CN102969783B

CN102969783B - 一种直流不间断电源

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Publication number: CN102969783B
Application number: CN 201210439298
Authority: CN
Inventors: 李永尧; 王立华; 丁政开
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: CN102969783A

Abstract

本发明公开了一种直流不间断电源，包括电连接的开关电源电路、充电电路、保护电路、升压电路电源、管理电路和锂电池；由于该直流不间断电源采用了以LTC1700为核心的升压电路、以LTC4002芯片为核心的充电电路保证了输出电压的稳定，并能适应不同输入电压的环境。当外接电源时，负载直接由外接电源驱动，充电电路单独为锂电池充电，确保了锂电池完成完整的充电循环。当外接电源撤离后，锂电池电压瞬间切换到升压电路，负载由锂电池电压经升压后驱动，效率可达90%，切换速度小于10ns，不需要很大的电容即可很好地驱动大负载。

Description

一种直流不间断电源

技术领域

本发明涉及一种直流不间断电源，具体的说，涉及一种适用于低电压电子产品的直流不间断电源，属于电子技术领域。

背景技术

在当前的应用中，直流不间断电源的实现方式多为铅蓄电池方式。但是铅蓄电池因其体积硕大、造型笨重、难以便携、需要人工维护等缺点，很难在各个领域得到普及。相比而言，锂电池因其能量密度大、可随意造型、体积小重量轻等特点可被应用于不间断电源领域。随着科技的发展，在生产、生活中低电压特别是便携式的电子产品不断涌现，有些产品（如路由器等）自身并不配有蓄电池，只是由市电供电，这样一旦停电即无法使用，直接影响到生活和工作。

发明内容

本发明要解决的问题是针对以上不足，提供一种使用锂电池的适用于低电压电子产品的直流不间断电源。本发明也可做便携式移动电源使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种直流不间断电源，其特征在于：所述直流不间断电源包括电连接的开关电源电路、充电电路、保护电路、升压电路电源、管理电路和锂电池；

所述充电电路包括集成电路IC3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、稳压管DZ2、稳压管DZ3、发光二极管LED1、电感L3、负温度系数电阻NTC和P沟道MOS场效应管M1；

集成电路IC3的1脚经串联的电容C11和电阻R6接地，集成电路IC3的2脚为IC3电源引脚，该引脚通过稳压管DZ3与开关电源电路输出的直流电压Vout1连接，集成电路IC3的3脚接MOS场效应管M1的栅极，MOS场效应管M1的源极与集成电路IC3的2脚连接，MOS场效应管M1的漏极与电感L3的一端以及稳压管DZ2的负极端连接，电感L3的另一端接集成电路IC3的7脚，稳压管DZ2的正极端接地，集成电路IC3的4脚接地，集成电路IC3的5脚接发光二极管LED1负极端，发光二极管LED1正极端通过电阻R5接BAT端，BAT直接与锂电池的正极相连，集成电路IC3的6脚接电阻R7和电容C12的一端以及BAT端，电阻R7的另一端与集成电路IC3的7脚连接，电容C12的另一端接地，集成电路IC3的8脚经负温度系数电阻NTC接地。

一种优化方案，所述保护电路包括集成电路IC4、电阻R8、电阻R9、电容C14、N沟道MOS场效应管M2和N沟道MOS场效应管M3；

集成电路IC4的1脚接MOS场效应管M2的栅极，集成电路IC4的3脚接MOS场效应管M3的栅极，MOS场效应管M2的源极接锂电池的负极，MOS场效应管M2的漏极接MOS场效应管M3的漏极，MOS场效应管M3的源极接地，集成电路IC4的2脚通过电阻R9接地，集成电路IC4的4脚悬空，集成电路IC4的5脚接电阻R8和电容C14的一端，电阻R8的另一端接锂电池正极，电容C14的另一端接锂电池的负极，集成电路IC4的6脚接锂电池的负极。

另一种优化方案，所述升压电路包括集成电路IC5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电感L4、N沟道MOS场效应管M4和P沟道MOS场效应管M5；

所述集成电路IC5的2脚接电阻R12的一端和电容C15的一端，电阻R12的另一端连接电容C16的一端，电容C15、电容C16的另一端接地，4脚接电容C17的一端，电容C17的另一端接地，3脚接电阻R10和电阻R11的一端，电阻R10另一端接地，电阻R11的另一端接Vout2端，10脚与MOS场效应管M4、MOS场效应管M5的漏极以及电感L4的一端相连，电感L4的另一端与接地的滤波电容C18、电容C19以及锂电池的正极BAT端连接，8脚接MOS场效应管M4的栅极，9脚接MOS场效应管M5的栅极，MOS场效应管M5的源极经接地电容C20、电容C21滤波后接电源管理电路5的Vout2端。

本发明采用上述技术方案，具有以下优点：由于该直流不间断电源采用了以LTC1700为核心的升压电路、以LTC4002芯片为核心的充电电路保证了输出电压的稳定，并能适应不同输入电压的环境。当外接电源时，负载直接由外接电源驱动，充电电路单独为锂电池充电，确保了锂电池完成完整的充电循环。当外接电源撤离后，锂电池电压瞬间切换到升压电路，负载由锂电池电压经升压后驱动，效率可达90%，切换速度10ns以内，不需要很大的电容即可很好地驱动大负载。由于锂电池的能量密度较大，加之芯片高度集成，该直流不间断电源整个设计可以做得很小，可作为随身移动电源，为各种数码产品充电。另外在工控领域，可以以极低的成本保证设备断电后的正常运作，避免宕机等一系列隐患。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

附图1为本发明实施例中直流不间断电源的电路框图；

附图2为本发明实施例中开关电源电路的电路原理图；

附图3为本发明实施例中充电电路的电路原理图；

附图4为本发明实施例中保护电路的电路原理图；

附图5为本发明实施例中升压电路的电路原理图；

附图6为本发明实施例中电源管理电路的电路原理图；

图中，

1-开关电源电路，2-充电电路，3-保护电路，4-升压电路，5-电源管理电路。

具体实施方式

实施例，如图1所示，一种直流不间断电源，包括电连接的开关电源电路1、充电电路2、保护电路3、升压电路4、电源管理电路5和锂电池；

如图2所示，开关电源电路1包括集成电路IC1、集成电路IC2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电抗器L1、电感L2、保险管F1、整流桥BR1、开关变压器T1、稳压管DZ1、二极管D1、二极管D2、二极管D3和光电耦合器OC，集成电路IC1为三端PWM开关芯片，其型号为TOP210PFI，集成电路IC2为三端稳压器，其型号为TL431CLP。

交流220V输入电压经过保险管F1、电容C1、电抗器L1滤波，整流桥BR1整流后，得到直流高电压，该直流电压加到开关变压器T1初级线圈的一端，初级线圈的另一端加到三端PWM开关芯片的5脚；稳压管DZ1和二极管D1组成钳位电路，把开关变压器T1漏感引起的脉冲前沿尖峰电压限制到安全值；开关变压器T1的次级电压经二极管D2整流和电容C3、电容C5、电感L2滤波后，输出5V稳定电压Vout1。电抗器L1、电容C1、电容C8、电容C9用来减小传导辐射电流，以减小开关电源产生的射频干扰。开关变压器T1的反馈线圈两端电压经二极管D3整流，电阻R1、电容C6限流、滤波后，加到集成电路IC1的4脚即控制端，电容C6两端的电压由集成电路IC1来调整，以便稳定输出电压。开关电源电路1输出端的反馈电压由并联稳压芯片IC2的稳压值2.5V、光电耦合器OC的正向压降和电阻R2上的压降三者之和来决定。当输出端电压升高时，由于集成电路IC2两端的电压始终为2.5V，光电耦合器OC的输入电流增加，光电耦合器OC的输出三极管集电极c、发射极e间的等效电阻减小，二极管D3随之导通，集成电路IC1的4脚的电流增加，集成电路IC1的5脚输出的PWM脉冲的占空比减小，输出电压Vout1降低，实现稳压的目的。

如图3所示，充电电路2包括集成电路IC3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、稳压管DZ2、稳压管DZ3、发光二极管LED1、电感L3、负温度系数电阻NTC和P沟道MOS场效应管M1，集成电路IC3为充电芯片，其型号为LTC4002ES8-4.2。

集成电路IC3的1脚经串联的电容C11和电阻R6接地，集成电路IC3的2脚为IC3电源引脚，该引脚通过稳压管DZ3与开关电源电路1输出的直流电压Vout1连接，集成电路IC3的3脚接MOS场效应管M1的栅极，MOS场效应管M1的源极与集成电路IC3的2脚连接，MOS场效应管M1的漏极与电感L3的一端以及稳压管DZ2的负极端连接，电感L3的另一端接集成电路IC3的7脚，稳压管DZ2的正极端接地，集成电路IC3的4脚接地，集成电路IC3的5脚接发光二极管LED1负极端，发光二极管LED1正极端通过电阻R5接BAT端，BAT直接与锂电池的正极相连，当电路工作在充电状态时，发光二极管LED1发光，这样通过发光二极管LED1指示充电进行状态及充电结束状态，集成电路IC3的6脚接电阻R7和电容C12的一端以及BAT端，电阻R7的另一端与集成电路IC3的7脚连接，电容C12的另一端接地，集成电路IC3的8脚经负温度系数电阻NTC接地。

该充电电路2的充电模式为：

1：锂电池电压低于2.9V，进入0.1倍设定电流三角波充电。

2：锂电池电压高于2.9V以后，进入设定电流快速充电模式。

3：锂电池电压达到4.2V时，达到额定电压，充电终止。

4：快速充电模式3小时电压仍未超过4.05V时，重启充电循环直至锂电池电压达到4.2V。

如图4所示，保护电路3包括集成电路IC4、电阻R8、电阻R9、电容C14、N沟道MOS场效应管M2和N沟道MOS场效应管M3，集成电路IC4的型号为S8261。

集成电路IC4负责监测锂电池的电池电压与充电回路电流，并控制MOS场效应管M2、MOS场效应管M3这两个MOS场效应管的栅极，两个MOS场效应管在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作过程具体分析如下：

1：正常状态

在正常状态下，集成电路IC4的1脚与3脚都输出高电压，MOS场效应管M2、MOS场效应管M3这两个MOS场效应管都处于导通状态，锂电池可自由地进行充电和放电。

2：过充电保护

当集成电路IC4检测到电池电压达到4.28V时，其3脚将由高电压转变为零电压，使MOS场效应管M3由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电回路无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于MOS场效应管M3自带的二极管的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。

3：过放电保护

在电池放电过程中，当集成电路IC4检测到电池电压低于3V时，其1脚将由高电压转变为零电压，使MOS场效应管M2由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于MOS场效应管M2自带的二极管的存在，充电器可以通过该二极管对锂电池进行充电。

4：过电流保护

锂电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的MOS场效应管M2、MOS场效应管M3时，由于MOS场效应管的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*R_DS*2, R_DS为单个MOS场效应管的导通阻抗，集成电路IC4的2脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U>0.1V时，其1脚将由高电压转变为零电压，使MOS场效应管M2由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。

5：短路保护

电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V时，集成电路IC4则判断为负载短路，其1脚将迅速由高电压转变为零电压，使MOS场效应管M2由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。

如图5所示，升压电路4包括集成电路IC5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电感L4、N沟道MOS场效应管M4和P沟道MOS场效应管M5，集成电路IC5的型号为LTC1700升压芯片，集成电路IC5的1脚和9脚分别为信号接地端和功率接地端，2脚为误差放大器补偿端，该引脚的电压范围为0V至1.18V，3脚为反馈电压输入端，4脚为软启动和运行控制输入端，5脚为外部时钟输入/模式控制端，6脚为外部P沟道MOS场效应管M5的栅极驱动端，7脚为电源输出端，8脚为外部N沟道MOS场效应管M4的栅极驱动端，10脚检测信号输入端，集成电路IC5的2脚接电阻R12的一端和电容C15的一端，电阻R12的另一端连接电容C16的一端，电容C15、电容C16的另一端接地，4脚接电容C17的一端，电容C17的另一端接地，3脚接电阻R10和电阻R11的一端，电阻R10另一端接地，电阻R11的另一端接Vout2端，10脚与MOS场效应管M4、MOS场效应管M5的漏极以及电感L4的一端相连，电感L4的另一端与接地的滤波电容C18、电容C19以及锂电池的正极BAT端连接，8脚接MOS场效应管M4的栅极，9脚接MOS场效应管M5的栅极，MOS场效应管M5的源极经接地电容C20、电容C21滤波后接电源管理电路5的Vout2端。

升压电路4的输入为锂电池输出电压端BAT电压，经高频电感L4与集成电路IC5的10脚以及MOS场效应管M4、MOS场效应管M5的漏极相连，MOS场效应管M4为NMOS，其型号为Si7686，MOS场效应管M5为PMOS，其型号为Si4435，MOS场效应管M4、MOS场效应管M5的控制栅极分别由集成电路IC5的8脚和6脚的输出控制，高频电感L4值为1.8uH，滤波电容C1值为330uF/16V。经测试，该升压电路4输入电压在3～4.2V之间，其输出电压能可靠稳定在5±0.02V。

如图6所示，电源管理电路5包括集成电路IC6、P沟道MOS场效应管M6、P沟道MOS场效应管M7、电容C22和电阻R13，集成电路IC6的型号为LTC4412，升压电路4的输出Vout2端连接集成电路IC6的1脚，给IC6提供工作电压，集成电路IC6的1脚还与MOS场效应管M6的漏极连接，MOS场效应管M6的栅极与IC6的5脚相连，MOS场效应管M6的源极连接到IC6的6脚和电阻R13的一端，并与输出端的负载连接，电阻R13的另一端接IC6的4脚，MOS场效应管M7的漏极与开关电源电路1的输出电压端Vout1连接，MOS场效应管M7的栅极接IC6的4脚，MOS场效应管M7的源极接输出端的负载。

电源管理电路5工作过程为：通过集成电路IC6的5脚控制MOS场效应管M6的导通和关断，来控制升压电路4输出的Vout2向负载供电，以及通过集成电路IC6的4脚控制MOS场效应管M7的导通和关断，来控制开关电源电路1输出的Vout1向负载供电，这样，在正常供电时，选择使用开关电源电路1的输出电压供负载使用，在断电时，使用升压电路4的输出电压供负载使用。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种直流不间断电源，其特征在于：所述直流不间断电源包括电连接的开关电源电路（1）、充电电路（2）、保护电路（3）、升压电路（4）、电源管理电路（5）和锂电池；

所述开关电源电路（1）包括集成电路IC1、集成电路IC2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电抗器L1、电感L2、保险管F1、整流桥BR1、开关变压器T1、稳压管DZ1、二极管D1、二极管D2、二极管D3和光电耦合器OC，集成电路IC1为型号TOP210PFI的三端PWM开关芯片，集成电路IC2为型号TL431CLP的三端稳压器，电容C1为330uF/16V；

所述稳压管DZ1的正极接整流桥BR1的正极、开关变压器T1初级线圈的一端、电容C2的一端，稳压管DZ1的负极接二极管D1的负极，二极管D1的正极接集成电路IC1的5脚、开关变压器T1初级线圈的另一端，开关变压器T1具有两个次级线圈，开关变压器T1的第一个次级线圈的一端接二极管D2的正极，二极管D2的负极接电容C3的一端、电阻R2的一端和电感L2的一端，电容C3的另一端接第一个次级线圈的另一端，电感L2的另一端接电容C5的一端、电阻R4的一端，电容C5的另一端接电容C3的另一端；开关变压器T1的第二个次级线圈的一端接二极管D3的正极，二极管D3的负极接电容C4的一端、光电耦合器OC的集电极，电容C4的另一端接第二个次级线圈的另一端、整流桥BR1的负极，光电耦合器OC的发射极接集成电路IC1的4脚并经串联的电阻R1、电容C6后接整流桥BR1的负极，光电耦合器OC的正极接电阻R2的另一端，光电耦合器OC的负极接集成电路IC2的负极、电容C7的一端，集成电路IC2的正极接地并经串联的电容C8、电容C9后接整流桥BR1的负极，电容C7的另一端接电阻R4的另一端、集成电路IC2的参考端、电阻R3的一端；集成电路IC1的1脚、2脚、3脚、6脚、7脚和8脚接整流桥BR1的负极、电容C2的另一端；

所述充电电路（2）包括集成电路IC3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、稳压管DZ2、稳压管DZ3、发光二极管LED1、电感L3、负温度系数电阻NTC和场效应管M1，集成电路IC3为充电芯片，其型号为LTC4002ES8-4.2；

所述集成电路IC3的1脚经串联的电容C11和电阻R6接地，集成电路IC3的2脚接电容C10的一端、稳压管DZ3的负极、场效应管M1的源极、电容C13的一端，电容C10的另一端、电容C13的另一端分别接地，稳压管DZ3的正极接电感L2的另一端，集成电路IC3的3脚接场效应管M1的栅极，场效应管M1的漏极接电感L3的一端、稳压管DZ2的负极，稳压管DZ2的正极接地，电感L3的另一端接集成电路IC3的7脚、电阻R7的一端，电阻R7的另一端接集成电路IC3的6脚、电容C12的一端以及BAT端，BAT端直接与锂电池的正极相连，电容C12的另一端接地，集成电路IC3的5脚接发光二极管LED1负极端，发光二极管LED1正极端通过电阻R5接BAT端，集成电路IC3的4脚接地，集成电路IC3的8脚经负温度系数电阻NTC接地；

所述保护电路（3）包括集成电路IC4、电阻R8、电阻R9、电容C14、场效应管M2和场效应管M3，集成电路IC4的型号为S8261；

所述集成电路IC4的1脚接场效应管M2的栅极，场效应管M2的源极接锂电池的负极、集成电路IC4的6脚、电容C14的一端，电容C14的另一端接集成电路IC4的5脚、电阻R8的一端，电阻R8的另一端接接锂电池的正极、BAT端，集成电路IC4的3脚接场效应管M3的栅极，场效应管M3的源极接地，场效应管M2的漏极接场效应管M3的漏极，集成电路IC4的2脚通过电阻R9接地，场效应管M2的漏极和源极之间、场效应管M3的漏极和源极之间分别连接有二极管；

所述升压电路（4）包括集成电路IC5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电感L4、场效应管M4和场效应管M5，集成电路IC5的型号为LTC1700升压芯片;场效应管M4型号为Si7686，场效应管M5型号为Si4435，电感L4为1.8uH；

所述集成电路IC5的1脚和9脚分别接地，集成电路IC5的2脚接电阻R12的一端和电容C15的一端，电阻R12的另一端经电容C16接地，电容C15的另一端接地，集成电路IC5的4脚经电容C17接地，集成电路IC5的3脚接电阻R10的一端、电阻R11的一端，电阻R10的另一端接地，集成电路IC5的10脚接场效应管M4的漏极、场效应管M5的漏极、电感L4的一端，电感L4的另一端接BAT端经并联的电容C18、电容C19接地，场效应管M4的栅极接集成电路IC5的8脚，场效应管M4的源极接集成电路IC5的9脚和地，场效应管M5的栅极接集成电路IC5的6脚，场效应管M5的源极接集成电路IC5的7脚、5脚、电容C20的一端、电容C21的一端、电阻R11的另一端，电容C20的另一端、电容C21的另一端接地；

所述电源管理电路（5）包括集成电路IC6、场效应管M6、场效应管M7、电容C22和电阻R13，集成电路IC6的型号为LTC4412；

所述集成电路IC6的1脚接场效应管M5的源极、场效应管M6的漏极，集成电路IC6的2、3脚接地，集成电路IC6的4脚接电阻R13的一端、场效应管M7的栅极，电阻R13的另一端接集成电路IC6的6脚、场效应管M6的源极，集成电路IC6的5脚接场效应管M6的栅极，场效应管M7的漏极接电感L2的另一端，场效应管M7的源极接场效应管M6的源极和电容C22的一端，电容C22的另一端接地。