CN112886695A - 不断电供电系统 - Google Patents

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CN112886695A CN201911205184.4A CN201911205184A CN112886695A CN 112886695 A CN112886695 A CN 112886695A CN 201911205184 A CN201911205184 A CN 201911205184A CN 112886695 A CN112886695 A CN 112886695A
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Abstract

一种不断电供电系统，连接负载，通过电源单元或电池单元对负载进行供电。不断电供电系统包含输出端、第一开关、第二开关、第三开关、控制器以及保护电路。当通过电源单元对负载进行供电的第一期间，控制器控制第一开关及第三开关导通且第二开关关断，当通过电池单元对负载进行供电的第二期间，控制器控制第一开关关断且第二开关及第三开关导通，其中在第一期间，若电源单元及输出端的至少一者发生异常，或者在第二期间，若电池单元及输出端的至少一者发生异常，通过保护电路和控制器的至少一者关断第三开关。

Description

不断电供电系统
技术领域
本发明涉及一种不断电供电系统，特别涉及一种具有软件与硬件保护的不断电供电系统。
背景技术
相较于商业或工业用途，医疗机构在电源保护系统方面要求的标准较高。医疗保健设施必须备有稳定供电，让无数重要医疗保健装置运转。举例来说，核磁共振(MRI)、电脑断层(CT)扫描器、X光、气体分析仪、超音波和造影装置都需要安装不断电系统，以确保其运行效能的需求。由于部分医疗设施的运行关系着病人的生命，因此当供电出现异常导致医疗设施无法运行时，需要能实时得知以进行后续处理，因此如何能实时及确得知不断电系统的供电出现异常是相当重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不断电供电系统，解决现有技术的问题。
为实现前述目的，本发明所提出的不断电供电系统连接负载，通过电源单元或电池单元对负载进行供电。不断电供电系统包含输出端、第一开关、第二开关、第三开关、控制器以及保护电路。输出端耦接负载。第一开关具有第一端和耦接电源单元的第二端。第二开关具有第一端和耦接电池单元的第二端。第三开关具有耦接第一开关的第一端与第二开关的第一端的第一端，及耦接输出端的第二端。其中，当通过电源单元对负载进行供电的第一期间，控制器控制第一开关及第三开关导通且第二开关关断，当通过电池单元对负载进行供电的第二期间，控制器控制第一开关关断且第二开关及第三开关导通，其中在第一期间，若电源单元及输出端的至少一者发生异常，或者在第二期间，若电池单元及输出端的至少一者发生异常，通过保护电路和控制器的至少一者关断第三开关。
通过所提出的不断电供电系统，可提高供电可靠度与安全性。
为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得以深入且具体的了解，然而说明书附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1：为本发明的不断电供电系统第一实施例的系统方框图。
图2：为本发明的不断电供电系统第二实施例的系统方框图。
图3：为本发明保护电路的电路方框图。
图4：为本发明以硬件、软件的方式对第三开关进行控制的电路方框图。
图5：为本发明以硬件的方式对异常指示单元进行控制的电路方框图。
图6：为本发明以软件的方式对异常指示单元进行控制的电路方框图。
图7：为本发明以硬件、软件的方式对输出端检测输出电流的电路方框图。
图8：为本发明以软件的方式对输出端检测输出电流转换为检测信号的电路图。
附图标记说明：
10电源单元
20电池单元
30输出端
11第一开关
12第二开关
13第三开关
40控制器
50异常指示单元
61第一电源转换器
62第二电源转换器
70保护电路
Ps1第一供电路径
Ps2第二供电路径
VPU输出电源
VBAT输出电源
VMCU电压
VBAZ电压
SW1第一开关信号
SW2第二开关信号
SW3第三开关信号
SW6第六开关信号
Qsw31第一控制开关
Qsw32第二控制开关
QBAZ第三控制开关
Rh第一电阻
Rs第二电阻
pu_vs1第一电压信号
bat_vs1第二电压信号
out_vs1第三电压信号
Iout输出电流
out_is电流信号
out_REF第三参考电压
pu_REF第二参考电压
Isen第一电流信号
i_REF参考电流
Vh电压
Vs电压
Spu_uvp第二输出信号
Spu_ovp第一输出信号
Sbat_uvp第三输出信号
Sout_uvp第四输出信号
Sout_ocp第五输出信号
pu_vs2第一电压信号
bat_vs2第二电压信号
out_vs2第三电压信号
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
请参见图1所示，其为本发明的不断电供电系统第一实施例的系统方框图。本发明的不断电供电系统是通过电源单元(power unit,PU)10或电池单元20对输出端30提供不间断供电。电源单元10可为交流对直流转换器(AC/DC converter)，用以将接收的交流电(例如市电)转换成直流电。输出端30是可耦接接受直流供电的负载。一般来说，在电源单元10接收的输入电源(例如市电)正常时，不断电供电系统是通过电源单元10供电。当输入电源异常时，不断电供电系统则切换为电池单元20进行供电。不断电供电系统包含第一供电路径Ps1、第二供电路径Ps2、第一开关11、第二开关12、第三开关13、控制器40及保护电路70。
第一供电路径Ps1耦接电源单元10与输出端30之间，即第一供电路径Ps1为传输电源单元10输出电源VPU的供电路径。第二供电路径Ps2耦接电池单元20与输出端30之间，即第二供电路径Ps2为传输电池单元20输出电源VBAT的供电路径。
第一开关11设置第一供电路径Ps1上，且一端耦接电源单元10。第二开关12设置第二供电路径Ps2上，且一端耦接电池单元20。第三开关13设置第一供电路径Ps1与第二供电路径Ps2上，且一端耦接第一开关11与
第二开关12，另一端耦接输出端30。意即，第三开关13设置于第一供电路径Ps1与第二供电路径Ps2的共同路径上。其中，第一开关11、第二开关12以及第三开关13可为半导体功率开关，例如MOSFET、BJT、IGBT、SCR……等等，亦可为机械式开关，例如继电压(Relay)……等等，然不以上述开关种类为限制本发明。
在本实施例中，当通过电源单元10对该负载进行供电时，控制器40通过第一开关信号SW1控制第一开关11导通及通过第三开关信号SW3控制第三开关13导通且通过第二开关信号SW2控制第二开关12关断。当通过电池单元20对负载进行供电时，控制器40通过第一开关信号SW1控制第一开关11关断且通过第二开关信号SW2控制第二开关12导通及通过第三开关信号SW3控制第三开关13导通。在通过电源单元10对负载进行供电的期间，若电源单元10发生第一异常状况或者输出端30发生第三异常状况时，或者当通过电池单元20对负载进行供电的期间，若电池单元20发生第二异常状况或者输出端30发生第三异常状况时，可通过保护电路70和控制器40的至少一者关断第三开关13。
所述第一异常状况可包含电源单元10发生欠电压异常(under voltageabnormality)或过电压异常(over voltage abnormality)；所述第二异常状况可包含电池单元20发生欠电压异常；所述第三异常状况可包含输出端30发生欠电压异常或过电流异常(over current abnormality)。
在一些实施例中，控制器40例如是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程序化的微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、可程序化控制器、特殊应用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuits，ASIC)、可程序化逻辑装置(Programmable Logic Device，PLD)或其他类似装置。保护电路70例如为包含多个运算放大器的模拟电路，但其并非用以限制本发明。
本发明的不断电供电系统是同时具有软件(即控制器40)与硬件(即保护电路70)保护的不断电供电系统，因此有双重保护效果。换言之，若不断电供电系统出现异常，即使控制器40和保护电路70的其中一者亦发生异常，仍有另一者能确实判断异常的发生并实时做出对应的处理，避免后端的负载因供电异常而无法正常操作却没有判断出来，导致意外的发生。不断电供电系统还包含异常指示单元50，其耦接于控制器40和保护电路70。异常指示单元50是用以当电源单元10、电池单元20或者输出端30发生异常状况时，作为异常状况发生的指示之用。异常指示单元50可通过声、光或其他形式作为指示之用，在一实施例中，异常指示单元50可为蜂鸣器(buzzer)，当异常状况发生时，可控制蜂鸣器发出声响，使操作者或使用者知悉。
在不断电供电系统中，控制器40与异常指示单元50是通过电源单元10所提供的输出电源VPU或者电池单元20所提供的输出电源VBAT所供电。具体地，当电源单元10供电时，电源单元10所提供的输出电源VPU是通过第一电源转换器61将输出电源VPU转换为可供控制器40使用的电压VMCU，例如但不限制为3.3伏特，另外电源单元10所提供的输出电源VPU是通过第二电源转换器62将输出电源VPU转换为可供异常指示单元50使用的电压VBAZ，例如但不限制为16伏特。类似地，当电池单元20供电时，电池单元20所提供的输出电源VBAT是通过第一电源转换器61将输出电源VBAT转换为可供控制器40使用的电压VMCU，例如但不限制为3.3伏特，另外电池单元20所提供的输出电源VBAT是通过第二电源转换器62将输出电源VBAT转换为可供异常指示单元50使用的电压VBAZ，例如但不限制为16伏特。借此，通过电源单元10或电池单元20的供电，使得控制器40与异常指示单元50能够维持正常的运行。
本发明对于异常保护的种类包括电源单元10发生欠电压异常或过电压异常的第一异常状况；电池单元20发生欠电压异常的第二异常状况；输出端30发生欠电压异常或过电流异常的第三异常状况。请配合参见图3所示，其为本发明保护电路的电路方框图。对于硬件保护的方式，主要是直接通过硬件电路产生相对应上述异常状况的控制信号，对第三开关13进行关断的控制，使得电源单元10或电池单元20与输出端30断路，以隔断异常状况发生时对系统所造成的损害。如图3所示，所述控制信号分别为与电源单元10发生欠电压异常与过电压异常相对应的第二输出信号Spu_uvp与第一输出信号Spu_ovp、与电池单元20发生欠电压异常相对应的第三输出信号Sbat_uvp以及与输出端30发生欠电压异常与过电流异常相对应的第四输出信号Sout_uvp与第五输出信号Sout_ocp，如下表所列的对应关系。
异常来源 异常种类 对应的控制信号
电源单元 发生过电压异常 第一输出信号Spu_ovp
电源单元 发生欠电压异常 第二输出信号Spu_uvp
电池单元 发生欠电压异常 第三输出信号Sbat_uvp
输出端 发生欠电压异常 第四输出信号Sout_uvp
输出端 发生过电流异常 第五输出信号Sout_ocp
如图3所示，上述异常种类所对应的控制信号是通过保护电路70所产生。具体地，对电源单元10发生欠电压异常的检测是通过在电源单元10侧所设置的分压电路(如图1所示)，将输出电源VPU分压所得到的第一电压信号pu_vs1，利用保护电路70的其中一比较单元(例如运算放大器)与第二参考电压pu_REF进行比较。若经分压后的第一电压信号pu_vs1小于第二参考电压pu_REF(或者第二参考电压pu_REF再分压所得的电压)，则检测出电源单元10发生欠电压异常，此时比较单元输出高准位信号，并且启动保护电路70中的对应的锁存线路(栓锁线路)，使得保护电路70输出高准位的第二输出信号Spu_uvp。
再配合参见图4所示，其为本发明以硬件、软件的方式对第三开关进行控制的电路方框图。高准位的第二输出信号Spu_uvp控制第一控制开关Qsw31导通，使得第二控制开关Qsw32对应地被关断，因此，控制第三开关13关断，使得当电源单元10发生欠电压异常，通过将第三开关13关断，以避免异常欠电压的电源单元10对系统供电。此外，配合参见图5，其为本发明以硬件的方式对异常指示单元进行控制的电路方框图。当电源单元10发生欠电压异常时，高准位的第二输出信号Spu_uvp同时控制第三控制开关QBAZ导通，使得异常指示单元50(以蜂鸣器为例)发出声响，以告知操作者电源单元10发生欠电压异常。
类似地，对电源单元10发生过电压异常的检测同样是通过在电源单元10侧所设置的分压电路(如图1所示)，将所得到的第一电压信号pu_vs1利用保护电路70的其中一比较单元与第一参考电压(例如10伏特)进行比较。若经分压后的第一电压信号pu_vs1大于第一参考电压10伏特(或者第一参考电压10伏特再分压所得的电压)，则检测出电源单元10发生过电压异常，此时比较单元输出高准位信号，并且启动保护电路70中的对应的锁存线路，使得保护电路70输出高准位的第一输出信号Spu_ovp至第一控制开关Qsw31。其之后的操作可参照先前实施例，于此不再赘述。
类似地，对电池单元20发生欠电压异常的检测同样是通过在电池单元20侧所设置的分压电路(如图1所示)，将所得到的第二电压信号bat_vs1利用保护电路70的其中一比较单元与参考电压(例如10伏特)进行比较。若经分压后的第二电压信号bat_vs1小于参考电压10伏特(或者参考电压10伏特再分压所得的电压)，则检测出电池单元20发生欠电压异常，因此，需要启动硬件保护，此时比较单元输出高准位信号，并且启动保护电路70中的对应的锁存线路，使得保护电路70输出高准位的第三输出信号Sbat_uvp至第一控制开关Qsw31。其之后的操作可参照先前实施例，于此不再赘述。
类似地，对输出端30发生欠电压异常的检测同样是通过在输出端30侧所设置的分压电路(如图1所示)，将所得到的第三电压信号out_vs1利用保护电路70的其中一比较单元与第三参考电压out_REF进行比较。若经分压后的第三电压信号out_vs1小于第三参考电压out_REF(或者第三参考电压out_REF再分压所得的电压)，则检测出输出端30发生欠电压异常，此时比较单元输出高准位信号，并且启动保护电路70中的对应的锁存线路，使得保护电路70输出高准位的第四输出信号Sout_uvp至第一控制开关Qsw31。其之后的操作可参照先前实施例，于此不再赘述。
至于对输出端30发生过电流异常的检测则是通过在输出端30侧所设置的电流检测电路(如图7所示，其为本发明以硬件、软件的方式对输出端检测输出电流的电路方框图)，将输出电流Iout流经第一电阻Rh所转换的电压Vh提供至图3所示的保护电路70，先经由一级的运算放大器将电压Vh信号放大而得到输出的第一电流信号Isen，再利用保护电路70的其中一比较单元与参考电流i_REF进行比较。若第一电流信号Isen大于参考电流i_REF，则检测出输出端30发生过电流异常，因此，需要启动硬件保护，此时比较单元输出高准位信号，并且启动保护电路70中的对应的锁存线路，使得保护电路70输出高准位的第五输出信号Sout_ocp至第一控制开关Qsw31。其之后的操作可参照先前实施例，于此不再赘述。
综上对于电源单元10、电池单元20以及输出端30的异常状况的说明，主要是通过保护电路70(即硬件架构)所产生对应异常种类的控制信号，对第三开关13与异常指示单元50进行控制，以达到当发生任何一种异常状况时，即启动硬件保护，关断第三开关13以及使异常指示单元50动作，使得操作者能即刻发现系统异常，而能迅速地进行处理。
以下，将针对当异常状况发生时，启动软件保护(即通过控制器40进行控制)的说明。请参见图2所示，其为本发明的不断电供电系统第二实施例的系统方框图。如图2所示，由于系统架构与图1基本上相同，因此不再加以赘述。
如图2所示，控制器40是接收至少一检测信号，并且直接输出第三开关信号SW3控制关断第三开关13，以及直接输出第六开关信号SW6控制第三控制开关QBAZ导通，使异常指示单元50动作。所述检测信号包含与电源单元10相应的第一电压信号pu_vs2、与电池单元20相应的第二电压信号bat_vs2、与输出端30相应的第三电压信号out_vs2以及与输出端30相应的电流信号out_is，如下表所列的对应关系。
异常来源 异常种类 对应的控制信号
电源单元 发生欠电压异常 第一电压信号pu_vs2
电源单元 发生过电压异常 第一电压信号pu_vs2
电池单元 发生欠电压异常 第二电压信号bat_vs2
输出端 发生欠电压异常 第三电压信号out_vs2
输出端 发生过电流异常 电流信号out_is
具体地，对电源单元10发生欠电压异常的检测是通过在电源单元10侧所设置的分压电路(如图2所示)，将输出电源VPU分压所得到的第一电压信号pu_vs2提供至控制器40，控制器40再将此第一电压信号pu_vs2与内部设计的电压值比较(利如小于一临界电压)，判断出电源单元10发生欠电压异常，输出第三开关信号SW3，控制第二控制开关Qsw32关断(如图4所示)，因此，控制第三开关13关断，使得当电源单元10发生欠电压异常，通过将第三开关13关断，以避免异常欠电压的电源单元10对系统供电。此外，配合参见图6，其为本发明以软件的方式对异常指示单元进行控制的电路方框图。当电源单元10发生欠电压异常时，高准位的第六开关信号SW6同时控制第三控制开关QBAZ导通，使得异常指示单元50(以蜂鸣器为例)发出声响，以告知操作者电源单元10发生欠电压异常。
类似地，对电源单元10发生过电压异常的检测是通过在电源单元10侧所设置的分压电路(如图2所示)，将输出电源VPU分压所得到的第一电压信号pu_vs2提供至控制器40，控制器40再将此第一电压信号pu_vs2与内部设计的电压值比较(利如大于一临界电压)，判断出电源单元10发生过电压异常，输出第三开关信号SW3，控制第二控制开关Qsw32关断进而控制第三开关13关断。其之后的操作可参照先前实施例，于此不再赘述。
类似地，对电池单元20发生欠电压异常的检测是通过在电池单元20侧所设置的分压电路(如图2所示)，将输出电源VBAT分压所得到的第二电压信号bat_vs2提供至控制器40，控制器40再将此第二电压信号bat_vs2与内部设计的电压值比较(利如小于一临界电压)，判断出电源单元10发生欠电压异常，输出第三开关信号SW3，控制第二控制开关Qsw32关断进而控制第三开关13关断。其之后的操作可参照先前实施例，于此不再赘述。
类似地，对输出端30发生欠电压异常的检测是通过在输出端30侧所设置的分压电路(如图2所示)，将所得到的第三电压信号out_vs2提供至控制器40，控制器40再将此第三电压信号out_vs2与内部设计的电压值比较(利如小于一临界电压)，判断出输出端30发生欠电压异常，输出第三开关信号SW3，控制第二控制开关Qsw32关断进而控制第三开关13关断。其之后的操作可参照先前实施例，于此不再赘述。
至于对输出端30发生过电流异常的检测则是通过在输出端30侧所设置的电流检测电路(如图7所示)，将输出电流Iout流经第二电阻Rs所转换的电压Vs提供至图8(其为对输出端检测输出电流转换为检测信号的电路图)所示的转换电路，以转换电压Vs为电流信号out_is。转换后的电流信号out_is提供至控制器40，控制器40再将此电流与内部设计的电流值比较(利如大于一临界电流)，判断出输出端30发生过电流异常，输出第三开关信号SW3，控制第二控制开关Qsw32关断进而控制第三开关13关断。其之后的操作可参照先前实施例，于此不再赘述。
综上所述，本发明是具有以下的特征与优点：
1、可同时具有软件方式(例如控制器40)与硬件方式(例如保护电路70)的保护机制，以提高不断电供电系统的供电可靠度与安全性。
2、通过异常指示单元(例如蜂鸣器)以作为当异常状况发生时对操作者的告知，使得操作者能即刻发现系统发生异常，并可迅速地进行处理。
以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以相关申请文件为准，凡合于本发明相关申请文件的构思与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本公开的权利要求。

Claims (10)

1.一种不断电供电系统，连接一负载，通过一电源单元或一电池单元对该负载进行供电，该不断电供电系统包含：
一输出端，耦接该负载；
一第一开关，具有一第一端和耦接该电源单元的一第二端；
一第二开关，具有一第一端和耦接该电池单元的一第二端；
一第三开关，具有耦接该第一开关的该第一端与该第二开关的该第一端的一第一端，及耦接该输出端的一第二端；
一控制器；及
一保护电路；
其中，当通过该电源单元对该负载进行供电的一第一期间，该控制器控制该第一开关及该第三开关导通且该第二开关关断，当通过该电池单元对该负载进行供电的一第二期间，该控制器控制该第一开关关断且该第二开关及该第三开关导通，其中在该第一期间，若该电源单元及该输出端的至少一者发生异常，或者在该第二期间，若该电池单元及该输出端的至少一者发生异常，通过该保护电路和该控制器的至少一者关断该第三开关。
2.如权利要求1所述的不断电供电系统，还包含：
一异常指示单元，耦接该保护电路与该控制器；
其中，当该电源单元、该电池单元或者该输出端发生异常时，该异常指示单元动作。
3.如权利要求1所述的不断电供电系统，其中：
该电源单元的异常包含一欠电压异常或一过电压异常；
该电池单元的异常包含一欠电压异常；及
该输出端的异常包含一欠电压异常或一过电流异常。
4.如权利要求1所述的不断电供电系统，其中该控制器接收多个检测信号，并根据所述多个检测信号产生一开关信号控制该第三开关的导通或关断。
5.如权利要求4所述的不断电供电系统，其中所述多个检测信号包含与该电源单元相应的一第一电压信号、与该电池单元相应的一第二电压信号、与该输出端相应的一第三电压信号及一第一电流信号。
6.如权利要求1所述的不断电供电系统，其中该保护电路包含：
一第一比较器，比较与该电源单元相应的一第一电压信号与一第一参考电压以产生一第一输出信号，借此判断该电源单元是否发生过电压；
一第二比较器，比较该第一电压信号与一第二参考电压以产生一第二输出信号，借此判断该电源单元是否发生欠电压；
一第三比较器，比较与该电池单元相应的一第二电压信号与该第一参考电压以产生一第三输出信号，借此判断该电池单元是否发生欠电压；
一第四比较器，比较与该输出端相应的一第三电压信号与一第三参考电压以产生一第四输出信号，借此判断该输出端是否发生欠电压；及
一第五比较器，比较与该输出端相应的一第一电流信号与一参考电流以产生一第五输出信号，借此判断该输出端是否发生过电流。
7.如权利要求6所述的不断电供电系统，还包含：
一第四开关，包含：
一控制端接收该第一输出信号、该第二输出信号、该第三输出信号、该第四输出信号、该第五输出信号；及
一第一端；及
一第五开关，包含：
一控制端，电性连接该第四开关的该第一端；及
一第一端，电性连接该第三开关。
8.如权利要求7所述的不断电供电系统，其中该控制器接收多个检测信号，并根据所述多个检测信号产生一开关信号，其中该第五开关的该控制端还接收该开关信号。
9.如权利要求8所述的不断电供电系统，其中当该开关信号具有高逻辑准位，或是该第一输出信号、该第二输出信号、该第三输出信号、该第四输出信号、该第五输出信号的至少一者具有高逻辑准位，该第五开关关断以导通该第三开关。
10.如权利要求8所述的不断电供电系统，还包含一分压产生电路电性连接该输出端，该分压产生电路根据该输出端的输出电流产生一第一电压和一第二电压，该第一电压相应该第一电流信号，且该第二电压相应一第二电流信号提供给该控制器以判断该输出端是否发生过电流。
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