具有长保电时间的电源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及一种具有长保电时间的电源。更具体地，涉及一种基于非同步、非隔离的回扫降压(fly-buck)电路结构的具有长保电时间的电源。
【背景技术】
[0002]在工业控制系统中，可编程控制器(PLC)通常通过控制继电器的接通/断开操作来完成工业控制动作。由于继电器自身存在最低工作电压的限制，因此为了保证继电器的正确操作，对向包含可编程控制器(PLC)和继电器等的工业控制系统供电的DCDC电源要求在电源关断时具备一定的保电能力，使电源的输出电压能维持一段时间。这里一般涉及2个保电维持时间的要求:
[0003]1.当输入电压中断1ms (或其他规定时间)时，输出24V电压不能跌落到继电器工作电压(一般17V)以下、输出5V不能有波动。
[0004]2.当输入电压关断时，输出5V需要维持一段时间(一般需要维持50到200ms)。
[0005]这就使得电源电路中需要有足够的储能元件来实现以上两项保电维持时间的要求。电容器是常见的储能元件，但如果在电源输入口放置满足上述储能需要的电容器，则所需电容器的电容值很大，电容器的体积也很大，这一方面会造成电源启动时冲击电流过大，对为电源提供能量的前级供电电源增加了容量要求，同时也增加了电源自身的体积和成本要求。
[0006]而且，由于受到继电器最低工作电压限制，如果使用同一端口电容器来实现上述两项保电维持时间要求，则为使两项要求都能满足，非隔离DCDC变换的电容量需要按二者需求的最大选，这会造成浪费。
[0007]例如:当输入电压中断1mS时，输出24V电压允许从20V开始跌落到17V，如果电源功率25W，选用的电容量满足0.5*0 (202-172) =25ff*10ms,则电容量C=4500uF。
[0008]当输入关断时，从输出电压跌落到17V开始，到5V开始下降，这段时间要满足要求。如果这段时间要求为60ms，5V输出功率为2W(此时24V输出为0)，24V转5V的D⑶C变换的最低工作电压为7V，选用的电容量满足0.5*C*( 172-72)=2ff*60ms,则电容量C=1000uF。
[0009]为同时满足上述两项保电维持时间要求，电容器的容量必须按大的选，即选择电容量 C=4500uF。
[0010]图1是工业控制系统中常用的具有长保电时间的电源的基本结构图。
[0011]在图1中，来自外部源的输入电压24V经由24V-24V降压型ECDC变换器I输出稳定的24V直流电压。来自外部源的输入电压24V经由24V-5V降压型DCDC变换器2输出稳定的5V直流电压。在输入端口处有多个并联在输入电压和地之间的电容器Cl.....Cn，形成满足长保电时间要求的电容量。图1的电源结构简单，但是启动冲击电流大，体积也大，耗费空间成本。
[0012]图2是工业控制系统中常用的具有长保电时间的电源的另一种基本结构图。
[0013]在图2中，采用的是两级电路法。其中来自外部源的输入电压24V经由24V-24V隔离或非隔离回扫型DCDC变换器I输出稳定的24V直流电压(前级电路)。DCDC变换器I的输出电压24V经由24V-5V降压型DCDC变换器2输出稳定的5V直流电压(后级电路)。在D⑶C变换器I输入端口有接地的电容器Cl，在D⑶C变换器I的输出端口处有接地的电容器C2，电容器C1、C2具有满足长保电时间要求的电容量。第一项保电时间要求由电容I完成，第二项保电时间要求由电容2完成。图2的电源能有效利用电容量，减小输入口电容量；但是功率经过两级转换，效率低。
[0014]图3是工业控制系统中常用的具有长保电时间的电源的第三种基本结构图。
[0015]图3所示的电路是施耐德电器工业公司的专利(专利号201220549312.4)的典型应用，采用的是旁路升降压法。其中来自外部源的输入电压24V经由二极管Dl后输入到24V-24V降压型DCDC变换器I以输出稳定的24V直流电压。来自外部源的输入电压24V经由二极管Dl后输入到24V-5V降压型DCDC变换器2以输出稳定的5V直流电压。在Dl的两端并联一旁路支路。该旁路支路包括串联连接的24V-36V升压型DCDC变换器3以及36V-24V降压型D⑶C变换器4。在变换器3和变换器4的连接点上有接地的电容器Cl，电容器Cl具有满足长保电时间要求的电容量。
[0016]图3所示的电路通过旁路支路的升压来减小储能电容器的电容量，控制简单精准，旁路支路基本不造成损耗，效率较高。但是，旁路支路中的两个DCDC变换器的成本较高；并且因为旁路支路中的24V-36V升压型DCDC变换器3的电路特性，决定了不能完全控制整个电源的启动冲击电流。
[0017]图4是工业控制系统中正在研究使用的具有长保电时间的电源的第四种基本结构图。
[0018]在图4中的电源采用的是双向旁路DCDC法，其在图1电源的基础上增加了一个24V-36V升压/36V-24V降压双向的DCDC变换器3，变换器3的一端连接来自外部源的输入电压24V，变换器3的另一端连接一接地的储能电容器Cl，电容器Cl具有满足长保电时间要求的电容量。
[0019]当电源正常工作时，来自外部源的输入电压24V经由变换器3的升压变换为输出电压36V，并对电容器Cl进行充电来存储能量。当电源的输入电压短暂中断或关断时，电容器Cl上的电能经由变换器3的降压变换为输出电压24V以继续为变换器1、2提供电能，实现电源的长保电时间。
[0020]图4所示的电路使用的器件较少，控制精度高，效率高；但是双向DCDC变换的控制方法较复杂，并且同样因为变换器3中的24V-36V升压型DCDC变换的电路特性，决定了不能完全控制整个电源的启动冲击电流。
[0021]因此，需要设法找到一种能够克服上述缺点的工业控制系统用的Drac电源，其具有较长保电时间，较小的启动冲击电流且冲击电流完全可控，较高的转换效率，较低的成本，同时减少储能电容器的电容量进而减少电源的体积。
【发明内容】
[0022]根据本发明的一方面，提供了一种用于工业控制系统的电源，包括:第一二极管；第二二极管；第一变换器，输入电压经由第一二极管后输入到第一变换器以输出稳定的第一直流电压，其中所述第一变换器是降压型DCDC变换器；第二变换器，输入电压经由第一二极管后输入到第二变换器以通过降压变换输出的第二直流电压，并通过回扫变换输出的第三直流电压，其中所述第二变换器是回扫降压型DCDC变换器；电容器，利用第三直流电压为电容器充电；开关，当接收到控制信号时，将电容器的电能经由第二二极管输入到第一变换器和第二变换器；输入电压比较器，将输入电压与一阈值进行比较，根据比较结果来输出控制信号以对开关进行控制。
[0023]其中，通过将一降压型Drac变换器的变换电感器上增加一组线圈来形成所述第二变换器；其中所述线圈的输出经由串联的第三二极管D3、接地的所述电容器形成整流回路；其中，所述线圈和电感器的匝数比使得整流回路的输出电压为高于输入电压的电压。
[0024]其中，所述开关具有单刀双掷的功能，并能通过一个N型MOSFET晶体管和一个P型MOSFET晶体管来实现。
[0025]其中，如果输入电压大于阈值，则电源正常工作，输入电压比较器不输出控制开关动作的控制信号，此时，开关处于常闭触点接通状态，使得第二变换器输出的第三直流电压对电容器进行充电；如果输入电压小于或等于阈值，则电源处于保电工作状态，输入电压比较器输出控制开关动作的信号，此时，开关处于常断触点接通状态，使得电容器的电能经由第二二极管输入到第一变换器和第二变换器。
[0026]其中，输入电压为24V，第一直流电压为24V，第二直流电压为5V，第三直流电压为36V,阈值为17V。
[0027]本发明的基于非同步、非隔离的回扫降压(fly-buck)电路