CN103001315A

CN103001315A - 一种电源切换电路

Info

Publication number: CN103001315A
Application number: CN201210572956XA
Authority: CN
Inventors: 王学民; 曹淑玉; 杭旭
Original assignee: Shanghai Feixun Data Communication Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Feixun Data Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103001315B

Abstract

本发明涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种电源切换电路，通过主电源电压的分压来控制场效应管构成的开关，并采用稳压二极管设置为保护单元，低导通电压低损耗二极管隔离主电源和备用电源，在实现主/备电源之间快速切换的同时，还简化了电路，降低了工艺成本，同时由于保护单元的作用，在保护开关的同时，利用低导通电压低损耗二极管，有效的避免主电源和备用电源之间相互充电给电源设备带来的损伤。

Description

一种电源切换电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种电源切换电路。

背景技术

目前，随着信息技术的迅速发展，电子技术领域对供电系统的要求越来越高，尤其是一些重要的用电设备如通信设备或设备中的某些重要器件如存储器、实时时钟及一些重要的报警电路等，都不允许因市电停电或电源出现故障而停止工作，均设置有备用电源，以当主电源不正常或断电时，备用电源能不间断的快速自动切换，以保证设备及上述器件、电路能正常工作；若是供电系统的供电突然中断，极易造成重要资料的遗失，甚至会影响到其他相关系统的正常运行，从而带来非常严重的后果。

现有技术中，为了防止突然断电给系统设备造成损失，对一些重要的用电设备，除了采用主电源供电外，还采用电池组等作为备用电源，而对主/备用电源之间的切换提出了较高的要求，传统的主/备用电源之间的切换方案有：

图1是本发明背景技术中采用继电器进行主/备用电源之间切换的原理框图；如图1所示，主电源、备用电源分别与继电器的第一静触点和第二静触点连接，而用电设备则与继电器的动触点连接，且在用电设备端设置一大容量电容C1接地，而继电器控制单元控制继电器的动触点的连接动作；当主电源断电时，继电器控制单元控制继电器的动触点与从第一静触点移动至第二静触点，进而实现主/备用电源之间的切换。但是，上述的电路具有以下缺点：

a. 由于负载电压波动大，当备用电源的电压较低时，主/备用电源之间的切换将引起掉电等现象。

b. 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隐患，且成本增加，而此处如果不使用大容量的电容进行储能，将导致主/备用电源不能平稳切换。

图2是本发明背景技术中采用二极管进行主/备用电源之间切换的原理框图；如图2所示，主电源通过二极管D1的正极与用电设备连接，备用电源通过二极管D2的正极与二极管D1的负极连接，且二极管D2的负极通过电容C2接地，虽然该电路能实现主/备用电源之间平稳切换，也不需要大容量的电容进行辅助切换。但是存在以下缺点：

a. 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，不能充分发挥备用电源的储能作用。

b. 二极管在通电时会产生大量的功耗，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，还不利于产品的小型化。

c. 当备用电源为负载供电且其电量不足时，由于没有过放保护功能，将降低电池的使用寿命。

图3是本发明背景技术中采用二极管进行主/备用电源之间切换的原理框图；如图3所示，主电源与晶体管Q1的发射极e连接，晶体管Q1的基极b与晶体管控制单元连接，晶体管Q1的集电极c分别与用电设备和晶体管Q2的集电极c连接，晶体管Q2的发射极e与备用电源连接，晶体管Q2的基极b与晶体管控制单元连接，晶体管Q2的集电极c通过电容C3接地。

虽然，由于晶体管的导通速度非常快，能实现在主/备用电源之间平稳切换，且晶体管的压降可以调节到很低，可充分发挥备用电源的储能作用，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：

a.当晶体管Q1或晶体管Q2失效时会引起短路，此时，主电源将直接对备用电源进行充电，这必将缩短备用电源的使用寿命，甚至有可能引起备用电源爆炸的危险。

b.由于晶体管上会产生大量的功耗，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，也不利于产品的小型化。

发明内容

针对现有的主/备用电源之间的切换电路中存在的上述问题，现提供一种通过主电源电压的分压来控制场效应管构成的开关，并采用稳压二极管设置为保护单元，低导通电压低损耗二极管隔离主电源和备用电源，在实现主/备电源之间快速切换的同时，还简化了电路，降低了工艺成本，同时由于保护单元的作用，在保护开关的同时，利用低导通电压低损耗二极管，能有效的避免主电源和备用电源之间相互充电给电源设备带来的损伤。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明提供了一种电源切换电路，包括主电源、备用电源和用电设备，所述主电源与所述用电设备电连接，其中，还包括隔离单元、控制单元、切换单元和保护单元；

所述主电源通过所述控制单元与所述切换单元连接；

所述主电源依次通过所述隔离单元与所述备用电源连接；

所述备用电源通过所述切换单元与所述用电设备连接；

所述保护单元与所述切换单元连接；

其中，所述控制单元包括高速三极管，所述切换单元包括P沟道场效应管，所述保护单元包括两反向串联的稳压二极管，所述隔离单元包括正向连接的多个低导通电压二极管。

上述的电源切换电路，其中，还包括：

所述主电源通过正向连接的第一低导通电压二极管与用户设备连接，且该主电源还依次通过第一电阻、正向连接的第二二极管和第五电阻接地；

所述备用电源与P沟道场效应管的源级端连接，所述P沟道场效应管的漏极通过正向连接的第二低导通电压二极管与用户设备连接，所述P沟道场效应管的栅极通过第七电阻与高速三极管的集电极连接；

所述备用电源还分别通过并联的第二电容和第六电阻与三极管的集电极连接，且该备用电源还依次通过反向连接的第一稳压二极管和正向连接第二稳压二极管与三极管的集电极连接；

所述备用电源还通过第二电阻与第一二极管的正极连接，该第一二极管的负极通过并联的第三电阻和第一电容接地；

所述三极管的基极通过第四电阻与所述第一二极管的负极连接，且该三极管的基极与第三二极管的负极连接，该第三二极管的正极与所述三极管的发射极连接。

上述的电源切换电路，其中，当所述主电源给所述用户设备供电，且所述备用电源等待时，电路中各器件需满足条件：

V_{A} * \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{1}} > V_{B} * \frac{R_{3}}{R_{3} + R_{2}}

；

当所述主电源掉电，切换到所述备用电源给所述用户设备供电时，电路中各器件需满足条件：

V_{B} * \frac{R_{3}}{R_{3} + R_{2}} > V_{B} * \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{6}}

；

其中，V_A为所述主电源电压值，V_B为所述备用电源电压值，R₁为所述第一电阻阻值，R₂为所述第二电阻阻值，R₃为所述第三电阻阻值，R₅为所述第五电阻阻值，R₆为所述第六电阻阻值。

上述的电源切换电路，其中，所述第一电阻阻值范围为820Ω~1.5kΩ，所述第二电阻阻值范围为6.2kΩ~8.2kΩ，所述第三电阻阻值范围为30kΩ~36kΩ，所述第四电阻阻值范围为8.2Ω~20Ω，所述第五电阻阻值范围为30kΩ~36kΩ，所述第六电阻阻值范围为9.1kΩ~12kΩ，所述第七电阻阻值范围为8.2Ω~20Ω。

上述的电源切换电路，其中，所述第一电阻阻值为1kΩ，所述第二电阻阻值为7.5kΩ，所述第三电阻阻值为32.4kΩ，所述第四电阻阻值为10Ω，所述第五电阻阻值为32.4kΩ，所述第六电阻阻值为10kΩ，所述第七电阻阻值为10Ω。

上述的电源切换电路，其中，所述电源电压为48v时，所述备用电源电压为42v~56v。

上述的电源切换电路，其中，所述主电源电压与所述备用电源电压相等，且设置所述第三阻值电阻阻值与所述第五阻值电阻阻值也相等时，所述第六电阻阻值大于所述第二电阻阻值，所述第二电阻阻值大于所述第一电阻阻值。

综上所述，本发明一种电源切换电路，通过主电源电压的分压来控制场效应管构成的开关，并采用稳压二极管设置为保护单元，低导通电压低损耗的二极管隔离主电源和备用电源，在实现主/备电源之间快速切换的同时，还简化了电路，降低了工艺成本，同时由于保护单元的作用，在保护开关的同时，利用低导通电压低损耗的二极管，有效的避免主电源和备用电源之间相互充电给电源设备带来的损伤。

附图说明

图1是本发明背景技术中采用继电器进行主/备用电源之间切换的原理框图；

图2是本发明背景技术中采用二极管进行主/备用电源之间切换的原理框图；

图3是本发明背景技术中采用二极管进行主/备用电源之间切换的原理框图；

图4为本发明实施例中电源切换电路的原理框图；

图5为本发明实施例中电源切换电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

图4为本发明实施例中电源切换电路的原理框图；如图4所示，一种电源切换电路，包括主电源、备用电源、隔离单元、用电设备、控制单元、保护单元和切换单元，且控制单元包括高速三极管，切换单元包括P沟道场效应管，保护单元包括两反向串联的稳压二极管，隔离单元包括多个低导通低损耗的电压二极管。

具体的，主电源与用户设备电连接，以给用户设备提供电能；备用电源通过切换单元与用电设备连接，控制单元分别与主电源和备用电源连接，以在主电源断电时，控制单元控制切换单元，使用备用电源给用电设备供电；隔离单元分别与主电源和备用电源连接，以隔离主电源和备用电源，避免相互充电对备用电源如电池等的损伤；保护单元与切换单元连接，以保护切换开关，延长开关的使用寿命。

所以，通过主电源电压的分压来控制开关（P沟道场效应管），不仅省去了传统电路中的比较器，进而简化了电路，降低了产品的成本，而设置在主电源与备用电源之间的多个低导通低损耗的电压二极管，能有效的避免对备用电源（电池）的充电损坏；工作在饱和区的高速三极管，在减小了功耗和散热的同时，相应的延长了电路器件的使用寿命，作为开关管的大功率场效应管，不仅切换速度快还支持大电流通过，进而保证后端用户设备的功率需求。

图5为本发明实施例中电源切换电路的电路结构示意图；如图5所示，主电源A通过正向连接的二极管D6与用户设备C连接，即主电源A通过正向连接的二极管D6向用户设备C供电；主电源A还依次通过电阻R1、正向连接的二极管D2和电阻R5接地，即电阻R1与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电阻R5连接。

备用电源B与P沟道场效应管Q1的源级端连接，场效应管Q1的漏极通过正向连接的二极管D7与用户设备C连接（场效应管Q1的漏极与二极管D7的正极连接，二极管D7的负极与用户设备C连接），以在主电源A断电时，备用电源B通过场效应管Q1给用户设备C供电，场效应管Q1的栅极通过电阻R7与高速三极管Q2的集电极连接。

上述的备用电源B还分别通过并联的电容C2和电阻R6与三极管Q2的集电极连接，且该备用电B源还通过反向串联的稳压二极管D4和稳压二极管D5与三极管Q2的集电极连接，即备用电源B与稳压二极管D4的负极连接，稳压二极管D4的正极与稳压二极管D5的正极连接，稳压二极管D5的负极与三极管Q2的集电极连接；备用电源B通过电阻R2与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极通过并联的电阻R3和电容C1接地，三极管Q2的基极通过电阻R4与二极管D1的负极连接，且三极管Q2的基极与二极管D3的负极连接，二极管D3的正极与三极管Q2的发射极连接。

当主电源A和备用电源B均与用户设备C电连接时，主电源A的电压通过电阻R1和电阻R5的进行分压后，三极管Q2发射极的电压等于二极管D2负极端（如图5所示二极管D2的右端）电压，而备用电源B经过电阻R2和电阻R3的分压后，三极管Q2基极端的电压等于二极管D1的负极端（如图5中二极管D1的下端）电压。

具体的：

当主电源A给用户设备C供电时，二极管D2的负极端电压值大于二极管D1的负极端电压值（电阻R5从主电源A上分压的电压值大于电阻R3从备用电源B上分压的电压值），即三极管Q2的发射极端的电压大于基极电压，二极管D3导通，进而将三级管Q2的基极电压拉高，并且将三极管Q2的发射极和基极的电压差值钳位在小于等于0.7V范围内，此时，三极管Q2截止；另外，当主电源A供电时，上述三极管Q2集电极端电压为备用电源B的电压，即场效应管Q1的栅极端电压为备用电源B的电压，且场效应管Q1的源极端电压也等于备用电源电压，所以场效应管Q1的栅极和源极之间的电压差值几乎为于零，该场效应管Q1关断。所以，这时主电源A通过二极管D6向用户设备C供电，而备用电源B不工作。

当主电源A掉电时，二极管D2的负极端（如图5中所示二极管D2的右端）电压逐渐降低，而当二极管D2的负极端电压等于二极管D1负极端电压时（此时的二极管D1负极端电压为备用电源B经过电阻R2和电阻R3分压后电阻R3上端的电压），二极管D3截止，不再对三极管Q2起钳位作用；然后，三极管Q2的发射极端电压继续降低，当其降低到比三极管Q2的基极端电压低0.7V时，三极管Q2开始导通，并由于电路中电阻参数设置，使得三极管Q2进入饱和导通状态，即此时三极管Q2的集电极与其发射极之间电压差值可以忽略不计，电阻R5和电阻R6对备用电源B进行分压得到，且三极管Q2的集电极电压和场效应管Q1的栅极电压均为电阻R5上端的电压，而电阻R6上、下两端电压差值为场效应管Q1的栅极、源级之间电压差值，由于场效应管Q1的栅极电压相对于其源极电压有一定的负压差，所以场效应管Q1导通。此时，备用电源B依次通过场效应管Q1和二极管D7向用户设备C供电。

当备用电源B供电时，主电源A又重新上电时，即主电源A大于0.7V时，二极管D2导通并且随着主电源A电压的升高，二极管D2的负极端电压开始升高，相当于三极管Q2的发射极端电压在逐渐升高，而当三极管Q2的基极电压与发射极电压差值小于0.7V时，三极管Q2截止，且在Q2截止瞬间，三极管Q2的集电极电压被拉升至等于备用电源B的电压，同时场效应管源级端电压也被拉升为备用电源B的电压，而由于场效应管Q1的源级与备用电源B直接电连接，即场效应管Q1的源级和栅源之间的电压差值近乎为零，场效应管Q1截止。此时，供电电源切换到主电源A，即主电源A通过二极管D6向用户设备C供电，而备用电源B则停止向用户设备C供电。

进一步，当三极管Q2的发射极电压高于三极管Q2的基极电压0.7V时，二极管D3导通，并将三极管Q2的发射极与基极之间的压差进行钳位。

所以，无论主电源A掉电或者上电时，本实施例中的电路都能快速的进行电源的自动切换，并通过对电阻设置实现对电路响应时间的调节；因为备用电源B一般为电池组，其电压并不稳定，可以通过调节电阻R1和电阻R5电阻阻值实现对三极管Q2的发射极电压的调整，以改善电路的响应速度；同时，通过对电阻R2、电阻R3、电阻R5及电阻R6的调节，以在主电源A失效时调节三极管的基极电压和集电极电压，以将三极管Q2设置在饱和状态，减小电路器件的功耗和散热；二极管D1和二极管D2主要对主电源A和备用电源B进行隔离，当主电源A工作时，二极管D1阻止主电源A依次通过电阻R1、二极管D2、二极管D3、电阻R4和电阻R2向备用电源B充电，同理，二极管D2也能有效避免备用电源B向主电源A端供电。

进一步的，在主电源A上电的瞬间，有很短一段时间内主电源A和备用电源B是同时存在的，这就存在主电源A和备用电源B同时供电的情况，由于二极管D6和二极管D7的存在，使得用电设备C端只能通过电压值较高的电源，而另一路电压较低的电路则会被二极管D6或二极管D7截止，相应的就避免了主电源A在电压未稳定或电压尚低时向用户设备供电的情况；同时，稳压二极管D4和稳压二极管D5构成一个保护单元，其作用在于保护场效应管Q1，以防止场效应管Q1的栅极和源极之间的负压差过大，损坏场效应管。

进一步的，当主电源A给用户设备C供电，且备用电源B等待时，电路中的三极管Q2的发射极电压V_e和基极电压V_b分别为：

V_{e} = V_{A} * \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{1}}

；

V_{b} = V_{B} * \frac{R_{3}}{R_{3} + R_{2}}

；

由于此时要求场效应管Q1截止，相应的三极管Q2也应截止，而三极管Q2的截止条件为：V_e＞V_b，即

；

在实际电路选值的时候，为了简化选值的过程，可以设置：R₃=R₅，由于一般情况下主电源电压与备用电源电压相同，即：V_A=V_B；

相应的得出：R₂＞R₁；

而当主电源A掉电时，需要切换到备用电源B给用户设备C供电时，即需要三极管Q2处于饱和导通状态，而该三极管Q2的饱和导通条件为：V_b＞V_e且V_b＞V_c，而此时该三极管Q的基极电压V_b和集电极电压V_c分别为：

V_{b} = V_{B} * \frac{R_{3}}{R_{3} + R_{2}}

；

V_{c} = V_{B} * \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{6}}

；

由于此时V_A=0，相应的，；即V_b＞V_e；

而V_b＞V_c，即：

；

同样，为了简化选值的过程，可以设置：R₃=R₅，而相应的主电源电压与备用电源电压相同，即：V_A=V_B

相应的得出：R₆＞R₂；

综上所述，在设置R₃=R₅，且V_A=V_B情况下，电路正常工作的条件是R₆＞R₂＞R₁。

其中，V_A为上述主电源A的电压值，V_B为上述备用电源B的电压值，R₁为上述电阻R1的阻值，R₂为上述电阻R2的阻值，R₃为上述电阻R3的阻值，R₅为上述电阻R5的阻值，R₆为上述电阻R6的阻值，且电阻R4和电阻R7的设置主要是作为限流电阻使用。

进一步的，主电源电压V_A为48v，相应的备用电源电压V_B的范围为42v~56v如42v、48v或56v等，电阻R1的阻值范围为820Ω~1.5kΩ如820Ω、1kΩ或1.5kΩ等，电阻R2的阻值范围为6.2kΩ~8.2kΩ如6.2kΩ、7.5kΩ或8.2kΩ等，电阻R3的阻值范围为30kΩ~36kΩ如30kΩ、32.4kΩ或36kΩ等，电阻R4的阻值范围为8.2Ω~20Ω如8.2Ω、10kΩ或20Ω等，电阻R5的阻值范围为30kΩ~36kΩ如30kΩ、32.4kΩ或36kΩ等，电阻R6的阻值范围为9.1kΩ~12kΩ如9.1kΩ、10kΩ或12kΩ等，电阻R7的阻值范围为8.2Ω~20Ω如8.2Ω、10Ω或20kΩ等。

其中，上述的电阻R1表示第一电阻，电阻R2表示第二电阻，电阻R3表示第三电阻，电阻R4表示第四电阻，电阻R5表示第五电阻，电阻R6表示第六电阻，电阻R7表示第七电阻，电容C1表示第一电容，电容C2表示第二电容，二极管D1表示第一二极管，二极管D2表示第二二极管，二极管D3表示第三二极管，稳压二极管D4表示第一稳压二极管，稳压二极管D5表示第二稳压二极管，二极管D6表示第一低导通电压二极管，二极管D7表示第二低导通电压二极管。

综上所述，本发明一种电源切换电路，通过主电源电压的分压来控制场效应管构成的开关，并采用稳压二极管设置为保护单元，低导通电压低损耗二极管隔离主电源和备用电源，在实现主/备电源之间快速切换的同时，还简化了电路，降低了工艺成本，同时由于保护单元的作用，在保护开关的同时，利用低导通电压低损耗二极管，有效的避免主电源和备用电源之间相互充电给电源设备带来的损伤。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims

1.一种电源切换电路，包括主电源、备用电源和用电设备，所述主电源与所述用电设备电连接，其特征在于，还包括隔离单元、控制单元、切换单元和保护单元；

所述主电源通过所述控制单元与所述切换单元连接；

所述主电源依次通过所述隔离单元与所述备用电源连接；

所述备用电源通过所述切换单元与所述用电设备连接；

所述保护单元与所述切换单元连接；

2.根据权利要求1所述的电源切换电路，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的电源切换电路，其特征在于，当所述主电源给所述用户设备供电，且所述备用电源等待时，电路中各器件需满足条件：

V_{A} * \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{1}} > V_{B} * \frac{R_{3}}{R_{3} + R_{2}}

；

V_{B} * \frac{R_{3}}{R_{3} + R_{2}} > V_{B} * \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{6}}

；

4.根据权利要求2所述的电源切换电路，其特征在于，所述第一电阻阻值范围为820Ω~1.5kΩ，所述第二电阻阻值范围为6.2kΩ~8.2kΩ，所述第三电阻阻值范围为30kΩ~36kΩ，所述第四电阻阻值范围为8.2Ω~20Ω，所述第五电阻阻值范围为30kΩ~36kΩ，所述第六电阻阻值范围为9.1kΩ~12kΩ，所述第七电阻阻值范围为8.2Ω~20Ω。

5.根据权利要求4所述的电源切换电路，其特征在于，所述第一电阻阻值为1kΩ，所述第二电阻阻值为7.5kΩ，所述第三电阻阻值为32.4kΩ，所述第四电阻阻值为10Ω，所述第五电阻阻值为32.4kΩ，所述第六电阻阻值为10kΩ，所述第七电阻阻值为10Ω。

6.根据权利要求1所述的电源切换电路，其特征在于，所述电源电压为48v时，所述备用电源电压为42v~56v。

7.根据权利要求1所述的电源切换电路，其特征在于，所述主电源电压与所述备用电源电压相等，且设置所述第三阻值电阻阻值与所述第五阻值电阻阻值也相等时，所述第六电阻阻值大于所述第二电阻阻值，所述第二电阻阻值大于所述第一电阻阻值。