CN102624427A - 一种能量与信息的同步传输*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量与信息的同步传输***，包括直流总线和连接于直流总线上的直流电源和若干能量信息传输单元；能量信息传输单元包括Boost电路、采样电路、载波检测电路、控制电路和驱动电路。本发明使电力线载波通信技术与Boost电路的特性相结合，无需额外调制电路的前提下实现了能量与信息的同步传输，减小了***的体积及相应元器件的使用，不需要额外的连接线，且通信信道的特性也可以根据需要进行设计。

Description

一种能量与信息的同步传输***
技术领域
本发明属于电力电子通信技术领域，具体涉及一种能量与信息的同步传输***。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，物联网等新概念正逐步被人们接受。无论是不同的电力变换***还是同一***中不同的电力变换模块，要想实现既定功能，除了需要电源提供电能之外，还需要相互之间通信功能的配合和协调。
在电力电子技术中，DC-DC(直流-直流)变换器原本只是通过控制开关管的开通与关断，实现能量的变换和传输。当一个***有多个DC-DC变换器为不同的设备供电时，往往需要加入通信功能，在各个DC-DC变换器之间传递信息，协调工作。
面对能量传输和信号通信两种不同的功能要求，传统的解决方案一般采用两套不同的硬件电路分别处理能量传输和信息传输的功能；这种传统的设计方案使用的元器件较多，体积较大，需要额外的连接线。
目前，在通信领域，电力线载波通信(PLC)技术得到了广泛研究和应用。其将载波信号叠加到电源线上，通过已有的电源线路传输数据，避免了额外布线。但电力线载波通信的实现往往需要额外的载波调制电路，该电路包含了耦合变压器，体积大，成本高；同时传统的电力线载波通信是在已有的电源线路上叠加数字信号进行通讯，线路上传输的能量不受控制，信道的特性不能改变。
申请号为200910191716.3的中国专利公开了一种能量信号同步传输装置及方法，该技术在主电路上增加了信号调制器，在次级回路上增加了信号提取与复原电路，与电力线载波通信一样，需要增加额外的信号调制器，增加了电路的体积和成本，且只是用来调节***注入能量。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种能量与信息的同步传输***，无需额外调制电路的前提下实现了能量与信息的同步传输。
一种能量与信息的同步传输***，包括：一直流电源、一直流总线和若干与对应负载连接的能量信息传输单元；所述的直流电源和能量信息传输单元均连接于所述的直流总线上。
所述的能量信息传输单元包括：
Boost(升压)电路，将直流总线上的直流电升压后输送给负载，并产生谐波信号至直流总线上；
采样电路，采集负载的状态信号；所述的状态信号包括电流信号、电压信号等状态信息；
载波检测电路，从直流总线上接收其他能量信息传输单元产生的谐波信号，并对该谐波信号进行滤波放大后输出载波信号；
控制电路，对所述的载波信号或状态信号依次进行模数转换和分析识别，根据识别结果构造出开关信号；
驱动电路，对所述的开关信号进行功率放大，并利用功率放大后的开关信号对Boost电路中的开关管进行控制。
优选地，所述的Boost电路包括一个电感、一个电容和两个开关管；其中，电感的一端与直流总线相连，另一端与第一开关管的漏极和第二开关管的漏极相连；第二开关管的源极与电容的一端和负载的一端相连；第一开关管的源极与电容的另一端和负载的另一端相连并接地；第一开关管或第二开关管的栅极接收驱动电路输出的功率放大后的开关信号；能够防止Boost电路进入断续工作模式对电感上的电流波形造成影响。
所述的第一开关管与第二开关管接收的开关信号互补。
优选地，所述的直流电源通过阻抗匹配网络连接于直流总线上；可削弱对通讯造成的干扰。
所述的阻抗匹配网络包括一个电感、一个电容和一个电阻；其中，电感的一端与直流电源的正极相连，另一端与电容的一端相连；电容的另一端与电阻的一端相连，电阻的另一端与直流电源的负极相连并接地。
优选地，所述的控制电路连接有人机界面；使得用户可对***进行控制。
所述的控制电路根据识别结果，通过对占空比或开关频率进行调整构造出对应的开关信号；其中：
对于能量传输，使开关信号的开关频率恒定，调整开关信号的占空比；
对于信息传输，使开关信号的占空比恒定，调整开关信号在每个码片周期中的开关频率；所述的码片周期为开关周期的整数倍。
所述的控制电路为DSP(数字信号处理器)。
本发明使电力线载波通信技术与Boost电路的特性相结合，无需额外调制电路的前提下实现了能量与信息的同步传输，减小了***的体积及相应元器件的使用，不需要额外的连接线，且通信信道的特性也可以根据需要进行设计。
同时本发明应用于LED照明***、电动汽车、多输出要求的电源***、新能源并网发电等场合时，可以在不增加额外调制电路的前提下，仅使用一条专用线路同时传输能量和信号；故本发明可以方便地实现集中控制，运行状态检测，且载波信号幅度稳定，与负载电流无关，仅与输入电压与输出电压相关。
附图说明
图1为本发明***的结构示意图。
图2为载波检测电路的结构示意图。
图3为开关信号与谐波信号的波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
将本发明应用于LED照明***中，如图1所示，一种能量与信息的同步传输***，包括：一直流电源E、一直流总线和n个与对应负载连接的能量信息传输单元；n个能量信息传输单元均连接于直流总线上；本实施方式中的负载为LED(发光二极管)。
直流电源E通过阻抗匹配网络连接于直流总线上；阻抗匹配网络包括一个电感Lr、一个电容Cr和一个电阻Rr；其中，电感Lr的一端与直流电源E的正极相连，另一端与电容Cr的一端相连；电容Cr的另一端与电阻Rr的一端相连，电阻Rr的另一端与直流电源E的负极相连并接地。
能量信息传输单元包括Boost电路、采样电路、载波检测电路、驱动电路和DSP；其中：
Boost电路用于将直流总线上的直流电升压后输送给LED，并产生谐波信号至直流总线上；本实施方式中，Boost电路包括一个电感L、一个电容C和两个开关管Q1～Q2；其中，电感L的一端与直流总线相连，另一端与第一开关管Q1的漏极和第二开关Q2管的漏极相连；第二开关管Q2的源极与电容C的一端和LED的阳极相连；第一开关管Q1的源极与电容C的另一端和LED的阴极相连并接地；第一开关管Q1和第二开关管Q2的栅极均接收驱动电路输出的功率放大后的开关信号；第一开关管Q1与第二开关管Q2接收的开关信号互补。
采样电路用于采集LED的电流信号；本实施方式中，采样电路为电流传感器。
载波检测电路用于从直流总线上接收其他能量信息传输单元产生的谐波信号，并对该谐波信号进行滤波放大后输出载波信号；如图2所示，本实施方式中，谐波检测电路包括五个电阻R1～R5、三个电容C1～C3和一个运算放大器LM318；其中：C1一端接直流总线，另一端接R1；R1另一端接R2、R3和LM318的正相输入端；R2另一端以及LM318正电源端接VCC；R3另一端与C2连并接地；C2另一端接R4；R4另一端接R5、C3和LM318的反相输入端；LM318的负电源端接地；LM318的输出端与R5另一端和C3另一端连并接DSP。
DSP用于对载波信号或电流信号依次进行模数转换和分析识别，通过对占空比或开关频率进行调整构造出对应的开关信号；其中：对于能量传输，使开关信号的开关频率恒定，调整开关信号的占空比；对于信息传输，使开关信号的占空比恒定，调整开关信号在每个码片周期中的开关频率。本实施方式中，DSP采用TMS320F28035；其中，第一能量信息传输单元中的DSP还连接有人机界面。
驱动电路用于对开关信号进行功率放大，并利用功率放大后的开关信号对Boost电路中的开关管Q1～Q2进行控制；本实施方式中，驱动电路采用芯片IR2101。
本实施方式中，电流传感器采集到LED的电流信号(6A)，DSP将该电流信号进行模数转换6→110；为了不影响能量传输，DSP使开关信号的占空比恒定，如图3所示，110的三个数字量分别对应三个连续的码片周期，DSP通过调整开关信号在每个码片周期中的开关频率，其中使前两个码片周期的开关频率均为f1，使最后一个码片周期的开关频率为f2(f2＝2f1)，构造出对应的开关信号用以对Boost电路中的开关管进行控制，进而对Boost电路产生的谐波频率进行控制，该谐波可作为通信的载波信号；图中s1为Boost电路中第一开关管Q1的开关信号，iL为Boost电路中电感L的电流信号(即Boost电路产生的谐波信号)。
在能量信息传输单元中，Boost电路作为DC-DC电路进行电能变换传输，为LED供电；同时，Boost电路会在输入端产生一定的谐波，与通信载波类似，该谐波信号能够被同一直流总线下的其他单元检测到；通过控制本单元产生的谐波频谱，同时不影响Boost电路的能量传输，那么该谐波分量就可以作为一种载波进行通信，从而使***实现能量与信息的同步传输。

Claims (8)

1.一种能量与信息的同步传输***，其特征在于：包括一直流电源、一直流总线和若干与对应负载连接的能量信息传输单元；所述的直流电源和能量信息传输单元均连接于所述的直流总线上；
所述的能量信息传输单元包括：
Boost电路，将直流总线上的直流电升压后输送给负载，并产生谐波信号至直流总线上；
采样电路，采集负载的状态信号；
载波检测电路，从直流总线上接收其他能量信息传输单元产生的谐波信号，并对该谐波信号进行滤波放大后输出载波信号；
控制电路，对所述的载波信号或状态信号依次进行模数转换和分析识别，根据识别结果构造出开关信号；
驱动电路，对所述的开关信号进行功率放大，并利用功率放大后的开关信号对Boost电路中的开关管进行控制。
2.根据权利要求1所述的能量与信息的同步传输***，其特征在于：所述的Boost电路包括一个电感、一个电容和两个开关管；其中，电感的一端与直流总线相连，另一端与第一开关管的漏极和第二开关管的漏极相连；第二开关管的源极与电容的一端和负载的一端相连；第一开关管的源极与电容的另一端和负载的另一端相连并接地；第一开关管或第二开关管的栅极接收驱动电路输出的功率放大后的开关信号。
3.根据权利要求2所述的能量与信息的同步传输***，其特征在于：所述的第一开关管与第二开关管接收的开关信号互补。
4.根据权利要求1所述的能量与信息的同步传输***，其特征在于：所述的直流电源通过阻抗匹配网络连接于直流总线上。
5.根据权利要求4所述的能量与信息的同步传输***，其特征在于：所述的阻抗匹配网络包括一个电感、一个电容和一个电阻；其中，电感的一端与直流电源的正极相连，另一端与电容的一端相连；电容的另一端与电阻的一端相连，电阻的另一端与直流电源的负极相连并接地。
6.根据权利要求1所述的能量与信息的同步传输***，其特征在于：所述的控制电路连接有人机界面。
7.根据权利要求1所述的能量与信息的同步传输***，其特征在于：所述的控制电路根据识别结果，通过对占空比或开关频率进行调整构造出对应的开关信号；其中：
对于能量传输，使开关信号的开关频率恒定，调整开关信号的占空比；
对于信息传输，使开关信号的占空比恒定，调整开关信号在每个码片周期中的开关频率。
8.根据权利要求1、6或7所述的能量与信息的同步传输***，其特征在于：所述的控制电路为DSP。
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