CN103490499A

CN103490499A - 电源模组与电池结合的不间断供电方法

Info

Publication number: CN103490499A
Application number: CN201310349017.3A
Authority: CN
Inventors: 尹登庆
Original assignee: Shenzhen Zhi Yuanneng Science And Technology Ltd
Current assignee: Shenzhen Zhi Yuanneng Science And Technology Ltd
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2014-01-01

Abstract

本发明涉及一种将电源模组与电池结合，为负载提供不间断电源的电路，特别是利用先进的设计方法，及时检测电源模组的工作状态，在AC供电切断后，保证负载正常工作的前提下，切换到电池工作；电池在一般情况下处于充电和等待状态，在工作状态能够自动检测放电电流，对电池进行保护；整个电路基于廉价的MCU，具备近程与远程通信能力。

Description

电源模组与电池结合的不间断供电方法

技术领域

本发明涉及集成电路、电路硬件设计和嵌入式软件设计领域，特别是一种将电源模组与电池结合，为负载提供不间断电源的电路，特别是利用先进的设计方法，及时检测电源模组的工作状态，在AC供电切断后，保证负载正常工作的前提下，切换到电池工作；电池在一般情况下处于充电和等待状态，在工作状态能够自动检测放电电流，对电池进行保护，包括4个部分：电源模组以及掉电检测与控制电路、电池充放电以及检测电路、电源无缝转换电路、近距离和远距离通信接口。

技术背景

当前的不间断供电，主要通过UPS电源设备进行。UPS内部集成大功率电池，在市电断路时，将电池中的能源通过逆变器转换为市电，为一定区域内的设备提供不间断的电力供应。当前应用的框架如图1所示。

连接关系如下：市电VAC与开关S1、AC/DC模组连接，电池前接AC/DC模组，后接DC/AC逆变器，开关S2与开关S1、逆变器DC/AC模组、Vsupply连接。

工作过程如下：VAC正常时，通过AC/DC模组给电池充电；开关S1闭合，Vsupply由VAC提供能源。VAC掉电时，开关S1断开，开关S2闭合，电池通过逆变器DC/AC，给Vsupply提供能源。

目前的不间断供电方式，主要针对于大功率的AC供电设备，对于较大功率应用的DC供电设备，不适合使用。

传统方法的缺点为：

设备比较复杂，适合于关键设备的工作，不能够普及；

设备的效率较低，通过AC/DC以及DC/AC两次转变的效率影响；

设备较大，不适合空间受限的应用；

按照最大负载要求进行设计，对电池的要求高；

无智能控制接口，无法实现远程的智能网络控制。

本发明内容

本发明是通过如下方法实现的。

如图2所示为中小功率不间断DC供电新模组，连接关系为：VDC与电容C1、电阻R1、R3、二极管D1、D3，以及PMOS1源极连接，电阻R1与R2、比较器Comp1正输入端、比较器Comp2正输入端连接，电阻R3与二极管D2、比较器Comp2负输入端连接，二极管D1与电阻R5、电容C3连接，电阻R5与比较器Comp1负输入端、电阻R4连接，比较器Comp1输出端与NMOS1栅极、电阻R7、R10连接，比较器Comp2输出端与NMOS2栅极、电阻R6连接，二极管D3与二极管D4、电容C4、电阻R9、R12连接，电阻R9与电阻R8、PMOS1栅极连接，电阻R12与电阻R11、PMOS4栅极连接，Vsupply与PMOS1漏极、PMOS4漏极、电容C2以及充电与检测模组连接，电阻R8与NMOS1漏极连接，NMOS1源极与NMOS2漏极连接，电阻R11与PMOS2源极连接，PMOS2漏极与PMOS3源极连接，电阻R12与电阻R11、PMOs4栅极连接，电池Battery与PMOS4源极、二极管D4、电阻R13、充电与检测模组连接，电阻R13与电阻R14、充电与检测模组连接，电池battery负端与电阻R15连接，电容C1、C3、C4、二极管D2、电阻R2、R6、R14、R15、NMOS2源极、PMOS3漏极、以及充电与检测模组的一个端口与地线GND连接，PMOS3栅极与充电与检测模组的一个端口连接。

工作原理如下：

VDC在上电过程中，比较器Comp2的负输入端为二极管导通电压VD2，比较器Comp2的正输入端随着VDC线性变化(VDC*R2/(R1+R2))，当电压VDC超过设定数据后，比较器Comp2输出翻转为高，NMOS2导通；比较器Comp1的负输入端为(VDC-VD1)*R4/(R4+R5)，正输入端随着VDC线性变化(VDC*R2/(R1+R2))，当电压VDC超过设定数据后，比较器Comp1输出翻转为高，NMOS1导通；NMOS1和NMOS2导通后，PMOS1导通，PMOS2和PMOS4关闭，负载电压Vsupply由VDC提供。

VDC在掉电过程中，R5、R4支路的压降速度比R1、R2低，比较器Comp1在设定的VDC压降点翻转为低电平，NMOS1截止，PMOS1截止，VDC不再给Vsupply提供能源；此时，由于Comp1输出为低，PMOS2导通，充电与检测模组使得PMOS3导通，最终PMOS4导通，电池Battery给Vsupply提供能源。正确设定R5/R4支路与R1/R2支路的压降速度，可以使得供电电源的切换不影响负载的工作状态。

R5/R4支路压降速度与以下因素有关

●电阻R5、R4的阻值

●电容C3的容值

R1/R2支路压降速度与以下因素有关

●电阻R1、R2的阻值

●电容C1的容值

●负载阻抗

比较器Comp1与Comp2的输出端对地接电阻R7、R6，确保在VDC没有上电时，NMOS1、NMOS2截止而PMOS2导通，此时PMOS4导通，使得Vsupply的供电由电池Battery提供。

电容C4由VDC通过D3充电，或者由电池Battery通过D4充电，只要VDC或者电池存在，就能够保证电容C4有电，支路R9/R8和支路R11/R12由电压存在，从而保证PMOS1、PMOS4能够正常工作，不出现同时导通的状况。

PMOS3栅极由充电与检测模组控制，一般情况下输出为低电平。在以下情况下输出为高电平，PMOS3截止。

●电池Battery的放电电流超过2.5C(C为电池标称的能量数据)

●撞针状态为高电平，显示模组已经与市电脱离连接

电阻R13、R14检测电池电压，电阻R15检测电池的充电与放电电流，相关数据发送到充电与检测模组。

如图3所示，上电、掉电顺序波形，在VDC没有上电时，系统由电池供电，Vsupply电压为Vbattery；VDC上电过程中，NMOS1栅极电压先翻转为高电平，然后NMOS2栅极翻转为高电平，当且仅当NMOS1和NMOS2栅极都为高电平时，系统由VDC供电，Vsupply＝VDC。

上电过程中，从NMOS1栅极翻转为高电平到NMOS2栅极翻转为高电平，中间的间隔时间由电容C2放电提供能源。

本发明的优点为：

能够实现直流负载供电的无缝切换，不中断工作；

电池处于备用状态，在线充电，具备智能充电与过流放电保护；

切换速度快，切换时间小于1us；

负载不同，仅仅需要调整电容C2的容值；

长时间工作可靠性高，所有切换通过晶体管实现；

有智能控制接口，可以实现远程的智能网络控制。

附图说明。

图1：现在的不间断供电模式

图2：中小功率不间断DC供电新模组

图3：上电、掉电顺序波形

图4：电池的充放电模组

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详述。

如图4所示电池的充放电模组，连接关系为：VDC与二极管D1、电感L1串联，电感L1与NMOS1漏极、PMOS4源极、电池正极、电阻R12、R13连接，PMOS4栅极与电阻R12、R11连接，电池负极与电阻R1、R2连接，电阻R2与电容C1、电阻R4、Opfilter输入端连接，VCC与电阻R4、R3、MCU芯片连接，NMOS1栅极与MCU PWM端口连接，Opfilter输出端与MCUADC CH1端口连接，电阻R14与电阻R13、MCU ADC CH2端口连接，电阻R11与PMOS2源极连接，PMOS2栅极与撞针开关逻辑、电阻R3连接，MCU同时具备I2C等控制接口，撞针、NMOS1源极、PMOS2漏极、C1、R1、R14与地线GND连接，PMOS4漏极与Vsupply连接。

工作原理为：电阻R13、R14检测电池的电压，MCU ADC CH2端口电压为Vbattery*R14/(R14+R13)，电阻R13检测电池的充电与放电电流，通过R2、C1滤波器以及Opfilter后输入到MCU ADC CH1端口转换为数字信号。

以锂电池为例，当Vbattery电压低于4.2*n(V)时，MCU PWM输出控制二极管D1、电感L1的导通，对电池进行恒流充电，一般充电电流为0.5C；当Vbattery电压等于或者高于4.2*n(V)时，MCU PWM输出控制二极管D1、电感L1的导通，对电池进行恒压充电。

当撞针闭合，PMOS2导通，以及其他条件满足时，PMOS4栅极电压为低电平，PMOS4导通，电池为负载提供能源，Vsupply＝Vbattery

电阻R1检测电池充电与放电电流，C1上的电压为R13检测电压的低通滤波器后的数据，在充电与放电阶段，R1上检测的电压极性相反。电阻R4加入后，电容C1上的电压既能够反映电池充放电的变化，又能够保持电容C1上的电压极性为正。

当电池放电电流过大时，MCU ADC CH2输入端口的电压低于正常数值，此时MCU可以通过芯片的其他管脚，控制PMOS4关断，切断电池供电的通路，从而保护电池。

MCU通过I2C端口进行近距离通信，通过UART端口进行远距离通信，将电池工作的相关数据发送到上位机。

Claims

1.一种将电源模组与电池结合，为负载提供不间断电源的电路，特别是利用先进的设计方法，及时检测电源模组的工作状态，在AC供电切断后，保证负载正常工作的前提下，切换到电池工作；电池在一般情况下处于充电和等待状态，在工作状态能够自动检测放电电流，对电池进行保护，包括4个部分：电源模组以及掉电检测与控制电路、电池充放电以及检测电路、电源无缝转换电路、近距离和远距离通信接口。

2.根据权利要求书1所述构造的电源模组以及掉电检测与控制电路，其特征为：针对电源模组进行上电掉电检测，上电过程中，当电压上升达到预设数值后，电源模组开始对负载提供电力；掉电过程中，当电压下降达到预设数值后，电源模组停止对负载提供电力；上升和下降过程中的电压预设值可以相同，也可以不同，根据需要设定。

3.根据权利要求书1所述构造的电池充放电以及检测电路，其特征为：针对电池进行充放电检测，充电划分为恒流和恒压两个阶段，两个阶段的划分根据设定的电压值确定；放电过程中检测放电电流，放电电流过大时提供保护状态输出，同时将状态数据上传。

4.根据权利要求书1所述构造的电源无缝转换电路，其特征为：在负载工作不受影响的状态下，实现供电由电源模组向电池的转换，或者由电池向电源模组的转换。

5.根据权利要求书1所述的近距离和远距离通信接口，其特征为：MCU利用I2C总线进行近距离通信，利用UART接口可以连接RS485芯片总线进行远距离通信，通信可以是全双工、半双工或者单向的。