CN106356989A - 直流输出一体化不间断的电源电路及控制方法 - Google Patents

直流输出一体化不间断的电源电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及UPS电源领域，公开了一种直流输出一体化不间断的电源电路及控制方法，当交流输入断开时，实现零切换时间的输出。本发明的电源电路包括输入端、输出端、MCU、掉电检测模块、AC‑DC模块、升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块和电池模块；本发明的控制方法概括起来为：当无交流信号时，AC‑DC模块的输出电压值由正常电压值开始下降，当AC‑DC模块的输出电压值下降到设定值时，升降压逆变模块由待机状态转换为工作状态；通过电池模块向升降压逆变模块供能，持续向输出端进行直流输出，同时MCU控制升降压恒流充电模块处于非使能状态，停止向电池模块充电。本发明适用于UPS电源。

Description

直流输出一体化不间断的电源电路及控制方法
技术领域
本发明涉及UPS电源，特别涉及直流输出一体化不间断的电源电路及控制方法。
背景技术
当前，随着设备智能化程度的加深，各类智能设备对不间断供电的需求也日益加大。针对自动售货机这一类设备，更是要求设备在市电交流输入异常时，设备仍可正常执行售卖及保存数据功能，这就需要设备市电端串接UPS电源，同时设备各控制单元都要求直流供电。针对此要求目前行业传统解决方式为UPS电源+开关电源方式。该解决方案存在转换效率低、体积大、成本高、切换时间长、无法和后级实现电源工作状态读取等缺点。如何将两者功能整合为直流输出一体化不间断电源设计是一个热点也是一个难点，现在并没有一个有效可靠的电路来支撑。对此，设计出一种实现直流输出一体化不间断的电源电路及控制方法非常必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种直流输出一体化不间断的电源电路及控制方法，当交流输入断开时，实现零切换时间的输出。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：直流输出一体化不间断的电源电路，包括输入端、输出端、MCU、掉电检测模块、AC-DC模块、升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块和电池模块；其中：输入端与掉电检测模块、AC-DC模块分别连接；MCU与掉电检测模块、升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块、电池模块分别连接；AC-DC模块与升降压恒流充电模块、辅助供电模块分别连接；电池模块与升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块分别连接，输出端与升降压逆变模块、AC-DC模块分别连接；
所述AC-DC模块用于能量转换，将交流电转换为隔离的直流输出；当交流信号掉电，经过维持时间消耗能量后，AC-DC模块输出电压值由正常电压值开始下降；
所述掉电检测模块用于检测是否有交流信号输入，并通过光耦隔离反馈到MCU中；
所述升降压恒流充电模块将电压型直流电转换为恒流直流电；
所述辅助供电模块用于为MCU供电；
所述电池模块用于充放电时存储或释放电能；
所述MCU用于电池模块充放电管理、状态监测，外部数据交换，以及升降压逆变模块的使能控制；当输入端有交流信号时，所述MCU控制升降压逆变模块处于使能状态、升降压恒流充电模块处于使能状态；当输入端无交流信号时，升降压恒流充电模块处于非使能状态；
所述AC-DC模块的正常输出电压值高于所述升降压逆变模块的正常输出电压值；当升降压逆变模块的输出反馈部分检测到所述输出端的电压值由AC-DC模块的正常输出电压值下降到设定值时，升降压逆变模块由待机状态转换为工作状态。
进一步的，所述设定值等于升降压逆变模块的正常输出电压值。
进一步的，所述升降压逆变模块包括带EN控制端的BUCK-BOOST功能芯片。
进一步的，所述AC-DC模块的正常输出电压值比所述升降压逆变模块的正常输出电压值至少高0.4V。
当将本发明作为开关功能的派生运用的时候，上述直流输出一体化不间断的电源电路还包括继电器模块，继电器模块接于输入端与AC-DC模块之间，并且继电器受MCU控制；当MCU接收到外部的关断信号时，MCU控制继电器使得输入端与AC-DC模块断开连接，且控制电池模块不放电。
如需要将本发明增加一路输出的时候，上述直流输出一体化不间断的电源电路还包括DC-DC模块，所述输出端包括第一输出端和第二输出端；第一输出端与DC-DC模块的输出端连接，DC-DC模块的输入端分别与AC-DC模块的主路输出端、升降压恒流充电模块主路输出端连接，第二输出端分别与AC-DC模块的辅路输出端、升降压恒流充电模块辅路输出端连接。升降压恒流充电模通过检测主路的输出反馈，实现待机或者工作状态。
直流输出一体化不间断的控制方法，包括步骤；
a.检测输入端是否有交流信号，如果有，则进入步骤b，否则返回步骤a；
b.AC-DC模块向输出端进行直流输出，同时MCU控制升降压逆变模块、升降压恒流充电模块处于使能状态；升降压恒流充电模块工作向电池模块充电；升降压逆变模块因检测到输出端电压高于设定值而处于待机状态。
c.当输入端交流掉电后，AC-DC模块的的输出电压值由正常电压值开始下降，当AC-DC模块的的输出电压值下降到设定值时，升降压逆变模块由待机状态转换为工作状态；
d.通过电池模块向升降压逆变模块供能，持续向输出端进行直流输出；同时MCU控制升降压恒流充电模块处于非使能状态，停止向电池模块充电。
进一步的，所述设定值等于升降压逆变模块的正常输出电压值。
进一步的，所述AC-DC模块的正常输出电压值比所述升降压逆变模块的正常输出电压值至少高0.4V。
本发明的有益效果是：本发明巧妙利用AC-DC模块和升降压逆变模块输出取样点相同，当有市电时，因AC-DC模块的反馈设计输出点比后者高，AC-DC模块工作，升降压逆变模块反馈取样检测到过压而自动处于待机状态；当突然掉电后，经过维持时间消耗能量后，AC-DC模块输出电压开始降低，当下降到升降压逆变模块的反馈设计输出值后，升降压逆变模块自动由待机状态转换为工作状态，维持输出电压稳定，从而实现零切换时间。由此，本发明可以有效的实现UPS电源特性、同时直接输出各控制单元所需低压直流功能；且本发明电路结构简洁，成本低，能量转换效率高、易于小型化。同时MCU放置于低压弱电侧可以直接和后端监控单元实现数据交换。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为AC-DC模块的内部电路图；
图3为升降压逆变模块的内部电路图；
图4为本发明实现开关功能的派生运用框图；
图5为本发明实现增加一路输出的派生运用框图
图中编号：Bo为电池模块的输出端，I/O为MCU的I/O控制接口。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体说明。
本发明的电源电路，包括输入端、输出端、MCU、掉电检测模块、AC-DC模块、升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块和电池模块；其中：输入端与掉电检测模块、AC-DC模块分别连接；MCU与掉电检测模块、升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块、电池模块分别连接；AC-DC模块与升降压恒流充电模块、辅助供电模块分别连接；电池模块与升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块分别连接，输出端与升降压逆变模块、AC-DC模块分别连接。
上述：AC-DC模块用于能量转换，将交流电转换为直流；当交流信号掉电，经过维持时间消耗能量后，AC-DC模块输出电压值由正常电压值开始下降。如图2所示，AC-DC模块可以选用ON公司NCP1217A芯片搭建的正激变换电路实现交流能量转换为隔离的12V，24V低压输出。
掉电检测模块用于检测是否有交流信号输入，并反馈到MCU中，具体的来说，通过取样交流信号分压滤波后通过光耦隔离反馈到次级MCU。
所述电池模块用于充放电时存储或释放电能。辅助供电模块用于为MCU供电。
升降压恒流充电模块将将电压型直流电转换为恒流直流电；同时具备EN控制端，实现MCU控制其工作状态功能。如图3所示，升降压恒流充电模块的主控芯片可以选用ON公司NCV887100芯片，以此搭建的升降压电路，转换效率高，实现将蓄电池能量转换为12V，24V低压输出。其中，NCV887100芯片的输入脚Vin接电池模块的输出端Bo，EN控制脚接MCU的I/O控制接口。
MCU选用ST公司STM32F030K6芯片，通过编程实现电池模块充放管理、状态监测以及升降压逆变模块、升降压恒流充电模块的使能控制；当输入端有交流信号时，所述MCU控制升降压逆变模块、升降压恒流充电模块处于使能状态；当输入端无交流信号时，升降压恒流充电模块处于非使能状态。
同时，AC-DC模块的正常输出电压值高于所述升降压逆变模块的正常输出电压值；当无交流电输入后，升降压逆变模块的输出反馈脚检测到所述输出端的电压值由AC-DC模块的正常输出电压值下降到升降压逆变模块的正常输出电压值时，升降压逆变模块由待机状态转换为工作状态。
为了使升降压逆变模块的输出反馈脚能够更准确的检测到电路输出端在交流电掉电前后的下降变化，AC-DC模块的正常输出电压值与升降压逆变模块的正常输出电压值之间差值应在0.4V以上。
假设我们设置AC-DC模块正常输出电压值为12.4V，升降压逆变模块正常输出电压值为12V,本发明直流输出一体化不间断的控制方法，具体的步骤如下：
a.掉电检测模块先检测是否有市电输入，如果有，则进入步骤b，否则返回步骤a。
b.正常情况下有市电输入，MCU控制AC-DC模块将市电转换成12.4V的直流电压输出，同时控制升降压逆变模块处于使能状态。
c.由于无交流电输入，经过维持时间消耗能量后，AC-DC模块的的输出电压值由正常电压值开始下降，当AC-DC模块的的输出电压值下降到升降压逆变模块的正常输出电压值时，升降压逆变模块由待机状态转换为工作状态。
d.电源电路通过电池模块和升降压逆变模块持续向外部进行直流输出。
基于本发明可以很多派生运用，以下介绍两种可能的运用：
当将本发明作为开关功能的派生运用的时候，如图4所示，本发明电源电路还包括继电器模块，继电器模块接于输入端与AC-DC模块之间，并且继电器受MCU控制。当按照客户需求进行停机检修的时候，如图4所示，可以直接向MCU输入关机信号，MCU在收到信号之后控制继电器断开输入端与AC-DC模块之间的连接，同时控制电池模块不放电，从而完成整个电源电路的停机。
如需要将本发明增加一路输出的时候，如图5所述，本发明电源电路还包括DC-DC模块，所述输出端包括第一输出端和第二输出端；第一输出端与DC-DC模块的输出端连接，DC-DC模块的输入端分别与AC-DC模块的主路输出端、升降压恒流充电模块主路输出端连接，第二输出端分别与AC-DC模块的辅路输出端、升降压恒流充电模块辅路输出端连接。升降压恒流充电模通过检测主路的输出反馈，实现待机或者工作状态。
以上描述了本发明的基本原理和主要的特征，说明书的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.直流输出一体化不间断的电源电路，其特征在于，包括输入端、输出端、MCU、掉电检测模块、AC-DC模块、升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块和电池模块；其中：输入端与掉电检测模块、AC-DC模块分别连接；MCU与掉电检测模块、升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块、电池模块分别连接；AC-DC模块与升降压恒流充电模块、辅助供电模块分别连接；电池模块与升降压恒流充电模块、升降压逆变模块、辅助供电模块分别连接，输出端与升降压逆变模块、AC-DC模块分别连接；
所述AC-DC模块用于能量转换，将交流电转换为隔离的直流输出；当交流信号掉电，经过维持时间消耗能量后，AC-DC模块输出电压值由正常电压值开始下降；
所述掉电检测模块用于检测是否有交流信号输入，并通过光耦隔离反馈到MCU中；
所述升降压恒流充电模块将电压型直流电转换为恒流直流电；
所述辅助供电模块用于为MCU供电；
所述电池模块用于充放电时存储或释放电能；
所述MCU用于电池模块充放电管理、状态监测，外部数据交换，以及升降压逆变模块的使能控制；当输入端有交流信号时，所述MCU控制升降压逆变模块处于使能状态、升降压恒流充电模块处于使能状态；当输入端无交流信号时，升降压恒流充电模块处于非使能状态；
所述AC-DC模块的正常输出电压值高于所述升降压逆变模块的正常输出电压值；当升降压逆变模块的输出反馈部分检测到所述输出端的电压值由AC-DC模块的正常输出电压值下降到设定值时，升降压逆变模块由待机状态转换为工作状态。
2.根据权利要求1所述的直流输出一体化不间断的电源电路，其特征在于，所述设定值等于升降压逆变模块的正常输出电压值。
3.根据权利要求2所述的直流输出一体化不间断的电源电路，其特征在于，所述升降压逆变模块包括带EN控制端的BUCK-BOOST功能芯片。
4.根据权利要求2所述的直流输出一体化不间断的电源电路，其特征在于，所述AC-DC模块的正常输出电压值比所述升降压逆变模块的正常输出电压值至少高0.4V。
5.根据权利要求2所述的直流输出一体化不间断的电源电路，其特征在于，还包括继电器模块，继电器模块接于输入端与AC-DC模块之间，并且继电器受MCU控制；当MCU接收到外部的关断信号时，MCU控制继电器使得输入端与AC-DC模块断开连接，且控制电池模块不放电。
6.根据权利要求2或5所述的直流输出一体化不间断的电源电路，其特征在于，还包括DC-DC模块，所述输出端包括第一输出端和第二输出端；第一输出端与DC-DC模块的输出端连接，DC-DC模块的输入端分别与AC-DC模块的主路输出端、升降压恒流充电模块主路输出端连接，第二输出端分别与AC-DC模块的辅路输出端、升降压恒流充电模块辅路输出端连接。
7.直流输出一体化不间断的控制方法，其特征在于，包括步骤；
a.检测输入端是否有交流信号，如果有，则进入步骤b，否则返回步骤a；
b.AC-DC模块向输出端进行直流输出，同时MCU控制升降压逆变模块、升降压恒流充电模块处于使能状态；升降压恒流充电模块工作向电池模块充电；升降压逆变模块因检测到输出端电压高于设定值而处于待机状态；
c.当输入端交流掉电后，AC-DC模块的的输出电压值由正常电压值开始下降，当AC-DC模块的的输出电压值下降到设定值时，升降压逆变模块由待机状态转换为工作状态；
d.通过电池模块向升降压逆变模块供能，持续向输出端进行直流输出；同时MCU控制升降压恒流充电模块处于非使能状态，停止向电池模块充电。
8.根据权利要求7所述的直流输出一体化不间断的控制方法，其特征在于，所述设定值等于升降压逆变模块的正常输出电压值。
9.根据权利要求8所述的直流输出一体化不间断的控制方法，其特征在于，所述AC-DC模块的正常输出电压值比所述升降压逆变模块的正常输出电压值至少高0.4V。
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