CN204721079U

CN204721079U - 双电源自动切换与充电电路

Info

Publication number: CN204721079U
Application number: CN201520241516.5U
Authority: CN
Inventors: 刘仁浩; 刘志华; 梁婕; 郭城
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Aerospace Automatic Control Research Institute
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Aerospace Automatic Control Research Institute
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2025-04-20

Abstract

针对常用双电源自动切换电路的不足，本实用新型提出一种基于P沟道功率MOSFET(简称PMOS管)和电压比较器的外部电源和电池供电的双电源自动切换与充电电路。该电路利用分压电阻将外部电源电压和电池电压调整至电压比较器的阀值范围内，通过电压比较器分别比较外部电源电压和电池电压与参考电压的大小，根据比较结果控制PMOS管开关电路的通断，从而既能够完成双电源供电自动无缝切换，又能够利用外部电源向电池自动充电，同时具备供电过压、欠压保护和防电池过充电的功能。可用于火箭测发控系统、医疗急救系统、安保系统等对设备持续不间断供电要求较高的领域。

Description

双电源自动切换与充电电路

技术领域

本实用新型涉及双电源切换与充电技术领域，特别是一种双电源自动切换与充电电路。

背景技术

火箭测发控系统、医疗急救系统和安保系统等领域对关键设备的持续供电能力有较高要求，设计师常采用双电源为其提供稳定持续的工作电压。其中一个电源由设备外电源提供，称之为外部电源；另一个由设备自带电池提供。当外部电源工作正常时，设备仅由外部电源供电；当外部电源出现掉电时，则无缝切换到设备自带电池供电；当外部电源恢复正常时，再无缝切换回外部电源供电状态。为此，需设计一种体积小、功耗低、可靠性高和切换时间短的双电源自动切换电路。此外，为降低电池保障难度，上述电路还应具有利用外部电源为电池自动充电的功能。

常用的双电源切换做法是采取继电器切换或二极管并联切换方式，但上述切换方式都存在弊端。通常继电器的反应时间均在ms级，容易导致设备在电源切换过程中重启，难以适应对可靠性要求较高的场合。二极管虽没有电源切换时间问题，但大电流工作时的发热功率较大，给散热设计带来较大困难。此外，现有的双电源自动切换电路未考虑供电欠压与过压保护问题，也未设计电池自动充电电路，这给装备维护保障带来较大困难。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：提供一种双电源切换与充电电路，可为设备提供稳定而持续的工作电压。

本实用新型的技术解决方案是：

所述双电源自动切换与充电包括2个电源输入端Uin_1和Uin_2,1个工作电路输出端Uout，1个基准电压芯片，2个滤波电容U1和U2，4个电压比较器C1～C4，2个NPN型三极管Q1和Q2，6个PMOS管VT1～VT6，12个二极管D1～D12以及20个电阻R1～R20；电路输出端Uout接基准电压芯片的输入端，Vref为基准电压芯片的输出端，滤波电容U1一端接基准电压芯片的输入端，另一端接地线GND，滤波电容U2一端接基准电压芯片输出端Vref，另一端接地线GND；Uin_1为外部电源的输入端，Uin_2为外部电池的输入端；Uin_1共分4路输出，第1路接PMOS管VT3的漏极和二极管D9的正极，第2路经电阻R15接PMOS管VT1的漏极和二极管D7的正极，第3路经R1和R2接地线GND，R1和R2的连接端接电压比较器C1的同相“+”输入端，电压比较器C1的反相“-”输入端接基准电压芯片输出端Vref，第4路经R5和R6接地线GND，R5和R6的连接端接电压比较器C2的反相“-”输入端，电压比较器C2的同相“+”输入端接基准电压芯片输出端Vref；Uin_2共分4路输出，第1路接PMOS管VT5的漏极和二极管D11的正极，第2路经R11和R12接地线GND，R11和R12的连接端接电压比较器C4的反相“-”输入端，电压比较器C4的同相“+”输入端接基准电压芯片输出端Vref，第3路经R7和R8接地线GND，R7和R8的连接端接电压比较器C3的反相“-”输入端，电压比较器C3同相“+”输入端接基准电压芯片输出端Vref，第4路接PMOS管VT2的漏极和二极管D8的正极；电压比较器C1的输出端Uo1共分2路输出，第1路经上拉电阻R3接电路输出端Uout，第2路接二极管D1的负极；电压比较器C2的输出端Uo2共分2路输出，第1路经上拉电阻R4接电路输出端Uout，第2路接二极管D2的负极；电压比较器C3的输出端Uo3共分2路输出，第1路经上拉电阻R9接电路输出端Uout，第2路接二极管D5的正极；电压比较器C4的输出端Uo4共分2路输出，第1路经上拉电阻R10接电路输出端Uout，第2路接二极管D3的负极；二极管D1、D2共正极且分4路输出，第1路经上拉电阻R16接电路输出端Uout，第2路经限流电阻R17接三极管Q2基极，第3路接二极管D6的正极，第4路接二极管D4的负极；二极管D3、D4共正极且分2路输出，第1路经上拉电阻R20接电路输出端Uout，第2路经限流电阻R13接三极管Q1基极；二极管D5、D6共负极且分2路输出，第1路经下拉电阻R19接地线GND，第2路接PMOS管VT5和VT6的栅极；PMOS管VT4与VT6的漏极接电路输出端Uout；三极管Q1的射极接地线GND，基极分2路输出，第1路经上拉电阻R14接电路输出端Uout，第2路接PMOS管VT1和VT2的栅极；三极管Q2的射极接地线GND，基极分2路输出，第1路经上拉电阻R18接电路输出端Uout，第2路接PMOS管VT3和VT4的栅极；二极管D7和D8的负极端接PMOS管VT1和VT2的源极，二极管D9和D10的负极端接PMOS管VT3和VT4的源极，二极管D11和D12的负极端接PMOS管VT5和VT6的源极，二极管D10的正极端接PMOS管VT4的漏极，二极管D12的正极端接PMOS管VT6的漏极；电路输出端Uout接负载。

所述参考电压Vref由基准电压集成电路芯片提供，所述基准电压集成电路芯片的输入输出端加滤波电路。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的双电源自动切换与充电电路可实现外部电源与内部电池供电的自动无缝切换功能。

(2)本发明的双电源自动切换与充电电路能够实现利用外部电源向电池自动充电，并具有防电池过充电功能。

(3)本发明的双电源自动切换与充电电路可实现供电电路过压与欠压保护功能。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理图；

图2为本实用新型的基于双PMOS管的开关电路；

图3为本实用新型的基准参考电压电路；

图4为本实用新型外部电源过压与欠压检测电路；

图5为本实用新型电池欠压检测电路；

图6为本实用新型的电池过压检测电路；

图7为本实用新型的双电源供电自动切换电路；

图8为本实用新型的电池充电与防过充电保护电路。

具体实施方式

本实用新型是一种基于PMOS管和电压比较器的双电源(外部电源与内部电池)供电自动切换与充电电路，可为设备提供稳定而持续的工作电压。

图1为本实用新型的电路原理图,从电路图中可以看出，双电源自动切换与充电电路包括2个电源输入端Uin_1和Uin_2,1个工作电路输出端Uout，1个基准电压芯片，2个滤波电容U1和U2，4个电压比较器C1～C4，2个NPN型三极管Q1和Q2，6个PMOS管VT1～VT6，12个二极管D1～D12以及20个电阻R1～R20。电路输出端Uout接基准电压芯片的输入端，Vref为基准电压芯片的输出端，滤波电容U1一端接基准电压芯片的输入端，另一端接地线GND，滤波电容U2一端接基准电压芯片输出端Vref，另一端接地线GND；Uin_1为外部电源的输入端，Uin_2为外部电池的输入端；Uin_1共分4路输出，第1路接PMOS管VT3的漏极和二极管D9的正极，第2路经电阻R15接PMOS管VT1的漏极和二极管D7的正极，第3路经R1和R2接地线GND，R1和R2的连接端接电压比较器C1的同相“+”输入端，电压比较器C1的反相“-”输入端接基准电压芯片输出端Vref，第4路经R5和R6接地线GND，R5和R6的连接端接电压比较器C2的反相“-”输入端，电压比较器C2的同相“+”输入端接基准电压芯片输出端Vref；Uin_2共分4路输出，第1路接PMOS管VT5的漏极和二极管D11的正极，第2路经R11和R12接地线GND，R11和R12的连接端接电压比较器C4的反相“-”输入端，电压比较器C4的同相“+”输入端接基准电压芯片输出端Vref，第3路经R7和R8接地线GND，R7和R8的连接端接电压比较器C3的反相“-”输入端，电压比较器C3同相“+”输入端接基准电压芯片输出端Vref，第4路接PMOS管VT2的漏极和二极管D8的正极；电压比较器C1的输出端Uo1共分2路输出，第1路经上拉电阻R3接电路输出端Uout，第2路接二极管D1的负极；电压比较器C2的输出端Uo2共分2路输出，第1路经上拉电阻R4接电路输出端Uout，第2路接二极管D2的负极；电压比较器C3的输出端Uo3共分2路输出，第1路经上拉电阻R9接电路输出端Uout，第2路接二极管D5的正极；电压比较器C4的输出端Uo4共分2路输出，第1路经上拉电阻R10接电路输出端Uout，第2路接二极管D3的负极；二极管D1、D2共正极且分4路输出，第1路经上拉电阻R16接电路输出端Uout，第2路经限流电阻R17接三极管Q2基极，第3路接二极管D6的正极，第4路接二极管D4的负极；二极管D3、D4共正极且分2路输出，第1路经上拉电阻R20接电路输出端Uout，第2路经限流电阻R13接三极管Q1基极；二极管D5、D6共负极且分2路输出，第1路经下拉电阻R19接地线GND，第2路接PMOS管VT5和VT6的栅极；PMOS管VT4与VT6的漏极接电路输出端Uout；三极管Q1的射极接地线GND，基极分2路输出，第1路经上拉电阻R14接电路输出端Uout，第2路接PMOS管VT1和VT2的栅极；三极管Q2的射极接地线GND，基极分2路输出，第1路经上拉电阻R18接电路输出端Uout，第2路接PMOS管VT3和VT4的栅极；二极管D7和D8的负极端接PMOS管VT1和VT2的源极，二极管D9和D10的负极端接PMOS管VT3和VT4的源极，二极管D11和D12的负极端接PMOS管VT5和VT6的源极，二极管D10的正极端接PMOS管VT4的漏极，二极管D12的正极端接PMOS管VT6的漏极；电路输出端Uout接负载。

上述电路可分为7个功能电路：双PMOS管开关电路、基准参考电压电路、外部电源过压与欠压检测电路、电池欠压检测电路、电池过压检测电路、双电源自动切换电路、电池充电与防过充电保护电路，下文分别详述其实施方式和基本功能。

1)双PMOS管的开关电路

开关电路作为本实用新型的执行级电路，应具有开关切换时间短和损耗电压小的特点。基于双PMOS管的开关电路原理图如图2所示。

从图2可以看出，该开关电路由2个PMOS管采取背对背共源级的形式串联，每个PMOS管在漏-源端并联1个二极管。2个二极管除用于为PMOS管源端提供初始电压外，还有防止电流倒灌的作用，当Ugs≤Vt(Vt：PMOS管的开启电压)时，2个PMOS管导通，也即2个PMOS管的漏极间电路导通，当Ugs＞Vt时，2个PMOS管关断，则2个PMOS管的漏极间电路截断。由此通过控制Ugs的大小即可控制两PMOS管漏极端电流的通断，其导通压降及功耗优于二极管开关电路，导通时间远小于继电器触点的反应时间。

2)基准参考电压电路

基准参考电压Vref是电路否执行开关动作的判断门限，其值必须稳定且不受电源切换动作的影响。本案选用基准电压芯片为电路提供参考电压Vref，电路如图3所示。基准电压芯片的工作电压由双电源自动切换与充电电路的输出端Uout提供，电路输出端Uout端电压Vout≈供电电源电压。基准电压芯片电源输入端和基准电压Vref输出端均设置滤波电路，且需适应宽工作电压要求，以克服因电源切换或负载加电时电路输出端电压Vout波动带来的不利影响。

3)外部电源过压与欠压检测电路

电路的功能是判断外部电源电压值是否高于(过压)或低于(欠压)负载额定工作压范围，主要由2个电压比较器C1和C2，以及6个电阻R1～R6组成，如图4所示。

电路中Vref由第2)条所述基准电压芯片提供，电阻R1、R2和R5、R6的作用是分压，目的是将Uin_1上的外部电源电压调整到电压比较器C1和C2的阀值范围内，当Uin_1端电压低于负载额定工作电压下限时(欠压)，C1的输出端Uo1电压为0V低电平，当Uin_1端电压高于负载额定工作电压上限时(过压)，C2的输出端Uo2电压为0V低电平，当Uin_1端电压位于负载额定工作电压范围内时，C1和C2的输出端Uo1和Uo2均为高电平。

4)电池欠压检测电路

该电路的功能是判断电池电压值是否低于(欠压)负载额定工作电压下限，主要由1个电压比较器C3，3个电阻R7、R8、R9组成，如图5所示。

电路中Vref由第2)条所述基准电压芯片提供。电阻R7、R8的作用是分压，目的是将Uin_2上电池电压调整到电压比较器C3的阀值范围内，确保当Uin_2端电压低于负载额定工作电压下限时(欠压)，C1的输出端Uo3为Vout高电平，否则Uo3为0V低电平。

5)电池过压检测电路

该电路的功能是判断电池电压值是否高于(过压)电池允许充电电压上限，主要由1个电压比较器C4，3个电阻R10、R11、R12组成，如图6所示。

电路中Vref由第2)条所述基准电压芯片提供。电阻R11、R12的作用是分压，目的是将Uin_2上的电压调整到电压比较器C4的阀值范围内，确保当Uin_2端电压高于电池允许充电电压上限时(过压)，C4的输出端Uo4为0V低电平，否则Uo3为Vout高电平。

6)双电源供电自动切换电路

该切换电路的功能是完成外部电源与电池双电源供电无缝切换，确保当外部电源正常时负载仅由外部电源供电，当外部电源断电、欠压或过压且电池未欠压时，负载由电池供电，当外部电源恢复正常后再切换回外部电源供电状态。电路主要由第1)条所述基于双PMOS管的开关电路、第2)条所述基准参考电压电路、第3)条所述外部电源过压与欠压检测电路、第4)条所述电池欠压检测电路组成，此外还包括二极管D1、D2和上拉电阻R16组成的“与”逻辑电路、二极管D5、D6和上拉电阻R19组成的“或”逻辑电路以及由电阻R17、R18和三极管Q2组成的“非”逻辑电路，如图7所示。

当外部电源电压正常时，Uo1和Uo2均输出Vout高电平信号，经二极管D1和D2和上拉电阻R16“与”逻辑处理之后分2路输出，第1路输出至电阻R17、R18与三级管Q2组成的“非“逻辑电路，Q2导通，Q2输出端集电极电压约为0V，使得开关电路PMOS管VT3和VT4的栅-源电压Ugs≤Vt成立，则VT3和VT4导通；第2路与电池欠压检测输出端Uo3经二极管D5、D6和上拉电阻R19作逻辑“或”处理后输出至开关电路PMOS管VT5和VT6的栅极端。因此无论电池是否欠压，开关电路PMOS管VT5和VT6的栅极端均为Vout高电平，使得开关电路PMOS管VT5和VT6的栅-源电压Ugs≤Vt不成立，则VT5和VT6截止，负载仅由外部电源供电。

当外部电源电压不正常时(过压、欠压或断电)，Uo1和Uo2之一输出0V低电平信号，经二极管D1和D2和上拉电阻R16逻辑“与”之后分2路输出，第1路输出至三级管Q2的基极端，Q2截止其集电极电压为Vout高电平，使得开关电路PMOS管VT3和VT4的栅-源电压Ugs≤Vt不成立，则VT3和VT4截止；第2路输出与电池欠压检测输出端Uo3作“或”逻辑处理后输出至开关电路PMOS管VT5和VT6的栅极端，若电池欠压，Uo3输出Vout高电平，则VT5和VT6截止，外部电源和电池均不对负载供电，若电池电压正常，Uo3输出0V低电平，则VT5和VT6导通，负载仅由电池供电。

当外部电源恢复正常时，电路可将负载供电状态由电池供电无缝切换回外部电源供电状态。

7)电池充电与防过充电保护电路

该电路的功能是在外部电源电压正常时实现外部电源为电池自动充电，并在电池电压高于充电允许门限时自动切断充电电流，防止出现过充电。如图8所示，电路主要由第1)条所述基于双PMOS管的开关电路、第2)条所述基准参考电压电路、第3)条所述外部电源过压与欠压检测电路、第5)条所述电池过压检测电路组成。此外还包括二极管D1和D2和上拉电阻R16组成的“与”逻辑电路、二极管D3和D4和上拉电阻R20组成的“与”逻辑电路以及由电阻R13、R14与三极管Q1组成的“非”逻辑电路。

外部电源欠压检测输出端Uo1、外部电源过压检测输出端Uo2和电池过压检测输出端Uo4经二极管D1、D2、D3、D4和上拉电阻R16、R20“与”逻辑处理后输出至“非”逻辑电路(电阻R13、R14与三级管Q1组成)。当外部电源电压正常时，Uo1和Uo2均输出Vout高电平信号，若电池电压低于允许充电电压，则Uo4输出Vout高电平，Uo1、Uo2和Uo4“与”处理后输出Vout高电平，三极管Q1导通，Q1集电极电压约为0V，使得开关电路PMOS管VT1和VT2的栅-源电压Ugs≤Vt成立，则VT1和VT2导通，外部电源经电阻R15、VT1和VT2为电池持续充电，电阻R15的作用是限制充电电流。若电池电压高于允许充电电压(电池过压)，则Uo4输出0V低电平，Uo1、Uo2和Uo4“与”处理后输出0V低电平，三极管Q1截止，Q1集电极电压为Vout高电平，使得开关电路PMOS管VT1和VT2的栅-源电压Ugs≤Vt不成立，则VT1和VT2截止，外部电源停止向电池充电。

当外部电源电压不正常时(过压、欠压或断开)，Uo1和Uo2之一输出0V低电平，Uo1、Uo2和Uo4经“与”处理后输出均为0V低电平，三极管Q1截止，Q1集电极电压为Vout高电平，使得开关电路PMOS管VT1和VT2的栅-源电压Ugs≤Vt不成立，VT1和VT2截止，则无论电池电压是否低于允许充电电压，外部电源均不能向电池充电。

本实用新型未详细说明的部分属本领域技术人员公知的常识。

Claims

1.双电源自动切换与充电电路，其特征在于，所述双电源自动切换与充电包括2个电源输入端Uin_1和Uin_2,1个工作电路输出端Uout，1个基准电压芯片，2个滤波电容U1和U2，4个电压比较器C1～C4，2个NPN型三极管Q1和Q2，6个PMOS管VT1～VT6，12个二极管D1～D12以及20个电阻R1～R20；电路输出端Uout接基准电压芯片的输入端，Vref为基准电压芯片的输出端，滤波电容U1一端接基准电压芯片的输入端，另一端接地线GND，滤波电容U2一端接基准电压芯片输出端Vref，另一端接地线GND；Uin_1为外部电源的输入端，Uin_2为外部电池的输入端；Uin_1共分4路输出，第1路接PMOS管VT3的漏极和二极管D9的正极，第2路经电阻R15接PMOS管VT1的漏极和二极管D7的正极，第3路经R1和R2接地线GND，R1和R2的连接端接电压比较器C1的同相“+”输入端，电压比较器C1的反相“-”输入端接基准电压芯片输出端Vref，第4路经R5和R6接地线GND，R5和R6的连接端接电压比较器C2的反相“-”输入端，电压比较器C2的同相“+”输入端接基准电压芯片输出端Vref；Uin_2共分4路输出，第1路接PMOS管VT5的漏极和二极管D11的正极，第2路经R11和R12接地线GND，R11和R12的连接端接电压比较器C4的反相“-”输入端，电压比较器C4的同相“+”输入端接基准电压芯片输出端Vref，第3路经R7和R8接地线GND，R7和R8的连接端接电压比较器C3的反相“-”输入端，电压比较器C3同相“+”输入端接基准电压芯片输出端Vref，第4路接PMOS管VT2的漏极和二极管D8的正极；电压比较器C1的输出端Uo1共分2路输出，第1路经上拉电阻R3接电路输出端Uout，第2路接二极管D1的负极；电压比较器C2的输出端Uo2共分2路输出，第1路经上拉电阻R4接电路输出端Uout，第2路接二极管D2的负极；电压比较器C3的输出端Uo3共分2路输出，第1路经上拉电阻R9接电路输出端Uout，第2路接二极管D5的正极；电压比较器C4的输出端Uo4共分2路输出，第1路经上拉电阻R10接电路输出端Uout，第2路接二极管D3的负极；二极管D1、D2共正极且分4路输出，第1路经上拉电阻R16接电路输出端Uout，第2路经限流电阻R17接三极管Q2基极，第3路接二极管D6的正极，第4路接二极管D4的负极；二极管D3、D4共正极且分2路输出，第1路经上拉电阻R20接电路输出端Uout，第2路经限流电阻R13接三极管Q1基极；二极管D5、D6共负极且分2路输出，第1路经下拉电阻R19接地线GND，第2路接PMOS管VT5和VT6的栅极；PMOS管VT4与VT6的漏极接电路输出端Uout；三极管Q1的射极接地线GND，基极分2路输出，第1路经上拉电阻R14接电路输出端Uout，第2路接PMOS管VT1和VT2的栅极；三极管Q2的射极接地线GND，基极分2路输出，第1路经上拉电阻R18接电路输出端Uout，第2路接PMOS管VT3和VT4的栅极；二极管D7和D8的负极端接PMOS管VT1和VT2的源极，二极管D9和D10的负极端接PMOS管VT3和VT4的源极，二极管D11和D12的负极端接PMOS管VT5和VT6的源极，二极管D10的正极端接PMOS管VT4的漏极，二极管D12的正极端接PMOS管VT6的漏极；电路输出端Uout接负载。

2.根据权利要求1所述的双电源自动切换与充电电路，其特征在于，所述基准电压芯片输出端Vref的电压由基准电压集成电路芯片提供，所述基准电压集成电路芯片的输入输出端加滤波电路。