CN100553070C - 一种具有多重保护功能的不间断电源 - Google Patents

Abstract

一种具有多重保护的不间断电源，包括联接于直流电源供电电路中的接口VT、可充电电池或电池组BT，在接口VT和可充电电池或电池组BT之间联接具有识别市电通断而启动相关电路的电子开关电路、无间断放电电路、恒流充电电路和微处理器控制电路，无间断放电电路、恒流充电电路与电子开关电路联接，微处理器控制电路实现对无间断放电电路、电子开关电路和恒流充电电路的控制。本发明提供一种成本低、电路简单、可靠性高、效率高、实现在多种异常情况下保护的不间断电源。

Description

一种具有多重保护功能的不间断电源

技术领域

本发明涉及一种不间断电源，特别是指一种实现在多种异常情况下保护的直流不间断电源。

背景技术

传统的不间断电源按照工作方式分为后备式UPS、在线式UPS、在线互动式UPS三大类，不管是后备式UPS、在线式UPS、在线互动式UPS其工作时候都需要逆变器和转换开关或切换开关，逆变器的工作原理是将整流滤波电路输出后的直流电源转换为稳定稳频的交流电源输出，但在用电设备上又被转换为直流电源作为工作电源，根据能量守恒定律，在这个变换过程中部分能量被消耗了，而不是用电设备工作消耗的。

为了解决上述问题，中国实用新型专利ZL97241194.1《无逆变器不间断电源》所公开的不间断电源，其包括射频滤波器、整流滤波器、蓄电池，并且在整流滤波器的输出端接有补偿稳压器，该稳压器包括开关电源和检测电路，该不间断电源电路简单，减少了逆变器，但电路中需要补偿电压，以维持直流输出的稳定。

授权公告是CN1110116C的中国发明专利公开了一种《无功耗不间断电源》，设有射频滤波器、整流滤波器、蓄电池，整流滤波器接有检测电路和触发电路，在检测电路和触发电路之间接有控制电路；经过射频滤波器的交流输入电压和蓄电池的直流电压，经过整流滤波器后得到输出电压，此直流电压不经功率变换，直接输出到用户设备，该方案中将电池组与电源整流器相并联，使得电池组中串联连接的电池节数也不能随意增加。

中国实用新型专利ZL02133105.7《电池后备式直流不间断电源》所公开的不间断电源，包括交流滤波器、整流器、检测电路、主控、显示、报警电路、直流电源、输出滤波电容，还包括电池充电电源和充电控制器、电池组、电池供电开关和开关的控制电路；电池充电电源和充电控制器的输出端与电池组的一端相连接，并同时与电池供电开关相连接，电池供电开关的另外一端与电源的一个输出端相连接，电池组的另外一端与电源的另外一个输出端相连接，开关的控制电路与主控、显示、报警电路相连接，并控制开关的接通或关断，当交流供电正常时开关处于关断状态，当交流供电不正常时开关处于接通状态，电池组的直流电压直接接到输出端输出；正常供电状态和电池供电状态时，均采用直流电压输出，该技术方案可以解决直流电压输出大小的变化，串联的电池数目可以更多，为了提高电池组的供电可靠性，需要配合使用“电池切换装置”，而在电池出现过充或过放等异常情况时没有过多的考虑。

发明内容

本发明需解决的问题是针对上述现有技术现状提供一种成本低、电路简单、可靠性高、效率高、实现在多种异常情况下保护的不间断电源。

根据上述需解决的问题设计了一种具有多重保护功能的不间断电源，包括联接于直流电源供电电路中的接口VT、可充电电池或电池组BT，在接口VT和可充电电池或电池组BT之间联接具有识别市电通断而启动相关电路的电子开关电路、无间断放电电路、恒流充电电路和微处理器控制电路，无间断放电电路、恒流充电电路与电子开关电路联接；微处理器控制电路通过充电时间调节电路与恒流充电电路联接，微处理器控制电路实现对无间断放电电路、电子开关电路和恒流充电电路的控制；所述可充电电池或电池组负极还联接具有保护作用的电池组反接/短路保护电路，接口VT上也联接有具有保护作用的输入反接/短路保护电路。

具体的所述的电子开关电路包括场效应管Q2、三极管Q4，场效应管Q2的源极与接口VT和三极管Q4的集电极联接，场效应管Q2的漏极与可充电电池或电池组联接，场效应管Q2的栅极与三极管Q4的集电极联接，三极管Q4的基极与无间断放电电路和恒流充电电路联接。

所述的无间断放电电路包括运算放大器IC2B、三极管Q5、电阻R3、R4、R6、R7、R8、R9、R10，运算放大器IC2B的反向输入端与串联联接的电阻R3、R4的中点联接，电阻R3的另一端与接口VT联接，运算放大器IC2B的正向输入端与串联联接的电阻R6、R7的中点联接，运算放大器IC2B的输出端通过电阻R9与三极管Q5的基极联接，三极管Q5的集电极与电子开关电路联接。

所述的恒流充电电路包括运算放大器IC2A、三极管Q6、电阻R13-R20、R0，电阻R18-R20为运算放大器IC2A的正向输入端提供基准电压，运算放大器IC2A的反向输入端与电阻R0和电阻R17联接，电阻R0联接于与可充电电池联接的回路上，运算放大器IC2A的输出端通过电阻R14、R15与三极管Q6的基极联接，三极管Q6的集电极与电子开关电路联接，其发射极接地。

所述的微处理器控制电路包括微处理器MCU、三极管Q9、Q10、运算放大器IC4A，微处理器MCU的一IO口与运算放大器IC4A的输出端联接，微处理器MCU的另一IO口与三极管Q9的基极联接，三极管Q9的集电极与三极管Q10的基极联接，三极管Q10的集电极和发射极与接口VT联接。

本发明具有多重保护功能的不间断电源，实现对以下异常情况的保护：

1、对接口VT的输入反接，以及与其联接的直流工作电源电路出现短路的异常情况时，实现保护。

2、对可充电电池或电池组反接或损坏的异常情况时，实现保护。

3、当电子开关电路通过接口VT感应到直流工作电源电路的电压减小(因市电断电，瞬间)，立即启动无间断放电电路，确保用电设备的稳定工作。

4、正常情况时，实现对电池或电池组的恒流充电。

5、当用电设备出现异常使电池组放电电流超过安全设定值时，实现保护，并检测用电设备是否恢复正常。

附图说明

附图1是本发明原理方框图；

附图2是本发明电路原理图。

具体实施方式

下面参考附图进行详细说明：

如图1所示，本发明具有多重保护功能的不间断电源，包括联接于直流电源供电电路中的接口VT、可充电电池或电池组BT，在接口VT和可充电电池或电池组BT之间联接具有识别市电通断而启动相关电路的电子开关电路、无间断放电电路、恒流充电电路和微处理器控制电路，无间断放电电路、恒流充电电路与电子开关电路联接；微处理器控制电路通过充电时间调节电路与恒流充电电路联接，微处理器控制电路实现对无间断放电电路、电子开关电路和恒流充电电路的控制；所述可充电电池或电池组负极还联接具有保护作用的电池组反接/短路保护电路，接口VT上也联接有具有保护作用的输入反接/短路保护电路。

如图2所示，本发明具有多重保护功能的不间断电源电路原理图。电子开关电路包括场效应管Q2、三极管Q4，场效应管Q2的源极与接口VT和三极管Q4的集电极联接，场效应管Q2的漏极与可充电电池或电池组联接，场效应管Q2的栅极与三极管Q4的集电极联接，三极管Q4的基极与无间断放电电路和恒流充电电路联接。场效应管Q2为内置二极管的MOSFET管，在场效应管Q2的漏极通过电感L1与可充电电池或电池组联接，电感L1的两端还与二极管D2和电解电容C12联接，二极管D2的阴极和电容C12的负极接地。

无间断放电电路包括运算放大器IC2B、三极管Q5、电阻R3、R4、R6、R7、R8、R9、R10，运算放大器IC2B的反向输入端与串联联接的电阻R3、R4的中点联接，电阻R3的另一端与接口VT联接，运算放大器IC2B的正向输入端与串联联接的电阻R6、R7的中点联接，运算放大器IC2B的输出端通过电阻R9与三极管Q5的基极联接，三极管Q5的集电极与电子开关电路联接，电阻R10联接于三极管基极与发射极之间。

所述的恒流充电电路包括运算放大器IC2A、三极管Q6、电阻R13-R20、R0，电阻R18-R20为运算放大器IC2A的正向输入端提供基准电压，运算放大器IC2A的反向输入端与电阻R0和电阻R17联接，电阻R0一端与电阻R17联接，R0另一端接地，运算放大器IC2A的输出端通过串联的电阻R14、R15与三极管Q6的基极联接，三极管Q6的集电极与电子开关电路联接，其发射极接地，电阻R13并联于三极管Q6的基极和发射极之间，电阻R16并联于IC2A的反向输入端和输出端之间。

微处理器控制电路包括微处理器MCU、三极管Q9、Q10、运算放大器IC4A、电阻R23-R28、R39，处理器MCU的4脚通过电阻R23与运算放大器IC4A的输出端联接，微处理器MCU的5脚通过电阻R39与三极管Q9的基极联接，三极管Q9的集电极与三极管Q10的基极联接，三极管Q10的集电极和发射极与接口VT联接，电阻R27、R28与运算放大器IC4A的正向输入端联接，电阻R26与运算放大器IC4A的反向输入端联接，电阻R25的一端与运算放大器IC4A的输出端联接，其另一端与基准电压源联接，电阻R24并接于运算放大器反向输入端与输出端之间。

微处理器控制电路通过充电时间调节电路与恒流充电电路联接，所述的充电时间调节电路包括三极管Q7、电阻R1、R2，处理器MCU的5脚通过电阻R22与三极管Q7的基极联接，三极管Q7的集电极与三极管Q6的基极联接，电阻R21联接于三极管基极和发射极之间，其发射极接地。在充电时用来调节Q2的占空比的，如：充500ms，停500ms等，可据需要调节，由MCU来控制，当检测到电池充满后关断电子开关电路中的场效应管Q2，停止给电池组充电。

在接口VT上还联接有输入反接/短路保护电路，由场效应管Q1和电阻R2组成，场效应管Q1的源极S与接口VT的一端联接，场效应管Q1的栅极G通过电阻R2与接口VT的另一端联接，场效应管Q1为无内置二极管的MOSFET。

在可充电电池或电池组的正端联接有电池电压采样电路，所述的电池电压采样电路由电阻R29-R31、电容C13、运算放大器IC4B组成，电阻R29的一端与可充电电池或电池组的正端联接，其另一端与电阻R30、电容C13和运算放大器IC4B的同向输入端联接，运算放大器IC4B的反向输入端直接与输出端联接，输出端通过电阻R31与微处理器联接。因为电池组(V1不能高于+5V)，运算放大器IC4B以1∶6的比例(可调节电阻R29、R30来调整)输出电压V1，微处理器MCU第12脚将V1重新计算还原成电池电压，如果符合充满条件后，微处理器MCU第6脚输出高电平关断场效应管Q2，停止给电池组充电。

在可充电电池或电池组的负端联接有电池组反接/短路保护电路，所述的电池组反接/短路保护电路由场效应管Q3、电阻R32组成，场效应管Q3的源极与可充电电池或电池组的负端联接，场效应管Q3的漏极接工作电源，场效应管Q3的栅极通过电阻R32与可充电电池或电池组的正端联接，Q3为无内置二极管的MOSFET。。

另外，还包括为运算放大器IC2A、IC2B、IC4A提供基准参考电压，为微处理器MCU提供工作电源的电源电路，所述的电源电路由电阻R5、电解电容C1、C2、电容C4、电源IC1组成，电阻R5的一端与接口VT联接，其另一端与电解电容C1的正极和电源IC1的输入端1脚联接，电源IC1的输出端3脚与电解电容C2、电容C4联接，并输出+5V电压

本发明工作过程如下：

一、整机工作过程

当直流电源供电电路正常时，电源通过接口VT给电池组BT充电，电流通过电阻R0会产生与电流大小成正比的电压VR0，当电流超过设定值时，运算放大器IC2A的2脚检测到的电压VR0因大于其3脚的基准电压而输出低电平，三极管Q6关断、三极管Q4导通，场效应管Q2因栅极G电位升高迅速退出饱和，场效应管Q2退出饱和后内阻增大电流急剧减小。当电流减小后VR0也相应减小，此时运算放大器IC2A的2脚电压VR0因小于其3脚的基准电压而输出高电平，三极管Q6导通、三极管Q4关断，场效应管Q2重新进入饱和状态，电流又迅速增大。这是一个变化很快的过程，加上电感L1储能与二极管D2续流，电流会钳位在设定的值以达到恒流充电的目的。

当市电断电后，直流电源供电电路电源迅速减小，场效应管Q2内置二极管因VT＜BT而正向导通，同时运算放大器IC2B因电压V降低后其反向输入端低于同向输入端而输出高电平使三极管Q5导通、三极管Q4关断，场效应管Q2因VGS＜0V迅速进入饱和导通，电池组BT通过接口VT输出电源到直流电源供电电路，保持用电设备的工作稳定，实现了无间隔放电。

二、实现接口VT输入反接/短路保护工作过程

输入正常时，场效应管Q1因VGS＞0而导通，直流工作电源电路通过接口VT给电池组BT充电，如果直流工作电源电路出现短路，或不小心将接口VT正负极反接时，场效应管Q1因VGS≤0V而关断保护。

三、电池组反接/短路保护工作过程

当电池组BT正常接入时，场效应管Q3因VGS＞0而导通，直流工作电源电路通过接口VT给电池组BT充电。如果电池组BT损坏出现短路，或不小心将电池组BT正负极反接时，场效应管Q3因VGS≤0V而关断保护。

四、放电过流保护、自恢复保护工作过程

当用电设备出现异常使电池组放电电流超过安全设定值时，运算放大器IC4A因反向输入端高于同向输入端而输出低电平，微处理器MCU检测到4脚为低电平后5脚迅速输出高电平，三极管Q9、Q10导通，场效应管Q1因VGS＝0V而关断。微处理器MCU会在设定的时间，从5脚输出一个低电平以检测用电设备是否恢复正常，若不正常重复上一个动作直到设备修复正常。

Claims (10)

1、一种具有多重保护功能的不间断电源，包括联接于直流电源供电电路中的接口VT、可充电电池或电池组BT，其特征是在接口VT和可充电电池或电池组BT之间联接具有识别市电通断而启动相关电路的电子开关电路、无间断放电电路、恒流充电电路和微处理器控制电路；所述无间断放电电路、恒流充电电路与电子开关电路联接，微处理器控制电路通过充电时间调节电路与恒流充电电路联接，微处理器控制电路实现对无间断放电电路、电子开关电路和恒流充电电路的控制；所述可充电电池或电池组负极还联接具有保护作用的电池组反接/短路保护电路，接口VT上也联接有具有保护作用的输入反接/短路保护电路。

2、根据权利要求1所述的具有多重保护功能的不间断电源，其特征是所述的电子开关电路包括场效应管Q2、三极管Q4，场效应管Q2的源极与接口VT和三极管Q4的集电极联接，场效应管Q2的漏极与可充电电池或电池组联接，场效应管Q2的栅极与三极管Q4的发射电极联接，三极管Q4的基极与无间断放电电路和恒流充电电路联接。

3、根据权利要求2所述的具有多重保护功能的不间断电源，其特征是场效应管Q2为内置二极管的MOSFET管，场效应管Q2与电感L1、二极管D2、电容C12联接，Q2的漏极与电感L1的一端和二极管D2的阴极联接，电感L1的另一端与电容C12的正极和电池或电池组BT联接，二极管D2的阳极和电容C12的负极接地。

4、根据权利要求2所述的具有多重保护功能的不间断电源，其特征是所述的无间断放电电路包括运算放大器IC2B、三极管Q5、电阻R3、R4、R6、R7、R8、R9、R10，运算放大器IC2B的反向输入端与串联联接的电阻R3、R4的中点联接，电阻R3的另一端与接口VT联接，运算放大器IC2B的正向输入端与串联联接的电阻R6、R7的中点联接，运算放大器IC2B的输出端通过电阻R9与三极管Q5的基极联接，三极管Q5的集电极与电子开关电路联接，三极管Q5的发射极接地，电阻R8并联于运算放大器IC2B的正输入端和输出端之间，电阻R10并联于三极管Q5的基极和发射极之间。

5、根据权利要求2所述的具有多重保护功能的不间断电源，其特征是所述的恒流充电电路包括运算放大器IC2A、三极管Q6、电阻R13-R20、R0，电阻R18-R20为运算放大器IC2A的正向输入端提供基准电压，运算放大器IC2A的反向输入端与电阻R0和电阻R17联接，电阻R0一端与电阻R17联接，R0另一端接地，运算放大器IC2A的输出端通过串联的电阻R14、R15与三极管Q6的基极联接，三极管Q6的集电极与电子开关电路联接，其发射极接地，电阻R13并联于三极管Q6的基极和发射极之间，电阻R16并联于IC2A的反向输入端和输出端之间。

6、根据权利要求2所述的具有多重保护功能的不间断电源，其特征是所述的微处理器控制电路包括微处理器MCU、三极管Q9、Q10、运算放大器IC4A，微处理器MCU的一IO口与运算放大器IC4A的输出端联接，微处理器MCU的另一IO口与三极管Q9的基极联接，三极管Q9的集电极与三极管Q10的基极联接，三极管Q10的集电极和发射极与接口VT联接。

7、根据权利要求5或6所述的具有多重保护功能的不间断电源，其特征是所述的充电时间调节电路包括三极管Q7、电阻R21、R22，微处理器MCU的第三IO口通过电阻R22与三极管Q7的基极联接，三极管Q7的集电极与三极管Q6的基极联接，电阻R21联接于三极管基极和发射极之间，其发射极接地。

8、根据权利要求6所述的具有多重保护功能的不间断电源，其特征是联接在接口VT上的输入反接/短路保护电路由场效应管Q1和电阻R2组成，场效应管Q1的源极S与接口VT的一端联接，场效应管Q1的栅极G通过电阻R2与接口VT的另一端联接，Q1的漏极D接地。

9、根据权利要求3所述的具有多重保护功能的不间断电源，其特征是在可充电电池或电池组的正端联接有电池电压采样电路，所述的电池电压采样电路由电阻R29-R31、电容C13、运算放大器IC4B组成，电阻R29的一端与可充电电池或电池组的正端联接，其另一端与运算放大器IC4B的同向输入端联接，电阻R30、电容C13并联于同向输入端与地之间，运算放大器IC4B的反向输入端直接与输出端联接，输出端通过电阻R31与微处理器联接。

10、根据权利要求3所述的具有多重保护功能的不间断电源，其特征是在联接可充电电池或电池组负端的电池组反接/短路保护电路由场效应管Q3、电阻R32组成，场效应管Q3的源极与可充电电池或电池组的负端联接，场效应管Q3的漏极接工作电源，场效应管Q3的栅极通过电阻R32与可充电电池或电池组的正端联接。

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