数字继电保护用开关电源

摘要

数字继电保护用开关电源是一种满足数字继电保护装置对电源的特殊技术指标要求的开关电源，由输入电路(1)、电源主电路(2)、电源输出异常保护模块(3)、开机时序控制器(4)、关机时序控制器(5)组成，电源5V、±15V、24V三路输出分别配有电压监视电路，联合控制电源脉宽调制芯片，实现输出过欠压保护。输出发生短路时会引起电压骤降，通过输出欠压保护电路间接实现短路保护。电源开机时，5V通过控制电路延时开通24V输出，实现启动建立5V先于24V，电源关机时，失电采样电路快速切断24V输出，5V输出由输入滤波大电容继续维持一段时间，实现关机保持5V晚于24V。

说明书

技术领域

本发明是针对数字继电保护装置对电源的一些特殊技术指标要求而设计的一种开关电源，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

随着数字继电保护装置在变电站自动化系统中的大规模应用，继电保护装置的可靠性成为一个很重要的问题。属于保护装置一部分的电源，其性能的高低直接影响着继电保护装置整体的可靠性。数字继电保护用开关电源是一个多路输出电源，输入为交直流通用，输出有三组电压，+5V提供CPU等数字电路的工作电源，±15V作为模拟电源供给数据采集系统，+24V用于开关量输入输出回路。与常规电源相比，继电保护用电源增加了一些特殊技术指标，如输出过欠压保护、5V与24V的时序配合以及更高等级的电磁兼容要求等，其目的是为了提高电源的安全可靠性，防止由于电源的问题而引起继电保护装置的误操作。

常规电源对输出都要求过电压保护，主要考虑的是输出电压太高会损坏后级负载电路，而欠压由于影响较小就不予设计保护。继电保护用电源由于其特殊的应用背景而对输出电压的大小有着更严格的控制。

电源启动时间为电源通电到输出电压上升到稳压范围内时的时间，保持时间为电源断电到输出电压下降到稳压范围外时的时间。常规多路输出电源对各路输出的启动与保持时间没有先后要求。继电保护用电源要求开机启动建立时间5V先于24V 40～140ms，关机保持时间5V晚于24V 20ms以上。启动时5V电压先建立，保护装置中CPU完成初始化程序，进入正常工作状态，开出回路信号电平状态确定，不会引起保护装置误动。关机时24V先于5V消逝也是基于此目的。

目前的数字继电保护装置上所用电源一般只有5V输出配有短路保护、输出过压保护，有电源开机5V先于24V建立时序，而无电源关机5V晚于24V消逝时序，这些都降低了电源的可靠性，增加了继电保护装置误操作中的电源因数比例。

发明内容

技术问题：为了实现数字继电保护装置对电源的特殊技术指标要求，本发明设计了一款数字继电保护用开关电源，实现了各路输出的过欠压保护、短路保护以及5V和24V的开关机时序配合。

技术方案：本发明的数字继电保护用开关电源，由输入电路、电源主电路、电源输出异常保护模块、开机时序控制器、关机时序控制器组成，输入电路的输出端与关机时序控制器、电源主电路连接，关机时序控制器的输出端接电源主电路(2)中的24V电源开关控制电路，电源主电路中的5V、15V、24V三路输出电源对应连接到电源输出异常保护模块中的5V电源监视器、15V电源监视器、24V电源监视器的输入端，5V电源监视器、15V电源监视器、24V电源监视器的输出端分别接电源异常控制器的输入端，电源异常控制器的输出端接电源主电路中的PWM控制器；开机时序控制器的输入端接5V输出电源，输出端接电源主电路中的24V电源开关控制电路。

电源主电路中的24V电源开关控制电路由栅源电压可控制开合的功率开关管构成，开机时序控制器是一个充电延时控制电路，其输出端接入24V电源开关控制电路中功率开关管“Q1”的第一栅源控制光耦合器“U1”；关机时序控制器是电源主电路交流输入端失电快速采样电路，其两个输出端“off_A、off_K”接入24V电源开关控制电路中功率开关管“Q1”的第二栅源控制光耦合器“U2”。

采用单端反激拓扑结构形成电源的主电路，功率开关管由电流模式控制器UC2842驱动，5V主输出配有带TL431的精密光耦反馈电路。输入电源经过EMI滤波、全桥整流与大电容滤波后接入变压器初级绕组，输入设欠压保护，变压器三组分离次级绕组分别输出5V、±15V与24V电压。

5V、15V、24V三组输出都配有电压监视电路，各路电压监视的输出相串联，联合控制UC2842的补偿管脚。任一路输出过欠压时，串联回路被切断，控制关断UC2842，电源进入“打嗝”保护状态直至异常情况消失。任一路输出发生短路时，短路瞬间电流剧增，电压剧降，引发输出欠压保护，将短路保护纳入到了输出电压保护的范畴。

24V输出回路中配有一个IRFZ44N开关管，5V输出通过延时电路控制导通该开关管，实现电源开机启动时序。调节延时电路参数可方便实现延时长短。电源关机时，失电采样电路检测到电源断电，控制关断开关管，切断24V输出，5V输出由输入滤波大电容上存储的能量继续维持一段时间，达到关机时序要求。

有益效果：本发明取得如下有益效果：

(1)设计实现了数字继电保护用开关电源各路输出的过欠压保护、短路保护，并将短路保护与过欠压保护揉合在一起，电路简单有效。

(2)设计实现了电源输出5V与24V的开关机时序配合，满足不同带载情况下的时序要求。

附图说明

图1是电源结构示意图。

图2是输入电路1的电路原理图。

图3a是电源主电路2的电路原理图的左半部，图3b是电源主电路2的电路原理图的右半部。

图4是电源输出异常保护模块3的电路原理图。

图5是开机时序控制器4的电路原理图。

图6是关机时序控制器5的电路原理图。

以上的图中有：输入电路1、电磁干扰滤波器11；电源主电路2、输入欠压保护器21、反馈电路22、PWM控制器23、24V电源开关控制电路24；电源输出异常保护模块3、5V电源监视器31、15V电源监视器32、24V电源监视器33、电源异常控制器34；开机时序控制器4、关机时序控制器5。

具体实施方式

图1中，数字继电保护用开关电源，由输入电路1、电源主电路2、电源输出异常保护模块3、开机时序控制器4、关机时序控制器5组成，输入电路1的输出端与关机时序控制器5、电源主电路2连接，关机时序控制器5的输出端接电源主电路2中的24V电源开关控制电路24，电源主电路2中的5V、15V、24V三路输出电源对应连接到电源输出异常保护模块3中的5V电源监视器31、15V电源监视器32、24V电源监视器33的输入端，5V电源监视器31、15V电源监视器32、24V电源监视器33的输出端分别接电源异常控制器34的输入端，电源异常控制器34的输出端接电源主电路2中的PWM控制器23；开机时序控制器4的输入端接5V输出电源，输出端接电源主电路2中的24V电源开关控制电路24。

电源主电路2中的24V电源开关控制电路24由栅源电压可控制开合的功率开关管构成，开机时序控制器4是一个充电延时控制电路，其输出端接入24V电源开关控制电路24中功率开关管的第一栅源控制光耦合器；关机时序控制器5是电源主电路2交流输入端失电快速采样电路，其两个输出端接入24V电源开关控制电路24中功率开关管的第二栅源控制光耦合器。

当电源出现输出过欠压或短路时，电源输出异常保护模块3控制关断电源主电路2，实现对电源的保护。电源主电路2的5V输出电源接入开机时序控制器4，开机时序控制器4的输出接入电源主电路2，控制电源主电路2的24V输出电源。输入电路1的输出接入关机时序控制器5，关机时序控制器5的输出接入电源主电路2，控制电源主电路2的24V输出电源。

1)输入电路

图2中，电源输入经过一个并接的瞬态电压抑制器RV1接入电磁干扰滤波器11，滤除共模干扰和差模干扰。电磁干扰滤波器11的一个输出端串接保险丝F1，另一个输出端串接压敏电阻RT1，保险丝F1与压敏电阻RT1的另一端接入电源开关S1。

2)电源主电路

图3中，输入电路1的输出经过整流、滤波，接入变压器初级绕组，PWM控制器23由整流滤波后的直流电提供电源，实现自启动，控制功率开关管的导通与关断，变压器次级绕组与反馈绕组输出电压，此时PWM控制器23的电源转由反馈绕组提供。经过单端反激DC-DC变换后次级输出5V、±15V、24V三组直流电压。输入欠压保护器21监视输入滤波后的直流电压值，如果低于欠压保护值，输入欠压保护器21中三极管Q6饱和导通，PWM控制器23中PWM控制电路UC2842的补偿管脚电压被拉低至1V以下，PWM控制器23关断。5V输出电源接入反馈电路22，反馈电路22是带稳压管TL431的的精密光耦合器反馈电路，以保证5V的稳定精度。±15V与24V配有带稳压管TL431的电压自调节电路，以控制输出电压偏差。24V输出电源接入24V电源开关控制电路24，24V电源开关控制电路24由栅源电压可控制开合的功率开关管构成。开机时序控制器4的输出端接入24V电源开关控制电路24中功率开关管的一个栅源控制光耦合器，关机时序控制器5的两个输出端接入24V电源开关控制电路24中功率开关管的另一个栅源控制光耦合器，实现对24V输出电源的控制。

3)电源输出异常保护模块

图4中，5V电源监视器31、15V电源监视器32以及24V电源监视器33的输出端接入电源异常控制器34，电源异常控制器34的输出接入PWM控制器23。5V电源监视器31中，输出电压处于正常允许范围时，稳压管TL431二极管D5关断，二极管D6导通，光耦合器U4导通。输出过压时，稳压管TL431二极管D5导通，二极管D6关断，光耦合器U4关断，过压门槛值由电阻R67、电阻R47设定。输出欠压时，稳压管TL431二极管D5、二极管D6以及光耦合器U4都关断，欠压门槛值由电阻R68、电阻R49设定。15V电源监视器32、24V电源监视器33的原理与5V电源监视器31相同。电压监视器的输出结果体现在光耦合器的对应状态，光耦合器导通时表示电压处于正常允许范围内，光耦关断时表示电压异常。三路输出电压都处于正常时，三个输出光耦都导通，电源异常控制器34中三极管Q12基极电压低于导通门槛值，三极管截止，PWM控制器23中的PWM控制电路UC2842正常工作。当三路输出电压中任一路发生异常时，三极管Q12由PWM控制电路UC2842的参考输出管脚获得基极电压，三极管饱和导通，PWM控制电路UC2842的补偿管脚电压被拉低至1V以下，PWM控制电路23关断，电源进入“打嗝”保护状态直至异常情况消失。电源异常控制器34中电阻R70与电容C49实现上电短暂充电延时，充电延迟时间需大于电源启动时间。

输出短路时，输出电流骤升，电压骤降，引发输出欠压保护，间接实现短路保护功能。

4)开机时序控制器

图5中，TL431U7的阴极管脚1与电阻R53、R54的一端相连，参考管脚3与电阻R80电容C51的一端相连，阳极管脚2接5V地。电阻R80、R53的另一端连到+5V输出，电容C51的另一端接5V地。电阻R54的另一端连接到24V电源开关控制电路24中光耦U1的发光二极管负端。

图5中5V输出通过电阻R80对电容C51充电，当电容C51的电压达到2.5V时，稳压管TL431U7导通，控制24V电源开关控制电路24中光耦合器U1导通，24V电源开关控制电路24中的开关管Q1获取栅极电压，Q1导通，提供24V输出。24V相对5V输出的延时时间由电阻R80和电容C51形成的充电时间常数决定，调整两者参数可灵活调节延时时间大小。

5)关机时序控制器

图6中，二极管D10、D11、D12、D28组成整流桥，其一个输入端通过电阻R78连接到电源主电路2中整流桥BR1的输入管脚1，另一个输入端连接到电源主电路2中整流桥BR1的输入管脚3。整流桥的输出端并接电容C50，其一个输出端通过电阻R79连接到24V电源开关控制电路24中光耦合器U2的发光二极管正端，另一个输出端连接到24V电源开关控制电路24中光耦合器U2的发光二极管负端。

图6中整流滤波完成了对电源交流供电信息的采样，电阻R78、电阻R79用于控制该采样电路的输出电压大小值。正常供电时，该电路保持输出，控制24V电源开关控制电路24中光耦合器U2导通。失电时，电容C50迅速放电完毕，控制24V电源开关控制电路24中光耦合器U2关断，24V电源开关控制电路24中开关管Q1失去栅极电压，开关管Q1关断，切断24V输出。电阻R78、电阻R79，电容C50的参数要合适选取，以满足正常供电时采样电路保持一定电压输出，失电时采样电路电压输出快速消逝。