CN112242704B - 电压维持电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电压维持电路，耦接于一装置的第一端和第二端之间。电压维持电路包含开关单元、第一电容与第二电容。开关单元受控于控制信号选择性地切换并联模式或供电模式，开关单元于并联模式导通第一电流路径，且开关单元于供电模式切换地导通第一电流路径与第二电流路径。第一电容耦接于第一端与第二端之间，第二电容耦接开关单元。于并联模式中，第二电容并联耦接第一电容。于供电模式中，当第二电流路径导通时，第二电容蓄积电能于电感，当第一电流路径导通时，电感输出电能。

Description

电压维持电路

技术领域

本申请是有关于一种电压维持电路，特别是关于一种具有多个电容的电压维持电路。

背景技术

一般来说，市电并不是一个稳定的装置，若是市电的电能要提供给高精密设备使用时，往往需要先经过稳压或变压的步骤，从而取得较稳定的供电电压。然而，当厂房内各种设备同时运作时，每个设备的供电电压很可能受到干扰，导致仍有轻微的波动。为了避免不稳定的供电电压造成设备或负载的损坏，因此于设备到负载之间可以设置有电压维持电路。

传统上的电压维持电路多数是使用一个大电容，请参阅图1，图1是绘示现有技术中的电压维持电路的功能方块图。如图1所示，装置90可以有两个端点900与902分别耦接到输出级的隔离调压模块92，其中隔离调压模块92可包含具有隔离与调压功能的电源转换器以及调压式电源转换器。端点900与902可以例如是高电压端与低电压端，用以传输电力至隔离调压模块92。隔离调压模块92将电力转换成符合负载94的额定电压后，再输出给负载94。为了使负载94有稳定的供电电压，实务上隔离调压模块92的调压式电源转换器可使用降压式电源转换器。从而，装置90输出给隔离调压模块92的电压会大于负载94的额定电压，即端点900与902之间电压差会大于负载94的额定电压。为了维持端点900与902之间电压差的稳定，传统技术中可以有电容96，跨接在端点900与902之间用以储存电能。

举实际的例子来说，隔离调压模块92的二次侧电压如果是一次侧电压的94％，且负载94的额定电压如果是600V。计算可知，端点900与902之间电压差至少要达到638V。此时，如果装置90的供电发生异常，则电容96中储存的电能应要能够填补装置90供电短缺的部分，并维持端点900与902之间电压差在638V，直到供电异常的情况结束。常见的解决方式有，加大电容96的容量，使得电容96能够储存的电能有所提升。

然而，纵使加大了电容96的容量，于所属技术领域具有通常知识者可知，电容96中储存的电能仍有大部分是用于维持端点900与902之间电压差在638V，仅只有少部分的电能能用于填补设备90供电短缺的部分。换句话说，增加电容96的容量，仅是大幅增加制造成本而已，对于电压维持时间(hold up time)的帮助有限。显见，供电发生异常时，传统的电压维持电路都没有办法维持太久的时间，普遍地有电压维持时间不足的问题。因此，业界需要一种新的电压维持电路，在不需要加大电容的情况下，能够有更长的电压维持时间。

发明内容

有鉴于此，本申请提出一种电压维持电路，将用于维持端点电压差的电容和用于填补供电短缺的电容隔离开来。从而本申请的电压维持电路可以在不需要加大电容的情况下，有更长的电压维持时间。

本申请提出一种电压维持电路，耦接于装置的第一端和第二端之间。电压维持电路包含开关单元、第一电容与第二电容。开关单元受控于控制信号选择性地切换并联模式或供电模式，开关单元于并联模式导通第一电流路径，且开关单元于供电模式切换地导通第一电流路径与第二电流路径。第一电容耦接于第一端与第二端之间，第二电容耦接开关单元。于并联模式中，第二电容并联耦接第一电容。于供电模式中，当第二电流路径导通时，第二电容蓄积电能于电感，当第一电流路径导通时，电感输出电能。

于一些例子中，电压维持电路可以更包含电压侦测单元与控制单元，电压侦测单元侦测第一电容的电压值以产生电压侦测信号，控制单元依据电压侦测信号以产生控制信号。当控制单元依据电压侦测信号判断第一电容的电压值上升，且第一电容的电压值大于第一阈值时，控制单元可以产生控制信号以指示开关单元操作于并联模式。当控制单元依据电压侦测信号判断第一电容的电压值下降，且第一电容的电压值小于第二阈值时，控制单元可以产生控制信号以指示开关单元操作于供电模式。

于一些例子中，第一电容的电容值可以大于第二电容的电容值。此外，开关单元可以包含第一开关与第二开关，第一开关耦接于第一端和第一节点之间，第二开关耦接于第一节点和第二端之间，第二电容并联耦接第二开关。于并联模式中，第一开关导通且第二开关截止，而于供电模式中，第一开关与第二开关切换地导通。

本申请提出另一种电压维持电路，所述电压维持电路包含第一电容、第一开关、第二开关、第二电容与电感。第一电容耦接于装置的第一端和第二端之间。第一开关耦接于第一端和第一节点之间。第二开关耦接于第一节点和第二端之间。第二电容并联耦接第二开关。电感串联耦接第二电容。于并联模式中，第一开关导通且第二开关截止。于供电模式中，第一开关与第二开关切换地导通。

综上所述，本申请提供的电压维持电路，通过开关单元将第一电容与第二电容隔离开来，使得第一端与第二端之间电压差可以由第一电容维持，第二电容和电感的组合可以用于填补供电短缺。从而本申请的电压维持电路可以在不需要加大电容的情况下，有更长的电压维持时间。

有关本申请的其它功效及实施例的详细内容，配合附图说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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它的附图。

图1是绘示现有技术中的电压维持电路的功能方块图；

图2是依据本申请一实施例的电压维持电路的功能方块图；

图3是依据本申请一实施例的电压维持电路的波形示意图。

符号说明

1电压维持电路 10、12电容

14电感 16控制单元

18电压侦测单元 20装置

200、202端点 22隔离调压模块

24负载 A节点

SW1、SW2开关 90装置

900、902端点 92隔离调压模块

94负载 96电容

具体实施方式

有关本申请的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本申请。

请参阅图2，图2是绘示依据本申请一实施例的电压维持电路的功能方块图。如图2所示，电压维持电路1是电性连接在装置20和隔离调压模块22之间，隔离调压模块22可以将电力转换成符合负载24的额定电压后，再输出给负载24。在本实施例中，隔离调压模块22可包含具有隔离与调压功能的电源转换器以及调压式电源转换器，其中具有隔离与调压功能的电源转换器可为全桥式电源转换器或谐振式电源转换器等，调压式电源转换器可为降压式电源转换器或升压式电源转换器等。应注意的是，隔离调压模块22并不以此为限，凡是具有隔离与调整功能的电路皆属于本申请的范畴，例如隔离调压模块22亦可仅包含单一个具有隔离与调压功能的电源转换器。一般来说，为了使负载24有稳定的供电电压，隔离调压模块22的调压式电源转换器可使用降压式电源转换器，从而装置20输出给隔离调压模块22的电压会大于负载24的额定电压。在此，装置20可以有端点200(第一端)和端点202(第二端)，端点200可以是高电压端，端点202可以是低电压端，从而端点200和端点202之间会具有电压差。

本实施例的电压维持电路1为了维持端点200和端点202之间电压差的稳定。如果装置20的供电发生异常，电压维持电路1应要于一定时间内够填补装置20供电短缺的部分，并维持端点200和端点202之间的电压差。如此一来，在端点200和端点202之间的电压差不变的情况下，代表隔离调压模块22一次侧的电压是稳定的，从而能够确保隔离调压模块22二次侧电压不受影响。也就是说，在端点200和端点202之间的电压差不变的情况下，可以维持负载24的正常工作。实务上，当装置20的供电发生异常时，电压维持电路1要维持端点200和端点202之间电压差在可接受范围内的时间，称为电压维持时间(hold up time)。电压维持时间可例如是数毫秒到数秒不等，本实施例在此不加以限制。

图2绘示的电压维持电路1是具有电容10(第一电容)、开关SW1(第一开关)、开关SW2(第二开关)、电容12(第二电容)与电感14，并且电压维持电路1可以具有控制单元16用以控制开关SW1与开关SW2。电容10耦接于装置20的端点200和端点202之间，开关SW1耦接于端点200和节点A(第一节点)之间，开关SW2耦接于节点A和端点202之间。电容12与电感14是串联耦接在一起，且开关SW2并联耦接电容12与电感14。在此，开关SW1与开关SW2各自可以由一个或多个晶体管组成，只要能够整体实现开关的功能，本实施例不加以限制开关SW1与开关SW2的电路架构。此外，开关SW1与开关SW2组合起来可以看成一个耦接于端点200和端点202之间的开关单元。由于控制单元16可以个别控制开关SW1与开关SW2(或称控制开关单元)在并联模式与供电模式之间进行切换。于一个例子中，并联模式指的是开关SW1导通且开关SW2截止，而供电模式指的是开关SW1与开关SW2切换地导通。

为了详细说明本实施例的电压维持电路1，请一并参阅图2与图3，图3是绘示依据本申请一实施例的电压维持电路的波形示意图。如图所示，假设当装置20的供电正常时，装置20的端点200和端点202之间可以保持有稳定的电压。此时，如图3中的时间t0到时间t1之间，电容10会处在充电的状态，从而电容10两端的电压值(图3标示的V10)会逐渐升高。在此，电压维持电路1更可以具有电压侦测单元18，用以侦测电容10两端的电压值以产生电压侦测信号。于一个例子中，电压侦测单元18可以规律地取样电容10两端的电压值，以产生电压侦测信号，并且电压侦测单元18可以把一连串的电压侦测信号传送给控制单元16。换句话说，控制单元16可以依据前后的、连续的电压侦测信号判断电容10两端的电压值是否正在上升，或判断电容10两端的电压值是否正在下降。

当控制单元16判断电容10两端的电压值正在上升，且电容10两端的电压值大于第一阈值(例如电容10两端于时间t1的电压值)时，控制单元16可以产生控制信号以指示开关单元操作于并联模式。此时，如图3中的时间t1到时间t2之间，由于并联模式表示开关SW1导通且开关SW2截止，于电路上电容10与电容12可以视为并联，且同时处在充电的状态。值得一提的是，时间t1之前，开关SW1和开关SW2可以都是截止状态，从而可以视为优先替电容10充电，而在电容10充电到相当程度后，才会替电容12充电。

于一个例子中，时间t1到时间t2之间，并联模式中的开关SW1也有可能切换导通与截止。举例来说，本实施例的电压维持电路1更可以有电阻R，电阻R串联耦接电容12和电感14。电阻R例如可以是刻意设置的电阻或是回路中的内阻，本实施例不加以限制。在此，控制单元16为了监控并联模式下的电容12是否有过充的情况，可以通过侦测电阻R两端的电压，推算出流经电容12的电流大小。实务上，如果控制单元16判断流经电容12的电流过大，例如超过预设的阈值，则控制单元16可以用脉冲宽度调变(PWM)的方式有规律地控制开关SW1，使开关SW1快速切换导通与截止，直到流经电容12的电流回到正常范围。反之，如果控制单元16判断流经电容12的电流正常，则控制单元16可以保持开关SW1导通。接着，假设电容10与电容12在时间t2已经完成充电，且此时装置20的供电仍然是正常，如图3中的时间t2到时间t3之间，则开关单元仍可继续操作于并联模式。于一个例子中，电容10与电容12虽然已经充饱电，但可以继续保持浮充的状态。

假设装置20的供电于时间t3之后发生异常，如图3中的时间t3之后，控制单元16可以依据电压侦测信号判断电容10两端的电压值下降。图3中的时间t3到时间t4之间，由于电容10两端的电压差的波动相对较小(还没有小于第二阈值)，控制单元16仍然可以让开关SW1导通且开关SW2截止，维持着电容10与电容12并联的状态。因电容10与电容12都耦接在端点200和端点202之间，从而装置20的供电不足时，电容10与电容12都会开始消耗各自储存的电能。由图3可知，于时间t3到时间t4之间，电容10与电容12两端的电压差都开始下降。当电容10两端的电压差小于第二阈值(例如电容10两端于时间t4的电压值)时，表示电容10两端的电压差的波动相对较大，则控制单元16可以产生控制信号以指示开关单元开始操作于供电模式。

实务上，第二阈值可以是端点200和端点202之间可容忍的最低电压差，本实施例不限制第二阈值的数值。于供电模式中，如图3中的时间t4到时间t5之间，开关SW1与开关SW2会切换地导通。详细来说，开关SW2导通而开关SW1截止时，由于电容12已经有储存了电能，可知电容12会开始放电。在此，电容12的一端(高电压端)会输出电流到电感14，而所述电流会流经电感14，并经过节点A、开关SW2之后，回到电容12的另一端(低电压端)。换句话说，电容12、电感14和开关SW2会形成一个小型的回路(第二电流路径)。于所述技术领域具有通常知识者应可以明白，电感14可以具有暂时性储存电能的功能。因此，当控制单元16控制开关SW1导通而开关SW2截止时，原本于电感14中的电流仍会持续着相同方向，使得电流仍由电容12流向节点A。

由图2可知，此时电容12、电感14、开关SW1、端点200和端点202会形成另一个回路(第一电流路径)。换句话说，在供电模式中，当第二电流路径导通时，电容12蓄积电能于电感14，当第一电流路径导通时，电感14会将电能输出至端点200。简单来说，当开关SW1与开关SW2切换地导通，电感14便会规律地将原本储存于电容12的电能送至端点200，用以填补不足的电能，使得端点200和端点202之间可以保持有稳定的电压差。

此外，当端点200和端点202之间的电压差不变时，表示电容10两端的电压值保持不变。虽然在时间t4到时间t5之间，电容10两端的电压差不继续下降，但由于电容12的电能被电感14送出，电容12两端的电压值仍会持续下降直到无法继续送出电能。如前所述，由于第二阈值可以是端点200和端点202之间可容忍的最低电压差，因此只要是端点200和端点202之间的电压差大于第二阈值，实务上还是可以被接受的。换句话说，纵使装置20于时间t3即出现供电异常，但直到时间t5之前都还不至于影响隔离调压模块22提供给负载24的电压，即负载24还是处于可以正常工作的状态。可知，本实施例的电压维持时间(hold uptime)为时间t3到时间t5。

当然，假设装置20的供电异常的时间过久，电容12消耗完储存的电能，如图3中的时间t5之后，电容10中的电能也会接续被消耗而快速降低。此一阶段中，电容10已不能维持端点200和端点202之间的电压差，显然已经影响隔离调压模块22能够提供给负载24的电压，导致负载24不处于可以正常工作的状态。由于在时间t5之后已无关电压维持时间，本实施例在此便不予讨论。

整理上述的内容可知，当电容10两端的电压差小于第二阈值时，控制单元16可以产生控制信号以指示开关单元操作于供电模式。此时会优先消耗电容12中的电能，而维持电容10两端的电压差。由于电容12两端的电压值会持续下降直到无法继续送出电能，可知电容12的电能可以完全被用于填补装置20供电短缺的情况。实务上，电容12的电容值可以大于电容10的电容值。于图1的现有技术中，电容96大部分的电能要用于维持电容96两端的电压差在阈值(如本实施例的第二阈值)之上，能用在填补供电短缺的电能相对于电容96储存的总电能来说，其实比例很低。

有别于现有技术，本实施例由于将电容10和电容12区分开来，供电异常时会优先使用电容12中储存的电能，且电容12中储存的电能几乎可以完全被用尽。显然，本实施例能用在填补供电短缺的电能，相对于电容10和电容12中储存的总电能来说，比例非常高。特别是，在电容12的电容值大于电容10的电容值的例子中，能用在填补供电短缺的电能应会超过电容10和电容12储存的总电能的一半。特别是，在电容10两端的电压差为较高的电压差(例如600V以上)时，能用在填补供电短缺的电能甚至是电容10和电容12储存的总电能的七成以上。可见，本实施例的电压维持电路1可以更有效地利用成本，且对电压维持时间提升更有帮助。

综上所述，本申请提供的电压维持电路，通过开关单元将第一电容与第二电容隔离开来，使得第一端与第二端之间电压差可以由第一电容维持，第二电容和电感的组合可以用于填补供电短缺。从而本申请的电压维持电路可以在不需要加大电容的情况下，有更长的电压维持时间。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本申请技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本申请技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本申请内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修改为其它等效的实施例，但仍应视为与本申请实质相同的技术或实施例。

Claims (12)

1.一种电压维持电路，耦接于一装置的一第一端和一第二端之间，其特征在于，该电压维持电路包含：

一开关单元，受控于一控制信号选择性地切换一并联模式或一供电模式，该开关单元于该并联模式导通一第一电流路径，且该开关单元于该供电模式切换地导通该第一电流路径与一第二电流路径；

一第一电容，耦接于该第一端与该第二端之间；以及

一第二电容，耦接该开关单元；

其中于该并联模式中，该第二电容并联耦接该第一电容；

其中于该供电模式中，当该第二电流路径导通时，该第二电容蓄积电能于一电感，当该第一电流路径导通时，该电感输出电能。

2.如权利要求1所述的电压维持电路，其特征在于，更包含一电压侦测单元与一控制单元，该电压侦测单元侦测该第一电容的电压值以产生一电压侦测信号，该控制单元依据该电压侦测信号以产生该控制信号。

3.如权利要求2所述的电压维持电路，其特征在于，当该控制单元依据该电压侦测信号判断该第一电容的电压值上升，且该第一电容的电压值大于一第一阈值时，该控制单元产生该控制信号以指示该开关单元操作于该并联模式。

4.如权利要求2所述的电压维持电路，其特征在于，当该控制单元依据该电压侦测信号判断该第一电容的电压值下降，且该第一电容的电压值小于一第二阈值时，该控制单元产生该控制信号以指示该开关单元操作于该供电模式。

5.如权利要求1所述的电压维持电路，其特征在于，该第一电容的电容值大于该第二电容的电容值。

6.如权利要求1所述的电压维持电路，其特征在于，该开关单元包含一第一开关与一第二开关，该第一开关耦接于该第一端和一第一节点之间，该第二开关耦接于该第一节点和该第二端之间，该第二电容并联耦接该第二开关。

7.如权利要求6所述的电压维持电路，其特征在于，于该并联模式中，该第一开关导通且该第二开关截止，而于该供电模式中，该第一开关与该第二开关切换地导通。

8.一种电压维持电路，其特征在于，包含：

一第一电容，耦接于一装置的一第一端和一第二端之间；

一第一开关，耦接于该第一端和一第一节点之间；

一第二开关，耦接于该第一节点和该第二端之间；

一第二电容，并联耦接该第二开关；以及

一电感，串联耦接该第二电容；

其中于一并联模式中，该第一开关导通且该第二开关截止；

其中于一供电模式中，该第一开关与该第二开关切换地导通。

9.如权利要求8所述的电压维持电路，其特征在于，更包含一电压侦测单元与一控制单元，该电压侦测单元侦测该第一电容的电压值以产生一电压侦测信号，该控制单元依据该电压侦测信号以产生一控制信号，该控制信号指示该第一开关与该第二开关操作于该并联模式或该供电模式。

10.如权利要求9所述的电压维持电路，其特征在于，当该控制单元依据该电压侦测信号判断该第一电容的电压值上升，且该第一电容的电压值大于一第一阈值时，该控制单元控制该第一开关导通并控制该第二开关截止。

11.如权利要求9所述的电压维持电路，其特征在于，当该控制单元依据该电压侦测信号判断该第一电容的电压值下降，且该第一电容的电压值小于一第二阈值时，该控制单元控制该第一开关与该第二开关切换地导通。

12.如权利要求11所述的电压维持电路，其特征在于，于该供电模式中，当该第二开关导通且该第一开关截止时，该第二电容蓄积电能于该电感，当该第一开关导通且该第二开关截止时，该电感输出电能。