CN103986223A - 储能供电电路及应用其的持续供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能供电电路及应用其的持续供电方法，包括负载开关和第一储能电容，所述的储能供电电路还包括双向直流-直流变换器和第二储能电容，所述的双向直流-直流变换器一端连接于给负载供电的输出端，另一端与第二储能电容连接；在输入电压正常供电时，双向直流-直流变换器工作在升压模式，自给负载供电的输出端经双向直流-直流变换器给第二储能电容充电；重载或输入电压掉电时，双向直流-直流变换器工作在降压模式，由第二储能电容经双向直流-直流变换器给输出端供电。本发明能够在重载限流或输入电压掉电时，对负载持续一定时间供电，以保证负载有足够时间完成数据存储。

Description

储能供电电路及应用其的持续供电方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种储能供电电路及应用其的持续供电方法。

背景技术

电子产品在使用时，一般都需要持续供电，在输入掉电得情况下，能够有储备电能持续一定时间供电，以完成数据存储。以固态硬盘为例，固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，在其使用过程中，需要对其持续供电，以保证数据的读写和存储。但是，在输入掉电或负载突然变重导致负载开关限流的情况下，负载电压掉落，会导致数据来不及存储，可能发生数据丢失的问题。为了解决这一问题，现有技术通常在负载端增设多个电容对负载持续供电，从而来延长掉电或限流后对负载供电的维持时间。

如图1所示，为上述现有技术中固态硬盘的供电电路，输入端V_in通过负载开关输出V_out给负载供电，在负载端并联有多个储能电容(C₀、C₁…C_n)。在输入掉电或负载突然变重导致负载开关限流的情况下，多个储能电容可维持一段时间对负载进行供电。然而，现有技术通过增加多个储能电容的结构，增大产品的体积，不利于电路的小型化，同时也存在成本高、效率低的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种的储能供电电路及应用其的持续供电方法，以解决现有技术中存在的体积大、成本高、效率低的问题。

本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的储能供电电路，包括负载开关和第一储能电容，在负载开关的输入端接入输入电压，负载开关的输出端接入第一储能电容，并作为给负载供电的输出端；

所述的储能供电电路还包括双向直流-直流变换器和第二储能电容，所述的双向直流-直流变换器一端连接于给负载供电的输出端，另一端与第二储能电容连接；

在输入电压正常供电时，双向直流-直流变换器工作在升压模式，从给负载供电的输出端经双向直流-直流变换器给第二储能电容充电；重载或输入电压掉电时，双向直流-直流变换器工作在降压模式，由第二储能电容经双向直流-直流变换器给输出端供电。

优选地，所述双向直流-直流变换器与第二储能电容之间连接有隔离开关，所述的隔离开关至少包括一个功率开关管，在输入电压初始上电时，对隔离开关限流，采用低电流对第二储能电容充电。

优选地，所述的负载开关包括两个反向串联的功率开关管，在输入电压掉电时，输出端的电流不会流向输入电压端，实现反向阻断。

优选地，所述负载开关的输出端与控制端之间设有过压保护电路，过压保护电路采集负载开关的输出端的电压并与一基准电压进行比较，得到反馈补偿信号，并输入负载开关的控制端。

优选地，所述负载开关的输出端与控制端之间设有第一限流电路，第一限流电路采集负载开关的电流并与一基准电流进行比较，得到反馈补偿信号，并输入负载开关的控制端。

优选地，在隔离开关与第二储能电容的公共连接端和隔离开关的控制端之间设有第二限流电路，第二限流电路采集流经隔离开关的电流并与一基准电流进行比较，得到另一反馈补偿信号，并输入隔离开关的控制端。

优选地，还包括充电电流控制电路，将第一限流电路输出的反馈补偿信号和双向直流-直流变换器中的电感电流分别输入充电电流控制电路，输出电流控制信号至双向直流-直流变换器。

优选地，所述的充电电流控制电路为一比较器，第一限流电路输出的反馈补偿信号和双向直流-直流变换器中的电感电流分别输入比较器的两个输入端，从而输出电流控制信号用于控制双向直流-直流变换器中的功率开关管，以调节电感电流。

本发明的另一技术解决方案是，提供一种以下步骤的持续供电方法，应用于储能供电电路中，所述储能供电电路包括负载开关和第一储能电容，在负载开关的输入端接入输入电压，负载开关的输出端接入第一储能电容，并作为给负载供电的输出端，其特征在于：包括以下步骤：

在输入电压正常供电时：

负载开关接收输入电压，产生输出给负载供电，并对第一储能电容充电，负载开关的输出电压经升压后对第二储能电容充电；

在重载或输入电压掉电时：

第一储能电容对负载供电，同时第二储能电容经降压后也对负载供电，产生的电压使负载维持一段时间来完成数据的存储。

优选地，在输入电压掉电时，通过反向阻断防止输出端电流回流至输入端。

采用本发明的结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：在储能供电电路中设有双向直流-直流变换器和第二储能电容，在正常供电时，输出电压通过双向直流-直流变换器给第二储能电容充电，双向直流-直流变换器工作在升压模式(boost)，能将第二储能电容充到一个较高的电压，因此可选用容值稍小的电容，从而减小体积和成本；在输入掉电或重载限流时，第二储能电容通过双向直流-直流变换器给输出持续一定时间供电，此时双向直流-直流变换器工作在降压模式(buck)；本发明能够在重载限流或输入电压掉电时，对负载持续一定时间供电，以保证负载有足够时间完成数据存储，无需并联多个储能电容，降低了电路的体积和成本。

附图说明

图1为现有技术中储能供电电路的电路结构图；

图2为本发明储能供电电路的结构示意图；

图3为过压保护电路的结构示意图；

图4为第一限流电路的结构示意图；

图5为第二限流电路的结构示意图；

图6为双向直流-直流变换器的结构示意图；

图7为充电电流控制电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的储能供电电路作更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以在此描述基础上，在权利要求的范围内对本发明具体电路进行变换和替换，而仍然实现本发明的有利效果。下列描述并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种储能供电电路，包括负载开关和第一储能电容，在负载开关的输入端接入输入电压，负载开关的输出端接入第一储能电容，并作为给负载供电的输出端；

所述的储能供电电路还包括双向直流-直流变换器和第二储能电容，所述的双向直流-直流变换器一端连接于给负载供电的输出端，另一端与第二储能电容连接；

在输入电压正常供电时，双向直流-直流变换器工作在升压模式，自给负载供电的输出端经双向直流-直流变换器升压给第二储能电容充电；重载或输入电压掉电时，双向直流-直流变换器工作在降压模式，由第二储能电容经双向直流-直流变换器降压给输出端供电。

进一步地，本发明还提供一种持续供电方法，应用于储能供电电路中，所述储能供电电路包括负载开关和第一储能电容，在负载开关的输入端接入输入电压，负载开关的输出端接入第一储能电容，并作为给负载供电的输出端，其特征在于：包括以下步骤：

在输入电压正常供电时：

负载开关接收输入电压，产生输出给负载供电，并对第一储能电容充电，负载开关的输出电压经升压后对第二储能电容充电；

在重载或输入电压掉电时：

第一储能电容对负载供电，同时第二储能电容经降压后也对负载供电，产生的电压使负载维持一段时间来完成数据的存储。

参考图2所示，V_in作为输入电压，C_in能对输入电压V_in起到滤波和稳压的作用，输入电压V_in通过负载开关给输出端的负载供电，同时对第一储能电容C₀充电，在正常供电的情况下，输出端的电压经双向直流-直流变换器升压后给第二储能电容C₁充电，采用boost工作模式给C₁充电能使其达到较高的电压。在输入电压V_in掉电或因重载负载开关限流的情况下，则由第一储能电容C₀给输出端的负载供电，但第一储能电容C₀电压难以维持负载的正常工作，只能起到缓冲的作用，以防止输出端的负载彻底失电，此时第二储能电容C₁通过双向直流-直流变换器降压后给输出端负载供电，从而持续一段时间给负载供电，使负载有充足的时间进行的数据存储。以上所述的技术方案已经能够解决本发明的技术问题。

由于第二储能电容C₁一般都比较大，为了减少其浪涌电流，故在第二储能电容C₁之前串联一个隔离开关。隔离开关可以采用但不限于一个功率开关管。当然，隔离开关并非必须的，在没有连接隔离开关的情况下，在初始上电时，双向直流-直流变换器等第一储能电容被预到输入电压附近时候再工作，这样电路性能更好。

负载开关是单向的，在电路正常工作时是直通的，在输入掉电时则反向阻断。负载开关包括两个反向串联的功率开关管，可以采用MOS管，图2中虽然只给出了负载开关由两个P型的MOS管反向串联的实施例，但采用两个N型的MOS管反向串联同样也能实现。对于两个功率开关管的控制端，既可以分开控制，也是将两个功率开关管的控制端连接在一起作为一个控制端，图2中示意了两个控制端连接在一起作为一个控制端的情形。

参考图3所示，图中为过压保护电路的具体实施例，过压保护电路采用误差放大器gm1和补偿电路实现，gm1的一个输入端采集负载开关输出端的电压，另一输入端输入一基准电压V_ref1。补偿电路由电阻R₁和电容C_V1串连而成，R₁接于gm1的输出端，C_V1接地，R₁和C_V1的位置可互换。误差放大器gm1输出反馈补偿信号至负载开关的控制端，从而调节负载开关的工作状态，进而起到过压保护的作用。上述只是给出了过压保护电路的一个具体例子，但不限于上述电路结构，例如，上述的补偿电路可以只包括电容，或由电阻和电容并联；所述的过压保护电路也可以采用运算放大器实现，等等。图3中，反馈补偿信号是直接与负载开关的控制端连接的，但在实际应用中，反馈补偿信号一般通过驱动电路与控制端连接。驱动电路为本领域普通技术人员所熟悉和知晓，故图中予以省略。

参考图4所示，图中为第一限流电路，第一限流电路采用误差放大器gm2和补偿电路实现，gm2的一个输入端采集流经负载开关的电流，并在另一个输入端输入基准电流I_ref1。补偿电路由电阻R₂和电容C_I1串连而成，R₂接于gm2的输出端，C_I1接地，R₂和C_I1的位置可互换。误差放大器gm2输出反馈补偿信号至负载开关的控制端，从而调节负载开关的工作状态，进而起到限流的作用。上述只是给出了第一限流电路的一个具体例子，但不限于上述电路结构，例如，上述的补偿电路可以只包括电容，或由电阻和电容并联；所述的第一限流电路也可以采用运算放大器实现，等等。与过压保护电路类似，但在实际应用中，反馈补偿信号一般通过驱动电路与控制端连接。驱动电路为本领域普通技术人员所熟悉和知晓，故图中予以省略。

参考图5所示，图中为第二限流电路，第一限流电路采用误差放大器gm3补偿电路实现，gm3的一个输入端采集流经隔离开关的电流，并在另一个输入端输入基准电流I_ref2。补偿电路由电阻R₃和电容C_I2串连而成，R₃接于gm3的输出端，C_I2接地，R₃和C_I2的位置可互换。误差放大器gm3输出反馈补偿信号至隔离开关的控制端，从而调节负载开关的工作状态，进而起到限流的作用。上述只是给出了第二限流电路的一个具体例子，但不限于上述电路结构，例如，上述的补偿电路可以只包括电容，或由电阻和电容并联；所述的第二限流电路也可以采用运算放大器实现，等等。同理，但在实际应用中，反馈补偿信号一般通过驱动电路与控制端连接。驱动电路为本领域普通技术人员所熟悉和知晓，故图中予以省略。系统上电时，隔离开关工作在低压线性状态，用一个较小的电流为第二储能电容充电，直到隔离开关两端的电压差低于一定阈值时，隔离开关才完全打开，在第二储能电容发生短路时也能起到短路保护的作用。

参考图6所示，为一个双向直流-直流变换器的具体实施例，给第二储能电容充电时，双向直流-直流变换器工作在升压模式时，Q₁作为主功率开关管，Q₂作为同步开关管；在输入电压掉电时，则由第二储能电容降压向输出端供电，此时Q₂作为主功率开关管，Q₁作为同步开关管。本图中，开关管Q₁和Q₂采用了简易的画法。Q₁采用双向开关的情况下，则Q₁在上电时可以先工作在限流状态下给第二储能电容预充电，并同时保证正常系统启动所需的电流。

参考图7所示，为充电电流控制电路，基于第一限流电路的基础之上，即由gm2输出的反馈补偿信号与升压模式下双向直流-直流变换器的电感电流I_l分别输入比较器CMP，从而输出电流控制信号用于控制双向直流-直流变换器中的功率开关管，以调节电感电流I_l。同样，但在实际应用中，控制信号一般通过驱动电路与Q₁控制端连接。驱动电路为本领域普通技术人员所熟悉和知晓，故图中予以省略。流经负载开关的电流较大时(例如：重载的情况下)，由gm2输出的反馈补偿信号可表征负载开关输出电流的大小(基准电流I_ref1已知)，将这一反馈补偿信号与双向直流-直流变换器的电感电流I_l在比较器CMP进行比较输出用于控制Q₁或Q₁、Q₂，从而调节电感电流。例如，反馈补偿信号所表征的电流较大时，则通过提前关断减小导通时间Q₁以降低电流I_l，从而可降低流经负载开关的电流，当降低至某一阈值时(电感电流I_l为零时)，若流经负载开关的电流仍然偏大，则第一限流电路输出的反馈补偿信号使负载开关进行限流。第一限流电路输出的反馈补偿信号通过驱动电路连接负载开关的控制端，电流控制信号通过驱动电路连接双向直流-直流变换器，二者可以采用同一驱动电路，也分别采用各自的驱动电路，采用同一驱动电路为较佳实施例。

以上实施例中，第一限流电路和过压保护电路可以同时工作，并控制负载开关。此外，上述强调了驱动电路为本领域普通技术人员所熟悉和知晓，故图中予以省略，整个电路中可以只使用一个驱动电路，即一个驱动电路与负载开关、隔离开关和升压模式下的主功率开关管的控制端连接，当然也可以分别采用驱动电路进行驱动。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种储能供电电路，包括负载开关和第一储能电容，在负载开关的输入端接入输入电压，负载开关的输出端接入第一储能电容，并作为给负载供电的输出端；其特征在于：

所述的储能供电电路还包括双向直流-直流变换器和第二储能电容，所述的双向直流-直流变换器一端连接于给负载供电的输出端，另一端与第二储能电容连接；

在输入电压正常供电时，双向直流-直流变换器工作在升压模式，从给负载供电的输出端经双向直流-直流变换器给第二储能电容充电；重载或输入电压掉电时，双向直流-直流变换器工作在降压模式，由第二储能电容经双向直流-直流变换器给输出端供电。

2.根据权利要求1所述的储能供电电路，其特征在于：所述双向直流-直流变换器与第二储能电容之间连接有隔离开关，所述的隔离开关至少包括一个功率开关管，在输入电压初始上电时，对隔离开关限流，采用低电流对第二储能电容充电。

3.根据权利要求1所述的储能供电电路，其特征在于：所述的负载开关包括两个反向串联的功率开关管，在输入电压掉电时，输出端的电流不会流向输入电压端，实现反向阻断。

4.根据权利要求1所述的储能供电电路，其特征在于：所述负载开关的输出端与控制端之间设有过压保护电路，过压保护电路采集负载开关的输出端的电压并与一基准电压进行比较，得到反馈补偿信号，并输入负载开关的控制端。

5.根据权利要求1所述的储能供电电路，其特征在于：所述负载开关的输出端与控制端之间设有第一限流电路，第一限流电路采集负载开关的电流并与一基准电流进行比较，得到反馈补偿信号，并输入负载开关的控制端。

6.根据权利要求2所述的储能供电电路，其特征在于：在隔离开关与第二储能电容的公共连接端和隔离开关的控制端之间设有第二限流电路，第二限流电路采集流经隔离开关的电流并与一基准电流进行比较，得到另一反馈补偿信号，并输入隔离开关的控制端。

7.根据权利要求5所述的储能供电电路，其特征在于：还包括充电电流控制电路，将第一限流电路输出的反馈补偿信号和双向直流-直流变换器中的电感电流分别输入充电电流控制电路，输出电流控制信号至双向直流-直流变换器。

8.根据权利要求7所述的储能供电电路，其特征在于：所述的充电电流控制电路为一比较器，第一限流电路输出的反馈补偿信号和双向直流-直流变换器中的电感电流分别输入比较器的两个输入端，从而输出电流控制信号用于控制双向直流-直流变换器中的功率开关管，以调节电感电流。

9.一种持续供电方法，应用于储能供电电路中，所述储能供电电路包括负载开关和第一储能电容，在负载开关的输入端接入输入电压，负载开关的输出端接入第一储能电容，并作为给负载供电的输出端，其特征在于：包括以下步骤：

在输入电压正常供电时：

负载开关接收输入电压，产生输出给负载供电，并对第一储能电容充电，负载开关的输出电压经升压后对第二储能电容充电；

在重载或输入电压掉电时：

第一储能电容对负载供电，同时第二储能电容经降压后也对负载供电，产生的电压使负载维持一段时间来完成数据的存储。

10.根据权利要求9所述持续供电方法，其特征在于：在输入电压掉电时，通过反向阻断防止输出端电流回流至输入端。