CN115912602A - 一种单电源输入的备用电源的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单电源输入的备用电源的连接方法，属于汽车低压电源的技术领域。其中备用电源包括：储能元件、短路保护模块、充电控制模块、输出防倒灌模块。该连接方法包括：短路保护模块串联在主回路上的主电源与负载之间，同时储能单元通过防倒灌模块的输出端与短路保护模块的输出端连接，使得负载为单电源输入；若主电源电压正常，则主电源通过短路保护模块给负载供电；若系统短路或断路时，主电源电压降低，则储能单元通过防倒灌模块向负载供电，同时短路保护模块阻止储能单元向主电源供电。本发明在不改变原供电网络的情况下，也不需要负载使用双电源架构，最大限度的降低系统更改量，节省开发和使用成本，为负载提供可靠的备用电源。
Description
技术领域
本发明涉及汽车低压电源的技术领域，特别涉及一种单电源输入的备用电源的连接方法。
背景技术
近年来，自动驾驶、线控底盘、隐藏式门把手等零部件逐渐在汽车上普及，但是整车的电子电气架构还来不及升级，或者是出于成本的考虑，大部分汽车还是沿用传统的低压供电网络，由单个电源给负载供电。但是在碰撞事故、电瓶或者保险丝盒发生故障的时候，或者其他负载短路时，对安全相关的负载也造成影响，导致其不能正常工作，影响车辆驾驶或乘客安全。
当前汽车上采用的备用电源方案中，如图1所示，需要负载使用双电源并联输入，或者负载本身需要双输入，造成系统相对复杂。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明在不改变原供电网络的情况下，也不需要负载使用双电源架构，最大限度的降低系统更改量，节省开发和使用成本，为负载提供可靠的备用电源，支撑其在系统短路和断路时功能可用。
为了达到上述目的，本发明提供了一种单电源输入的备用电源的连接方法，所述备用电源包括：储能元件、短路保护模块、充电控制模块、输出防倒灌模块；所述连接方法包括：
所述短路保护模块串联在主回路上的主电源与负载之间，同时所述储能单元通过所述防倒灌模块的输出端与所述短路保护模块的输出端连接，使得所述负载为单电源输入；
若所述主电源电压正常，则主电源通过所述短路保护模块给负载供电；
若系统短路或断路时，所述主电源电压降低，则所述储能单元通过所述防倒灌模块向所述负载供电，同时所述短路保护模块能够阻止所述储能单元向主电源供电。
进一步的，所述充电控制模块，其输入端连接输入电源，其输出端连接所述储能单元输入端，用于对所述储能单元进行充电；
所述输出防倒灌模块，其输入端连接所述储能单元输出端，其输出端连接所述短路保护模块的输出端，用于防止主回路对所述储能单元直接充电，导致所述备用电源回路过流或所述储能单元损坏。
进一步的，所述储能单元采用超级电容器、锂电池或混合型电池。
进一步的，所述短路保护模块采用理想二极管控制器芯片和与之相连的一个或者多个N沟道MOSEFT管；所述MOSEFT管源级连接输入端，其漏极连接至输出端，所述理想二极管控制器芯片与所述MOSEFT管的源极、漏极及栅极均链接，根据输入端和输出端之间的电压差控制所述MOSEFT管的导通和关断，实现低损耗反向保护。
进一步的，所述理想二极管控制器芯片采用Oring控制芯片。
进一步的，所述充电控制模块包括依次连接的反极性保护电路、PFET Buck开关控制器和电感L1，其输出端上还连接有电容C1，所述电容C1背向输出端一端接地。
进一步的，所述反极性保护电路使用Oring控制芯片与外部N沟道MOSFET并联模拟理想二极管的方式。
进一步的，所述PFET Buck开关控制器，通过电阻Rds调整输出电流阈值，开关频率最大可调为1MHz。
进一步的，所述PFET Buck开关控制器导通时间，关闭时间，输入电压与输出电压的关系式为：
其中：ton为导通时间，toff为关闭时间，Fs为开关频率。
进一步的，所述防倒灌模块采用二极管或理想二极管。
本发明的有益效果：
1、本发明用于解决单电源负载在系统短路或断路时不能正常使用的问题，在不改变原供电网络的情况下，也不需要负载使用双电源架构，最大限度的降低系统更改量，节省开发和使用成本，为负载提供可靠的备用电源，支撑其在系统短路和断路时功能可用。
2、本发明不改变备用电源模块以外的导线连接逻辑，不造成外部连接回路的原有电气原理和性能及电气安全的降低。
附图说明
图1是现有技术双电源连接架构示意图。
图2是本发明实施例单电源输入的备用电源的连接方法架构示意图。
图3是是本发明实施例备用电源架构示意图。
图4是本发明实施例短路保护模块电路图。
图5是本发明实施例充电控制模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的解释。
如图2所示，本发明实施例给出了一种单电源输入的备用电源的连接方法，其中备用电源整体框架的示意图如图3所示，包括：储能元件、短路保护模块、充电控制模块、输出防倒灌模块。
该连接方法包括：短路保护模块串联在主回路上的主电源与负载之间，同时储能单元通过所述防倒灌模块的输出端与短路保护模块的输出端连接，使得负载为单电源输入；若主电源电压正常，则主电源通过短路保护模块给负载供电；若系统短路或断路时，主电源电压降低，则储能单元通过防倒灌模块向所述负载供电。
充电控制模块，其输入端连接输入电源KL15，其输出端连接储能单元输入端，用于对储能单元进行充电；输出防倒灌模块，其输入端连接储能单元输出端，其输出端连接短路保护模块的输出端，用于防止主回路对储能单元直接充电，导致备用电源回路过流或储能单元损坏；短路保护模块串联在主回路上，且其输出端同时连接防倒灌模块的输出端，确保将所述储能单元能量准确提供给负载，而不至于输入给主电源；实现储能单元对单电源负载进行供电。
储能单元采用超级电容器、锂电池或混合型电池。
短路保护模块采用理想二极管控制器芯片和与之相连的一个或者多个MOSEFT管。由理想二极管控制器控制的短路保护模块可以从储能元件，为其内部的charge pump模块供电，确保它们在处于shut down状态下完成升压操作，满足对MOSFET管的驱动能力，从而可以实现整个系统的低功耗运行。
采用理想二极管控制器芯片制作的短路保护模块，具体的该短路保护模块包括的理想二极管控制器芯片和与之相连的N沟道MOSEFT管，MOSEFT管与理想二极管控制器芯片相连，可以增加整个系统的驱动能力，理想二极管控制器与外部N通道MOSFET管配合工作，可作为理想二极管整流器利用微小的正向压降实现低损耗反向保护。
为实现短路保护功能，我们采用Oring控制芯片与外部N沟道MOSFET并联模拟理想二极管的方法，实现低损耗反极性保护。对比P沟道MOSFET与二极管的实现方式，该电路优点在于结构简单，使用器件少，损耗低。使用芯片内部电荷泵驱动N-MOSFET门级，开通电压约为15V。持续监控GATE与CATHODE引脚电压，自动调整GATE与ANODE电压以使前向压降维持在20mV。这种闭环调整策略使N-MOSFET可在有反向电流时立即关闭，并且可以确保无反向漏电流。当ANODE与CATHODE引脚压差降至-11mV以下时，快速判断此时有反向电流，随即GATE引脚关闭N-MOSFET，并且使用体二极管阻止电流反向流动，实现主电源或其他前端负载短路时防倒灌功能。
对于充电控制，通常有两种设计思路：一种是加限流负载，如限流电阻、限流电感等；另一种是采用电力电子变换器电路进行控制。理论上两种方式都能控制充电电流的最大值，但是第一种方式难以控制电流最小值，灵活性不够好，对于充电电压的控制也不易实现。第一种方式限流电阻或者限流电感在充电时的损耗很大。采用第二种方式则可以灵活控制充电电流和充电电压，满足充电电流和电压精度要求。因此设计上采用电力电子电路来控制充电，选择Buck DCDC变流器方式，采用功率MOSFET+控制IC设计。
具体的，该充电控制选用PFET Buck开关控制器，同时在充电输入口采用了反极性保护电路，使用Oring控制芯片与外部N沟道MOSFET并联模拟理想二极管的方式，保护原如前文所述。充电芯片选用PFET BUCK开关控制器，通过其内部电阻Rds调整输出电流阈值，开关频率最大可调为1MHz。
具体的，该Buck电路导通占空比可达100％，扩展了电压调整范围，即使输入电压很低，输出也能保持稳定。采用PFET降压型直流控制器，使用恒定开通时间控制策略。使用PFET作为开关调整管极大的简化了门级驱动电路的设计，PFET通常比NFET有更高的导通阻抗和门级充电电流，可以限制最大充电电流10A。
具体的，使用反馈信号来实现恒定导通时间控制。在PFET关闭期间，负载电流由电感L1及输出电容C1提供。当输出电压下降时，反馈输入脚FB电压也下降，当下降到调整时，PFET会立即导通，导通时间由输入电压Vin与RT电阻决定。在PFET导通期间，电感电流上升导致FB上电压上升，直到超过反馈比较门限，从而实现输出端目标电压。导通时间，关闭时间，输入电压与输出电压的关系式为：
其中：ton为导通时间，toff为关闭时间，Fs为开关频率。
本发明实施例所用备用电源的工作原理是：
可以不改变原供电回路，通过短路保护直接串接在主回路中，不改变主电源及负载原有结构。同时不改变备用电源模块以外的导线连接逻辑和不造成外部连接回路的原有电气原理和性能及电气安全的降低。在主电源或其他负载发生短路故障时，前端的短路保护模块发生作用，其采用二极管或理想二极管自动切断备用电源与主电源的电路，将备用电源能量准确提供给负载，而不至于将能量输入给主电源。本备用电源系统的输出防倒灌模块，采用二极管或理想二极管，防止主回路对备用电源储能元件直接充电，导致备用电源回路过流或储能元件损坏。本备用电源系统具备充电控制模块，采用DC/DC Buck电路，可以灵活控制充电电流，限制充电电流过大。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于，所述备用电源包括：储能元件、短路保护模块、充电控制模块、输出防倒灌模块；所述连接方法包括：
所述短路保护模块串联在主回路上的主电源与负载之间，同时所述储能单元通过所述防倒灌模块的输出端与所述短路保护模块的输出端连接，使得所述负载为单电源输入；
若所述主电源电压正常，则主电源通过所述短路保护模块给负载供电；
若系统短路或断路时，所述主电源电压降低，则所述储能单元通过所述防倒灌模块向所述负载供电，同时所述短路保护模块能够阻止所述储能单元向主电源供电。
2.根据权利要求1所述的单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于：
所述充电控制模块，其输入端连接输入电源，其输出端连接所述储能单元输入端，用于对所述储能单元进行充电；
所述输出防倒灌模块，其输入端连接所述储能单元输出端，其输出端连接所述短路保护模块的输出端，用于防止主回路对所述储能单元直接充电，导致所述备用电源回路过流或所述储能单元损坏。
3.根据权利要求1所述的单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于：所述储能单元采用超级电容器、锂电池或混合型电池。
4.根据权利要求1所述的单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于：所述短路保护模块采用理想二极管控制器芯片和与之相连的一个或者多个N沟道MOSEFT管；所述MOSEFT管源级连接输入端，其漏极连接至输出端，所述理想二极管控制器芯片与所述MOSEFT管的源极、漏极及栅极均链接，根据输入端和输出端之间的电压差控制所述MOSEFT管的导通和关断，实现低损耗反向保护。
5.根据权利要求4所述的单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于：所述理想二极管控制器芯片采用Oring控制芯片。
6.根据权利要求1所述的单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于：所述充电控制模块包括依次连接的反极性保护电路、PFET Buck开关控制器和电感L1，其输出端上还连接有电容C1，所述电容C1背向输出端一端接地。
7.根据权利要求6所述的单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于：所述反极性保护电路使用Oring控制芯片与外部N沟道MOSFET并联模拟理想二极管的方式。
8.根据权利要求6所述的单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于：所述PFETBuck开关控制器，通过电阻Rds调整输出电流阈值，开关频率最大可调为1MHz。
9.根据权利要求6所述的单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于：所述PFETBuck开关控制器导通时间，关闭时间，输入电压与输出电压的关系式为：
其中：ton为导通时间，toff为关闭时间，Fs为开关频率。
10.根据权利要求1所述的单电源输入的备用电源的连接方法，其特征在于：所述防倒灌模块采用二极管或理想二极管。
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