初级脉冲开关电源
阅读说明：本技术 初级脉冲开关电源 (Primary pulse switch power supply ) 是由 马克斯·耶勒 马克斯·鲍尔 帕特里克·盖布 于 2018-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种初级脉冲开关电源(1),用于将输入电压(Ue)转换成输出电压(Ua),该初级脉冲开关电源至少包括：初级侧电路分支(2),输入电压(Ue)能够施加到该初级侧电路分支；次级侧电路分支(4),其与该初级侧电路分支(2)隔离开,并且从该次级侧电路分支能够分接输出电压(Ua)；电流隔离(3),其在初级侧电路分支和次级侧电路分支(4)之间；熔断器(5),其布置在初级侧电路分支(2)中,从而以基本上无电压的方式切换初级侧电路分支；第一可切换开关元件(6),其布置在初级侧电路分支(2)中,使得该切换元件在切换时触发初级侧熔断器(5)；以及监视单元(7),其与第一开关元件相连接并且布置在初级侧电路分支(2)中,并且设计成监视由第二初级线圈(11)所确定的特征电信号,并且当该特征电信号超过阈值时,切换第一开关元件(6)。(The invention relates to a primary pulse switching power supply (1) for converting an input voltage (Ue) into an output voltage (Ua), comprising at least: a primary-side circuit branch (2) to which an input voltage (Ue) can be applied; a secondary-side circuit branch (4) which is isolated from the primary-side circuit branch (2) and from which an output voltage (Ua) can be tapped; a galvanic isolation (3) between the primary-side circuit branch and the secondary-side circuit branch (4); a fuse (5) arranged in the primary side circuit branch (2) to switch the primary side circuit branch in a substantially voltage-free manner; a first switchable switching element (6) which is arranged in the primary-side circuit branch (2) in such a way that it triggers the primary-side fuse (5) when switching; and a monitoring unit (7) which is connected to the first switching element and is arranged in the primary-side circuit branch (2) and is designed to monitor a characteristic electrical signal determined by the second primary coil (11) and to switch the first switching element (6) when the characteristic electrical signal exceeds a threshold value.)
技术领域
本发明涉及一种初级脉冲或初级时钟控制开关电源，以及涉及一种具有这种开关电源的现场设备。
背景技术
目前，开关电源实际上用在所有的电子设备中，既用在私人消费领域(例如，在电视机的情形)中，又用在工业环境(例如，在自动化技术的现场设备的情形)中。
自动化技术的现场设备用于记录和/或影响过程变量。这些现场设备的示例是填充水平测量设备、质量流量测量设备、压力和温度测量设备、pH氧化还原电位测量设备、电导率测量设备等等，这些设备作为传感器记录对应的过程变量、填充水平、流量、压力、温度、pH数值以及电导率数值。影响过程变量所应用的是所谓的致动器(例如，阀或者泵)，所述致动器控制液体在管道、管件或管线部段中的流动，并且所述致动器改变容器中的填充水平。因此，原则上将所有如下设备均称为现场设备：这些设备应用在过程附近并且这些设备输送或处理过程相关信息。因此，结合本发明，现场设备的概念指的是所有类型的测量设备和致动器。此外，现场设备的概念还例如包括集成/能够集成在总线系统中的网关、无线电适配器以及其它总线参与物。
大量的此类现场设备由恩德斯豪斯(Endress+Hauser)集团公司制造并出售。
如前所述，此类现场设备需要能量供应。为此，目前应用所谓的初级时钟控制(primary-clocked)开关电源，所述初级时钟控制开关电源通常在初级侧和次级侧之间具有电流隔离，在所述初级侧处，能够馈入输入电压，在所述次级侧处，能够分接输出电压。在这种情形中，通过变压器的高时钟(high clocking)将能量传输到次级侧。
为了在出现故障时避免关闭开关电源并且由此避免损坏下游设备(尤其是现场设备)，在开关电源中实施安全措施。因此，目前应用所谓的撬棒电路(crowbar circuits)，所述撬棒电路作为最后的手段限制开关电源的输出电压。在这种撬棒电路的情形中，在出现故障时，尤其是在出现过电压时，触发次级侧晶闸管(thyristor)，由此导致输出电压和地面之间的短路。这样，次级侧电流升高到熔断器熔化或断路器跳闸的程度，从而次级侧电流中断，使得下游设备的电路与开关电源的初级侧隔离开。然而，与此同时，控制回路(所述控制回路通常类似地具有开关电源)也与开关电源的初级侧隔离开，使得所述开关电源检测初级侧，发现次级侧输出电压过低，并且所述控制回路对应地试图抵消这一点。继而，这样的结果是，由于打开的次级侧，输出电压可以升高到几百伏。然而，引入的功率仅能够经由初级侧电路分支区域(所述初级侧电路分支区域具有变压器的附加初级绕组)来去除，因此，所述初级侧电路分支区域负担极大。这会导致如下事实：参与的部件会变得非常热，并且由此无法满足针对本质安全性的某些温度等级，尤其是温度等级6，根据该温度等级，最大表面温度不应超过85℃/80℃。此外，即使输入电压相对较低，开关电源的电路中也存在危险电压。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关电源，所述开关电源在出现故障时就尽可能安全地关闭或停止工作。
该目的通过根据权利要求1中所限定的初级时钟控制开关电源以及通过根据权利要求15中所限定的自动化技术的现场设备来实现。在从属权利要求中阐述了本发明的有利其它发展。
本发明的初级时钟控制开关电源用于将输入电压转换成输出电压，并且所述初级时钟控制开关电源包括：
初级侧电路分支，在所述初级侧电路分支处能够施加输入电压；
次级侧电路分支，所述次级侧电路分支与初级侧电路分支隔离开，并且在所述次级侧电路分支处能够分接输出电压；
在初级侧电路分支和次级侧电路分支之间具有电流隔离，所述电流隔离包括至少一个变压器，其中，所述变压器至少包括布置在初级侧电路分支中的第一初级绕组和布置在次级侧电路分支中的第一次级绕组，用于对从初级侧电路分支到次级侧电路分支的能量传输进行电流隔离，其中，所述变压器进一步具有第二初级绕组，所述第二初级绕组布置在初级侧电路分支中，用于对初级侧电路分支的至少部分进行能量供应；
熔断器或断路器，所述熔断器或断路器布置在初级侧电路分支中并且适于中断初级侧电流，使得所述初级侧电路分支基本上无电压；
第一可切换开关元件，所述第一可切换开关元件相对于熔断器或断路器布置在初级侧电路分支中，使得进行切换会使初级侧熔断器或断路器跳闸；
监视单元，所述监视单元与第一开关元件相连接并且布置在初级侧电路分支中，并且适于监视由第二初级绕组所确定的特征电信号，并且当特征电信号超过阈值时，切换第一开关元件，使得初级侧熔断器或断路器跳闸。
本发明的有利实施例提供了，特征电信号包括取决于第二初级绕组的电压信号，尤其是在第二初级绕组的输出上的电压信号。
本发明的另一有利实施例进一步提供了二极管，所述二极管布置在初级侧电路分支中，其中，二极管经由其阳极与第二初级绕组相连接，并且特征电信号包括在二极管的阴极上的电压信号。
本发明的另一有利实施例提供了，监视单元具有至少一个比较器，尤其是施密特触发器，所述至少一个比较器被供应电信号，并且所述至少一个比较器将所述电信号与阈值相比较，并且当所述电信号超过阈值时，切换第一开关元件。
继而，本发明的有利实施例提供了，监视单元具有RC单元，所述RC单元与第二初级绕组相连接，使得RC单元将取决于第二初级绕组的电压加和。特别地，该实施例可以提供，RC单元和比较器彼此连接，使得向比较器供应由RC单元加和的电压，并且其中，比较器将经加和的电压与阈值相比较。
本发明的另一有利实施例提供了，比较器被实施为使得将阈值馈给到第一输入。
继而，本发明的有利实施例提供了，比较器进一步被实施为使得将电信号馈给到第二输入。
本发明的另一有利实施例提供了，第一开关元件包括晶闸管、晶体管，尤其是场效应晶体管，或继电器。
本发明的另一有利实施例提供了，初级侧电路分支具有第二开关元件，所述第二开关元件与第一初级绕组串联连接，并且时钟控制第一初级绕组。特别地，所述实施例可以提供，初级侧电路分支具有控制单元，所述控制单元与第二开关元件相连接，用于激活第二开关元件，和/或在初级侧电路分支中设置有启动器电路，所述启动器电路在启动时为控制单元供应所需的能量。此外，所述实施例可以至少具有第一反馈元件，所述第一反馈元件被实施为使得所述第一反馈元件将来自次级侧电路分支的反馈信号越过电流隔离引导到布置在初级侧上的控制单元，由此所述控制单元激活第二开关元件，以对应于所述反馈信号时钟控制第一初级绕组，和/或所述第一反馈元件包括至少一个光耦合元件，优选地是光耦合器或者红外发光二极管。
关于现场设备，所述目的通过自动化技术的现场设备来实现，所述现场设备包括至少一个根据上述实施例中任一个所述的初级时钟控制开关电源。
附图说明
现将基于附图对本发明进行更详细地解释，附图的各视图如下所示：
图1是从现有技术已知的初级时钟控制开关电源的电路，以及
图2是根据本发明实施的初级时钟控制开关电源的电路。
具体实施方式
图1示出了初级时钟控制开关电源1，该初级时钟控制开关电源具有初级侧电路分支2和次级侧电路分支4，该次级侧电路分支与该初级侧电路分支通过电流隔离3隔离开。
图1的开关电源1的初级侧电路分支2包括第一电路分支区域(其具有至少一个输入连接部14)、整流器单元15、启动器电路12、变压器16的第一初级绕组8、第二开关元件9以及控制单元10。
输入连接部14用于将输入电压Ue输入到开关电源1。取决于开关电源1的实施例，交流宽范围输入电压(通常是80V到253V交流电)以及直流输入电压(通常是18V到65V直流电)都能施加到输入连接部14。
在输入电压Ue是交流电压的情形中，输入电压Ue由整流器单元15整流。整流器单元15通常是桥式整流器，该桥式整流器由四个二极管18构成。然后，将经整流的输入电压Ue馈给到启动器电路12，该启动器电路在启动阶段(通常仅是第一时钟周期)为开关电源1提供所需的电能。基于由启动器电路12提供的电能，控制单元10操作，该控制单元用于以期望的时钟频率激活第二开关元件9。取决于功率，通常的时钟频率在20kHz和300kHz之间。现代控制单元或控制芯片由于高时钟频率和高达80％的占空比，能够对应地驱动高功率。第二开关元件9(例如，晶体管)与变压器16的第一初级绕组8串联连接，并且对应于由控制单元10所预定的时钟频率时钟控制第一初级绕组8，从而从输入电压Ue提取能量部分并且将这些能量部分传输或者变换到变压器16的在次级侧电路分支4中的次级绕组17。基于这些传输的能量部分，能够为可连接到次级侧电路分支的耗电元件供应能量。
此外，图1的开关电源的初级侧电路分支2具有第二电路分支区域，该第二电路分支区域基本上用于对控制单元10供应能量。该第二电路分支区域包括变压器16的第二初级绕组11。第二初级绕组11经由诸如电阻(该电阻与第二初级绕组串联布置)以及二极管(该二极管类似地与电阻和第二初级绕组串联布置)之类的其它部件与启动器电路12相连接，使得一旦经由第二初级绕组11能够获得足够的能量用于供应控制单元10，就经由第二电路分支区域发生能量供应。
例如已经提及的那样，次级侧电路分支4包括变压器16的次级绕组17和平滑装置20，该平滑装置用于平滑经过变压器16的不连续能量通量。在最简单的情形中，该平滑装置包括平滑二极管20。此外，次级侧电路分支4包括反馈电路19，该反馈电路适于将来自次级侧电路分支4的电解耦的反馈信号反馈回到初级侧电路分支2，以便适当地适于控制单元10的时钟频率。通常，反馈电路19为此包括电压参考21，该电压参考被设计，使得当施加在其输入REF上的电压超过预定阈值(例如，2.5V)时，电压参考21在其连接部C和A之间引起电流，以便产生反馈信号。
例如，能够通过在反馈电路19中包括第一反馈元件13来实施电解耦，该第一反馈元件将次级侧电路分支和初级侧电流分支彼此连接。
图1中示出的开关电源1的电路是非常简化的，并且例如不包括现有技术中已知的并且在上文提及的安全措施，尤其是，该电路不包括布置在次级侧的开关元件和熔断器，例如通常在现有技术中的开关元件和熔断器。此外，图1的电路并不包括关于电磁兼容性(EMC)的措施。
图2以示例的方式示出了根据本发明实施的初级时钟控制开关电源1的电路，该电路与图1的电路相比扩展为包括监视单元7、第一开关元件6以及初级侧熔断器或断路器5，该监视单元布置在初级侧上，该第一开关元件类似地布置在初级侧上。这里应提及的是，虽然图1和图2示出了交流开关电源，但本发明的教导也可以毫无问题地应用于直流/直流电源。
监视单元7、第一开关元件6以及初级侧熔断器或断路器5在出现故障时(例如，在发生过电压时)用于移除来自开关电源1的初级侧的电压，使得不会发生进一步的随后的故障和/或热负荷。由于监视单元7和第一开关元件6均布置在初级侧上这一事实，并非必须使得信号越过电流隔离3从次级侧发送到初级侧，以激活第一开关元件6。这使得本发明的开关电源能够以有利的方式应用于自动化技术的现场设备，根据SIL(安全完整性水平)和/或Ex规定，在现场设备上设置有特别高的技术要求。
图2中以示例的方式示出的本发明的解决方案在初级侧电路分支2中包括熔断器或断路器5(优选地是，熔融熔断器)，当超过限定的电流水平持续了限定的时间时，该熔断器或断路器中断初级侧电流
在这种情形中，第一开关元件6布置在初级侧电路分支中，使得在切换时，初级侧熔断器或断路器5跳闸。这例如可以通过如下方式实施：在第一开关元件6切换时，即，当该第一开关元件变得导通时，通过第一开关元件6将熔断器或断路器5连接到地面。
第一开关元件6(该第一开关元件优选地包括晶闸管或场效应晶体管)由监视单元操作，使得在出现故障的情形中(例如，在过电压的情形中)，该第一开关元件变得导通。除了晶闸管或场效应晶体管以外，第一开关元件6可以替代地包括双极晶体管或继电器。
监视单元7包括比较器7b(例如，施密特触发器)，向该比较器的第一输入(负极，或反相输入)馈给阈值并且将电信号馈给到第二输入(正极，或同相输入)，该电信号由第二初级绕组11确定或限定。电信号可以例如包括电压信号，该电压信号存在于变压器的第二初级绕组上。在这种情形中，电压信号可以分接在第二初级绕组11的输出上(即，在与地面相对的输出上)，或者分接在与第二初级绕组串联连接的二极管22之后。在图2的电路中，电压信号以示例的方式在二极管之后记录在该二极管的阴极上，并且馈给到比较器。除了将电压信号作为特征电信号以外，原则上还能够考虑将电流信号作为特征电信号。
原则上，特征电信号能够直接地(即，其间无需***其它电气部件)馈给到比较器7b。然而，有利地，电信号(尤其是当该电信号包括电压信号时)经由RC单元(电阻电容单元)7a馈给到比较器7b。RC单元7a对电信号具有加和效果，使得不会由比较器7b执行纯粹的峰值检测。这提供这样的优点，即，该电信号较不易受到干扰的影响，尤其是考虑到EMC干扰。
此外，取决于电路的具体实施例，还可以设置适配单元7d，该适配单元用于对特征电信号进行适配，尤其是电压适配。向适配单元7d馈给电信号或者经加和的信号。在图2的示例中，适配单元7d包括分压器，该分压器具有两个电阻器，这两个电阻器相对于彼此串联连接，并且被定尺寸成使得特征电信号或者总体信号的水平(尤其是，电压水平)处于期望的水平。
期望的水平取决于阈值，该阈值经由阈值电路7c馈给到比较器7b来作为比较参考。该阈值继而根据电信号是直接地分接在第二初级绕组11的输出上还是分接在二极管22的阴极上而由阈值电路7c固定。在图2的电路中，阈值电路7c包括齐纳二极管(Zenerdiode)和电阻器，该电阻器与该齐纳二极管串联连接，其中，阈值从齐纳二极管和电阻器之间的中间接头引导到比较器7b的第一输入(负极或反相输入)。
比较器7b适于将所供应的电信号与阈值相比较，并且根据该比较来经由控制信号控制第一开关元件6。图2中示出的比较器7b将所供应的电信号与阈值相比较，并且将控制信号设置在输出上，该控制信号显示电信号和阈值哪个较高。当第二输入(正的，或同相输入)上的电信号高于施加到第一输入(负的，反相输入)的阈值时，则该控制信号接近比较器7b的正供应电压，使得第一开关元件6由控制信号切换或触发，并且熔断器或断路器5跳闸。由于熔断器或断路器5跳闸，因此初级侧电流
附图标记列表
1 初级时钟控制开关电源
2 初级侧电路分支
3 电流隔离
4 次级侧电路分支
5 初级侧熔断器或断路器
6 第一开关元件
7 监视单元
7a RC单元
7b 比较器，尤其是施密特触发器
7c 阈值电路
7d 适配单元
8 第一初级绕组
9 第二开关元件
10 控制单元
11 第二初级绕组
12 启动器电路
13 第一反馈元件
14 输入连接部
15 整流器单元
16 变压器
17 变压器的次级绕组
18 用于整流的二极管
19 反馈电路
20 平滑二极管
21 电压参考
22 二极管
Ue 输入电压
Ua 输出电压