CN101895148B - 一种双电源平稳切换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双电源平稳切换装置，用于为给用电设备供电的主电源与备份电源提供平稳切换，其包括主/备份电源切换单元，继电器控制单元、充电管理单元、主电源切换辅助单元和备份电源切换辅助单元。本发明还涉及一种双电源平稳切换方法。实施本发明的双电源平稳切换装置及方法，将克服用电设备易掉电的缺陷，负载电压波动小，不需大容量的电容进行辅助切换，并且不需配合散热器使用。

Description

一种双电源平稳切换装置及方法

技术领域

本发明涉及双电源之间的切换技术领域，更具体地说，涉及一种双电源平稳切换装置及方法。

背景技术

随着信息技术的迅速发展，对供电系统的要求越来越高，对于一些重要的用电设备如通讯设备等，如果供电系统的供电突然中断，极易造成重要资料的遗失，严重者甚至会影响到其他相关系统的正常运行，从而带来严重的后果。于是为了防止上述情况的发生，对一些重要的用电设备，除了采用市电作为主电源外，还采用电池组等作为备份电源，因此，对主/备份电源之间的切换提出了一定的要求。

现有技术中，主要有以下三种切换方案：

第一种：通过继电器的动触点与第一动触点、第二动触点的切换来实现主/备份电源之间的供电切换，且必须在负载端连接有一大容量的电容，具体如图1所示，可见，主/备份电源之间可实现平稳切换，备份电源的储能作用也能够得到充分发挥。但是存在以下缺点：

1、负载电压波动大，当备份电源的电压较低时，主/备份电源之间的切换将引起掉电等现象；

2、在接通供电系统的瞬间，电容进行快速充电，很容易损坏电容前面的电路，可见大容量的电容将易导致电路存在安全性隐患，且成本增加，此处如果不使用大容量的电容进行储能，将导致主/备份电源不能平稳切换。

第二种：采用二极管来实现主/备份电源之间的供电切换，具体如图2所示，可见，主/备份电源之间可实现平稳切换，也不需要大容量的电容进行辅助切换。但是存在以下缺点：

1、当二极管上流过较大电流时会在二极管的PN结上产生较大的压降，于是不能充分发挥备份电源的储能作用；

2、在二极管上将产生大量的功耗，必须配合散热器进行散热才能确保电路工作的可靠性，同时，由于过高的温升将引起二极管周围的元器件性能下降，且也不利于产品的小型化；

3、当备份电源的电量不足时仍然为负载供电，没有过放保护功能，将降低电池的使用寿命。

第三种：采用晶体管来实现主/备份电源之间的供电切换，具体如图3所示，可见，晶体管的导通速度非常快，于是主/备份电源之间可实现平稳切换，且晶体管的压降可以调节到很低，可充分发挥备份电源的储能作用，同时也不需要大容量的电容进行辅助切换。但是存在以下缺点：

1、当晶体管Q1或晶体管Q2其中之一失效而引起短路后，主电源将直接对备份电源进行充电，这必将缩短备份电源的使用寿命，还有可能引起备份电源爆炸的危险；

2、在晶体管上将产生大量的功耗，也必须配合散热器使用，同时，过高的温升将引起晶体管周围的元器件性能下降，且也不利于产品的小型化。

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易掉电、负载电压波动大、需要大容量的电容进行辅助切换以及需配合散热器使用等缺陷，提供一种双电源平稳切换装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：构造一种双电源平稳切换装置，用于为供电给用电设备的主电源与备份电源提供平稳切换，所述双电源平稳切换装置包括：

主/备份电源切换单元：通过主/备份电源切换单元内的继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换实现所述主电源与所述备份电源的切换；

继电器控制单元：用于检测所述主电源及所述备份电源的输出电压，根据所述检测结果来控制所述继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换；

充电管理单元：对所述备份电源的输出电压进行检测，在所述备份电源的输出电压低于预先设置的充电阈值时控制所述主电源为所述备份电源进行充电；

主电源切换辅助单元：在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中通过所述主电源切换辅助单元使主电源为用电设备提供续流，所述主电源切换辅助单元连接在所述主电源与用电设备之间；

备份电源切换辅助单元：在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中通过所述备份电源切换辅助单元使备份电源为用电设备提供续流，并且，在所述主电源断开且所述备份电源的输出电压低于预先设置的过放阈值时所述备份电源切换辅助单元断开所述备份电源，所述备份电源切换辅助单元连接在所述备份电源与用电设备之间。

本发明所述的双电源平稳切换装置，还包括：

工作指示单元：对所述主电源和所述备份电源的工作状态进行指示。

本发明所述的双电源平稳切换装置中，所述充电管理单元包括对所述备份电源的输出电压进行检测的电压检测模块、对所述充电阈值和所述过放阈值进行设置的阈值设置模块、在所述备份电源的输出电压低于所述充电阈值时控制所述主电源为所述备份电源进行充电的充电模块、在所述备份电源的输出电压低于所述过放阈值时产生一备份电源过放信号的信号产生模块。

本发明所述的双电源平稳切换装置中，所述主电源切换辅助单元包括第一二极管组件，在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中，通过所述第一二极管组件导通从而使所述主电源为用电设备提供续流；

第一二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极连接到所述主电源，所述肖特基二极管的负极连接到用电设备。

本发明所述的双电源平稳切换装置中，所述备份电源切换辅助单元包括第二二极管组件和P型金属氧化物半导体场效晶体管，所述第二二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极连接到所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极，所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的源极连接到所述备份电源，所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的栅极连接到所述继电器控制单元；

在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中，所述继电器控制单元控制所述P型金属氧化物半导体场效晶体管导通从而使所述备份电源为用电设备提供续流，并且，在检测到所述备份电源过放信号时控制所述P型金属氧化物半导体场效晶体管截止从而断开所述备份电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：构造一种双电源平稳切换方法，包括步骤：

根据检测主电源及备份电源的输出电压的结果，来控制继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换，从而实现所述主电源与所述备份电源的切换；

根据所述备份电源输出电压的检测结果，在所述备份电源的输出电压低于预先设置的充电阈值时，由所述主电源为所述备份电源进行充电；

在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中为所述用电设备提供续流；

在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中为用电设备提供续流，并且，在所述主电源断开且所述备份电源的输出电压低于预先设置的过放阈值时断开备份电源。

本发明所述的双电源平稳切换方法，还包括步骤：

对所述主电源和所述备份电源的工作状态进行指示。

本发明所述的双电源平稳切换方法中，还包括对所述备份电源的输出电压进行检测的电压检测分步骤、对所述充电阈值和所述过放阈值进行设置的阈值设置分步骤、在所述备份电源的输出电压低于所述充电阈值时控制所述主电源为所述备份电源进行充电的充电分步骤、在所述备份电源的输出电压低于所述过放阈值时产生一备份电源过放信号的信号产生分步骤。

本发明所述的双电源平稳切换方法中，在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中，通过第一二极管组件的导通来实现所述主电源与所述用电设备的电连接从而为用电设备提供续流；

所述第一二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极连接到所述主电源，所述肖特基二极管的负极连接到用电设备。

本发明所述的双电源平稳切换方法中，在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中，通过控制第二二极管组件和P型金属氧化物半导体场效晶体管的串联结构的导通使所述备份电源为用电设备提供续流，并且，在检测到所述备份电源过放信号时控制所述P型金属氧化物半导体场效晶体管截止从而所述断开备份电源；

所述第二二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极连接到所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极，所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的源极连接到所述备份电源，所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的导通或截止受所述备份电源过放信号的控制。

实施本发明的双电源平稳切换装置及方法，具有以下有益效果：

第一：在主/备份电源切换单元1内的继电器的静触点与第一触点、第二动触点切换过程中，主电源切换辅助单元和备份电源切换辅助单元为用电设备提供续流，使主/备份电源之间的切换不会引起掉电等现象；

第二：备份电源切换辅助单元在主电源断开且备份电源的输出电压低于过放阈值时断开备份电源，防止备份电源过放，对备份电源起到保护作用；

第三：主电源切换辅助单元和备份电源切换辅助单元均采用肖特基二极管提供续流，无需与散热器配合使用，同时确保了备份电源的储能作用的充分发挥及产品的小型化；

第四：由于继电器的触点的切换具有延迟性，备份电源切换辅助单元中采用了肖特基二极管与P型金属氧化物半导体场效晶体管的串联结构，确保了在继电器的静触点与第二动触点切换过程中P型金属氧化物半导体场效晶体管断开，从而有效断开备份电源，保证了继电器的触点的有效切换；

第五：没有采用大容量的电容，避免了电路的安全隐患，且成本降低；

第六：不会由于某些元器件的失效而使主电源直接对备份电源进行充电，从而避免了备份电源爆炸的危险。

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是现有技术中第一种切换方案的示意图；

图2是现有技术中第二种切换方案的示意图；

图3是现有技术中第三种切换方案的示意图；

图4是本发明双电源平稳切换装置第一实施例的结构方框图；

图5是本发明双电源平稳切换装置第二实施例的结构方框图；

图6是本发明中充电管理单元的结构方框图；

图7是本发明主电源切换辅助单元的一实施例的电路图；

图8是本发明备份电源切换辅助单元的一实施例的电路图；

图9是本发明双电源平稳切换方法的第一实施例的流程图；

图10是本发明双电源平稳切换方法的第二实施例的流程图。

具体实施方式

如图4所示，是本发明的双电源平稳切换装置第一实施例的结构方框图。该双电源平稳切换装置的用于为给用电设备100供电的主电源200与备份电源300提供平稳切换，其包括主/备份电源切换单元1、充电管理单元2、继电器控制单元3、主电源切换辅助单元4和备份电源切换辅助单元。

其中，主/备份电源切换单元1通过主/备份电源切换单元1内的继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换实现主电源200与备份电源300的切换；充电管理单元2对备份电源300的输出电压进行检测，且在备份电源300的输出电压低于充电阈值时控制主电源200为备份电源300进行充电；继电器控制单元3用于检测主电源200及备份电源300的输出电压.，根据所述检测结果来控制继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换；主电源切换辅助单元4在继电器的静触点与第一动触点切换过程中为用电设备100提供续流；备份电源切换辅助单元5在继电器的静触点与第二动触点切换过程中为用电设备100提供续流，并且，在主电源200断开且备份电源300的输出电压低于过放阈值时断开备份电源300。

具体地，继电器控制单元3实时检测主电源200及备份电源300的输出电压，有两种情况：第一种，当主电源200的输出电压产生异常时，继电器控制单元3控制继电器产生切换动作，即继电器的静触点切换到第二动触点从而使备份电源300为用电设备100供电，在该切换过程中，备份电源300通过备份电源切换辅助单元5为用电设备提供续流；进一步地，在主电源200断开且备份电源300的输出电压低于预先设置的过放阈值时，通过备份电源切换辅助单元5断开备份电源300。第一种，当备份电源300的输出电压产生异常时，继电器控制单元3控制继电器产生切换动作，即继电器的静触点切换到第一动触点从而使主电源200为用电设备100供电，在该切换过程中，主电源200通过主电源切换辅助单元4为用电设备提供续流。可见，本发明的双电源平稳切换装置确保了主电源200与备份电源300之间的切换不会引起掉电等现象。

如图5所示，是本发明的双电源平稳切换装置第二实施例的结构方框图。与图4所示的第一实施例的区别在于：在第一实施例的基础上增加了工作指示单元6，其对主电源200和备份电源300的工作状态进行指示。本发明中，备份电源300为工作指示单元6供电，保证了在主电源200故障时，工作指示单元6将可一直正常工作。

本发明中，工作指示单元6为指示灯或显示屏，对主电源200和备份电源300的工作状态进行指示。当采用指示灯时，可通过同一指示灯的发光颜色的变化来分别指示主电源200和备份电源300的工作状态；或者，也可设置多个指示灯来分别对应指示主电源200和备份电源300的工作状态。当采用显示屏时，可通过控制显示窗口来对主电源200和备份电源300的工作状态进行指示。

如图6所示，是本发明中充电管理单元的结构方框图。充电管理单元2包括对备份电源300的输出电压进行检测的电压检测模块21、对充电阈值和过放阈值进行设置的阈值设置模块22、在备份电源300的输出电压低于充电阈值时控制主电源200为备份电源300进行充电的充电模块23、在备份电源300的输出电压低于过放阈值时产生备份电源过放信号的信号产生模块24。

如图7所示，是本发明主电源切换辅助单元的一实施例的电路图。结合图4或图5所示，该主电源切换辅助单元4连接在主电源200与用电设备100之间，其包括第一二极管组件，在继电器的静触点与第一动触点切换过程中，通过第一二极管组件导通从而使主电源200为用电设备100提供续流。本实施例中，第一二极管组件包括两个相并联的肖特基二极管，肖特基二极管的正极连接到主电源200，肖特基二极管的负极连接到用电设备100。在其它实施例中，第一二极管组件可为一个肖特基二极管或者多个相并联的肖特基二极管。

如图8所示，是本发明备份电源切换辅助单元的一实施例的电路图。结合图4或图5所示，该备份电源切换辅助单元5连接在备份电源300与用电设备100之间，其包括第二二极管组件和P型金属氧化物半导体场效晶体管，第二二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，肖特基二极管的正极连接到P型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极，P型金属氧化物半导体场效晶体管的源极连接到备份电源300，P型金属氧化物半导体场效晶体管的栅极连接到继电器控制单元3。

在继电器的静触点与第二动触点切换过程中，继电器控制单元3控制P型金属氧化物半导体场效晶体管导通从而使备份电源300为用电设备100提供续流，并且，在检测到备份电源过放信号时控制P型金属氧化物半导体场效晶体管截止从而断开备份电源300。

备份电源过放信号的产生方式为：在备份电源300的输出电压低于充电阈值时，充电管理单元2中的信号产生模块将产生备份电源过放信号。

本发明中，在用电设备端并联一个小容量的滤波电容，将起到滤波稳压的作用，可有效减小纹波。

如图9所示，是本发明双电源平稳切换方法的第一实施例的流程图。该双电源平稳切换方法包括步骤：

步骤S1：即主/备份电源切换控制步骤，根据检测主电源及备份电源的输出电压的结果，来控制继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换，从而实现主电源与备份电源的切换。

步骤S2：即充电管理步骤，根据备份电源输出电压的检测结果、在备份电源的输出电压低于充电阈值时，由主电源为备份电源进行充电。本步骤S2包括对备份电源的输出电压进行检测的电压检测分步骤、对充电阈值和过放阈值进行设置的阈值设置分步骤、在备份电源的输出电压低于充电阈值时控制主电源为备份电源进行充电的充电分步骤、在备份电源的输出电压低于过放阈值时产生备份电源过放信号的信号产生分步骤。

步骤S3：即主电源切换辅助步骤，在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中为用电设备提供续流。本步骤S3中，在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中，通过第一二极管组件的导通来实现主电源与用电设备的电连接从而为用电设备提供续流。所述第一二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，肖特基二极管的正极连接到主电源，肖特基二极管的负极连接到用电设备；

步骤S4：即备份电源切换辅助步骤，在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中为用电设备提供续流，并且，在主电源断开且备份电源的输出电压低于过放阈值时断开备份电源。在本步骤S4中，在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中，通过控制第二二极管组件和P型金属氧化物半导体场效晶体管的串联结构的导通使备份电源为用电设备提供续流，并且，在检测到备份电源过放信号时控制P型金属氧化物半导体场效晶体管截止从而断开备份电源。第二二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，肖特基二极管的正极连接到P型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极，P型金属氧化物半导体场效晶体管的源极连接到备份电源，P型金属氧化物半导体场效晶体管的导通或截止受备份电源过放信号的控制。

如图10所示，是本发明双电源平稳切换方法的第二实施例的流程图。与图9所示的第一实施例的区别在于：在第一实施例的基础上，增加了步骤S5：即工作指示步骤，对主电源和备份电源的工作状态进行指示。本指示步骤S5中，采用指示灯或显示屏对主电源和备份电源的工作状态进行指示，用户可直接获悉该时刻是主电源还是备份电源在供电，甚至可以获悉备份电源的存储电量。

本发明中，可采用指示灯或显示屏对主电源和备份电源的工作状态进行指示。当采用指示灯时，可通过同一指示灯的发光颜色的变化来分别指示主电源和备份电源的工作状态；或者，也可设置多个指示灯来分别对应指示主电源和备份电源的工作状态。当采用显示屏时，可通过控制显示窗口来对主电源和备份电源的工作状态进行指示。

本发明中，所述继电器的静触点与第一动触点切换过程，即为继电器的静触点从第二动触点切换到第一触点的过程，在此过程中，静触点与第二触点断开且尚未与第一触点接触。同理，所述继电器的静触点与第二动触点切换过程，即为继电器的静触点从第一动触点切换到第二触点的过程，在此过程中，静触点与第一触点断开且尚未与第二触点接触。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双电源平稳切换装置，用于为供电给用电设备的主电源与备份电源提供平稳切换，其特征在于，包括：

主/备份电源切换单元：通过主/备份电源切换单元内的继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换实现所述主电源与所述备份电源的切换；

继电器控制单元：用于检测所述主电源及所述备份电源的输出电压，根据所述检测结果来控制所述继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换；

充电管理单元：对所述备份电源的输出电压进行检测，在所述备份电源的输出电压低于预先设置的充电阈值时控制所述主电源为所述备份电源进行充电；

主电源切换辅助单元：在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中通过所述主电源切换辅助单元使主电源为用电设备提供续流，所述主电源切换辅助单元连接在所述主电源与用电设备之间；

备份电源切换辅助单元：在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中通过所述备份电源切换辅助单元使备份电源为用电设备提供续流，并且，在所述主电源断开且所述备份电源的输出电压低于预先设置的过放阈值时所述备份电源切换辅助单元断开所述备份电源，所述备份电源切换辅助单元连接在所述备份电源与用电设备之间。

2.根据权利要求1所述的双电源平稳切换装置，其特征在于，还包括：

工作指示单元：对所述主电源和所述备份电源的工作状态进行指示。

3.根据权利要求1或2所述的双电源平稳切换装置，其特征在于，所述充电管理单元包括对所述备份电源的输出电压进行检测的电压检测模块、对所述充电阈值和所述过放阈值进行设置的阈值设置模块、在所述备份电源的输出电压低于所述充电阈值时控制所述主电源为所述备份电源进行充电的充电模块、在所述备份电源的输出电压低于所述过放阈值时产生一备份电源过放信号的信号产生模块。

4.根据权利要求1或2所述的双电源平稳切换装置，其特征在于，所述主电源切换辅助单元包括第一二极管组件，在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中，通过所述第一二极管组件导通从而使所述主电源为用电设备提供续流；

第一二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极连接到所述主电源，所述肖特基二极管的负极连接到用电设备。

5.根据权利要求3所述的双电源平稳切换装置，其特征在于，所述备份电源切换辅助单元包括第二二极管组件和P型金属氧化物半导体场效晶体管，所述第二二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极连接到所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极，所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的源极连接到所述备份电源，所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的栅极连接到所述继电器控制单元；

在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中，所述继电器控制单元控制所述P型金属氧化物半导体场效晶体管导通从而使所述备份电源为用电设备提供续流，并且，在检测到所述备份电源过放信号时控制所述P型金属氧化物半导体场效晶体管截止从而断开所述备份电源。

6.一种双电源平稳切换方法，其特征在于，包括步骤：

根据检测主电源及备份电源的输出电压的结果，来控制继电器的静触点与第一动触点、第二动触点的切换，从而实现所述主电源与所述备份电源的切换；

根据所述备份电源输出电压的检测结果，在所述备份电源的输出电压低于预先设置的充电阈值时，由所述主电源为所述备份电源进行充电；

在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中为所述用电设备提供续流；

在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中为用电设备提供续流，并且，在所述主电源断开且所述备份电源的输出电压低于预先设置的过放阈值时断开备份电源。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括步骤：

对所述主电源和所述备份电源的工作状态进行指示。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，还包括对所述备份电源的输出电压进行检测的电压检测分步骤、对所述充电阈值和所述过放阈值进行设置的阈值设置分步骤、在所述备份电源的输出电压低于所述充电阈值时控制所述主电源为所述备份电源进行充电的充电分步骤、在所述备份电源的输出电压低于所述过放阈值时产生一备份电源过放信号的信号产生分步骤。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述继电器的静触点与第一动触点切换过程中，通过第一二极管组件的导通来实现所述主电源与所述用电设备的电连接从而为用电设备提供续流；

所述第一二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极连接到所述主电源，所述肖特基二极管的负极连接到用电设备。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述继电器的静触点与第二动触点切换过程中，通过控制第二二极管组件和P型金属氧化物半导体场效晶体管的串联结构的导通使所述备份电源为用电设备提供续流，并且，在检测到所述备份电源过放信号时控制所述P型金属氧化物半导体场效晶体管截止从而所述断开备份电源；

所述第二二极管组件包括一肖特基二极管或多个相并联的肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极连接到所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极，所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的源极连接到所述备份电源，所述P型金属氧化物半导体场效晶体管的导通或截止受所述备份电源过放信号的控制。

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