CN101247053A - 电池接入用升降压变换电路和装置、直流后备电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池接入用升降压变换电路和装置、直流后备电源装置。电池接入用升降压变换电路包括线性稳压电路(4)及Boost升压电路(6)；其中线性稳压电路(4)包括线性稳压控制电路(41)及开关并线性稳压调节元件，电池接入端通过开关并线性稳压调节元件与线性稳压电路的输入端相连，线性稳压电路(4)的输出端与Boost升压电路(6)的输入端相连，Boost升压电路(6)的输出端为负载连接端；线性稳压电路具有降压整定点，Boost升压电路具有升压整定点，当电池端压高于降压整定点，线性稳压电路工作，Boost升压电路直通；当电池端压低于升压整定点，Boost升压电路工作，线性稳压电路直通。实施本发明的电池接入用升降压变换电路，具有电路效率高、成本低、可靠性高、且调试简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术，更具体地说，涉及一种电池接入用升降压变换电路及装置。
背景技术
存储类设备因其数据记录和备份的重要性，一般对其供电电源的可靠性、稳定性有着很高的要求。为了保证在交流电网掉电时，可以及时备份数据，通常都要求设备带有后备电源(电池)，同时为满足设备的稳压要求，必须在电池和设备间加入稳压变换电路。一般在兼顾成本和放电时间的考量下，往往选用电池额定电压与设备供电电压相当的电池，如给硬盘供电时选取12V电池。而目前，此类稳压变换电路的电路形式通常多选用Buckboost、Cuk升降压电路或带隔离变压器的推挽电路等，即在电池端压大于稳压电压时(电池处于均、浮充状态)，稳压变换器降压工作；当电池端压小于稳压电压时，稳压变换器升压工作。
这类设计有以下不足：
1)电路工作效率低。如在大电流(360W/30A)输出时，采用Buckboost升压电路的变换器整机效率约72％，采用带隔离变压器的推挽电路的变换器整机效率约69％。效率低将严重影响电池供电时的供电时间，从而影响用电设备交流掉电后的保护操作；
2)电路成本高。无论采用Buckboost或推挽电路，至少需要两个以上的MOS管，推挽电路还要增加隔离变压器以及输出整流管；
3)可靠性低。由于元器件数量多，电路可靠性必然降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述电路工作效率低、电路成本高的缺陷，利用电池自身特性，设计一种电池接入用升降压变换电路。另外，本发明还提供一种直流后备电源装置及一种独立式电池接入用升降压变换装置。
一方面，本发明构造一种电池接入用升降压变换电路，包括线性稳压电路及Boost升压电路；其中所述线性稳压电路包括线性稳压控制电路及开关并线性稳压调节元件，电池接入端通过开关并线性稳压调节元件与所述线性稳压电路的输入端相连，所述线性稳压电路的输出端与所述Boost升压电路的输入端相连，所述Boost升压电路的输出端与为负载连接端；所述线性稳压电路具有降压整定点，所述Boost升压电路具有升压整定点，当所述电池端压高于所述降压整定点，线性稳压电路工作，所述Boost升压电路直通；当所述电池端压低于所述升压整定点，所述Boost升压电路工作，所述线性稳压电路直通。
在本发明所述的电池接入用升降压变换电路中，所述开关并线性稳压调节元件为电池接入MOS管，其中，所述电池接入MOS管的漏极与电池接入端的正极相连、源极与Boost升压电路的输入端相连、栅极与线性稳压控制电路的控制输出相连。
在本发明所述的电池接入用升降压变换电路中，所述降压整定点电压高于所述升压整定点。
在本发明所述的电池接入用升降压变换电路中，所述线性稳压电路的输出端与所述Boost升压电路的输入端之间并联有第一电解电容。
另一方面，本发明提供一种直流后备电源装置，包括电池及电池接入用升降压变换电路，所述电池接入用升降压变换电路包括线性稳压电路及Boost升压电路；其中所述线性稳压电路包括线性稳压控制电路及开关并线性稳压调节元件，电池通过开关并线性稳压调节元件与所述线性稳压电路的输入端相连，所述线性稳压电路的输出端与所述Boost升压电路的输入端相连，所述Boost升压电路的输出端为负载连接端；所述线性稳压电路具有降压整定点，所述Boost升压电路具有升压整定点，当所述电池端压高于所述降压整定点，线性稳压电路工作，所述Boost升压电路直通；当所述电池端压低于所述升压整定点，所述Boost升压电路工作，所述线性稳压电路直通。
在本发明所述的直流后备电源装置中，所述开关并线性稳压调节元件为电池接入MOS管，其中，所述电池接入MOS管的漏极与电池的正极相连、源极与Boost升压电路的输入端相连、栅极与线性稳压控制电路的控制输出相连。
在本发明所述的直流后备电源装置中，所述线性稳压电路的输出端与所述Boost升压电路的输入端之间并联有第一电解电容。
又一方面，本发明提供一种电池接入用升降压变换装置，包括电池接入连接器、负载连接器及电池接入用升降压变换电路，所述电池接入用升降压变换电路包括线性稳压电路及Boost升压电路；其中所述线性稳压电路包括线性稳压控制电路及开关并线性稳压调节元件，电池接入连接器通过开关并线性稳压调节元件与所述线性稳压电路的输入端相连，所述线性稳压电路的输出端与所述Boost升压电路的输入端相连，所述Boost升压电路的输出端与负载连接器相连；所述线性稳压电路具有降压整定点，所述Boost升压电路具有升压整定点，当所述电池端压高于所述降压整定点，线性稳压电路工作，所述Boost升压电路直通；当所述电池端压低于所述升压整定点，所述Boost升压电路工作，所述线性稳压电路直通。
在本发明所述的电池接入用升降压变换装置中，所述开关并线性稳压调节元件为电池接入MOS管，其中，所述电池接入MOS管的漏极与电池接入连接器的正极相连、源极与Boost升压电路的输入端相连、栅极与线性稳压控制电路的控制输出相连。
在本发明所述的电池接入用升降压变换装置中，所述线性稳压电路的输出端与所述Boost升压电路的输入端之间并联有第一电解电容。
实施本发明的电池接入用升降压变换电路、直流后备电源装置及电池接入用升降压变换装置，具有以下有益效果：
1)电路效率高。如在输出同样负载(360W/30A)条件下，本方案效率高于Buckboost方案近7个百分点；
2)电路成本低，可靠性高。采用本方案的元器件数量将大大少于采用Buckboost和推挽方案，且调试简单，可靠性提高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明电池接入用升降压变换电路的结构示意图；
图2是本发明电池接入用升降压变换电路实施例的电路原理图。
具体实施方式
本发明主要是利用电池端压高于其额定电压持续时间短，带载能力弱而电池端压低于其额定电压持续时间长，带载能力强的特性，设计适于电池输入的升降压电路，以便为用电设备(如存储类设备)提供稳定的电压。本发明是通过图1所示的电路结构来实现的。
图1所示为本发明电池接入用升降压变换电路的结构示意图。如图1所示，电池接入用升降压变换电路包括线性稳压电路4和Boost升压电路6。线性稳压电路4的输入端与电池1连接、输出端与Boost升压电路6的输入端连接。Boost升压电路6的输出与负载8连接。线性稳压电路4包括开关并线性稳压调节元件及线性稳压控制电路41，在升降压变换电路处于降压工作状态时，线性稳压控制电路41对线性稳压电路4的输出电压进行采样、处理后，为开关并线性稳压调节元件提供降压控制信号。Boost升压电路6包括Boost主电路(包括电感L、二极管D及MOS管Q2)及Boost控制电路61，在升降压变换电路处于升压工作状态时，Boost控制电路61对Boost升压电路6的输出电压进行采样、处理后，为Boost主电路提供升压控制信号。
在一实施例中，开关并线性稳压调节元件可以是电池接入MOS管Q1，其漏极与电池1的正极相连、源极与Boost升压电路6的输入端相连、栅极与线性稳压控制电路41的控制输出相连。在其它实施例中，开关并线性稳压调节元件还可是三极管、IGBT等其他开关器件。
本发明电池接入用升降压变换电路的工作原理是利用电池的外特性，将升降压变换电路设计成三种工作状态：
1)降压工作态，即电池处于均、浮充状态时转放电，此时需要降压变换。通常电池在均、浮充状态下的端压尽管会大于其额定电压(一般为1.1～1.2倍的电池额定电压)，但如果一旦撤去充电电压，其端压会在短时间内下降到额定电压，而若此时电池放电，这一过程将更加迅速。也就是说，升降压变换电路工作在降压态的时间会很短，因此为了这样一个极其短暂的过程投入过多的电路是不经济的。本发明采用形式简单的线性稳压电路。当电池端压大于降压整定点时，线性电路工作，否则将直通。由于这一过程很短，所以尽管线性稳压电路的效率不高，其对整个电池放电过程的效率影响微乎其微，可以忽略不计。
2)直通工作态，即当电池电压在设备要求供电电压的稳压精度范围内时，为了最大限度地提高工作效率而不增加其他不必要的损耗，升降压变换电路将电池电压直通到设备，由电池直接向设备供电。
3)升压工作态，即当电池电压低于设备要求供电电压稳压精度以外时，升降压变换电路开始升压工作。由于电池与设备没有隔离要求，同样基于电路最简化和效率最大化的考虑，本发明采用了结构最简单的Boost升压电路。采用Boost升压电路的另一好处是，可以不加修改地实现上述的直通态。即只要从电池直通到设备的电压(电池端压减去线路损耗电压)高于Boost升压电路的整定点，Boost升压电路本身就是一个直通电路。
如本领域技术人员所知，通过对电路中各元器件的参数进行适当选择，即可获得适当的降压整定点和升压整定点。
作为选择，上述方案可以去除中间的直通态，即将升压工作的整定点设计得与降压工作的整定相等或更高。另外，也可以不采用线性稳压的方式来实现降压工作态，比如采用在线路上串联二极管或者MOS管的方式，利用二极管或MOS管本身体二极管的导通压降来增加线路电压损耗，以使输出电压满足用电设备要求。当检测到电池端压已经下降到用电设备允许范围内时，短接二极管或开通MOS管来减小线路电压损耗等。
图2是本发明电池接入用升降压变换电路一实施例的电路原理图。在本实施例中，Boost主电路包括电感L1、二极管D1及MOS管Q2、第二电解电容C2。线性稳压电路4的输出端与Boost升压电路6的输入端之间并联有用于稳压的第一电解电容C1。由于线性稳压电路、Boost升压电路及其工作原理属于本领域技术人员所知悉的现有技术，故此处不再赘述。
在本实施例中，电池端输入电压(记为Va)、线性稳压电路的降压整定点(记为Vb)、Boost升压电路的升压整定点(记为Vc)、电池电压经由线性稳压电路直通工作时的线路损耗(记为Vd)，电池电压经由Boost升压电路直通工作时的线路损耗(记为Ve)、整个稳压电路的输出整定点，也即是用电设备供电电压(记为Vf)之间的关系如下：
a、Va为可变量，Vd、Ve是可变量(大小与负载电流有关系，即电流越大，线路损耗越大)，其余为不变量；
b、一般地，Vb＞Vc；
c、当Va＞Vb，线性稳压电路降压工作，MOS管Q1工作在线性区，其输出电压即Vb(对应此时MOS管Q1上压降Va-Vb)；而Boost升压电路直通，MOS管Q2截止，电压经由L1、D1的线路压降为Ve，故此时Vf＝Vb-Ve，对应于降压工作态；
d、当Va≤Vb，线性稳压电路直通工作，MOS管Q1工作在饱和导通区，电压经由MOS管Q1的线路压降为Vd，故此时电路经由线性稳压电路后的输出电压为Va-Vd；而Boost升压电路是否升压工作取决于上述b条件中Vb与Vc设置时之间的差值：
d1：(Va-Vd-Ve)＞Vc，则Boost升压电路也直通工作，MOS管Q2截止，电压经由L1、D1的线路压降为Ve，此时输出电压Vf＝Va-Vd-Ve，对应于直通工作态(即线性稳压电路和Boost升压电路都工作在直通态)；
d2：(Va-Vd-Ve)≤Vc，则Boost升压电路升压稳压工作，MOS管Q2工作在开关态，此时Vf＝Vc，对应于升压工作态(即线性稳压电路直通工作，而Boost升压电路升压工作)。
特别地，如果设计中把降压整定点Vb设计得与升压整定点Vc相等或者更低，则整个升降压变换电路中就没有了直通工作态。
需要说明的是，本发明的电池接入用升降压变换电路可以设置在为用电设备提供后备电源的非隔离的直流后备电源装置中，与电池一起安装在同一外壳或机柜内，以(用电设备的)额定电压为用电设备提供稳定的电源。也可以制作成带有电池接入连接器和负载连接器的独立式电池接入用升降压变换装置，用于连接直流后备电池和用电设备，以(用电设备的)额定电压为用电设备提供稳定的电源。
Claims (10)
1、一种电池接入用升降压变换电路，其特征在于，包括线性稳压电路(4)及Boost升压电路(6)；其中所述线性稳压电路(4)包括线性稳压控制电路(41)及开关并线性稳压调节元件，电池接入端通过开关并线性稳压调节元件与所述线性稳压电路的输入端相连，所述线性稳压电路(4)的输出端与所述Boost升压电路(6)的输入端相连，所述Boost升压电路(6)的输出端为负载连接端；所述线性稳压电路具有降压整定点，所述Boost升压电路具有升压整定点，当所述电池端压高于所述降压整定点，线性稳压电路工作，所述Boost升压电路直通；当所述电池端压低于所述升压整定点，所述Boost升压电路工作，所述线性稳压电路直通。
2、根据权利要求1所述的电池接入用升降压变换电路，其特征在于，所述开关并线性稳压调节元件为电池接入MOS管(Q1)，其中，所述电池接入MOS管(Q1)的漏极与电池接入端的正极相连、源极与Boost升压电路的输入端相连、栅极与线性稳压控制电路(41)的控制输出相连。
3、根据权利要求2所述的电池接入用升降压变换电路，其特征在于，所述降压整定点电压高于所述升压整定点。
4、根据权利要求1至3中任一项所述的电池接入用升降压变换电路，其特征在于，所述线性稳压电路(4)的输出端与所述Boost升压电路(6)的输入端之间并联有第一电解电容(C1)。
5、一种直流后备电源装置，包括电池(1)及电池接入用升降压变换电路，其特征在于，所述电池接入用升降压变换电路包括线性稳压电路(4)及Boost升压电路(6)；其中所述线性稳压电路(4)包括线性稳压控制电路(41)及开关并线性稳压调节元件，电池(1)通过开关并线性稳压调节元件与所述线性稳压电路的输入端相连，所述线性稳压电路(4)的输出端与所述Boost升压电路(6)的输入端相连，所述Boost升压电路(6)的输出端为负载连接端；所述线性稳压电路具有降压整定点，所述Boost升压电路具有升压整定点，当所述电池端压高于所述降压整定点，线性稳压电路工作，所述Boost升压电路直通；当所述电池端压低于所述升压整定点，所述Boost升压电路工作，所述线性稳压电路直通。
6、根据权利要求5所述的直流后备电源装置，其特征在于，所述开关并线性稳压调节元件为电池接入MOS管(Q1)，其中，所述电池接入MOS管(Q1)的漏极与电池的正极相连、源极与Boost升压电路的输入端相连、栅极与线性稳压控制电路(41)的控制输出相连。
7、根据权利要求5或6所述的直流后备电源装置，其特征在于，所述线性稳压电路(4)的输出端与所述Boost升压电路(6)的输入端之间并联有第一电解电容(C1)。
8、一种电池接入用升降压变换装置，包括电池接入连接器、负载连接器及电池接入用升降压变换电路，其特征在于，所述电池接入用升降压变换电路包括线性稳压电路(4)及Boost升压电路(6)；其中所述线性稳压电路(4)包括线性稳压控制电路(41)及开关并线性稳压调节元件，电池接入连接器通过开关并线性稳压调节元件与所述线性稳压电路的输入端相连，所述线性稳压电路(4)的输出端与所述Boost升压电路(6)的输入端相连，所述Boost升压电路(6)的输出端与负载连接器相连；所述线性稳压电路具有降压整定点，所述Boost升压电路具有升压整定点，当所述电池端压高于所述降压整定点，线性稳压电路工作，所述Boost升压电路直通；当所述电池端压低于所述升压整定点，所述Boost升压电路工作，所述线性稳压电路直通。
9、根据权利要求8所述的电池接入用升降压变换装置，其特征在于，所述开关并线性稳压调节元件为电池接入MOS管(Q1)，其中，所述电池接入MOS管(Q1)的漏极与电池接入连接器的正极相连、源极与Boost升压电路的输入端相连、栅极与线性稳压控制电路(41)的控制输出相连。
10、根据权利要求8或9所述的电池接入用升降压变换装置，其特征在于，所述线性稳压电路(4)的输出端与所述Boost升压电路(6)的输入端之间并联有第一电解电容(C1)。
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