CN101136558B - 供电系统及其主电源与后备电池切换电路、切换方法 - Google Patents

供电系统及其主电源与后备电池切换电路、切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种供电系统及其主电源与后备电池的切换电路、切换方法，该切换电路包括P-MOS场效应管、电压取样电路、开关电路；当取样端的取样电压达到预定值或以上时，开关电路导通，其电压输出端输出控制信号，导通P-MOS场效应管，由主电源的直流主输出端向母线端单向导通供电；当取样端的取样电压低于预定值时，开关电路关断，使P-MOS场效应管截止，由后备电池向母线端供电。由于P-MOS场效应管的导通电阻已经能够做到很低，其压降可以很小，本发明的切换电路自身的功耗大幅降低，提升了直流主输出供电的效率，减小了能耗，提高供电效率；同时，降低了系统的散热要求。

Description

供电系统及其主电源与后备电池切换电路、切换方法
【技术领域】
本发明涉及一种电源电路。
【背景技术】
带有电池后备的电源或供电系统中，当有电源适配器或其它直流供电时，需要由主电源的直流主输出(包括交流到直流变换或直流到直流的变换输出)给系统供电，并由直流主输出给电池充电，当直流主输出供电中断时，需要由电池后备输出不间断地继续给系统供电。对系统而言，经常需要实现直流主输入与电池输入的无间断切换，以及直流主输入与电池后备输入的隔离，防止电池电压对直流主输出的反灌。
目前主电源与后备电池切换技术主要有：
1)二极管隔离法：为了使得直流主输出与电池后备输出能够无间断切换，一般利用二极管的单向导通特性进行直接切换，如图1所示，在这个方案中，直流主输出的电压大于电池后备输出的电压，以使得二极管D12在有直流主输入时反偏，电源的直流主输出需经由二极管D11到达电源母线，并对系统供电，但是，由于二极管的正向导通压降大约位于0.4～1.0V之间，会使得二极管D11上的损耗比较大；
2)利用低导通电阻的场效应管(MOS场效应管)Q21来代替图1中的二极管D12，如图2所示，是目前常用的第二种方案。图2中是利用直流的输出来控制电池的后备供电。用一个P沟道MOS场效应管Q21代替图1中的二极管D12。设定直流主输出的电压比电池电压高，当插入墙上适配器时或有直流主输出时，P-MOS场效应管Q21的栅极电压高于其源极电压，P-MOS场效应管Q21处于关断状态，从而切断电池与负载的连接。当去掉直流主输出时，P-MOS场效应管的栅极D电压为零，源极S为电池电压，此时P-MOS场效应管Q21在栅极与源极电压的驱动下导通。随着MOS场效应管的工艺进步，MOS场效应管的导通电阻已经能够做到足够的低，在MOS场效应管的导通电阻足够低时，MOS场效应管上的电压的压降可以足够低小，从而在保证电池正确切换的情况下，实现了低损耗的导通，提升了切换的供电效率。
现有的技术，具有以下的缺点：
第一种方案是最为广泛应用的方案，电路简单，但供电效率太低。
第二种方案中，在系统需要使用两组后备电池隔离供电时，要保证电池的独立性，防止电池与电池之间由于直接并联导致的电池间充放电，电池之间需要使用二极管隔离，从而不能使用MOS场效应管来降低损耗，因为MOS场效应管在导通后有双向均导通的特性，所以第二种方案不适用于两组电池以上同时供电的场所。另外在一些主要由直流输出供电的场所，希望提升的是直流主输出时的供电效率，此时第二种方案不能解决直流主输出供电的效率问题，所以第二种方案在诸多方面都受到限制。
直流主输出是由交流到直流变换(AC-DC)或直流到直流变换(DC-DC)变换或其它后备电源得到的，当直流主输出集成于整个供电系统中时，直流主输出的部分由于转换效率的问题，本身会产生大量的热，同时需要给电池充电，由于充电电路的效率问题，充电部分亦会产生大量的热，在集成的系统中，需要考虑整机的散热，此时需要在AC-DC级或DC-DC供电时，提高效率；此外，由于直流输出对系统的供电，在大多数的情况下，是供电的主流，从整个能耗角度出发，更应当提升直流主输出的供电效率。
【发明内容】
本发明的目的就是为了以上克服现有技术中的不足，提供一种主输出供电效率大幅提高、后备电池得到有效防护的供电系统及其主电源与电池切换电路、切换方法。
为实现上述目的，首先本发明提出一种供电系统，包括可以为AC-DC电源或DC-DC电源的主电源、后备电池和切换电路，所述切换电路连接于所述主电源和后备电池之间，所述切换电路与后备电池的共接点为供电输出的母线端；所述切换电路包括P-MOS场效应管、电压取样电路和开关电路；所述电压取样电路一端与所述P-MOS场效应管漏极连接，另一端接地，其取样端与所述开关电路的控制端连接，由该取样端的取样电压控制所述开关电路的开关；所述开关电路一输入端与所述P-MOS场效应管源极连接，一输出端接地，其具有电压输出端与所述P-MOS场效应管栅极连接；当所述取样端的取样电压达到预定值或以上时，所述开关电路导通，其电压输出端输出控制信号，导通所述P-MOS场效应管，由所述主电源的直流主输出端向该母线端单向导通供电；当所述取样端的取样电压低于预定值时，所述开关电路关断，使所述P-MOS场效应管截止，由所述后备电池向该母线端供电。
上述的供电系统，所述电压取样电路包括稳压管、第一取样电阻和第二取样电阻，三者依次串联连接于所述P-MOS场效应管漏极与地之间；所述第一取样电阻和第二取样电阻的共接点为所述取样端，与所述开关电路的控制端连接。所述开关电路包括第一分压电阻、第二分压电阻和三极管；所述第一分压电阻、第二分压电阻串联形成串联支路，该串联支路的一端连接于所述P-MOS场效应管源极，另一端连接于所述三极管的集电极，所述第一分压电阻(R3)和第二分压电阻(R4)的共接点连接于所述P-MOS场效应管栅极；所述三极管的基极与所述电压取样电路取样端连接，射极接地。所述后备电池包括：第一后备电池组和第一二极管，二者串联构成第一后备电池；第二后备电池组和第二二极管，二者串联构成第二后备电池；所述第一后备电池和第二后备电池并联于所述P-MOS场效应管源极与地之间。
其次，本发明提出了一种主电源与后备电池切换电路，包括P-MOS场效应管、电压取样电路和开关电路；所述电压取样电路一端与所述P-MOS场效应管漏极连接，另一端接地，其取样端与所述开关电路的控制端连接，由该取样端的取样电压控制所述开关电路的开关；所述开关电路一输入端与所述P-MOS场效应管源极连接，一输出端接地，其具有电压输出端与所述P-MOS场效应管栅极连接；当所述取样端的取样电压达到预定值或以上时，所述开关电路导通，其电压输出端输出控制信号，导通所述P-MOS场效应管；当所述取样端的取样电压低于预定值时，所述开关电路关断，使所述P-MOS场效应管截止。
上述的主电源与后备电池切换电路，所述电压取样电路包括稳压管、第一取样电阻和第二取样电阻，三者依次串联连接于所述P-MOS场效应管漏极与地之间；所述第一取样电阻和第二取样电阻的共接点为所述取样端，与所述开关电路的控制端连接。所述开关电路包括第一分压电阻、第二分压电阻和三极管；所述第一分压电阻和第二分压电阻串联形成串联支路，该串联支路的一端连接于所述P-MOS场效应管源极，另一端连接于所述三极管的集电极，所述第一分压电阻(R3)和第二分压电阻(R4)的共接点连接于所述P-MOS场效应管栅极；所述三极管的基极与所述电压取样电路取样端连接，射极接地。
再次，本发明提出了一种供电系统主电源与后备电池的切换方法，包括如下步骤：
采用P-MOS场效应管，漏极接于主电源的直流主输出端，源极接于母线端，保证直流主输出端到母线端单方向导通；
由电压取样电路在检测到主电源的直流主输出端电压高于预先设定值时，开关电路导通并输出电压保持P-MOS场效应管导通，由主电源的直流主输出端向母线端供电；
电压取样电路检测到主电源的直流主输出端电压低于预先设定值时，开关电路关断，使P-MOS场效应管截止，关断电源主输出端与母线端的连接，由电池电压向母线端供电。
由于采用了以上的技术方案，本发明的有益效果是：
在许多系统中，大部分的供电是由主电源的直流主输出来实现的，只是小部分的时间由后备电池来供电，由于MOS场效应管的导通电阻已经能够做到很低，MOS场效应管上的压降可以很小，本发明的切换电路自身的功耗大幅降低，提升了直流主输出供电的效率，减小了能耗，提高供电效率；同时，降低了系统的散热要求。
此外，本发明的切换电路能实现直流主输出的自检测与自关断，使主电源直流输出供电与后备电池供电能平稳切换，关断后将后备电池与直流主输出隔离，电池输出电压不会反灌，并且切换电路本身被关断，不再消耗系统的能量，实现了无损耗的隔离。而在直流主输出重新满足自动切换的条件时，本切换电路又自动开启，使得直流主输出给系统高效率供电。
本发明的切换电路对于具有多组后备电池的供电系统，同样适用。
【附图说明】
图1用二极管隔离方法的主电源、后备电池供电切换电路。
图2采用MOS场效应管的主电源、后备电池供电切换电路。
图3本发明的切换电路原理图。
图4是图3的切换电路一种实施例。
【具体实施方式】
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图3所示，本发明的供电系统包括可以为AC-DC电源或DC-DC电源的主电源、后备电池、切换电路。切换电路用一个P沟道的MOS场效应管接于主电源的直流主输出端DC与母线端V-BUS，其中P-MOS场效应管的漏极接于直流主输出端，源极接于母线端，此时P-MOS场效应管的体内二极管能够经由
DC端到母线端单方向导通。
在直流主输出V1供电时，当直流主输出电压上升到高于母线上已有电压V3时，V1通过P-MOS场效应管Q1的体内寄生二极管给电源母线V3供电，设定电压取样电路在检测到V1高于预先设定电压V2时，通过开关电路使P-MOS场效应管Q1导通，电压取样电路检测到V1低于V2时，通过开关电路关断直流主输出端与电源母线的连接，在关断该连接后，切换电路本身不再消耗电池的能量，并且电池电压由于P-MOS场效应管Q1的关断与Q1体内寄生二极管的反偏，不会对直流主输出的端口反灌电压。
在V1供电时，由于P-MOS场效应管Q1的导通的低阻抗特性，而电压取样电路在V1供电时，自身的功耗相当低，可以设定成低于12mW，从而本切换电路相对于传统的使用二极管的切换电路，具有更低的损耗，极大地提高了直流输出的供电效率。
图4为其中的一种实现电路，其工作原理如下：
系统开机后，直流主输出V1的输出电压逐渐上升，当直流主输出V1的电压高于母线端V-BUS电压时，P-MOS场效应管Q1的体内寄生二极管或者与Q1并联的二极管会先导通，同时，当直流主输出V1的电压高于电压取样电路的设定值V2时，稳压管ZD1导通，通过第一取样电阻R1与第二取样电阻R2的分压，作用于三极管Q2，当三极管Q2的基极电压上升到0.6～0.7V时，三极管Q2接着导通，进而使得切换用的P-MOS场效应管Q1饱和导通，利用Q1的低导通阻抗的特性，实现直流主输出V1对V-BUS的低阻抗连接，降低了切换电路带来的损耗，而由稳压管ZD1、第一取样电阻R1、R2组成的电压取样电路和由三极管Q2、第一分压电阻R3、第二分压电阻R4组成的开关电路，在由直流主输出V1供电时虽有一定损耗，但是相当地低。这样就能保证本切换电路带来功率的节省，效率的提升。
当直流主输出V1的电压下降，低于电压取样电路的设定值V2时，由电压取样电路的取样端没有导通电压，将关断三极管Q2，进而关断P-MOS场效应管Q1，防止母线端V-BUS电压对直流主输出V1的反灌，从而直流主输出V1从母线端V-BUS脱离供电。此时，由稳压管ZD1、第一取样电阻R1、第二取样电阻R2、三极管Q2等构成的切换电路亦从母线端V-BUS脱离，不会被反向供电。这样在自关断后，电池等其它后备的电源不会对直流主输出V1进行反灌，实现了无损耗的隔离。
本发明可广泛应用主电源与后备电源或电池的切换电路中，在电路实现上，可以更改电压取样电路的检测方式进行实现。

Claims (8)

1.一种供电系统，包括可以为AC-DC电源或DC-DC电源的主电源、后备电池和切换电路，所述切换电路连接于所述主电源和后备电池之间，所述切换电路与后备电池的共接点为供电输出的母线端；其特征是：所述切换电路包括P-MOS场效应管、电压取样电路和开关电路；所述电压取样电路一端与所述P-MOS场效应管漏极连接，另一端接地，其取样端与所述开关电路的控制端连接，由该取样端的取样电压控制所述开关电路的开关；所述开关电路一输入端与所述P-MOS场效应管源极连接，一输出端接地，其具有电压输出端与所述P-MOS场效应管栅极连接；当所述取样端的取样电压达到预定值或以上时，所述开关电路导通，其电压输出端输出控制信号，导通所述P-MOS场效应管，由所述主电源的直流主输出端向该母线端单向导通供电；当所述取样端的取样电压低于预定值时，所述开关电路关断，使所述P-MOS场效应管截止，由所述后备电池向该母线端供电。
2.如权利要求1所述的供电系统，其特征是：所述电压取样电路包括稳压管(ZD1)、第一取样电阻(R1)和第二取样电阻(R2)，三者依次串联连接于所述P-MOS场效应管漏极与地之间；所述第一取样电阻(R1)和第二取样电阻(R2)的共接点为所述取样端，与所述开关电路的控制端连接。
3.如权利要求1或2所述的供电系统，其特征是：所述开关电路包括第一分压电阻(R3)、第二分压电阻(R4)和三极管(Q2)；所述第一分压电阻(R3)和第二分压电阻(R4)串联形成串联支路，该串联支路一端连接于所述P-MOS场效应管源极，另一端连接于所述三极管(Q2)的集电极，所述第一分压电阻(R3)和第二分压电阻(R4)的共接点连接于所述P-MOS场效应管栅极；所述三极管(Q2)的基极与所述电压取样电路取样端连接，射极接地。
4.如权利要求1或2所述的供电系统，其特征是：所述后备电池包括：第一后备电池组(BAT1)和第一二极管(D1)，二者串联构成第一后备电池；第二后备电池组(BAT2)和第二二极管(D2)，二者串联构成第二后备电池；所述第一后备电池和第二后备电池并联于所述P-MOS场效应管源极与地之间。
5.一种主电源与后备电池切换电路，其特征是：包括P-MOS场效应管、电压取样电路和开关电路；所述电压取样电路一端与所述P-MOS场效应管漏极连接，另一端接地，其取样端与所述开关电路的控制端连接，由该取样端的取样电压控制所述开关电路的开关；所述开关电路一输入端与所述P-MOS场效应管源极连接，一输出端接地，其具有电压输出端与所述P-MOS场效应管栅极连接；当所述取样端的取样电压达到预定值或以上时，所述开关电路导通，其电压输出端输出控制信号，导通所述P-MOS场效应管；当所述取样端的取样电压低于预定值时，所述开关电路关断，使所述P-MOS场效应管截止。
6.如权利要求5所述的主电源与后备电池切换电路，其特征是：所述电压取样电路包括稳压管(ZD1)、第一取样电阻(R1)和第二取样电阻(R2)，三者依次串联连接于所述P-MOS场效应管漏极与地之间；所述第一取样电阻(R1)和第二取样电阻(R2)的共接点为所述取样端，与所述开关电路的控制端连接。
7.如权利要求5或6所述的主电源与后备电池切换电路，其特征是：所述开关电路包括第一分压电阻(R3)、第二分压电阻(R4)和三极管(Q2)；所述第一分压电阻(R3)和第二分压电阻(R4)串联形成串联支路，该串联支路一端连接于所述P-MOS场效应管源极，另一端连接于所述三极管(Q2)的集电极，所述第一分压电阻(R3)和第二分压电阻(R4)的共接点连接于所述P-MOS场效应管栅极；所述三极管(Q2)的基极与所述电压取样电路取样端连接，射极接地。
8.供电系统主电源与后备电池的切换方法，包括如下步骤：
采用P-MOS场效应管，漏极接于主电源的直流主输出端，源极接于母线端，保证直流主输出端到母线端单方向导通；
由电压取样电路在检测到主电源的直流主输出端电压高于预先设定值时，开关电路导通并输出电压保持P-MOS场效应管导通，由主电源的直流主输出端向母线端供电；
电压取样电路检测到主电源的直流主输出端电压低于预先设定值时，开关电路关断，使P-MOS场效应管截止，关断电源主输出端与母线端的连接，由电池电压向母线端供电。
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