分压电阻r4串联，形成的公共端连接运算放大器u1的同相输入端，第三分压电阻r3的另一端连接电容c1的第一端，第四分压电阻r4的另一端连接电容 c1的第二端。nmos管k1的栅极g连接运算放大器u1的输出端；
nmos管的源极s连接前级电路的第二端j2，nmos管k1的漏极d连接电容c1的第二端。稳压二极管d1的阴极连接nmos管k1的栅极g，稳压二极管d1的阳极通过稳压电阻r6连接nmos管的源极s。分流电阻r5的一端连接前级电路的第二端j2，另一端连接电容c1的第二端。电容c1的第一端连接后级电路的第一端j3，电容c1的第二端连接后级电路的第二端j4。
[0059]
运算放大器u1反相输入端的采样电压的采样值v1为：
[0060][0061]
运算放大器u1同相输入端的采样电压的采样值v2为：
[0062][0063]
电路上电初期，v1大于v2，运算放大器u1的输出为负值，控制nmos管 k1断开，充电电流通过分流电阻r5给电容c1充电，电容c1的电压上升。运算放大器u1同相输入端的采样电压随着电容c1的电压的上升而增大，当同相输入端的采样电压大于或等于反相输入端的采样电压时，运算放大器u1的输出为正值，控制nmos管k1导通，分流电阻r5被短路，充电电流通过nmos 管k1给电容c1充电，直至充电完成。
[0064]
上述直流电源充电电路，在电路上电初期，通过运算放大器u1控制nmos 管k1断开，充电电流通过分流电阻r5给电容c1充电，可以有效地限制上电瞬间的浪涌电流，降低器件的电流应力，提高可靠性。在充电过程中，运算放大器u1正相输入端的采样电压随着电容c1的储能电压上升而增大。在正相输入端的采样电压大于反相输入端的采样电压时，由运算放大器u1控制nmos 管k1闭合，此时，分流电阻r5被短路，不再额外消耗能量，，可以较大程度地提高电源的转换效率，且即使电路关断后马上开启，也依然具备限制浪涌电流的功能，应用场景灵活。与此同时，通过稳压二极管d1和稳压电阻r6保持nmos 管k1的栅极和源极之间的电压差恒定，提高电路可靠性。另外，上述直流电源充电电路，无需增加控制器和采样电路，只需对分压电阻进行合理设计，就可以达到灵活控制nmos管导通时机的效果，电路简单，成本低。
[0065]
本申请第二方面，提供了一种直流电源，包括前级电路、后级电路和上述任意实施例中的直流电源充电电路。关于直流电源充电电路的具体限定可以参见上文，在此不再赘述。
[0066]
具体的，该直流电源可以是供电插座，包括前级电路、后级电路和直流电源充电电路，前级电路接入上一级的供电接口，负载通过后级电路接入直流电源。该直流电源还可以是变频器，包括前级电路、后级电路和上述任意实施例中的直流电源充电电路，前级电路连接外部交流电源，后级电路连接负载，直流电源充电电路设置于变频器的直流母线。总之，本实施例对直流电源的具体类型和构成不作限定。
[0067]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0068]
以上该实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。