CN1282295C - 开关电源装置 - Google Patents

Abstract

开关电源，包括一备用蓄电池，以及一用于控制蓄电池充电和放电的电路，该电路在蓄电池外壳内，可以严格地控制蓄电池的充电和放电。开关电源电路包括整流和平滑电路，用于在正常操作时间平滑来自商用电源(Vin)的交流输入，由DC-DC变换器控制的电池组件能够持续地输出预定直流电源电压，用于在交流输入停止的时候向DC-DC变换器提供电源电压，一充电电路部分，用于控制备用电池的充电和放电，以及一充电和放电控制电路。该电池组件和电路，例如DC-DC变换器，安装在同一个装置外壳中。

Description

开关电源装置

                         发明背景

(1)发明领域

本发明涉及开关电源装置，具有起备用电池作用的蓄电池，利用诸如在商用电源停止的时候，可以获得预定直流电源电压的蓄电池，尤其是，本发明涉及开关电源装置，在来自商用电源的交流输入停止的时候，它可以稳压地持续向诸如信息处理装置等装置供电。

(2)相关技术的描述

在使用来自商用电源的输入的电源装置中在任何时候可能发生像电源停止这样的电力故障，或者事故暂停。这种情况无疑是人们不希望出现的。如果信息处理装置，例如个人计算机系统中的备用数据，没有存储在非易失性存储媒体中，那么这些数据将在发生这种电力故障的时候丢失。如果电力故障或事故持续几十毫秒或更长时间，个人计算机将丢失数据。

这个问题的一个解决方案之一是使用不间断电源(UPS)。如果使用UPS，在商用电源的供电被中断或者停止的时候，个人计算机、服务器，或者主机可以得到持续的供电。也就是说，计算机系统能够维持它的正常操作状态而对于一个用户来说不产生电源中断。但是UPS向计算机系统供电是有时间限制的。

因此，如果电力故障持续的时间比UPS能供电的时间还长(即，当存储在UPS中的电能耗尽)，计算机系统的电力供应就会停止，数据以及当前使用或显示的应用程序将遭到损坏。而且，UPS是昂贵的，并且通常是商业用户使用UPS。同时，能够供电的时间越长，UPS将越昂贵。因此，大部分的小规模商业用户和家庭用户不买UPS，所以他们在电力故障或暂停的时候丢失数据的可能性更大。

例如，日本待公开专利申请No.2000-14043因此公开了一种用于由商用电源供电的计算机的内置不间断电源。这种类型的不间断电源能被集成在具有电力控制机制的个人计算机系统中，例如挂起/恢复机制。如果发生交流电故障，可靠的廉价电源备用系统将用来保持数据。

UPS连接到信息处理装置之外，并且被使用。这就需要装置空间。而且，UPS是昂贵的。因此通常考虑使用具有备用功能的稳压DC电源。例如，日本待公开专利申请No.2002-27683公开了一种电气装置，具有备用电源，其系统结构通过不使用不间断电源而简化。

但是，使用通常的备用电源，电池组件中包括用于禁止放电的开关，并且具有一个用于充电和放电的端。因此，难以抑制从电池到变换器部分流动的漏电流。而且，如果电池组件括在一个装置外壳中，带有备用电源的开关电源装置的尺寸将增加。因此，很多具有备用电源的开关电源装置不包括电池。此外，开关电源电路所安装的结构，例如，在信息处理装置的外壳中采用驱动架，所以需要额外的安装空间和接线。

与电池连接的专用架(槽)也是必须的，尤其是如果开关电源电路连接在架中。因此，整个电池变得昂贵了。

而且，与装有空调的房间中使用的服务器和个人计算机不同，用于工厂自动化(FA)的蓄电池存在以下问题。如果蓄电池用在环境温度相当高的情况下，其寿命将会缩短。如果蓄电池使用在相当低的环境温度中，其内部阻抗将增加，从而不会获得有效供电。

                         发明概述

本发明的目的是提供开关电源装置，包含一个备用蓄电池以及外壳内的控制蓄电池充电和放电的电路，能够严格地控制蓄电池的充电和放电。

本发明的另一个目的是提供一个开关电源装置，通过严格地控制作为备用电源的蓄电池的温度，即使环境温度改变也可以获得一个稳压的直流电源电压。

为了实现以上目的，提供一种开关电源装置，该开关电源装置具有起备用作用的电池，用于在交流输入停止的时候获得预定的直流电源电压。该开关电源装置包括一个稳压电源电路，用于使交流输入平滑，以及用于将平滑过的输入转换为预定的直流电源电压，该电源电压能够在正常操作时持续地输出预定的直流电源电压；以及由该稳压电源电路控制的一电源控制电路，包括一直流电源部分，用于在交流输入停止时向稳压电源电路提供电源电压，以及一电源控制部分，用于控制对直流电源部分的充电和放电，并且安装在安装有稳压电源电路的外壳内。

本发明中电池组件中包括一个备用的蓄电池和一个用于控制蓄电池的充电和放电的电路，该电池组件安装在安装有稳压直流电源电路的外壳内。通过这样，就能够实现用在信息处理装置上的开关电源装置。

本发明以上和其他目的、特征和优点将由下面的描述而变得明显，下面结合附图以举例的方式描述本发明的最佳实施例。

                      附图的简要描述

图1A、1B、1C和1D表示根据本发明的一个实施例具有内置电池的开关电源装置的外部视图。

图2表示具有内置蓄电池的开关电源装置简要结构的方块图。

图3表示该开关电源电路的特征的特定结构的电路图。

图4表示电池组件结构的电路图。

图5表示控制电池充电的流程图。

图6表示内装有锂离子电池的部分的结构透视图。

                   最佳实施例的详细描述

下面参考附图描述本发明的一个实施例。

图1A、1B、1C和1D表示具有内置电池的开关电源装置的外部视图。

图1A表示装置外壳10前部的状态，上面具有向开关电源装置输入交流电流的电源连接器11。锂离子电池12，冷却风扇13，以及多个印刷电路板14，都设在装置外壳10中。

在交流电故障的情况下，主要是铅酸电池用作备用的蓄电池。但是，铅酸电池体积大，寿命短，并且有液体泄漏的危险。因此本发明中，采用锂离子电池12用作备用的蓄电池。对于锂离子电池12，正极由锂钴氧化物(LiCoO₂)构成，负极由石墨(碳)构成。每个电极具有堆积起来的几个平板结构。每升锂离子电池12的能量浓度为400wh/l，几乎是镍镉电池或镍金属氢化物电池的两倍。锂离子电池12小而轻，因此非常适合作为便携式装置的电源。

除了锂离子电池12之外，镍金属氢化物电池可用作备用的蓄电池。但是，在本发明中采用锂离子电池因为锂离子电池尤其在每升容量率方面性能优越。通过采用锂离子电池12，整个电池组件可以作得很小，并且容易安装到开关电源装置的装置外壳10中。

冷却风扇13对开关电源装置内部进行冷却，以防止锂离子电池12的老化。环境温度越高，锂离子电池12老化得越快。因此，如后面将要描述的，对于锂离子电池12的充电或放电，温度控制是重要的。

图1B为具有内置电池的开关电源装置的侧面图。如图1(B)所示，电缆15从装置外壳10的后面引出来。电缆15终点处具有输出连接器16。该输出连接器16连接到信息处理装置的外壳17之内的电源端，以向信息处理装置提供直流电源。但是，关于锂离子电池12的电压，环境温度，如何控制开关电源装置等的信息可以通过输出连接器16或其他连接器(未示出)提供给信息处理装置。这使得连接到信息处理装置的显示装置显示在正常操作状态下的多条信息，以及在电源暂停时，根据锂离子电池12所剩余的电量，自动将信息处理装置暂停。

如图1C所示，印刷电路板14与锂离子电池12一起安装在装置外壳10之内。一稳压电源电路，包括一整流和平滑电路、以及一DC-DC变换器，用于转换电源、还有一电源控制电路，包括由稳压电源电路控制的直流电源部分、以及电源控制部分，用于控制直流电源部分的充电或放电、它们都位于印刷电路板14之上。稳压电源电路和电源控制电路将在后面描述。

如图1D所示，尽管在开关电源装置安装于信息处理装置的外壳17中之后，仅有锂离子电池12能从电源连接器11所在的装置外壳10中的一侧拖拽出来。因此，锂离子电池12可以更换，而无须将装置外壳10本身从信息处理装置的外壳17中移动出来。而且，装置外壳10收纳了锂离子电池12。因此，无须在信息处理装置的外壳17中放置一个定位电池本身的架子，并且连接锂离子电池12和信息处理装置的外壳17内的装置外壳10的工作也不必做。

现在将描述根据本发明的开关电源装置中包括的开关电源电路。

图2为表示具有内置蓄电池的开关电源电路简要结构的方块图。

开关电源电路20包括整流和平滑电路21，用于平滑来自商用电源的交流电流输入、一DC-DC变换器22，用于变换预定的直流电源电压，并且用于向信息处理装置提供直流输出、一个充电电路部分23、一蓄电池24、其充电由充电电路部分23控制、一放电开关25，用于从蓄电池24输出直流电源电压、一充电和放电控制电路26、以及一通信控制部分27，用于向信息处理单元输出信号。

该整流和平滑电路21及以DC-DC变换器22平滑来自商用电源的交流输入，并且将其转换为在正常操作时的预定直流电源电压，并且构成稳压电源电路，它能持续输出预定的直流电源电压。蓄电池24为直流电源部分，用于充电和积蓄由稳压电源电路提供的电能，并且在交流输入停止的时候，向稳压电源电路提供电源电压。该充电电路部分23，用于控制直流电源部分的充电和放电，放电开关25，以及充电和放电控制电路26构成蓄电池24的电源控制部分。

现在将描述开关电源电路20中的充电和放电操作。

在图2所示的开关电源电路20中，电力的流向由双线箭头表示，而信号的流向由箭头表示。包括在开关电源电路20中的直流电源部分和电源控制部分，构成图1所示的在印刷电路板14上的电源控制电路。这与稳压电源电路相同。该直流电源部分和电源控制部分，与蓄电池24一起，安装在装置外壳10中。

在开关电源电路20中，来自如图1中的电源连接器11的交流输入，通过整流和平滑电路21被转换为直流电，然后直流电被提供给DC-DC变换器22。该直流电也被提供给充电电路部分23，随之被积蓄到蓄电池24中。该蓄电池24具有相互独立的充电线路和放电线路，并且通过充电而在蓄电池24上积蓄的电力能由放电开关25放电。

蓄电池24向充电和放电控制电路26通知：由充电导致的输出电压升高或者由放电导致的温度升高，以及充电和放电控制电路26通过充电电路部分23和放电开关25执行开-关控制。因此，备用电池必须的电力将被充入蓄电池24中。因此在商用电源停止时，在蓄电池24中积蓄的电子被放电到DC-DC变换器22，以便DC-DC变换器22获得预定的直流电源电压。

充电电路部分23中的充电控制状态，蓄电池24中的放电状态等经由通信控制部分27，在充电和放电控制电路26与信息处理装置之间严格地交换。具有起备用作用的电池的开关电源装置即使在来自商用电源的交流输入停止的时候，也能够稳压、持续的对所连接的装置供电，例如信息处理装置。因此，信息处理装置等的信息处理功能不会因为电源停止而被毁坏。此外，存储于其上的数据也能可靠地保持。

现在描述开关电源电路的结构特征。

图3表示开关电源电路的结构特征的电路图。

整流和平滑电路21包括由二级管D1至D4构成的一个整流桥，用于对商用电源Vin整流，电源Vin利用图1中所示的电源连接器11接收，电容C1用于平滑。整流和平滑电路21通过整流和平滑将主电源的交流输入(例如100-240V)转换为直流电，并提供给DC-DC变换器22。

DC-DC变换器22包括变换变压器T1，具有三个绕组(绕组N1、N2和N3)，绕组N1侧的输入电路包括二个开关元件SW1和SW2，每一个开关元件又包括一个FET和三个二级管D5至D7，绕组N2侧的输出电路包括一个整流二级管D8，一个变换二级管D9，一个扼流线圈L，以及在输出侧的一个平滑电容C2，还有，在绕组N3侧的输入电路包括二个开关元件SW3和SW4，每一个开关元件又包括一个FET，二个二级管D10和D11，以及一个电容C3。图3中采用由开关元件SW3和SW4构成的双开关元件变换器。但是，也可以使用单开关元件变换器。

在正常操作时，整流和平滑电路21平滑商用电源Vin，并向DC-DC变换器22提供电流。DC-DC变换器22通过转换开关元件SW1和SW2的开或者关，向变换变压器T1中的绕组N1提供直流电压作为间歇电压，由绕组N2侧的输出电路通过绕组N2产生的电压，并且获得预定的直流输出电压Vout(例如，12Vdc)。多个绕组N2可以设置于变换变压器T1上，以获得多个直流输出电压Vout。而且，可以设置匝数与绕组N2不同的其它绕组，以获得不同的直流输出电压(例如：12Vdc和5Vdc)。

利用变换器驱动电路28由充电和放电控制电路26向DC-DC变换器22提供一个驱动信号S1，以通过包括在绕组N1侧的输入电路中的开关元件SW1和SW2执行开关控制。充电和放电控制电路26接收电力故障检测信号S0。而且，利用，例如通知关于电源停止、通过分别用于驱动初级和次级变换器的驱动信号S1和S2的停止备用的预先通知、放电控制信号S3、充电控制信号S4、以及一个与通信处理装置交连的互通信信号S8的信息，根据来自信息处理装置的断开指令，充电和放电控制电路26安全地与电源断开。此外，一个温度检测信号S5，一个电池电压检测信号S6，一个单元电压异常检测信号S7等，都被输入到充电和放电控制电路26。

充电电路部分23包括一个变换变压器T2和充电电路29。来自整流和平滑电路21的直流输入通过该变换变压器T2，被提供至充电电路29。充电控制信号S4从充电和放电控制电路26被提供到变换变压器T2。而且，充电电路29通过串联的电阻R和二级管D13给电容C3充电，并为电池组件30充电。通过给电池组件30充电的控制将根据充电序列执行，充电序列由预充电和快速充电构成，这将在下面进行描述。

电池组件30为直流电源部分，包括充电保护电路31，二级管D12，放电保护电路32，单元电压监视电路33，电池温度传感器34，多个锂离子电池单元E。电池组件30具有相互独立的充电线路和放电线路。电池组件30连接到DC-DC变换器22中的绕组N3侧的输入电路，以便它在商用电源停止时，提供直流电源电压。

现在将描述在电源停止时的放电操作。

DC-DC变换器22中绕组N3侧的输入电路，通过二级管D10和开关元件SW3连接到电池组件30，并且电源电压通过二级管D11和开关元件SW4由电源包30提供。在商用电源Vin停止时，充电和放电控制电路26接收电力故障检测信号S0，并输出放电控制信号S3。因此，开关元件SW4转换“开”。而且，开关元件SW3由驱动次级变换器的驱动信号S2转换为“开”，并且通过绕组N3从电池组件30向变换变压器T1中的绕组N2的供电开始。

在正常操作时间，当商用电源Vin提供到DC-DC变换器22的时候，通过绕组N1提供给变换变压器T1中的绕组N2的电力从预定的直流电源电压Vout输出。在这一时间点，开关元件SW4，与开关元件SW3一起，被转为“关”，以禁止从电池组件30的放电。对于传统的电池组件30，一个端既被用作充电端，又被用作放电端，并且放电禁止开关置于电池组件之内。但是，对于开关电源电路20，包括一个FET的该开关元件SW4置于DC-DC变换器22之内，作为放电禁止开关，并且该开关元件SW4既用于放电禁止开关，又用于在DC-DC变换器22侧的放电控制开关。因此，电池组件30中的放电禁止开关变得不必要。

现在描述包括一个锂离子电池的电池组件。

图4表示电池组件结构的电路图。该电池组件30具有6个端Ta至Tf作为外部端。例如，4个锂离子电池单元E1至E4，它们构成蓄电池，在电池组件30中串联连接。锂离子电池的平均电压为3.6V，所需数目的电池单元串联连接，以获得预定的电压。例如，当所检测的温度高于或等于预定值的时候，将打开双金属片短路保护电路35，并且被插入到包括在蓄电池中的单元E2和E3之间。因此，如果锂离子电池的温度过度升高，充电和放电将会停止。

电池单元电压异常检测信号S7从电池单元电压监视电路33输出到端Ta。端Tb为连接到电池温度传感器34的接地端，并且也是锂离子电池单元E的地端。温度检测信号S5从电池温度传感器34输出到端Tc，以及电池电压检测信号S6输出到端Td。充电端Te连接到充电保护电路31，而放电端Tf连接到放电保护电路32。

充电保护电路31包括第一保险丝F1，防过充保护器36，以及串联连接的FET的开关元件SW5。防过充保护器36包括串联连接的二个保险丝F2和F3，以及与保险丝F2和F3连接点相连的电阻R1。

充电保护电路31的输出端通过二级管D12与锂离子电池E中的第四电池单元E4相连。锂离子电池E中的第四电池单元E4通过放电保护电路32与放电端Tf相连。对于防过充保护器36，该放电保护电路32包括串联连接的二个保险丝F4和F5，以及与保险丝F4和F5连接点相连的电阻R2。

现在将描述蓄电池的充电和放电操作，其中连接着多个锂离子电池单元。

通常，锂离子电池在每单位体积的容量率方面是优越的。但是，如果充电或放电操作长时间的持续在错误模式下操作，例如过充模式或过放电模式，电池单元的性能将下降。因此，本发明在充电电路29和电池组件30中提供了8个保护装置，不仅检测错误模式，例如过充模式，而且这样控制，以便于在过电流的情况下将严格地停止充电或放电。

利用第一保护装置，遇过监视在电池组件30的充电端Te的充电电压来进行保护给出。

电池电压检测信号S6从电池组件30提供到充电和放电控制电路26。因此，如果电池电压达到一个特定值(＝V1)或者更大，通过把提供给充电电路部分23的充电控制信号S4切断，而使充电停止。

利用第二和第三保护装置，电池单元电压监视电路33监视电池电压，并且由充电保护电路31进行保护。

电池单元电压监视电路33与锂离子电池单元E4的正端连接。如果电池电压达到一个特定值(＝V2)或者更大，通过使充电保护电路31中的用于充电的开关元件SW5转为“关”而能够使充电停止。充电保护电路31中的防过充保护器36具有最终保护功能——将电池组件30的充电端Te从锂离子电池E上机械断开。如果电池电压达到一个特定值(＝V3)或者更大，由于防过充保护器36中的保险丝F2或F3断开，电池组件30将在充电时间自己保护。

利用第一至第三保护装置，设置在充电时间用于保护电池的特定电压V1至V3被设置，以获得V1＜V2＜V3的关系。

第四保护装置用于应对充电时间的过电流。

如果在充电时间从充电端Te到电池组件30有过电流流入，充电保护电路31中的保险丝F1熔断，以防止过电流流入锂离子电池电池E。

利用第四保护装置，电池单元电压监视电路31监视放电时间的电池电压，并且由放电保护电路32进行保护。

过电流保护和异常断开信号从电池单元电压监视电路33提供到放电保护电路32以断开保险丝F4或F5。因此，放电保护电路32具有最终保护功能——将电池组件30的放电端Tf从锂离子电池E上机械断开。这与防过充保护器36的保护相同。

利用第六保护装置，将通过在充电时间电池单元电压监视电路33监视每一个单元的电压进行保护。

电池组件30使用串联连接的4个锂离子电池单元E1至E4。因此，即使有一个单元出现故障，也不能仅通过监视全部电压而检测。为了在充电时间判断每一个电池单元的电压，设置了电池单元电压监视电路33。如果出现电池单元电压异常，会有一个电池单元电压异常检测信号S7从检测端Ta输出到充电和放电控制电路26。因此，即使锂离子电池单元的一部分出现故障，由于过充导致的锂离子电池老化可以通过停止快速充电而避免。

利用第七保护装置，将通过在单元E2和E3之间插入短路保护电路35来进行保护。

短路保护电路35可以由双金属片构成。如果锂离子电池电池的温度达到一个特定的值或者更大，将双金属片打开，以避免过流密度大于或者等于流过锂离子电池单元E1至E4的预定值。

利用第八保护装置，将通过检测电池温度的电池温度传感器34进行保护。

电池温度传感器34位于锂离子电池E附近，以测量锂离子电池E的环境温度。温度检测信号S5从电池温度传感器34经由温度检测端Tc，输出到充电和放电控制电路26。因此，由于锂离子电池E中的大电流充电导致的锂离子电池E的环境温度升高到预定值以上，开关元件SW4转到“关”以停止放电。

利用上述的第一保护装置，电池电压检测信号S6从电池组件30输出，以及充电电路部分23位于电池组件30功能之外。对应地利用第二至第七保护装置，安装在电池组件30内的保护电路31，32和35等，作为判断部分。利用第八保护装置，电池组件30中的电池温度传感器34作为传感器部分，充电和放电控制电路26进行判断，安装在DC-DC变换器22中的开关元件SW4转为“关”。

在商用电源供电其间，开关元件SW4位于“开”时，为抑制冲击电流流入DC-DC变换器22的输出电路侧的电容C3中，利用串联连接的电阻R和二级管D3由充电电路部分充电，使电容器C3预先充电到其电压高于蓄电池的电池电压。这便不必设置抑制冲击电流流入DC-DC变换器22侧的电容C3中的电路，并且减小了放电线路的阻抗。

如果电池设在开关电源装置之内，从运输到产品安装这一段时期电池将保持被连接。因此，如果没有抑制电池的漏电流，将发生电池的过放电，蓄电池的电池寿命也将缩短。因此，当开关电源装置与信息处理装置断开以及不必充电的时候，通过把开关元件SW4转为“关”即抑制了漏电流。当电池为稳压电源电路作备用电池停止的时候，由充电和放电控制电路26将开关元件SW4锁定在“关”状态。而且，充电和放电控制电路26控制，以便该锁定在稳压电源电路被重新启动时能够自动解除。

如以上所述，避免了从电池组件30向DC-DC变换器22的漏电流。因此，由于其中装有电池组件30，所以开关电源装置能够被存储或者运输，并且带有内置电池的开关电源装置的保养就不成问题了。开关电源装置是否与信息处理装置断开由充电和放电电路26根据输入到开关电源装置的信号来判断。

而且，利用根据本发明的开关电源装置，防放电开关没有设置在电池组件30侧的放电保护电路32上，而位于DC-DC变换器22侧的用于放电控制的开关元件34也用作一个防放电开关。此外，多个并联的微保护器用在电池组件30的放电保护电路32中，代替庞大的大电流保护元件。因此，开关电源装置的装置外壳10中的电池组件30可以做小，而不会缩短锂离子电池12的寿命。

现在描述锂离子电池的充电管理。

锂离子电池将使用预充电和快速充电流程来控制。预充电是考虑充电安全而进行的充电过程。在预充电过程中，通过使用低电流(例如，0.2安培)执行恒流控制，直到电池电压达到3.2伏特。而快速充电是主要充电过程。在快速充电过程的前一半，使用最大充电电流(由电池性能和安全性决定的最大持续充电电流)，例如1安培的电流，进行恒流充电。当电池电压达到满充电电压(在充电量为100％时获得的电压)，例如4.2伏特时，在这一满充电电压处的恒压充电开始。

在恒压充电过程中，随着充电的进行，电池容量也提高，充电电流下降。当充电电流下降到充电完成电流值的时候(判断充电完成点的电流值)，充电即完成。例如，充电完成电流值被设置为0.1安培。当充电电流下降到0.1安培时，电池的充电容量大约为95％。为了接近电池充电容量的100％，恰好在恒压充电过程之后，被称为涓流充电的恒压充电可以执行大约一小时。

图5表示控制电池充电的流程。

利用根据本发明的开关电源装置，通过执行下面的充电管理，能够准确地判断锂离子电池的故障，由快速充电和过充电导致的电池故障老化均能可靠地避免，并且延长电池的寿命。

(1)预充电的控制

在步骤ST1中，提供给电池组件30的充电电流Ich，电池温度Tbat，电池电压Vbat都被检测，以观察锂离子电池是否有异常。

如果电池温度Tbat在特定的范围内(Tb1至Tb2)，并且电池电压Vbat没有达到转向快速充电Vb2的下限电压，但是达到了转向预充电Vb1的下限电压，则流程进入步骤ST2，以执行预充电。

如果电池温度Tbat不在特定的范围内(Tb1至Tb2)，则预充电不开始。如果电池温度Tbat低于下限温度Tb1，则锂离子电池不启动，因此不能被充电。如果电池温度Tbat由于放电升高到上限温度Tb2以上，则锂离子电池不能立即充电。

即使在预充电其间，电池温度Tbat仍然被监视(步骤ST3)。如果发生异常，充电将停止，并且执行一个用来应对异常的预定处理。如果电池电压Vbat在步骤ST4中被判断为低于转向预充电Vb1的下限电压，也将执行一个用于应对异常的处理。当电池电压Vbat达到转向快速充电Vb2的下限电压的时候，预充电完成。

(2)快速充电控制

下面将执行补充充电或者快速充电。如果电池温度Tbat一个特定的范围内(步骤ST3)，并且电池电压Vbat在转向快速充电Vb2的下限电压与转向补充充电Vb3的电压之间(步骤ST4)，则在预充电完成之后，在步骤ST5中的快速充电即开始。如果串联连接的电池单元中的一个单元的电压低于特定电压，该电池单元被判断为故障(步骤ST7)，并且不执行充电。

在步骤ST6中，在快速充电其间监视电池温度Tbat。如果发生异常，快速充电将停止。在步骤ST8中，当电池电压Vbat达到一个特定值(满充电判断电压Vb4)，并且充电电流Ich下降到一个特定值(Ich1)，电池被判断为满充电，快速充电将停止。

(3)补充充电的控制

在给电池充电之前，如果电池电压Vbat高于或等于转向补充充电Vb3的电压，电池容量被判断为充足备用的，为避免过充将不执行充电。转向补充充电Vb3的电压应当根据端电压和电池容量设置，以便与充足备用的容量相对应。在这种情况下，执行的补充充电的次数不会影响电池寿命。如果由于向稳压电源电路侧的自放电或漏电流导致电池容量下降，以及电池电压Vbat在步骤ST9中被判断为低于或等于转向补充充电Vb3的电压，则在步骤ST10中将执行补充充电。为使软件简化，用于快速充电的同样过程用于补充充电。

现在描述电池的放电控制

如果在商用电源停止的时间上，锂离子电池的全部电压Vbat高于或等于一个特定值，每一个单元的电压是正常的，电池温度Tbat在特定的范围内，开关元件SW4转为导通。

当充电和放电控制电路26由电力故障检测信号S0检测到电源停止，充电和放电控制电路26使用通信信号S8将其通知给信息处理装置。当剩余电池容量下降到一个水平——在该水平上该信息处理装置能够被关机而不会由于为备用放电而丢失任何数据时，该开关电源装置利用通信信号S8向信息处理装置发送一个停止备用的预先通知，请求关闭该信息处理装置。除此之外，当电池温度Tbat升高到一个特定值时，该开关电源装置也向信息处理装置发送一个停止备用的预先通知，请求关闭该信息处理的装置。当信息处理装置接收了该停止备用的预先通知，该信息处理装置使其本身进入一个状态——它可以安全地断开，并且通过通信信号S8将关闭本身的指令返回给开关电源装置。根据关闭信息处理装置的指令该开关电源装置断开用于驱动次级变换器的驱动信号S2和放电控制信号S3，并且停止直流输出。

当锂离子电池放电时，并且大电流流出时，每一个电池单元的温度线性升高。上述根据电池温度Tbat的充电和放电控制利用了这个特性，所以备用可以准确地停止。

如上所述，通过根据电池电压的检测值来控制和根据同时电池温度检测值的控制，锂离子电池的过放电或锂离子电池温度的过度升高都可以避免，利用稳压电源电路可以安全且可靠地的进行备用供电，而电池不会老化，并且电池的寿命也可以延长。

同时，蓄电池的内部阻抗，例如锂离子电池，当温度低的时候将会增加。因此，由于电池备用时间的放电电流导致的电压降不能不考虑。如果一个热源用作加热电池的装置，通常需要一个热源驱动电路，一个热源控制电路。这将导致成本明显提高。因此，由包括在开关电源电路中的功率半导体元件产生的热量通过用于冷却的辐射板间接地传导到电池外壳部分，蓄电池的温度可以被严格地控制。因此，可以避免不必要的成本，并且可以应对开关电源装置的环境温度改变。

图6是表示锂离子电池所安装的部分的结构的透视图。

图6中所示的两个功率晶体管37为功率半导体元件，例如包括如图2所示的在开关电源电路20的DC-DC变换器22中。该功率晶体管37安装在位于开关电源装置的装置外壳10中的印刷电路板14上，并且固定在用于冷却的辐射板(辐射板38)，该辐射板折叠成字母L形。该辐射板38具有带有预定区域的垂直平面38V，以及与垂直平面38V相连的水平平面38H，以及一向上部分38S，由水平平面38H向上的边形成，以便于功率晶体管37产生的热量可以传导并辐射出去。向上部分38S螺旋紧固在金属外壳鞘侧39，即锂离子电池12所在之处。假设锂离子电池12的温度低。为了控制开关电源装置的充电和放电，金属外壳鞘39，作为电池壳，由于来自辐射板38传导的热量而被加热。因此，电池温度Tbat以不依赖于开关电源装置的环境温度而升高。

除了以上的电池温度传感器34以外，用于测量辐射板38的温度的温度传感器40位于功率晶体管37的辐射板38上。而且，为了冷却印刷电路板14和辐射板38，冷却空气由未在图中给出的冷却风扇提供(对应于图1中的冷却风扇13)。因此，辐射板38的温度由温度传感器40监视。如果辐射板38的温度低，则通过减少冷却风扇旋转的数目来促进从辐射板向金属外壳鞘39的热传导。此外，如果辐射板38的温度由于环境温度的升高或者由功率晶体管37产生的热量升高到预定的数值以上，那么从冷却风扇提供预定量的冷却空气，以使电池温度Tbat返回到一个合适的数值。在这种情况下，应当改变冷却风扇的旋转速度。通过使用从功率晶体管37经过辐射板38传导出的热量，可以严格地控制蓄电池的充电和放电。

如以上所述，通过利用从功率晶体管元件经过位于开关电源装置内部的辐射板38传导出的热量，即使环境温度改变，锂离子电池12的温度也能够保持在恒定的范围内。因此，可以在低成本下严格地控制蓄电池的充电和放电。而且，仅根据用于热传导的辐射板38的温度，通过控制冷却风扇的旋转速度实现，也可以避免锂离子电池12的不必要的发热。

本发明不限于以上实施例。本发明可以有各种修改和具体变化，而不偏离本发明的精神实质。例如，镍镉电池，镍金属氢化物电池，或者类似的电池，都可以用作电池组件30中的蓄电池，代替锂离子电池。而且，服务器，主机，带有硬盘作为记录媒体的录音机，或者类似物，都可以用作信息处理装置，代替个人计算机。

根据前面的描述，利用根据本发明的开关电源装置，蓄电池和控制蓄电池充电和放电的电路集成在一个外壳内，电池组件做得比较小，充电线路的阻抗变低，蓄电池的充电和放电被严格地控制，并且电源装置，例如信息处理装置，与之连接，在来自商用电源的交流输入停止的时候能够持续稳压工作。

而且，利用根据本发明的开关电源装置，可以避免由于蓄电池快速充电产生的热量，并且能够可靠、安全地控制大电流放电。延长包括在电池组件中的蓄电池的寿命。

此外，根据本发明的开关电源装置具有能够装入电池组件运输的优越性，因为在备用时的不必要的漏电流已经被抑制了。

前面仅以举例的形式记载了本发明的基本原理。同时，由于多种修改和改变对于熟悉该领域的人员来说是容易的，不希望将发明限制在精确的解释和所示的以及描述的申请，相应地，所有合适的修改和等价物都可以落入在附加的权利要求及其等价物中的本发明范围之内。

Claims (16)

1.一种开关电源装置，具有备用电池功能，用于在交流输入停止的时候获得预定的直流电源电压，该装置包括：

稳压电源电路，用于平滑交流输入，并且将进行过平滑处理的输入变换成预定的直流电源电压，该稳压电源电路在正常操作时间能够持续输出预定的直流电源电压；以及

由稳压电源电路充电的电源控制电路，包括直流电源部分，用于在交流输入停止的时候向稳压电源电路提供电源电压，还包括一个电源控制部分，用于控制直流电源部分的充电和放电，并且安装在安装有稳压电源电路的外壳中。

2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，该电源控制电路包括一蓄电池，其由来自稳压电源电路的电力来充电。

3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，蓄电池是锂离子电池，由多个锂离子电池单元连接而成。

4.根据权利要求3所述的开关电源装置，还包括一放电控制开关，用于控制稳压电源电路与电源控制电路的连接，其特征在于，来自锂离子电池的漏电流在不必要的备用时被抑制。

5.根据权利要求4所述的开关电源装置，其特征在于，在用于稳压电源电路的备用电池停止的时候，放电控制开关被锁定在“关”状态，而且其中放电控制开关被控制，以便该锁定在稳压电源电路被重新启动的时候自动解除。

6.根据权利要求3所述的开关电源装置，其特征在于，直流电源部分包括一个装置，用于检测每一个锂离子电池单元由于过充电动作造成的老化，并且避免了由于锂离子电池快速充电产生的热量。

7.根据权利要求3所述的开关电源装置，其特征在于，电源控制部分包括第一监视装置，用于监视来自锂离子电池输出的电压值，以及第二监视装置，用于监视每一个锂离子电池单元的电压异常，并且根据第一和第二监视装置的监视结果控制锂离子电池的快速充电。

8.根据权利要求3所述的开关电源装置，其特征在于，直流电源部分包括一检测装置，用于检测稳压电源电路的电池备用时来自锂离子电池的过放电电流，以及在大电流放电的时候控制放电的停止。

9.根据权利要求3所述的开关电源装置，其特征在于，直流电源部分包括温度测量装置，用于测量锂离子电池的环境温度，并且在锂离子电池温度由于大电流放电导致其达到或超过预定值时，由电源控制部分来控制放电的停止。

10.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于还包括通信部分，用于给信息处理装置提供一条预先通知，该信息处理装置由稳压电源电路提供电力，以停止用于稳压电源电路的备用电池。

11.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，电源控制部分包括一个冲击电流抑制装置，用于抑制冲击电流流向电容器，该电容器连接在直流电源部分的输出端之间。

12.根据权利要求11所述的开关电源装置，其特征在于，冲击电流抑制装置包括一个电路，用于在交流输入供电期间对电容器充电。

13.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，直流电源部分包括相互独立的一个充电线路和一个放电线路。

14.根据权利要求13所述的开关电源装置，其特征在于，用于控制直流电源部分放电的放电控制开关位于稳压电源电路中，而所述的放电控制开关也起到了在放电线路中禁止放电的功能。

15.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，包括在稳压电源电路中的功率半导体元件的辐射板与用于装入蓄电池的一部分被集成在一起，以便热量能够通过辐射板从功率半导体元件传导至蓄电池。

16.根据权利要求15所述的开关电源装置，其特征在于，一个冷却风扇和用于检测辐射板温度的温度传感器位于辐射板的附近，从而控制从辐射板传导至蓄电池的热量。

Images