故障指示器采集单元的电源解决方案

大家好 我是德州仪器非隔离电源产品的 应用工程师 Jasper Lee 主要负责升压电源产品的技术支持 本视频将介绍暂态录播型故障指示器中 采集单元的电源解决方案 TIDA-01385 主要内容有电源方案的功能框图 实现方法和工作原理 可能碰到的问题以及解决方法 故障指示器主要应用于 6.6 千伏到 35 千伏的三相配电线路中 实现复合监控 上报短路 和接地故障等功能 故障指示器有采集单元汇集单元构成 采集单元安装在配电线路中 负责单相接地故障数据采集 和负荷电流采集 并将信息上传至汇集单元 汇集单元接收处理采集单元上传的 故障电流等信息 同时与配电主站进行通讯 根据电网公司的相关要求 采集单元的供电电源来自三个部分 电流互感器 CT 储能器件超级电容 以及一次性 Lion 电池 CT 和超级电容为主供电源 Lion 电池为后备电源 当电网正常工作时利用 CT 取电 一方面给超级电源负载供电 另外一方面多余的能量给超级电容充电 当 CT 能量不足时 利用超级电容存储的能量 继续为系统供电 供电时间至少为12小时 在超级电容能量耗尽时 利用后备电源 Lion 电池 保持系统工作 直到电网恢复正常 电网恢复正常 并且输电线路负荷电流 超过五安培后 五秒钟内利用主电源 保证系统正常工作 电源方案的结构框图分为五个部分 AC to DC 为全波整流桥 将 CT 2 次侧的交流电流转化为直流 Overcharge Protection 为充电保护电路 当超级电容电压 高过设定电压时 短路 CT 2 次侧绕组 防止超级电容过充 Super Capacitor Charging 电路 控制超级电容充电电流 在超级电容电压为零时 依然保持系统正常工作 Super Capacitor Monitor 电路的 功能是限制超级电容的最高充电电压 升压电路 TPS61021A 的作用是 充分利用超级电容的存储能量 并输出 3.6 伏的稳定电压 Battery 代表 Lion 电池 通过肖特基二极管接到 3.6 伏 在 CT 没有输入时 并且超级电容能量耗尽后 保持系统供电 屏幕所示为方案的原理图 J3 和 J4 接入电流互感器二次侧输入 CT 通过整流桥为后续负载供电 控制 Q2 的开通和关断 可以短路电流互感器 或者允许电流互感器供电 Q2 的开通和关断 有比较器 U1A 控制 当超级电容电压高过 2.6 伏时 开通 Q2 防止超级电容过充 当超级电容电压跌到 2.4 伏时 比较器关断 Q2 CT 能量继续为系统供电 超级电容单节为 2.7 伏的电容 这个电压等级的超级电容 在市场上更普遍 容易找到成本和性能合适的产品 超级电容的充电电路 由一个 PMOS 和两个二极管实现 目的是在超级电容电压很低的时候 甚至为零的时候 保持 CT 输出电压 维持系统供电 这个电路的工作原理 会在后面进一步解释 升压电路 TPS61021A 的 工作电压范围是 0.5 伏到 4.4 伏 0.5 伏的工作电压 确保 90% 的超级电容能量被利用 升压电路的输出电压设定为 3.6V Q3 Q4 以及 U1B 的作用是 在升压输出电压高过 3.3 伏后 才会为后续负载供电 原因在于负载 MCU 一般在 1.8 伏后开始初始化 并且消耗较大电流 这个电流可能会导致 在 CT 输入电流很小的时候 并且超级电容能量耗尽时 升压电路启动失败 Lion 电池通过肖特基接入 Vout 点 当 Vout 点电压低于 3.4 伏时 肖特基导通 由电池给后面的负载供电 超级电容充电电路的作用 一方面是给电容充电 另外一方面 在超级电容电压比较低的时候 将 Vin+ 的电压保持在 1.6V 左右 获取能量 Q1 是一个 PMOS 这个 PMOS 的开通条件是 源极电压高于门极电压 0.8V D5 和 D8 为普通二极管 其导通压降约为 0.4V 所以只有 Vin+ 高过 1.6V PMOS 才会导通 给超级电容充电 超级电容电压高过 1.6V后 Q1 完全开通 Q1 完全开通 Vin+ 的电压等于超级电容电压 Vin+ 的最低电压可以通过 增加串联二极管的数目 或者在二极管回路上 串联电阻提高 更高的电压 有助于获取更多的 CT 能量 当然提高 Vin+ 的最低电压 也会增加 Q1 上的功耗 特别是在超级电容电压比较低的时候 实验测试波形中 红色线为超级电容电压 蓝色线为 Vin+ 电压 为了减少测试时间 二次侧的电流设置为五百毫安 在超级电容电压比较低的时候 Vin+ 为固定的电压值 当超级电容电压升高后 Vin+ 等于超级电容电压 升压电路选用 TPS61021A 外围器件的选择 和连接基本与规格书一致 其中关键点为 C10 的选择 这个电容主要作用 是降低输出电压的上升斜率 缓慢的上升斜率 有助于电源方案在 很小的 CT 能量输入时正常启动 它的工作原理是 当升压电路输出电压上升时 根据电容特性 有持续电流流过 C10 至 FB 点 电流的大小与电容值 和输出电压上升速度相关 这个电流会提高 FB 点的电压 迫使升压 IC 降低输出电压上升速度 这是 CT 二次侧电流为三毫安时 电源方案的启动波形图 绿色线为升压芯片的输出电压 电压值缓慢上升 一秒钟后到达设定电压 3.6 伏 VOUT 为后续负载的供电 在当只有在升压输出电压高过 3.3V 时 MOS 管才会完全开通为后续负载供电 可以看到实验的波形 和理论分析结果基本符合 以上为本次视频的全部内容 感谢大家观看 更多的资料可以访问 TI 官网 搜索 TIDA-01385 关于这个解决方案 以及升压芯片的问题 可以在 E2E 上发帖提问 谢谢