CN105207347A - 一种不间断供电的多输出电源 - Google Patents

Abstract

公开了一种不间断供电的多输出电源，至少具有第一供电端和第二供电端，包括：整流滤波模块，用于产生第一直流电压；功率模块，用于将第一直流电压转换成第二直流电压，以及将第二直流电压作为第一输出电压提供至第一供电端；备用电源模块，用于产生第三直流电压；切换电路模块，所述切换电路模块用于选择第二直流电压和第三直流电压之一作为第二输出电压提供至第二供电端，其中，在所述多输出电源未接收交流输入电压时，第二供电端提供第三直流电压。该多输出电源可以市电断开时维持最小系统的持续供电。

Description

一种不间断供电的多输出电源

技术领域

本发明涉及电源技术，更具体地，涉及一种不间断供电的多输出电源。

背景技术

传统的不间断电源包括蓄电池、充电模块和逆变器模块。充电模块包括整流电路，在市电供电时，充电模块将交流电转换成直流电，对蓄电池充电以储存电能。在市电断电时，逆变器模块工作，将蓄电池的直流输出电压转换成交流电。由于价格昂贵和空间占用大等原因，不间断电源在家用领域仍然没有得到广泛的应用。尽管现有的家用电器普遍地采用变频等节能措施，家用电器的功耗对于不间断电源而言仍然过高。在市电断电时，不间断电源难以维持家用电器的持续运行。

然而，随着家用电器的智能化和节能需求，期望在市电断电时也能维持一部分功能。例如，空调之类的家用电器可以进行电能计量，根据电能测量的结果调节整机的运行参数，以实现智能电能管理功能。在市电断电的情形下，希望保证最小系统的工作，例如维持实时时钟(RTC)的不间断计时。电能计量模块工作于例如3.3V的直流电压下。现有的电能计量模块的电源电路将220V的交流电转换成3.3V的直流电，例如可以采用可购自电力集成公司(PI公司)的LinkSwitch-CV系列开关电源电路，或者阻容压降式电源电路。这些电源不仅存在着体积大、成本高或者效率低的问题，而且在市电断电时自身也会停止工作。

因此，期望针对家用电器中的至少一部分电路实现不间断供电。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种在市电断电时可以为至少一部分电路持续供电的多输出电源。

根据本发明的一方面，提供一种包括不间断供电端的多输出电源，至少具有分别提供和第一输出电压和第二输出电压的第一供电端和第二供电端，包括：整流滤波模块，用于接收交流输入电压，以及对交流输入电压进行整流滤波，以产生第一直流电压；功率模块，用于将第一直流电压转换成第二直流电压，以及将第二直流电压作为第一输出电压提供至第一供电端；备用电源模块，用于提供第三直流电压；切换电路模块，所述切换电路与所述备用电源模块和所述功率级模块连接，用于选择所述第二直流电压和所述第三直流电压之一作为第二输出电压提供至第二供电端，其中，其中所述多输出电源的第二供电端是不间断供电端，从而在所述多输出电源接收交流输入电压时，第二供电端提供第二直流电压，在所述多输出电源未接收交流输入电压时，第二供电端提供第三直流电压。

优选地，所述备用电源模块为电池。

优选地，所述切换电路模块包括：第一二极管，阳极连接至备用电源模块的输出端，阴极连接至第二供电端；以及第二二极管，阳极连接至功率模块的输出端，阴极连接至第二供电端。

优选地，所述整流滤波模块包括：第一输入端子和第二输入端子，分别与交流电的零线和相线连接，用于接收交流输入电压；保险熔丝，保险熔丝的第一端连接至第二输入端子；压敏电阻，连接在第一输入端子和保险熔丝的第二端之间；保险电阻，保险电阻的第一端连接至第一输入端子；扼流线圈，扼流线圈的第一绕组的第一端连接至保险电阻的第二端，扼流线圈的第二绕组的第一端连接至保险熔丝的第二端；第三和第四二极管，彼此串联，并且第三二极管的阳极连接至扼流线圈的第一绕组的第二端；以及第一电容，连接在第四二极管的阴极和扼流线圈的第二绕组的第二端之间，其中，所述保险熔丝、所述保险电阻和所述压敏电阻构成输入端的保护电路，用于在过流或过压时断开随后的功率模块，所述扼流线圈和所述第一电容构成共模滤波电路，以滤除高频干扰信号，所述电容和所述第三和第四二极管构成整流电路。

优选地，所述功率模块包括：开关电源集成电路；以及多个外围元件，其中，所述开关电源集成电路与所述多个外围元件构成降压式功率变换电路。

优选地，所述开关电源集成电路具有第一至第八引脚，其中，第一、第二、第七和第八引脚是连接至内部功率MOSFET的源极的引脚，第三引脚是连接至外部旁路电容从而在内部产生供电电源的引脚，第四引脚是接收反馈电压的引脚，第五引脚是连接至内部功率MOSFET的漏极的引脚，第六引脚是空引脚，其中，第五引脚接收第一直流电压。

优选地，所述多个外围元件包括：输出电感，第一端连接至第一、第二、第七和第八引脚；续流二极管，连接在输出电感的第一端和地之间；输出电容，连接在输出电感的第二端和地之间；旁路电容，连接在第三引脚和输出电感的第一端之间；第一电阻和第二电阻，用于组成电阻分压器，并且第一电阻的第二端和第二电阻的第一端连接至第四引脚，第二电阻的第二端连接至输出电感的第一端；第五二极管，阳极连接至输出电感的第二端，阴极连接至第一电阻的第一端；第二电容，连接在第五二极管的阴极和输出电感的第一端之间，其中，在输出电容的两端产生第二直流电压，第五二极管、第二电容、第一电阻和第二电阻构成反馈环路，用于在开关电源集成电路的第四引脚提供表征第二直流电压的反馈电压。

优选地，所述多个外围元件还包括：第六二极管，阳极连接至输出电感的第二端，阴极连接至第一供电端，以保护功率模块不受负载电路的电流冲击的影响。

优选地，第一输出电压和第二输出电压均为3.3V。

该实施例的多输出电源包括两个供电端，分别是提供第一输出电压的第一供电端和提供第二输出电压的第二供电端。第二供电端VOUT2是不间断供电端，即在市电供电时采用主电路供电，在市电断电时采用备用电源模块供电。在用于电能计量时，该多输出电源的第二供电端为电能计量电路的最小系统供电，使得可以进行不间断计时，或者维持基本通信模块的工作以反馈系统状态。该多输出电源的第一供电端则为电能计量电路的其他模块供电。

在优选的实施例中，功率模块采用的开关电源集成电路的型号为选自PI公司的LNK304、LNK305和LNK306中的一种，与现有的电源电路中使用的LinkSwitch-CV系列开关电源集成电路相比，尺寸小且成本低。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明的实施例的多输出电源的示意性框图。

图2a示出根据本发明的实施例的多输出电源的第一部分的电路图。

图2b示出根据本发明的实施例的多输出电源的第二部分的电路图。

具体实施方式

在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1示出根据本发明的实施例的多输出电源的示意性框图。该多输出电源包括整流滤波模块100、功率模块200、备用电源模块300和切换电路模块400。整流滤波模块100在交流输入端VIN接收交流电压，并且提供输入端的过流过压保护，以及进行整流，以获得第一直流电压。功率模块200是BULK变换器，用于第一直流电压转换成第二直流电压，并且将第二直流电压作为第一输出电压。第二直流电压小于第一直流电压。备用电源模块300例如是钮扣电池，用于提供第三直流电压。切换电路模块400用于选择性输出第二直流电压和第三直流电压之一作为第二输出电压。

如图1所示，该实施例的多输出电源包括两个供电端，分别是提供第一输出电压的第一供电端VOUT1和提供第二输出电压的第二供电端VOUT2。第二供电端VOUT2是不间断供电端，即在市电供电时采用主电路供电，在市电断电时采用备用电源模块供电。在用于电能计量时，该多输出电源的第二供电端VOUT2为电能计量电路的最小系统供电，使得可以进行不间断计时，或者维持基本通信模块的工作以反馈系统状态。该多输出电源的第一供电端VOUT1则为电能计量电路的其他模块供电。

图2a和2b分别示出根据本发明的实施例的多输出电源的第一部分和第二部分的电路图。该多输出电源的第一部分主要包括图1所示的整流滤波模块100，第二部分主要包括功率模块200、备用电源模块300和切换电路模块400。应当注意，为了清楚起见分开绘制图2a和2b，然而在实际电路中，多输出电源的第一部分和第二部分可以整体形成在一个印刷电路板(PCB)上。

参见图2a，整流滤波模块100包括保险丝F1、压敏电阻RV1、保险电阻R301、二极管D301和D1、电容C301和C302以及扼流线圈L301。在交流输入端，两个输入端子N和L分别与交流电的零线和相线连接，从而接收交流输入电压。保险电阻R301、扼流线圈L301、二极管D301和D1串联连接。扼流线圈L301的第一绕组的第一端连接至保险电阻R301的第二端，扼流线圈的第二绕组的第一端连接至保险熔丝F1的第二端。保险电阻R301的第一端连接至输入端子N。保险熔丝F1的第一端连接至输入端子L。压敏电阻RV1并联连接在输入端子N和保险熔丝F1的第二端之间。电容C301连接在保险电阻R301的第二端和保险熔丝F1的第二端之间。电容C302连接整流滤波模块的两个输出端之间，在电容C302的两端输出第一直流电压V1。

保险熔丝F1、保险电阻R301和压敏电阻RV1一起构成输入端的保护电路，用于在过流或过压时断开随后的功率模块。保险电阻R301为阻燃可熔的绕线电阻，同时具备多个功能：将二极管D301和D1的浪涌电流限制在安全的范围；差模噪声的衰减；在其它任何元件出现短路故障时，充当输入保险丝的功能，从而在元件故障时实现安全开路，避免产生任何冒烟、冒火及过热发光现象。

电容C301和扼流线圈L301一起构成共模滤波电路，以滤除高频干扰信号。二极管D301和D1一起构成整流电路，电容C302对整流后获得的直流电压进行滤波，从而获得第一直流电压V1。

如图2b所示，功率模块200包括开关电源集成电路U3，例如采用可购自电力集成公司(PI公司)的LinkSwitch-TN系列开关电源电路。在该实施例中以PI公司的集成电路LNK304PN为例说明。与现有的电源电路中使用的LinkSwitch-CV系列开关电源集成电路相比，集成电路LNK304PN的尺寸小且成本低。

LNK304PN的引脚定义如下：

引脚1、2、7、8：源极(S)引脚，此引脚为功率MOSFET的源极连接点，同时也是旁路和反馈引脚的接地参考；

引脚3：旁路(BP)引脚，0.1μF外部旁路电容的连接点，用于内部产生的5.8V供电电源；

引脚4：反馈(FB)引脚，在正常工作情况下，功率MOSFET的开关由此引脚来控制，当流入此引脚的电流大于49μA时，MOSFET的开关被终止；

引脚5：漏极(D)引脚，功率MOSFET的漏极连接点。在开启及稳态工作时提供内部操作电流；

引脚6：空引脚，未与内部电路连接。

如图2b所示，功率模块200还包括开关电源集成电路U3的多个外围元件。所述开关电源集成电路U3与所述多个外围元件构成降压式功率变换电路，例如BUCK拓扑。开关电源集成电路U3的引脚5与整流滤波模块100的输出端连接，以接收第一直流电压V1，引脚1、2、7、8共同连接至输出电感L302，引脚3连接至旁路电容C303。引脚4连接至由电阻R302和R303组成的电阻分压器。续流二极管D302连接在输出电感L302的第一端和地之间，输出电容C305连接在输出电感L302的第二端和地之间。在输出电容C305的两端产生第二直流电压V2。光耦包括光发射器D304和光接收器D303。光发射器D304与限流电阻R11串联连接在输出电感L302的第二端和地之间，从而产生用于表征第二直流电压V2的反馈信号。二极管D303的阳极连接到输出电感L302的第二端，阴极连接至由电阻R302和R303组成的电阻分压器，通过电阻分压器产生反馈电压。电容C304连接在二极管D303的阴极和电感L302的第一端之间，用于去除反馈信号的高频噪声。可选地，二极管D307连接在输出电感L302的第二端和电源电路的第一供电端VOUT1之间，以保护功率模块不受负载电路的电流冲击的影响。

在功率模块200中，开关电源集成电路U3选用LNK304，并且将其配置成工作在极度非连续工作方式(MDCM)。对于非连续的工作方式，二极管D302选用反向恢复时间(trr)约为75ns的超快恢复二极管。对于连续工作方式(CCM)的设计，二极管D302选用反向恢复时间(trr)小于等于35ns的二极管。电感L302为非定制标准电感，具有适当的RMS电流额定值(要满足温升要求)。输出电容C306-C308是输出滤波电容，其主要功能是限制输出电压纹波。输出电压的纹波最主要取决于输出电容的ESR而非电容的容量。

为了简化近似，二极管D302和光接收器D303的正向导通压降是相同的。因此，电容C304两端的电压跟踪输出电压。由电阻R1和R3组成的电阻分压器对电容C304的电压进行检测。选取电阻R302和R303的阻值，使得FB引脚电压为1.65V时，第二直流电压V2电压为所要求的稳压值。

开关电源集成电路U3通过丢开关周期的方法来维持输出电压的稳定。当输出电压上升时，流入引脚4的电流增加。如果此电流超过IFB值，则随后的周期就会被丢掉，直到此电流低于IFB值时才会有周期执行开关操作。因此，随着负载的减轻，会有更多的周期被丢掉。而当负载加重时，只有很少的周期被丢掉。如果在50ms期间没有任何周期被丢掉，开关电源集成电路U3会进入自动重启动状态以提供过载保护，并将平均输出功率限制在最大过载功率约6％的水平上。

如图2b所示，备用电源模块300包括电池。由于备用电源模块300在市电断电时仅仅需要支持最小系统的供电，因此可以采用小型的钮扣电池。

如图2b所示，切换电路模块400包括二极管D305和D306。二极管D305的阳极连接至备用电源模块300，阴极连接至电源电路的第二供电端VOUT2。二极管D306的阳极连接至第二直流电压V2，阴极连接至电源电路的第二供电端VOUT2。当市电供电时，二极管D305的阴极为高电平，此时备用电源模块300不工作。当市电断电时，二极管D305的阴极为低电平，二极管D305导通，备用电源模块300供电。电源电路的第二供电端VOUT2是不间断供电端，即使在市电断电时也能维持最小系统的供电。

在上述的实施例中描述了开关电源集成电路U3选用LNK304。然而，本发明不限于此，在替代的实施例中，可以采用同一系列的或者兼容的其他集成电路，例如可以采用PI公司的LNK305或LNK306代替LNK304，仍然可以应用如图2b所示的电路实例。进一步地，在替代的实施例中，只需要将功率模块进行修改，就可以将整流滤波模块、备用电源模块和切换电路模块与新的功率模块相结合，仍然可以获得包括不间断供电端的多输出电源电路。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理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 (9)

1.一种不间断供电的多输出电源，至少具有提供第一输出电压的第一供电端和提供第二输出电压的第二供电端，包括：

整流滤波模块，用于接收交流输入电压，以及对交流输入电压进行整流滤波，以产生第一直流电压；

功率模块，用于将第一直流电压转换成第二直流电压，以及将第二直流电压作为第一输出电压提供至第一供电端；

备用电源模块，用于提供第三直流电压；

切换电路模块，所述切换电路模块与所述备用电源模块和所述功率级模块连接，用于选择所述第二直流电压和所述第三直流电压之一作为第二输出电压提供至第二供电端，

其中，其中所述多输出电源的第二供电端不间断供电，在所述多输出电源接收交流输入电压时，第二供电端提供第二直流电压，在所述多输出电源未接收交流输入电压时，第二供电端提供第三直流电压。

2.根据权利要求1所述的多输出电源，其中，所述备用电源模块为电池。

3.根据权利要求1所述的多输出电源，其中，所述切换电路模块包括：

第一二极管，阳极连接至备用电源模块的输出端，阴极连接至第二供电端；以及

第二二极管，阳极连接至功率模块的输出端，阴极连接至第二供电端。

4.根据权利要求3所述的多输出电源，其中，所述整流滤波模块包括：

第一输入端子和第二输入端子，分别与交流电的零线和相线连接，用于接收交流输入电压；

保险熔丝，保险熔丝的第一端连接至第二输入端子；

压敏电阻，连接在第一输入端子和保险熔丝的第二端之间；

保险电阻，保险电阻的第一端连接至第一输入端子；

扼流线圈，扼流线圈的第一绕组的第一端连接至保险电阻的第二端，扼流线圈的第二绕组的第一端连接至保险熔丝的第二端；

第三和第四二极管，彼此串联，并且第三二极管的阳极连接至扼流线圈的第一绕组的第二端；以及

第一电容，连接在第四二极管的阴极和扼流线圈的第二绕组的第二端之间，

其中，所述保险熔丝、所述保险电阻和所述压敏电阻构成输入端的保护电路，用于在过流或过压时与功率模块断开，

所述扼流线圈和所述第一电容构成共模滤波电路，以滤除高频干扰信号，

所述电容和所述第三和第四二极管构成整流电路。

5.根据权利要求3所述的多输出电源，其中，所述功率模块包括：

开关电源集成电路；以及

多个外围元件，

其中，所述开关电源集成电路与所述多个外围元件构成降压式功率变换电路。

6.根据权利要求5所述的多输出电源，其中，所述开关电源集成电路具有第一至第八引脚，

其中，第一、第二、第七和第八引脚是连接至内部功率MOSFET的源极的引脚，

第三引脚是连接至外部旁路电容从而在内部产生供电电源的引脚，

第四引脚是接收反馈电压的引脚，

第五引脚是连接至内部功率MOSFET的漏极的引脚，

第六引脚是空引脚，

其中，第五引脚接收第一直流电压。

7.根据权利要求6所述的多输出电源，其中，所述多个外围元件包括：

输出电感，第一端连接至第一、第二、第七和第八引脚；

续流二极管，连接在输出电感的第一端和地之间；

输出电容，连接在输出电感的第二端和地之间；

旁路电容，连接在第三引脚和输出电感的第一端之间；

第一电阻和第二电阻，用于组成电阻分压器，并且第一电阻的第二端和第二电阻的第一端连接至第四引脚，第二电阻的第二端连接至输出电感的第一端；

第五二极管，阳极连接至输出电感的第二端，阴极连接至第一电阻的第一端；

第二电容，连接在第五二极管的阴极和输出电感的第一端之间，

其中，在输出电容的两端产生第二直流电压，

第五二极管、第二电容、第一电阻和第二电阻构成反馈环路，用于在开关电源集成电路的第四引脚提供表征第二直流电压的反馈电压。

8.根据权利要求7所述的多输出电源，其中，所述多个外围元件还包括：

第六二极管，阳极连接至输出电感的第二端，阴极连接至第一供电端，以保护功率模块不受负载电路的电流冲击的影响。

9.根据权利要求1所述的多输出电源，其中，第一输出电压和第二输出电压均为3.3V。