CN110535351A - 直流电源寿命可靠性提升电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直流电源的技术领域,尤其涉及一种直流电源寿命可靠性提升电路。直流电源输入端的直流开关电源电源变换回路输入端的电容C1两端或者输出端的电容C4两端并联连接由压敏电阻Ra、温度开关K和电解电容Ca组成的备用电路;所述直流开关电源电源变换回路输出端的电容C4的两端并联连接由谐振电感Lb、发光二极管VDb和谐振电容Cb组成的可检测纹波电压的电路。不但能大幅提升现有直流电源产品的寿命,还可在第一时间发现有老化迹象的电源,将老化而尚未损坏的电源板卡及早剔除,可有效提高电力控制保护设备等重要设备的运行可靠性,降低设备异常导致的事故概率。

Description

直流电源寿命可靠性提升电路
技术领域
本发明涉及一种直流电路,尤其涉及一种直流电源寿命可靠性提升电路。
背景技术
直流开关电源应用十分广泛,在电力行业中,直流开关电源几乎占据了所有控制保护设备的电源模块份额,然而开关电源受限于内部电容器的工艺问题,常常慢慢老化,有时会给电力二次设备的运行带来较大隐患,据不完全统计,很多变电站控制保护***的缺陷或事故,均来自于内部电源的供电问题,这个问题在换流站中尤为显著,直流电源板卡异常导致直流输电闭锁的事故已屡次发生,开关电源模块与传统线性稳压电源比较,具有体积小、效率高、成本低、自动化程度高的优点,因此在工业控制领域大量采用。然而开关电源也具有明显的缺点,就是老化速度快,可能对供电的设备带来隐患。
开关电源通过内部开关管不停开关、利用PWM斩波原理来调节、变换电压,开关频率要达到30KHz以上才能有较小的体积和较高的效率。这么高的开关频率就对输出端的滤波电容提出了较高要求,由于普通无极性电容容量小,因此输出端的滤波电容必须采用电解电容,电解电容高频损耗很大,在高频电流作用下会发热以致老化干枯,然而电解电容又不是突然损坏的,而是逐步老化,这就导致了电源模块的滤波效果会逐年降低、输出的纹波会逐年增大。控制保护板卡对电源的要求很高,稍有波动就会导致程序出错跑飞,电源模块的纹波增大到一定幅度时,必然会对板卡的运行产生明显影响,伴随输出电压的失稳、纹波、内阻、交流成分的增加,很容易导致相关板卡的突发故障或死机,甚至误发跳闸闭锁指令,然而现有技术无论是离线还是在线,都没有对电源模块输出纹波进行检测的技术,使开关电源老化导致的隐患始终悬而未决。
发明内容
本发明旨在解决上述缺陷,提供一种直流电源寿命可靠性提升电路。
为了克服背景技术中存在的缺陷,本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:这种直流电源寿命可靠性提升电路包括直流电路的直流电源输入端,直流电源输入端包括直流开关电源电源变换回路,直流开关电源电源变换回路的前端连接电阻丝FU、电感L1、BR、电容C1,直流开关电源电源变换回路包括电阻R1、电阻R2、电容C7、电阻R3、二极管VD1、集成电路IC1、电容C5、电阻R5、电容C8、电容C9、电容C6、电容C2、电容C3、电阻R7、二极管VD2、二极管VD3、集成电路IC2、电阻R4、电阻R6、电感L2、电容C4和二极管VDZ组成,其特征在于:所述直流开关电源电源变换回路输入端的电容C1两端或者输出端的电容C4两端并联连接由压敏电阻Ra、温度开关K和电解电容Ca组成的备用电路;所述直流开关电源电源变换回路输出端的电容C4的两端并联连接由谐振电感Lb、发光二极管VDb和谐振电容Cb组成的可检测纹波电压的电路。
根据本发明的另一个实施例,进一步包括所述备用电路包括压敏电阻Ra与温度开关K并联, 再与所述电解电容Ca串联。
根据本发明的另一个实施例,进一步包括所述压敏电阻Ra与温度开关K封装为一体化结构。
根据本发明的另一个实施例,进一步包括所述可检测纹波电压的电路包括谐振电感Lb与发光二极管VDb并联,再与所述谐振电容Cb串联。
根据本发明的另一个实施例,进一步包括所述谐振电感Lb与谐振电容Cb调谐于所述直流电源开关管震荡频率的80—120%。
本发明的有益效果是 :
1、通过提出的电解电容备份技术,通过电解电容的“备份”,就用简单巧妙地方法实现了电源插件最大的寿命瓶颈——电解电容的寿命倍增,从而可使电源装置的寿命的到非常有效的提升,现有技术需要成倍提升开关电源的寿命,需要至少花费整机3倍的成本,将电解电容替换为固态电容或陶瓷电容才可实现,而本发明仅需增加一个普通备份的电解电容,压敏电阻与温度开关成本均十分低廉,因此本发明仅仅需要增加不到15%的成本,就能同样实现电源寿命的倍增;
2、通过提出的LC谐振方案实现纹波越限的监测,整体电路仅需要三个无源器件,其成本远低于现有技术的离线式纹波检测仪表,且不需要人力定期检测,加上其简单小巧的提成,几乎可在任何电源模块内部加装,实现电源老化度的实时监测;
3、不但能大幅提升现有直流电源产品的寿命,还可在第一时间发现有老化迹象的电源,将老化而尚未损坏的电源板卡及早剔除,可有效提高电力控制保护设备等重要设备的运行可靠性,降低设备异常导致的事故概率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图;
图2是另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,这种直流电源寿命可靠性提升电路包括直流电路的直流电源输入端,直流电源输入端包括直流开关电源电源变换回路,直流开关电源电源变换回路的前端连接电阻丝FU、电感L1、整流BR、电容C1,直流开关电源电源变换回路包括电阻R1、电阻R2、电容C7、电阻R3、二极管VD1、集成电路IC1、电容C5、电阻R5、电容C8、电容C9、电容C6、电容C2、电容C3、电阻R7、二极管VD2、二极管VD3、集成电路IC2、电阻R4、电阻R6、电感L2、电容C4和二极管VDZ组成。
直流开关电源电源变换回路输入端的电容C1两端或者输出端的电容C4两端并联连接由压敏电阻Ra、温度开关K和电解电容Ca组成的备用电路;所述直流开关电源电源变换回路输出端的电容C4的两端并联连接由谐振电感Lb、发光二极管VDb和谐振电容Cb组成的可检测纹波电压的电路。
优选例
压敏电阻Ra与温度开关K封装为一体化结构。
优选例
谐振电感Lb与谐振电容Cb调谐于所述直流电源开关管震荡频率的80—120%。
实施例1
如图1所示,在直流开关电源电源变换回路输入端的电容C1两端并联连接由谐振电感Lb、发光二极管VDb和谐振电容Cb组成的可检测纹波电压的电路,直流开关电源电源变换回路输出端的电容C4的两端并联连接由谐振电感Lb、发光二极管VDb和谐振电容Cb组成的可检测纹波电压的电路,可检测纹波电压的电路的具体结构为包括谐振电感Lb与发光二极管VDb并联,再与所述谐振电容Cb串联。即使外部加装了备份的电解电容,电解电容老化的趋势仍旧不可逆转,因此需要有一个检测纹波电压的方案,实时检测电源模块的输出纹波大小,才能从根本上杜绝电源问题引起的隐患。
实施例2
如图2所示,在直流开关电源电源变换回路输出端的电容C4两端并联连接由谐振电感Lb、发光二极管VDb和谐振电容Cb组成的可检测纹波电压的电路,同时还并联一路可检测纹波电压的电路,可检测纹波电压的电路的具体结构为包括谐振电感Lb与发光二极管VDb并联,再与所述谐振电容Cb串联。即使外部加装了备份的电解电容,电解电容老化的趋势仍旧不可逆转,因此需要有一个检测纹波电压的方案,实时检测电源模块的输出纹波大小,才能从根本上杜绝电源问题引起的隐患。
开关电源输出的直流电压本来就是一连串具有一定占空比的脉冲电压,只有经过输出端的滤波电容平波后才能变为平滑的直流电压供负载使用。电容器老化后,其介质损耗角会大幅上升,从而令通过高次交流分量的能力下降,其电容量也会减小,从而令放电速度增快,本发明采用电解电容备份的原理,克服电解电容易老化的问题。具体原理是,备份的电解电容与原有主电容回路上,通过一个压敏电阻与电阻以及温度开关的并联回路与主电容并联,温度开关与压敏电阻一体化封装,当主电容滤波效果正常时,直流母线上纹波电压较低,压敏电阻不导通,当主电容滤波效果降低后,直流母线纹波逐步加大,当纹波峰值超过压敏电阻门槛电压后,压敏电阻导通,备用电容开始有高频纹波电流流过,由于压敏电阻导通后悔急剧发热,当温度升至一定值后,温度开关受热,接点闭合,备用电解电容被接入回路起到滤波作用,实现电解电容的备份效果,由于电解电容容量较大,当备用电容通过机械的温度开关接入回路时,电路接通瞬间会有较大冲击电流,此电流会在温度开关K接点上起到“点焊”效果,将温度开关接点永久合上,实现备用电解电容的完全接入、取代老化电容的作用。
设直流母线的直流电压成分为C,纹波成分为Asinwt,则直流母线电压为:
Ud=Asinwt+C
设压敏电阻的动作门槛电压为U,根据压敏电阻的伏安特性,则压敏电阻的电阻表达式为:
R=∞(当u>U时)
R=0(当u<U时)
由于压敏电阻存在一定的泄漏电流,当回路接通后,备用电容会逐步充电至接近直流母线电压的平均值,此时备用电容的端电压约为:
Uc=0.5A+C
压敏电阻的端电压为:
Uy=Ud-Uc=A(0.5-sinwt)
只要压敏电阻的门槛电压U大于Uy,则任意时间压敏电阻阻抗R=∞,备用电容无电流,处于备用状态,当随着主电容的老化,滤波效果下降,A必然越来越大,当Uy大于U时,压敏电阻开始进入导通,备用电容开始进入滤波状态,随着压敏电阻的通流发热,最终温度开关接点闭合,备用电容被完全接入回路,同时因电容器的合闸冲击电流,温度开关接点可被点焊而不再分开,实现备用电容的接入。通过电解电容的“备份”,就用简单巧妙地方法实现了电源插件最大的寿命瓶颈——电解电容的寿命倍增,从而可使电源装置的寿命的到非常有效的提升。
即使外部加装了备份的电解电容,电解电容老化的趋势仍旧不可逆转,因此需要有一个检测纹波电压的方案,实时检测电源模块的输出纹波大小,才能从根本上杜绝电源问题引起的隐患。纹波检测表本质上就是测量直流电压中的交流分量,因此只要采用一隔直元件,去除直流分量,然后在进行放大,就能测出纹波电压的大小是否越限。
鉴于电源插件的数量以及较小的体积,开发在线监测方案难度很大,通过提出一种利用LED 伏安特性,借助无源的谐振放大原理,通过简单地LC谐振原理放大纹波,然后通过LED 指示灯就地指示,既直观可靠,又体积小巧,同时成本低廉适合大面积加装,绝大部分工业用开关电源插件均为固定频率、变化占空比控制方式,因频率固定,就可通过简单地LC元件,设置好调谐参数,就能使电感元件L两端所产生的纹波信号电压放大,当电源老化后纹波电压加剧,电感元件的端电压升高,当升至LED的导通门槛电压后,LED发光,显示纹波越限。该电路仅需要三个无源器件,其体积成本均十分小巧,可与现有电源插件的输出接线端并联,起到直观的老化告警作用。

Claims (5)

1.一种直流电源寿命可靠性提升电路,包括直流电路的直流电源输入端,直流电源输入端包括直流开关电源电源变换回路,直流开关电源电源变换回路的前端连接电阻丝FU、电感L1、BR、电容C1,直流开关电源电源变换回路包括电阻R1、电阻R2、电容C7、电阻R3、二极管VD1、集成电路IC1、电容C5、电阻R5、电容C8、电容C9、电容C6、电容C2、电容C3、电阻R7、二极管VD2、二极管VD3、集成电路IC2、电阻R4、电阻R6、电感L2、电容C4和二极管VDZ组成,其特征在于:所述直流开关电源电源变换回路输入端的电容C1两端或者输出端的电容C4两端并联连接由压敏电阻Ra、温度开关K和电解电容Ca组成的备用电路;所述直流开关电源电源变换回路输出端的电容C4的两端并联连接由谐振电感Lb、发光二极管VDb和谐振电容Cb组成的可检测纹波电压的电路。
2.如权利要求1所述的直流电源寿命可靠性提升电路,其特征在于:所述备用电路包括压敏电阻Ra与温度开关K并联, 再与所述电解电容Ca串联。
3.如权利要求2所述的直流电源寿命可靠性提升电路,其特征在于:所述压敏电阻Ra与温度开关K封装为一体化结构。
4.如权利要求1所述的直流电源寿命可靠性提升电路,其特征在于:所述可检测纹波电压的电路包括谐振电感Lb与发光二极管VDb并联,再与所述谐振电容Cb串联。
5.如权利要求1所述的直流电源寿命可靠性提升电路,其特征在于:所述谐振电感Lb与谐振电容Cb调谐于所述直流电源开关管震荡频率的80—120%。
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