RU2615017C1

RU2615017C1 - Optical power system of electronic devices

Info

Publication number: RU2615017C1
Application number: RU2015154276A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Соколовский; Владимир Викторович Моисеев
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-04-03

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: optical power system of the electronic devices, comprises an adjustable laser 2 current source 1, an optical path (e.g., fiber-optic) of radiation transmission from the laser 2 to the photovoltaic element 3, the output of which is connected to the input of the boost voltage converter 4, a fed electronic device 5, a voltage meter 6, the input of which is connected to the output of the photovoltaic element 3, or to the output of the boost voltage converter 4, and the voltage meter 6 output is connected to the input of the fiber-optic serystem 7 of the information transmission (FOTS), the output of which is connected to the control input of the controlled current source 1. The fiber-optic system 7 of the information transmission includes a radiation source 8 and a photodetector 9. The radiation source 8 input is connected to the voltage meter 6 output, and the photodetector 9 output is connected to the control input of the controlled current source 1. The source radiation 8 is transmitted to the photodetector 9 via the optical path, which may be formed both open and fiber-optic. The voltage meter 6 may be formed as an analog-digital converter (ADC) or a voltage - frequency converter.

EFFECT: decreasing the optical power required for normal functioning of the powered electronic device, as compared with the prototype increasing the power system efficiency, the load on the laser power and the photovoltaic element is reduced, that provides increasing the service life of the power supply system.

3 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к системам питания электронных устройств с помощью оптического излучения и может найти применение в измерительных устройствах с гальванической развязкой области измерений и области отображения информации, например в высоковольтных или взрывоопасных устройствах.The invention relates to power systems for electronic devices using optical radiation and can find application in measuring devices with galvanic isolation of the measurement field and the information display area, for example, in high-voltage or explosive devices.

Известна система питания электронных устройств оптическим излучением, состоящая из источника излучения, оптически связанного с фотовольтаическим преобразователем, который состоит из нескольких последовательно соединенных фотовольтаических элементов (https://www.lumentum.com/sites/default/files/technical-libary-items/poweroverfiberkit/ds-pv-ae.pdf, а также Weiss, Stephan; Werthen, Jan; Andersson, Anders, Optically Powered Sensor Technology, ISA '97 paper, May 4-8, 1997 in Orlando, FL, USA). Величина оптической мощности является фиксированной и выбирается так, чтобы обеспечивалось надежное функционирование электронного устройства, подключенного к системе питания при всех условиях эксплуатации.A known system for supplying electronic devices with optical radiation, consisting of a radiation source optically coupled to a photovoltaic converter, which consists of several series-connected photovoltaic elements (https://www.lumentum.com/sites/default/files/technical-libary-items/ poweroverfiberkit / ds-pv-ae.pdf, as well as Weiss, Stephan; Werthen, Jan; Andersson, Anders, Optically Powered Sensor Technology, ISA '97 paper, May 4-8, 1997 in Orlando, FL, USA). The value of optical power is fixed and is selected so as to ensure reliable operation of the electronic device connected to the power system under all operating conditions.

Недостатками данной системы питания является низкий КПД, поскольку оптическая мощность, поступающая на фотовольтаический преобразователь, не зависит от электрических параметров питаемой электронной схемы, которые могут значительно изменяться в широком диапазоне условий эксплуатации (например, изменении температуры от -60 до +60°С). Вследствие этого мощность излучения, устанавливаемая для питания устройства в жестких условиях эксплуатации, может превышать в несколько раз мощность, требуемую для питания электронного устройства в нормальных условиях эксплуатации. Низкий КПД системы питания в нормальных условиях эксплуатации приводит к перегреву фотовольтаического преобразователя избыточной оптической мощностью и его ускоренной деградации. Недостатком данного устройства является также сложность изготовления многоэлементного фотовольтаического преобразователя и необходимость равномерной засветки всех последовательно соединенных фотовольтаических элементов, поскольку в противном случае ток в цепи будет ограничиваться элементом с наименьшей засветкой и, следовательно, с наибольшим последовательным сопротивлением.The disadvantages of this power system are its low efficiency, since the optical power supplied to the photovoltaic converter does not depend on the electrical parameters of the fed electronic circuit, which can vary significantly over a wide range of operating conditions (for example, temperature changes from -60 to + 60 ° C). As a result, the radiation power set to power the device in harsh operating conditions may exceed several times the power required to power the electronic device in normal operating conditions. The low efficiency of the power system under normal operating conditions leads to overheating of the photovoltaic converter with excessive optical power and its accelerated degradation. The disadvantage of this device is the complexity of manufacturing a multi-cell photovoltaic converter and the need for uniform illumination of all series-connected photovoltaic elements, because otherwise the current in the circuit will be limited to the element with the least illumination and, therefore, with the highest series resistance.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству и выбранным в качестве прототипа является "Оптическая система электропитания для электронных схем с использованием одного фотогальванического элемента" патент РФ 2431915, 2011 г.The closest in technical essence to the claimed device and selected as a prototype is "Optical power supply system for electronic circuits using one photovoltaic cell" RF patent 2431915, 2011

Оптическая система электропитания, описанная в данном патенте, содержит источник излучения, одиночный фотовольтаический элемент, оптический тракт, связывающий источник излучения с одиночным фотовольтаическим элементом и усилитель напряжения, выполненный в виде емкостного или индуктивного преобразователя напряжения, вход которого подключен к фотовольтаическому элементу, а выход - к питаемому электронному устройству.The optical power supply system described in this patent contains a radiation source, a single photovoltaic element, an optical path connecting the radiation source to a single photovoltaic element and a voltage amplifier made in the form of a capacitive or inductive voltage converter, the input of which is connected to the photovoltaic element, and the output is to a powered electronic device.

В качестве фотовольтаического элемента, в соответствии с указанным патентом, может применяться светодиод, а оптический тракт, связывающий источник излучения с одиночным фотовольтаическим элементом, может быть выполнен на основе оптического волокна. Усилитель напряжения может также включать цифровое устройство вывода, которое показывает состояние света, падающего на фотовольтаический элемент. Недостатками данного устройства являются низкий КПД, поскольку уровень "питающей" оптической мощности не зависит от мощности потребляемой электронным устройством и является избыточным, поскольку выбирается исходя из требований надежного запуска индуктивного преобразователя при наихудших условиях работы системы. Это связано с тем, что индуктивные преобразователи напряжения в момент запуска потребляют от фотовольтаического элемента значительный ток (до 1 А), что требует повышенной оптической мощности при запуске системы питания. После запуска преобразователя в таком режиме и сохранении мощности излучения рабочий КПД системы питания не превышает 10-20%. Сохранение высокой мощности оптического излучения при работе электронного устройства в нормальных условиях приводит к перегреву фотовольтаического элемента и требует повышенного тока питания источника излучения, что приводит к ускоренной деградации оптических компонентов системы электропитания и снижает ее надежность.As a photovoltaic element, in accordance with the said patent, an LED can be used, and the optical path connecting the radiation source with a single photovoltaic element can be made on the basis of optical fiber. The voltage amplifier may also include a digital output device that shows the state of the light incident on the photovoltaic cell. The disadvantages of this device are low efficiency, since the level of "supplying" optical power does not depend on the power consumed by the electronic device and is excessive, since it is selected based on the requirements of reliable start-up of the inductive converter under the worst operating conditions of the system. This is due to the fact that inductive voltage converters at the time of starting consume a significant current from the photovoltaic element (up to 1 A), which requires increased optical power when starting the power system. After starting the converter in this mode and maintaining the radiation power, the operating efficiency of the power system does not exceed 10-20%. Maintaining a high power of optical radiation during operation of an electronic device under normal conditions leads to overheating of the photovoltaic element and requires an increased current supply of the radiation source, which leads to accelerated degradation of the optical components of the power supply system and reduces its reliability.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение КПД и надежности оптической системы электропитания электронных устройств с использованием одного фотовольтаического элемента.The technical problem solved by the present invention is to increase the efficiency and reliability of the optical power system of electronic devices using a single photovoltaic element.

Для решения поставленной задачи в оптической системе электропитания электронных устройств, которая содержит источник излучения, одиночный фотовольтаический элемент, оптический тракт, связывающий источник излучения с одиночным фотовольтаическим элементом, и усилитель напряжения, выполненный в виде емкостного или индуктивного преобразователя напряжения, вход которого подключен к фотовольтаическому элементу, а выход - к питаемому электронному устройству, дополнительно введены регулируемый источник тока, измеритель напряжения и оптическая система передачи информации, причем выход регулируемого источника тока подключен к источнику излучения, а его управляющий вход связан с выходом оптической системы передачи информации, вход которой связан с выходом измерителя напряжения.To solve the problem in an optical power supply system of electronic devices, which contains a radiation source, a single photovoltaic element, an optical path connecting a radiation source with a single photovoltaic element, and a voltage amplifier made in the form of a capacitive or inductive voltage converter, the input of which is connected to the photovoltaic element , and the output is to a powered electronic device, an additional adjustable current source, voltage meter and optical eskaya data transmission system, wherein the controlled current source output is connected to the radiation source, and its control input coupled to the output optical data transmission system, whose input is connected to the output voltage meter.

Измеритель напряжения может быть выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя или преобразователя напряжение - частота.The voltage meter can be made in the form of an analog-to-digital converter or a voltage-frequency converter.

В заявленной оптической системе электропитания электронных устройств вход измерителя напряжения может быть связан с выходом фотовольтаического элемента или выходом повышающего преобразователя напряжения. In the claimed optical power supply system of electronic devices, the input of the voltage meter can be connected to the output of the photovoltaic element or the output of the step-up voltage converter.

Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На Фиг. 1 представлена блок схема заявленной оптической системы электропитания электронных устройств.In FIG. 1 is a block diagram of the claimed optical power system of electronic devices.

На Фиг. 2 показана зависимость КПД фотовольтаического преобразователя от сопротивления нагрузки при различных значениях падающей оптической мощности.In FIG. Figure 2 shows the dependence of the efficiency of the photovoltaic converter on the load resistance at various values of the incident optical power.

На Фиг. 3 показана зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки на примере индуктивного преобразователя TPS60312.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the output voltage on the load resistance using the example of an inductive converter TPS60312.

Предложенная оптическая система электропитания электронных устройств содержит (Фиг. 1) регулируемый источник 1 тока лазера 2, оптический тракт, (например, волоконно-оптический) передачи излучения от лазера 2 до фотовольтаического элемента 3, выход которого подключен к входу повышающего преобразователя 4 напряжения, питаемое электронное устройство 5, измеритель 6 напряжения, вход которого подключен к выходу фотовольтаического элемента 3 или к выходу повышающего преобразователя 4 напряжения, а выход измерителя 6 напряжения подключен к входу волоконно-оптической системы 7 передачи информации (ВОСПИ), выход которой подключен к управляющему входу регулируемого источника тока 1.The proposed optical power supply system of electronic devices contains (Fig. 1) an adjustable source of laser current 2, an optical path (for example, fiber optic) transmitting radiation from the laser 2 to the photovoltaic element 3, the output of which is connected to the input of the voltage boost converter 4, an electronic device 5, a voltage meter 6, the input of which is connected to the output of the photovoltaic element 3 or to the output of a step-up voltage converter 4, and the output of the voltage meter 6 is connected to the input to fiber-optic information transmission system 7 (VOSPI), the output of which is connected to the control input of an adjustable current source 1.

Волоконно-оптическая система 7 передачи информации содержит источник 8 излучения и фотоприемник 9. Вход источника 8 излучения соединен с выходом измерителя 6 напряжения, а выход фотоприемника 9 соединен с управляющим входом регулируемого источника 1 тока. Излучение источника 8 передается на фотоприемник 9 посредством оптического тракта, который может быть выполнен как открытым, так и волоконно-оптическим. Измеритель 6 напряжения может быть выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или преобразователя напряжение - частота.Fiber optic information transmission system 7 contains a radiation source 8 and a photodetector 9. The input of the radiation source 8 is connected to the output of the voltage meter 6, and the output of the photodetector 9 is connected to a control input of an adjustable current source 1. The radiation of the source 8 is transmitted to the photodetector 9 through the optical path, which can be performed both open and fiber optic. The voltage meter 6 can be made in the form of an analog-to-digital converter (ADC) or a voltage-frequency converter.

Оптическая система электропитания электронных устройств работает следующим образом. При включении регулируемого источника тока 1 через лазер 2 протекает ток накачки, при котором мощность его излучения достаточна для генерации напряжения Uзап на фотовольтаическом элементе 3, при котором надежно запускается преобразователь 4 напряжения. После запуска этого преобразователя на его выходе появляется напряжение ,которым питается электронное устройство 5, измеритель напряжения 6 и источник 8 излучения ВОСПИ 7. Ток запуска обеспечивается тем, что при включении системы питания напряжение на управляющем входе блока регулирования (на выходе фотоприемника ВОСПИ) равно нулю. Величина тока регулируемого источника 1 ограничивается, например, мощностью источника питания или токоограничивающим резистором. После запуска системы питания на выходе фотовольтаического элемента и на выходе преобразователя напряжения 4 появляются напряжения Uзап и Uпит, одно из которых измеряется измерителем напряжения 6, который генерирует на выходе цифровой или частотный код, который передается на вход источника 8 излучения ВОСПИ 7. Принятый фотоприемником 9 сигнал, соответствующий измеренному напряжению Uзап, поступает на управляющий вход регулируемого источника 1 тока и запоминается. После этого начинается уменьшение тока питания лазера 2 до величины, при которой мощность излучения достаточна для поддержания напряжения на фотовольтаическом элементе 0,85-0,9 Uзап, где Uзап - напряжение фотовольтаического элемента, при котором запускается повышающий преобразователь (если к входу АЦП подключен выход фотовольтаического элемента) или до величины 0,97-0,99 Upaб, где Upaб - напряжение стабилизации вторичного преобразователя (если к входу АЦП подключен выход повышающего преобразователя). Напряжение Uзап зависит от типа применяемого повышающего преобразователя напряжения и может составлять при применении преобразователя LTC3105 0,3-1,2 В. Выходное напряжение повышающего преобразователя Upaб может составлять 1,5-5 В.The optical power system of electronic devices operates as follows. When the regulated current source 1 is turned on, a pump current flows through the laser 2, at which its radiation power is sufficient to generate a voltage Uap on the photovoltaic cell 3, at which the voltage converter 4 reliably starts. After starting this converter, the voltage appears on its output, which feeds the electronic device 5, voltage meter 6, and VOSPI 7 radiation source 8. The starting current is ensured by the fact that when the power system is turned on, the voltage at the control input of the control unit (at the output of the VOSPI photodetector) is zero . The current value of the regulated source 1 is limited, for example, by the power of the power source or by a current-limiting resistor. After starting the power system, the voltages Ucap and Upit appear at the output of the photovoltaic element and at the output of the voltage converter 4, one of which is measured by a voltage meter 6, which generates a digital or frequency code at the output, which is transmitted to the input of the radiation source 8 of the VOSPI 7. Received photodetector 9 the signal corresponding to the measured voltage Uap is supplied to the control input of the regulated current source 1 and is stored. After that, the supply current of laser 2 begins to decrease to a value at which the radiation power is sufficient to maintain a voltage on the photovoltaic element of 0.85-0.9 Uap, where Uap is the voltage of the photovoltaic element at which the boost converter is started (if the output is connected to the ADC input photovoltaic cell) or up to a value of 0.97-0.99 Urab, where Urab is the stabilization voltage of the secondary converter (if the output of the boost converter is connected to the ADC input). The voltage Ustap depends on the type of step-up voltage converter used and can be 0.3-1.2 V when using the LTC3105 converter. The output voltage of the step-up converter Urabab can be 1.5-5 V.

Из зависимостей, приведенных на Фиг. 2, видно, что в момент запуска системы питания, когда сопротивление нагрузки мало (преобразователь отбирает большой ток от фотовольтаического элемента), КПД преобразователя оказывается очень низким. Типичное напряжение запуска Uзап индуктивного повышающего преобразователя напряжения для фотовольтаических элементов на основе AlGaAs-GaAs составляет 1,2-1,15 В, которое затем может быть снижено (уменьшением оптической мощности) до величины 0,85-0,9 Uзап. При этом выходное стабилизированное напряжение повышающего преобразователя уменьшается не более чем на 1-3%.From the dependencies shown in FIG. 2, it can be seen that at the time of starting the power system, when the load resistance is small (the converter takes a large current from the photovoltaic element), the efficiency of the converter is very low. Typical starting voltage Uap of an inductive step-up voltage converter for AlGaAs-GaAs photovoltaic cells is 1.2-1.15 V, which can then be reduced (by decreasing optical power) to 0.85-0.9 Uap. In this case, the output stabilized voltage of the boost converter is reduced by no more than 1-3%.

Из зависимостей, приведенных на Фиг. 3, видно, что при фиксированной мощности излучения (мощность излучения 86 мВт) запуск преобразователя возможен только при малом потребляемом токе (большом сопротивлении нагрузки),однако, после его запуска ток нагрузки (и, следовательно, отдаваемая электрическая мощность при заданной мощности излучения) может быть увеличен почти в два раза при снижении выходного напряжения не более чем на 0,05 В от номинального напряжения стабилизации.From the dependencies shown in FIG. 3, it can be seen that at a fixed radiation power (radiation power 86 mW), the converter can only be started at a low current consumption (high load resistance), however, after it is started, the load current (and, therefore, the transmitted electric power at a given radiation power) can be almost doubled when the output voltage decreases by no more than 0.05 V from the rated stabilization voltage.

В Таблице 1 отражены пороговые значения оптической мощности, при которых включается и выключается выходное стабилизированное напряжение 3,3 В индуктивного преобразователя МАХ1724, а также значение КПД оптической системе питания при запуске системы и ее работе при заданной нагрузке.Table 1 shows the threshold values of optical power at which the stabilized output voltage 3.3 V of the MAX1724 inductive converter is turned on and off, as well as the value of the efficiency of the optical power system when the system starts and its operation at a given load.

Как видно из Таблицы 1, после запуска преобразователя при заданном сопротивлении нагрузки (определяется током, потребляемым питаемой электронной схемой) рабочая мощность излучения может быть значительно снижена, что соответствует увеличению КПД системы питания почти в два раза.As can be seen from Table 1, after starting the converter for a given load resistance (determined by the current consumed by the fed electronic circuit), the working radiation power can be significantly reduced, which corresponds to almost double the efficiency of the power system.

Введение дополнительных элементов регулирования в схему не ухудшает КПД системы, поскольку электрическая мощность, потребляемая современными АЦП (например, AD7942), не превышает единиц микроватт при частоте измерения 100 выборок в секунду, что достаточно для надежного функционирования блока регулирования мощности источника излучения, который поддерживает требуемое напряжение питания электронного устройства. Снижение в 1,5-2 раза оптической мощности, необходимой для питания по оптическому волокну удаленной измерительной микропроцессорной системы (ток лазера уменьшается с 700 мА при запуске до 400 мА в рабочем режиме), обеспечивает увеличение КПД системы оптического питания в 1,5-2 раза (до 20-30%) и увеличивает ресурс источника излучения в 2,5-4 раза.The introduction of additional control elements into the circuit does not impair the efficiency of the system, since the electric power consumed by modern ADCs (for example, AD7942) does not exceed units of microwatts at a measurement frequency of 100 samples per second, which is sufficient for reliable operation of the radiation source power control unit that supports the required supply voltage of the electronic device. A 1.5-2-fold decrease in the optical power needed to power a remote measuring microprocessor system via optical fiber (the laser current decreases from 700 mA when starting up to 400 mA in operating mode) provides an increase in the efficiency of the optical power system by 1.5-2 times (up to 20-30%) and increases the life of the radiation source by 2.5-4 times.

Технический результат, достигаемый при применении предложенной оптической системы электропитания электронных устройств состоит в уменьшении оптической мощности, необходимой для нормального функционирования питаемого электронного устройства. При этом повышается КПД системы питания, уменьшается нагрузка на лазер питания и фотовольтаический элемент, что обеспечивает увеличение ресурса работы всей системы оптического питания.The technical result achieved by applying the proposed optical power supply system of electronic devices is to reduce the optical power necessary for the normal functioning of the powered electronic device. This increases the efficiency of the power system, reduces the load on the power laser and photovoltaic cell, which ensures an increase in the life of the entire optical power system.

Claims

1. An optical power supply system for electronic devices containing a radiation source, a single photovoltaic element, an optical path connecting the radiation source to a single photovoltaic element, and a voltage amplifier made in the form of a capacitive or inductive voltage converter, the input of which is connected to the photovoltaic element, and the output is to a powered electronic device, characterized in that it further comprises an adjustable current source, a voltage meter and an optical system transmission of information, the output of an adjustable current source connected to the radiation source, and its control input connected to the output of the optical information transmission system, the input of which is connected to the output of the voltage meter, and its input is connected to the output of the photovoltaic element or the output of the voltage converter.

2. The optical power supply system of electronic devices according to claim 1, characterized in that the voltage meter is made in the form of an analog-to-digital converter.

3. The optical power supply system of electronic devices according to claim 1, characterized in that the voltage meter is made in the form of a voltage-frequency converter.