CN111130210A - 主备电源管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主备电源管理系统，包括：主要电源供电模块，用于向负载系统供电；备用电源供电模块，包括：备用电源；升压放电电路模块，接收来自主备电源切换电路模块的输出，从而决定自身通断；主备电源切换电路模块，被配置成在主要电源供电模块工作的情况下，使得升压放电电路模块关断，且在主要电源供电模块不工作的情况下，其输出使得升压放电电路模块导通；放电模块，放电模块连接到升压放电电路模块的输出端和备用电源，用于在主要电源供电模块工作时，不进行放电，在备用电源供电模块工作且电量逐渐降低到阈值以下时，进行放电。根据本发明的技术方案，可以防止负载系统因电源不稳定而出现误动作，进一步提高电力终端设备的可靠性。

Description

主备电源管理系统

技术领域

本发明涉及电子电路控制技术，尤其涉及一种主备电源管理系统。

背景技术

传统上，电力终端设备工作条件相对恶劣，其备用电源大多数采用超级电容而非其他电池，超级电容具有功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽的特点，并且过充电和过放电都不会对其寿命造成负面影响。

在超级电容放电过程，假设“负载系统”的负载电阻不变，则放电电压和电流均会下降。为了维持“负载系统”的稳定电压，需要将超级电容的电压通过升压IC来升高并稳定在一定的水平，以保证“负载系统”的正常工作。当超级电容放电进行到一定程度时，电压在升压IC输入电压阈值之上，且输出电压电流所提供的功率不足以满足“负载系统”的功率需求时，因为升压IC有最大输出电流的限制，则会导致升压IC的输出电压的下降，从而导致“负载系统”工作电压的不稳定，存在可能发生错误动作的风险。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种主备电源管理系统，以解决备用电源电量不足导致负载系统不能稳定工作的问题。

基于上述目的，本发明提供了一种主备电源管理系统，包括：主要电源供电模块，用于向负载系统供电；备用电源供电模块，包括：备用电源；升压放电电路模块，输入端连接到所述备用电源，输出端连接到负载系统，并用于接收来自主备电源切换电路模块的输出，从而决定自身通断；主备电源切换电路模块，用于接收来自主要电源供电模块的输出与备用电源供电模块的输出，并将主备电源切换电路模块的输出提供至升压放电电路模块，其中，主备电源切换电路模块被配置成在主要电源供电模块工作的情况下，使得升压放电电路模块关断，且在主要电源供电模块不工作的情况下，其输出使得升压放电电路模块导通；放电模块，放电模块连接到升压放电电路模块的输出端和备用电源，用于在主要电源供电模块工作时，不进行放电，在备用电源供电模块工作且电量逐渐降低到阈值以下时，进行放电。

根据本发明的技术方案，在备用电源放电到设定的阈值电压时，通过电子控制技术，自动启动快速释放备用电源剩余电量的功能，杜绝备用电源在升压IC阈值电压之上时因输出电压下降而导致的风险，防止负载系统因电源不稳定而出现误动作，进一步提高电力终端设备的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的主备电源管理系统的示意性框图。

图2示出了根据本发明实施方式的AC-DC转换电路模块的一个具体实现图。

图3示出了根据本发明实施方式的DC-DC转换电路模块的一个具体实现图。

图4示出了根据本发明实施方式的备用电源的一个具体实现图。

图5示出了根据本发明实施方式的升压放电电路模块的一个具体实现图。

图6示出了根据本发明实施方式的主备电源切换电路模块的一个具体实现图。

图7示出了根据本发明实施方式的放电检测电路模块的一个具体实现图。

图8示出了滞回比较器的电压传输特性曲线图。

图9示出了根据本发明实施方式的备用电源生效逻辑接口电路的一个具体实现图。

图10示出了根据本发明实施方式的充电选择电路模块的一个具体实现图。

图11示出了根据本发明实施方式的充电升压电路模块的一个具体实现图。

图12示出了根据一具体实施方式的该主备电源管理系统的示意性框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

需要说明的是，本发明实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本发明实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

如上所述，为防止负载系统因电源不稳定而出现误动作，在备用电源放电到设定的阈值电压时，根据本发明的技术方案，通过电子控制技术，自动启动快速释放备用电源剩余电量的功能，杜绝备用电源在升压IC阈值电压之上时因输出电压下降而导致的风险，实现对负载系统的安全可靠供电。下面参考图1描述实现该目的的主备电源管理系统的具体实施方案。图1示出了该主备电源管理系统的示意性框图。如图1所示，该主备电源管理系统包括：

主要电源供电模块110，用于向负载系统供电。

在低压配电环境下，该主要电源供电模块110可以包括：AC-DC转换电路模块；DC-DC转换电路模块，连接到AC-DC转换电路模块与负载系统，用于将AC-DC转换电路模块输出的直流电压转换为适合负载系统的直流电压。

在进一步的实施方式中，AC-DC转换电路模块可以是三相四线制AC-DC转换电路模块。“三相四线制AC-DC转换电路模块”能够保证在三相电任断两相电时仍然能够给“负载系统”提供稳定的直流电源，减少对备用电源的依赖，提高“负载系统”运行的稳定性和可靠性。其完成从三相四线制的供电环境下将交流电源转换为直流电源，适合在低压配电环境下工作的“负载系统”使用。

三相四线制AC-DC转换电路模块可以输出12VDC电源供后续的电路模块(比如“DC-DC转换电路模块”、“主备电源切换电路模块”，和/或稍后描述的备用电源快速释放残余电量路径的增强型“P沟道MOSFET”)使用。在使用时，根据“负载系统”的最大功耗P_MAX估算“三相四线制AC-DC转换电路模块”的功率：P＝P_MAX/(90％)＝1.11P_MAX，则应该选择功率为1.2倍P_MAX的“三相四线制AC-DC转换电路模块”。其实现方法参见图2所示。

应理解，以上具体数值是在具体情况下为便于理解本发明而列举的，不应被理解为对本发明的限制。

进一步，在以上具体实现中，“DC-DC转换电路模块”完成从“三相四线制AC-DC转换电路模块”提供的比如12VDC转换为5.4VDC的功能。图3示出了该模块的一个示例性实现方式。如图3所示，本模块选择的LM5116为100VDC宽输入电压同步降压控制器。在本模块设计中，可以采用该电源芯片厂商推荐的典型电路：输入为12VDC、输出为5.4VDC、输出最大负载电流为7A，即电源管理装置可以给“负载系统”提供最高达37.8W的直流电源。针对最大功率使用情况，“三相四线制AC-DC转换电路模块”的功率至少需要1.2×38W＝45.6W。在该具体实现中，本模块输出的5.4VDC电源是“负载系统”使用的主要电源，可以经过一个起防止电压反向作用的“肖特基”二极管后通过“电源输出接口”直接供给“负载系统”。该“肖特基”二极管具有大电流低压降(导通电流为10A时，压降仅为0.4VDC)的特点，有效减少“主备电源管理系统”的内部消耗。图3还示出，本模块还可以输出5.4VDC电源提供给充电模块里的元件“充电选择电路模块”与“充电升压电路模块”使用。稍后描述这些模块的功能。

再返回图1，该主备电源管理系统还包括备用电源供电模块120，包括：备用电源1210；升压放电电路模块1220，其输入端连接到备用电源1210，输出端连接到负载系统，并用于接收来自主备电源切换电路模块130的输出，从而决定自身通断。

其中，备用电源1210可以是自带专用充电管理芯片的锂电池，或者可以是超级电容器阵列。下面的描述将以超级电容器阵列为例来描述备用电源的具体实现，便于理解本发明的原理，不用于限制本发明的实现方式。

备用电源可以实现在外部电源失效后能够继续给“负载系统”提供一定能源。在采用超级电容器的情况下，其耐压值可以为5.5VDC，实际的容量可以根据续航时间需求进行合理选择。在一个具体实现中，容量可以选择为300F，断电后可以维持“负载系统”运行5分钟。其具体实现模块如图4所示。“肖特基”二极管的作用是在备用电源正常工作时防止电流回流到“充电升压电路模块”(该模块是主备电源管理系统的充电模块中的组成元件，稍后进行描述)，该“肖特基”二极管具有压降低(0.25VDC，I_F＝10mA)的特点，且其最大工作电流(200mA)大于正常的充电电流(最大约为160mA)。本模块的输出分别连接到四个模块：1)升压放电电路模块1220，这是备用电源的工作路径，如果升压放电电路模块1220的可接受的最低输入电源电压为2.5VDC，那么本模块的输出电压范围理论值是2.5-5.1VDC，但是实际的最低输出电压将会根据“负载系统”的功耗有所浮动，即最低输出电压将高于2.5VDC，如2.8VDC；2)主备电源切换电路模块130，这是实现主备电源无缝切换的电源路径；以及3)放电自动检测电路模块，这是参与阈值自动检测的路径；4)“P沟道MOSFET”，这是快速释放残余电量的路径。紧接着会描述升压放电电路模块1220和主备电源切换电路模块130，再稍后会描述放电自动检测电路模块和P沟道MOSFET。

升压放电电路模块1220实现备用电源受控且完成升压放电工作的功能，这是备用电源的工作路径。本模块的输出受输入信号“En”控制：“En”的逻辑电平为“1”时，Vout输出5.4VDC；“En”的逻辑电平为“0”时，Vout输出0VDC，此控制信号来自“主备电源切换电路模块130”的输出信号“En”。也就是说，主备电源切换电路模块130比如输出逻辑电平“1”时，升压放电电路模块1220工作，从而通过备用电源向负载系统供电。该模块的示例性实现图如图5所示。在具体实现中，本模块的输出Vout可以由R1、R2以及R3比值决定：Vout＝1.244V×(1+(R1+R2)/R3)。结合图5所示的示例性电阻值，Vout＝5.4VDC，采用R1、R2与R3组合的设计方式更容易搭配出需要的输出电压。应理解本领域技术人员在理解了升压放电电路模块1220的工作逻辑之后，可以设计出其他电路实现方式。

如图5所示，该升压放电电路模块可以经过一个增强型“P沟道MOSFET”的S极连接到负载系统。该MOSFET管的G极连接到下文描述的“放电自动检测电路模块”的输出，该输出是“滞回比较器A1”的输出，以本文的具体示例为例，G极要么是5.0VDC要么是0VDC。在备用电源工作的情况下，当G极电压为0VDC时：栅源电压U_GS＝U_G-U_S＝-5.4VDC，U_GS小于该管子的开启电压U_ON＝-1VDC，MOSFET的S极和D极导通，此时将给“负载系统”提供电源；当G极电压为5.0VDC时：栅源电压U_GS＝U_G-U_S＝-0.4VDC，U_GS大于该管子的开启电压U_ON＝-1VDC，MOSFET的S极和D极不导通，此时不向“负载系统”提供电源，此时也是进入快速放电的阶段。

在P沟道MOSFET之后，可以再经过一个起防止电压反向作用的“肖特基”二极管后直接连接到“负载系统”电源接口，该“肖特基”二极管具有大电流低压降(比如导通电流为10A时，压降仅为0.4VDC)的特点，有效减少“主备电源管理装置”的内部消耗，此“肖特基”与“DC-DC转换电路模块”输出连接的“肖特基”型号相同，可以保证无论是外部电源供电还是备用电源供电，提供给“负载系统”的电源电压是一样的。

如图5所示，本模块输出还可以提供给放电自动检测电路模块使用，稍后会描述该模块。

返回图1，该主备电源管理系统还包括主备电源切换电路模块130，用于接收来自主要电源供电模块110的输出与备用电源供电模块120的输出，并将主备电源切换电路模块130的输出提供至升压放电电路模块1220，其中，主备电源切换电路模块130被配置成在主要电源供电模块110工作的情况下，使得升压放电电路模块1220关断，且在主要电源供电模块110不工作的情况下，其输出使得升压放电电路模块1220导通。

主备电源切换电路模块130实现在主要电源供电模块110失效时立即自动切换到备用电源1210工作的功能，并且在备用电源1210正常工作期间如果主要电源供电模块110恢复供电将立即恢复使用主要电源供电模块110工作。本模块的一个具体实现方法如图6所示。如图6所示，本模块利用主要电源的12VDC经R4与R5分压后控制NPN三极管Q1的基极电流，从而控制Q1的通断进而控制本模块输出“En”的高低电平。调节R6和R7的电阻值可以调节“En”逻辑电平“1”的幅度，使之满足“升压放电电路模块”的对高电平的需求。本装置正常由主要电源供电时，Q1将导通，从而使“En”的逻辑电平为“0”，此时“受控升压放电电路模块”不工作，因Q1维持在导通状态，本模块将消耗0.9-2.1mA的电流，特别地，当备用电源1210比如“超级电容器阵列”充满电时，本模块消耗的电流将达到最大值2.1mA。反之，外部电源失效后，Q1不导通，从而使“En”的逻辑电平为“1”，此时升压放电电路模块1210工作。在该具体实现中，因为三极管Q1的响应速为10ns级别，且全部由电路本身自动完成，故能够实现主备电源无缝切换的功能。应理解图6所示仅是该模块的一个具体实现，本领域技术人员可以根据该模块实现的逻辑功能设计出其他实现方式。

根据以上描述的本发明技术方案，采用常规电子元器件结合新颖独特的电子控制技术，由硬件自身来实现主备电源自动无缝切换，实现主备电源装置的自动化管理，保证了后续“负载系统”的电源安全可靠性。

根据本发明实施方式的主备电源管理系统，还包括放电模块，用于实现在备用电源比如“超级电容器阵列”电量不足以支撑“负载系统”运行所需的电能时，通过自动检测技术实现切断“负载系统”电源并且将备用电源的残余电量快速释放以防止“负载系统”因电源不稳定而出现误动作的功能。该放电模块连接到升压放电电路模块的输出端和备用电源，用于在主要电源供电模块工作、升压放电电路模块无输出时，不进行放电，在备用电源供电模块工作且电量逐渐降低到阈值以下时，进行放电。该放电不同于备用电源平时工作时的放电，速度会更快，能够避免负载系统电源不稳定导致的误动作。下面描述该放电模块的具体实现。

该放电模块可以包括：放电自动检测电路模块、N沟道MOSFET、P沟道MOSFET。下面描述该放电模块的具体构成。

放电自动检测电路模块可以有两个输入端，第一输入端连接到升压放电电路模块的输出端，第二输入端连接到备用电源，用于在主要电源供电模块工作、进而所述第一输入端无输入时，使N沟道MOSFET关断，在备用电源供电模块工作且电量逐渐降低、进而第二输入端的输入降低到阈值以下时，使第一N沟道MOSFET导通。下面描述放电自动检测电路模块实现该功能的具体组成方式。

图7示出了该电路模块的一种具体实现。如图7所示，升压放电电路模块输出的电压比如U_HOLD＝5.4VDC可以为工作于正反馈的“滞回比较器A1”提供电源。特别地，C1可以为1F的超级电容器，用于在启动快速放电功能且U_HOLD输入端变为0VDC时，能够保证滞回比较器“A1”能继续工作并持续输出5.0VDC一段时间，保持增强型“N沟道MOSFET”为导通状态，进而维持“超级电容器阵列”快速放电通路以实现快速放电的功能。

当外部电源正常工作时，“升压放电电路模块”无电源输出，即比较器“A1”不工作，在“A1”的输出端“U_O”下拉一个10k的电阻R14到地，保证比较器“A1”此时输出点“U_O”的电位为0VDC，此时增强型“N沟道MOSFET”管子U_GS电压为0VDC，小于其开启电压U_ON＝1.0VDC，故管子不导通，并且增强型“P沟道MOSFET”管子U_GS电压为U_GS＝U_G-U_S＝12.0V-5.1V＝6.9VDC(超级电容充满电U_S＝5.1VDC时，为最小值6.9VDC；超级电容没有充电且电量为U_S＝0VDC时，为最大值12.0VDC)，大于其开启电压U_ON＝-1VDC，故管子也不导通。此时如果“超级电容器阵列”使能充电，因为“A1”不工作，故本模块不工作，整个充电过程对外部电源正常工作不会产生影响。

以下以一个具体示例详细分析备用电源在外部电源失效后进行无缝切换放电工作以及快速释放残余电量的实现过程，进而可以帮助理解该放电自动检测电路模块的工作原理。本文中所列举的例子比如超级电容器以及以下相关的数值皆是为了清楚描述本发明以便于本领域技术人员理解本发明的原理，本发明不受这些具体例子的限制。

从“升压放电电路模块”的描述可得知，“升压放电电路模块”处于使能工作(En＝1)且Vin比如大于等于2.5VDC时会输出U_HOLD＝5.4VDC，即当“超级电容器阵列”电量的电压低于2.5V时，备用电源无法工作。

当外部电源失效后，12VDC输入变为0VDC，则此时增强型“P沟道MOSFET”管子U_GS电压为U_GS＝U_G-U_S＝0V-5.1V＝-5.1VDC(超级电容充满电U_S＝5.1VDC时，为最小值-5.1VDC；超级电容电量为U_S＝2.5VDC时，为最大值-2.5VDC；超级电容电量为U_S小于2.5VDV时，备用电源不工作)，故当超级电容电量的电压U_{超级电容器阵列}大于2.5VDC时，U_GS小于其开启电压U_ON＝-1VDC，此时增强型“P沟道MOSFET”管子导通。

图8是“滞回比较器A1”的工作的电压传输特性曲线图，本模块只需关心其输入电压U_I从大变小的过程(放电过程)。“滞回比较器A1”的下限门限记为U_LTH、上限门限记为U_HTH。

滞回比较器的门限宽度由“滞回比较器A1”的输出电平幅度U_OH、U_OL以及参与正反馈的电阻R9与R10电阻值共同决定，在本设计中，比较器输出高电平时U_OH＝5.0VDC，输出低电平时U_OL＝0VDC。设计具体值：滞回比较器的上下阈的门限宽度为：(R9/(R9+R10))×U_OH＝(20/(20+30))×5.0V＝0.2VDC。

如图7所示：调节电位器R12阻值使之与R11产生分压比为k₁，则k₁＝R12/(R12+R11)，比较器“A1”的反相端电压U_N＝k₁×U_{超级电容器阵列}；调节电位器R15阻值使之与R8产生分压比为k₂，k₂＝R15/(R15+R8)，则参考点“U_MREF”的电位U_MREF＝k₂×U_HOLD，U_P＝(R10/(R10+R9))×k₂×U_HOLD+(R9/(R10+R9))×U_O。

“滞回比较器A1”的输入电压U_N与U_P、U_O的电压传输特性以及放电自动检测电路模块实现的功能的关系如表1所示。表1反映了电容器开始放电时的全部初始电压，开始放电的电压与滞回比较器A1的输出是紧密联系的，会出现备用电源不同的状态。

表1：“A1”的输入电压U_N与U_P、U_O的电压传输特性以及放电自动检测电路模块实现的功能的关系

1)当比较器“A1”的反向端输入电压U_N远大于同相端电压U_P时，U_N>>U_P，此时“A1”的输出端“U_O”的电压为低电平U_OL，即：U_O＝U_OL＝0VDC，则“A1”的同相端电压U_P＝U_LTH。此时，增强型“N沟道MOSFET”的U_GS＝U_G-U_S＝0V-0V＝0VDC，低于于“N沟道MOSFET”的开启电压U_ON＝1.0VDC，故增强型“N沟道MOSFET”的“D”极与“S”极不导通，此时“超级电容器阵列”能够正常给“负载系统”提供电源，处于备用电源供电状态。

2)伴随“超级电容器阵列”电量的减少，U_{超级电容器阵列}也将降低，U_N也跟随降低。当U_N逐渐减少至U_P再减少一点点时，比较器“A1”的输出端“U_O”将跳变输出高电平U_OH，即：U_O＝U_OH＝5.0VDC，则“A1”的同相端电压U_P＝U_HTH。这时增强型“N沟道MOSFET”的U_GS＝U_G-U_S＝5.0V-0V＝5.0VDC，大于增强型“N沟道MOSFET”的开启电压U_ON＝1.0VDC，故增强型“N沟道MOSFET”的“D”极与“S”极导通。与增强型“P沟道MOSFET”管子以及“超级电容器阵列”一起组成快速放电回路，两个增强型MOSFET管子的导通电阻可以选择比较低的值，比如约1欧姆，故能够实现快速放电功能，此时处于即将进入快速放电状态。

3)如果在外部电源失效后无缝切换到备用电源时，“超级电容器阵列”在放电开始时，U_N与U_HTH相当且U_N大于一点点U_HTH时，因为都满足U_N>U_P(无论是U_P＝U_LTH还是U_P＝U_HTH)条件，故“A1”输出“U_O”为低电平U_OL，后续工作状态与1)描述的情况相同，此时“超级电容器阵列”的电量电压较低，故备用电源工作时间较短。

4)如果在外部电源失效后无缝切换到备用电源时，“超级电容器阵列”在放电开始时，U_N与U_HTH相当且U_N小于一点点U_HTH时，因为“A1”输出“U_O”有可能低电平U_OL也有可能为高电平U_OH，以下分别介绍。

a.当“A1”输出是U_OL时，这时U_P＝U_LTH，则U_N>U_P，与“A1”输出U_O＝U_OL状态一致，后续工作状态与1)描述的情况相同，因此时“超级电容器阵列”的电量电压较低，故备用电源工作时间较短；

b.当“A1”输出是U_OH时，这时U_P＝U_HTH，则U_N<U_P，与“A1”输出U_O＝U_OH状态一致，快速放电回来导通，此时处于直接进入快速放电状态。

5)如果在外部电源失效后无缝切换到备用电源时，“超级电容器阵列”在放电开始时，U_N与U_LTH相当且U_N大于一点点U_LTH时，因为“A1”输出“U_O”有可能低电平U_OL也有可能为高电平U_OH，以下分别介绍。

a.当“A1”输出是U_OL时，这时U_P＝U_LTH，则U_N>U_P，与“A1”输出U_O＝U_OL状态一致，因为U_N即将小于U_P，“A1”的输出即将跳变为高电平U_OH，增强型“N沟道MOSFET”即将从不导通变为导通，此时处于即将进入快速放电状态。

b.当“A1”输出是U_OH时，这时U_P＝U_HTH，则U_N<<U_P，与“A1”输出U_O＝U_OH状态一致，增强型“N沟道MOSFET”为导通状态，此时处于直接进入快速放电状态。

6)如果在外部电源失效后无缝切换到备用电源时，“超级电容器阵列”在放电开始时，U_N与U_LTH相当且U_N小于一点点U_LTH时，因为都满足U_N<U_P(无论是U_P＝U_LTH还是U_P＝U_HTH)条件，故“A1”输出“U_O”为高电平U_OH，后续工作状态与5b)相同，此时处于直接进入快速放电状态。

7)当U_N对应U_{超级电容器阵列}小于Vin＝2.5VDC，即“超级电容器阵列”电量电压U_{超级电容器阵列}小于2.5VDC时，“升压放电电路模块”无输出，“A1”不工作，增强型“N沟道MOSFET”管子不导通，此时“超级电容器阵列”不会进行快速放电也不会提供电源给“负载系统”，即备用电源处于不工作状态。

特别地说明，在启动快速放电功能后，正在进行快速放电过程中，如果此时外部电源重新有效，则增强型“P沟道MOSFET”管子将从导通变为不导通，从而切断快速放电的回路，阻止快速放电继续进行。此后外部电源能够正常对“超级电容器阵列”正常充电，恢复主要电源正常工作的状态。

该模块可以是阈值可调的、能够快速放电，且能够自动检测。下面结合表1的功能，结合具体实现方式说明“放电自动检测电路模块”的有关设计理念：

“快速放电”：通过“滞回比较器A1”、外部电源控制的增强型“P沟道MOSFET”和“A1”输出控制的增强型“N沟道MOSFET”，与“超级电容器”构成低阻的电路回路，实现特定条件下的快速放电功能。

“自动检测”：采用电子控制技术由硬件电路自动实现进入快速放电状态的阈值电压检测，稳定可靠；在快速放电期间，如果外部电源重新生效，所设计的电路将自动切断快速放电回路，使得外部电源和备用电源恢复正常工作的状态。

“阈值可调”：不同功耗的“负载系统”对“升压放电电路模块”的Vin最低输入电压要求不一样。通过具体“负载系统”测试可以得到“超级电容器阵列”的输入电压阈值U_limit，通过调节电位器R12可以调节k₁的值，可以求出U_N的值，令U_N＝U_P，进一步计算出k₂的值，调节电位器R15可以达到k₂需要的值，从而实现调节“超级电容器阵列”释放残余电量的阈值U_limit。

下面采用具体的值来描述“阈值可调”的设计理念，以便于理解本发明实施方式的原理。比如，在用于测试本装置的“负载系统”在实际测试中不能继续正常工作时，“超级电容器阵列”的残余电量电压约为2.75VDC，此时“受控升压放电电路模块”的输出不能够继续稳定保持为U_HOLD＝5.4VDC，为了安全起见，特别地设定“超级电容器阵列”剩余电量的电压U_{超级电容器阵列}降到U_LIMIT＝2.8VDC时，本模块启动快速释放残余电量功能，快速释放“超级电容器阵列”的残余电量，以防止“负载系统”在电源电压不稳定时导致误动作情况发生。

根据滞回比较器的工作特点，设定U_LTH＝U_limit×k₁＝k₁×2.8VDC，则U_HTH＝U_LTH+0.2VDC＝k₁×2.8VDC+0.2VDC，如图8所示。

根据以上描述与分析，结合图7电阻值，可得：

U_LTH＝(R10/(R10+R9))×k₂×U_HOLD+(R9/(R10+R9))×U_OL，代入U_OL＝0V、U_HOLD＝5.4V、k₂＝R15/(R15+R8)、R8＝10k、R9＝20k、R10＝30k，并设定k₁＝0.8，且取R11＝20k、R12＝80k、R8＝10k，则由U_N＝U_P可计算出：R15＝22.4k。

即调节电位器R12为80k阻值，同时调节电位器R15为22.4k，此时U_LTH＝2.24DC；U_HTH＝2.44VDC，分别对应U_{超级电容器阵列}电压为U_LTH/k₁＝2.8VDC和U_HTH/k₁＝3.05VDC。

因为外部电源可能在任意时刻失效，根据“超级电容器阵列”的放电初始电压不同，以下根据具体阈值2.8VDC并结合表1分析“超级电容器阵列”放电的几种情况。应理解表2中显示即使备用电源电压降至阈值2.8VDC，是否马上进入放电状态也要根据A1两个输入端的电压情况，这是基于图7的特殊设计而决定的。本领域技术人员还可以设计出其他电路形式，从而使得在备用电源电压降至阈值2.8VDC，马上进入放电状态，本发明在此不受限制。

表2具体“超级电容器阵列”电量电压值条件与结果

根据以上实施方式的主备电源管理系统，能够在备用电源电量不足以支撑负载系统运行时，通过自动检测技术实现切断负载系统电源并且将备用电源的残余电量快速释放以防止“负载系统”因电源不稳定而出现误动作，且能够在外部电源重新工作时切断放电电路，恢复外部电源和备用电源充电的正常操作。

根据本发明实施方式的主备电源管理系统，还可以包括备用电源生效逻辑接口电路，该电路连接到主备电源切换电路模块和负载系统，用于根据主备电源切换电路模块的输出电平来向负载系统通知供电电源的变化，能够在外部电源失效后自动无缝切换到备用电源供电时，通知“负载系统”供电电源发生改变。

图9示出了根据该模块实现的逻辑功能的一种可能设计。参考图9所示，本模块电路输出可以为OC门电路，需要在外部接一个上拉电阻“R_UP”到“负载系统”的逻辑电源“VCC”，如图9虚线部分所示。当外部电源生效时，“En”为低电平，“Q1”不导通，此时“Out”电平维持高电平不改变；当外部电源失效时，“En”变为高电平，“Q1”导通，此时“Out”电平将从高电平跳变为低电平。采用OC门设计的目的是实现本模块电路接口“Out”信号的电平由外部“负载系统”的逻辑电源“VCC”决定，提高本装置对外接口电平的适应范围。如同其他电路设计图一样，在本模块的示例图中示出了各电阻的电阻值，以供本领域技术人员理解本模块的设计，本发明在此方面不受限制。

在进一步的实现中，主备电源管理系统还可以包括充电模块，用于对备用电源供电模块120充电。具体地，该充电模块可以包括：充电选择电路模块，用于从上述主要电源供电模块比如其中的DC-DC转换电路模块接收信号，并接收外来的输入信号，其输出信号根据所述输入信号而变化；充电升压电路模块，从主要电源供电模块比如其中的DC-DC转换电路模块和上述充电选择电路模块接收信号，其输出端连接到备用电源，用于在充电选择电路模块的输出信号控制下，选择是否对DC-DC转换电路模块的输出进行升压且对备用电源供电模块充电。

下面描述充电选择电路模块和充电升压电路模块的一种可能的具体实现方式。

其中，充电选择电路模块可以实现用户通过选择信号来选择备用电源的自动充电和负载系统通过控制信号控制充电的功能，其中控制信号可以来自“控制输入接口电路”。当选择信号悬空或者逻辑电平为“0”时，“充电升压电路模块工作于自动充电模式；当选择信号的逻辑电平为“1”时，充电升压电路模块工作于受“控制信号”控制的充电模式：“控制信号”的逻辑电平为“1”时充电，为“0”时不充电。充电工作模式与输入信号“选择信号”、“控制信号”以及输出信号“En”的逻辑关系如表3所示：

表3：充电选择电路模块与输入输出信号的逻辑关系表

在该具体实施方式中，本模块的实现方法可以如图10所示。本模块通过使用Q1、Q2两个NPN和Q3一个PNP三极管相关的组合电路实现能够接受不同电平的“选择信号”和“控制信号”，最高可接受高达15VDC电平的“控制信号”，有效保护了本发明实施方式的对外接口并扩大了“主备电源管理系统”的应用范围。同其他电路设计图一样，在本模块的示例图中示出了各电阻的电阻值，以供本领域技术人员理解本模块的设计，本发明在此方面不受限制。

以上描述的选择信号、控制信号是该电路模块的一种控制实现方式，本领域技术人员还可以设计出其他的输入信号形式，只要能够实现以上描述的本模块的逻辑功能控制即可，本发明在此不受限制。

下面描述充电模块的第二个部件：充电升压电路模块。充电升压电路模块比如可以将5.4VDC输入电源同步升压到5.5VDC，并且接受“充电选择电路模块”输出的“En”信号控制。“En”逻辑电平为“1”时，模块输出5.5VDC；“En”逻辑电平为“0”时，模块将不输出。本模块的实现方式可以如图11所示。在图11所示的示例中，本模块的输出电压Vout由R16、R17与R18三个电阻决定，结合备用电源比如“超级电容器阵列”为5.5VDC的实际情况，调节输出电压至最大Vout＝1V×(1+(R16+R17)/R18)＝5.5VDC。在该具体实现方式中，“En”引脚的下拉电阻R19用于保证其初始逻辑电平为“0”，模块不输出。由图中可见，还采用了10个0603封装的贴片电阻R20-R29，该并联电阻的作用是限制对“超级电容器阵列”的充电电流以及考虑0603封装电阻1/10W功率的因素，并且在“超级电容器阵列”电量为0VDC进行充电时因为电容两端电压不能突变从而起到充电电压分压的作用，有效保护了TPS61230模块。其电阻值不能过小，否则充电电流大了会影响正常的外部供电；电阻值也不能过大，否则在充电回路中在电阻上的压降就大了，电容器充满电的电压就会降低。选择10个0603贴片电阻并联是按照每个0603贴片电阻的最大功耗为1/10W计算，在最坏的情况下如果坏了1-2个电阻，本模块依然能够正常工作。在一个具体实现中，当本模块对“超级电容器阵列”充满电时，在电阻R20～R29并联的电压压降约为0.2VDC，故模块的输出范围为0-5.3VDC。本领域技术人员可以根据本模块实现的逻辑功能以及以上描述的设计原理，设计出其他模块实现形式，本发明在此不受限制。

根据以上描述的具体实施方式，提供了一种主备电源管理系统。图12示出了根据该具体实施方式的该主备电源管理系统的示意性框图。该系统可具有放电自动检测功能，可以包括“三相四线制的AC-DC转换电路模块”，“DC-DC转换电路模块”、“充电选择电路模块”、“充电升压电路模块”、“超级电容器阵列”、“主备电源自动无缝切换电路模块”、“升压放电电路模块”、“放电自动检测电路模块”、“备用电源生效逻辑接口电路”以及电源输入输出接口，在该具体应用中，该主备电源管理系统至少实现了以下功能：主备电源自动无缝切换、自动释放备用电源的残余电量，且在采用三相四线制AC-DC转换电路模块的情况下还能适应三相四线制低压配电的使用环境。

当有外部电源有效时“负载系统”的电源由外部电源提供，当外部电源无效时“负载系统”的电源由“超级电容器阵列”提供并且通过“备用电源生效逻辑输出接口电路模块”通知“负载系统”。当“超级电容器阵列”的剩余电量不足以支撑“负载系统”的电源需求时自动切断“负载系统”的电源以防止“负载系统”因电源电压不稳定而出现误动作，并且“放电自动检测电路模块”启动从而释放“超级电容器阵列”的残余电量。在“超级电容器阵列”工作和快速放电期间，只要外部电源接入，“主备电源管理系统”将立即恢复外部电源供电，实现主备电源自动无缝切换。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (10)

1.一种主备电源管理系统，其特征在于，包括：

主要电源供电模块，用于向负载系统供电；

备用电源供电模块，包括：备用电源；升压放电电路模块，输入端连接到所述备用电源，输出端连接到负载系统，并用于接收来自主备电源切换电路模块的输出，从而决定自身通断；

主备电源切换电路模块，用于接收来自主要电源供电模块的输出与备用电源供电模块的输出，并将所述主备电源切换电路模块的输出提供至所述升压放电电路模块，其中，主备电源切换电路模块被配置成在主要电源供电模块工作的情况下，使得升压放电电路模块关断，且在主要电源供电模块不工作的情况下，其输出使得升压放电电路模块导通；

放电模块，所述放电模块连接到升压放电电路模块的输出端和备用电源，用于在所述主要电源供电模块工作且所述升压放电电路模块没有输出时，不进行放电，在所述备用电源供电模块工作且电量逐渐降低到阈值以下时，进行放电。

2.根据权利要求1所述的主备电源管理系统，其中，所述放电模块包括：

放电自动检测电路模块，第一输入端连接到升压放电电路模块的输出端，第二输入端连接到备用电源，用于在主要电源供电模块工作、进而所述第一输入端无输入时，使N沟道MOSFET关断，在备用电源供电模块工作且电量逐渐降低、进而第二输入端的输入降低到阈值以下时，使N沟道MOSFET导通；

N沟道MOSFET，G极连接到所述放电自动检测电路模块的输出端，D极连接到第一P沟道MOSFET的D极，S极接地；

第一P沟道MOSFET，G极连接到所述主要电源供电模块的输出端，且在所述主要电源供电模块工作期间不导通，否则导通，S极连接到所述备用电源的输出端。

3.根据权利要求2所述的主备电源管理系统，其中，所述阈值能够通过调节所述放电自动检测电路模块的内部元件来调整。

4.根据权利要求2所述的主备电源管理系统，还包括：

第二P沟道MOSFET，S极连接到升压放电电路模块，D极连接到负载系统，G极连接到所述放电自动检测电路模块的输出端，用于在所述备用电源工作的情况下，使所述第二P沟道MOSFET导通，否则关断。

5.根据权利要求1所述的主备电源管理系统，其中，所述主要电源供电模块包括：AC-DC转换电路模块；DC-DC转换电路模块，连接到所述AC-DC转换电路模块与负载系统，用于将所述AC-DC转换电路模块输出的直流电压转换为适合负载系统的直流电压。

6.根据权利要求5所述的主备电源管理系统，还包括充电模块，用于对所述备用电源供电模块充电，包括：

充电选择电路模块，用于从所述DC-DC转换电路模块接收信号，并接收外来的输入信号，其输出信号根据所述输入信号而变化；

充电升压电路模块，从所述DC-DC转换电路模块和所述充电选择电路模块接收信号，其输出端连接到所述备用电源，用于在所述充电选择电路模块的输出信号控制下，选择是否对所述DC-DC转换电路模块的输出进行升压且对所述备用电源充电。

7.根据权利要求5所述的主备电源管理系统，其中，所述AC-DC转换电路模块是三相四线制AC-DC转换电路模块。

8.根据权利要求5所述的主备电源管理系统，其中所述DC-DC转换电路模块与所述负载系统之间连接有肖特基二极管。

9.根据权利要求1所述的主备电源管理系统，其中所述升压放电电路模块通过肖特基二极管连接到所述负载系统。

10.根据权利要求1所述的主备电源管理系统，还包括：备用电源生效逻辑接口电路，连接到所述主备电源切换电路模块和所述负载系统，用于根据所述主备电源切换电路模块的输出电平来向所述负载系统通知供电电源的变化。

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