CN213341743U - 主备电源切换装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种主备电源切换装置，包括阈值设置单元、开关控制单元和主备电切换单元。阈值设置单元包括第一、第二运算器件，用于实现主供电源与上限电压阈值和下限电压阈值的比较。开关控制单元包括第一晶体管和第二晶体管，用于实现电路分支的接通或断开。主备电切换单元包括第三及第四晶体管、第一及第二二极管、防倒灌器件，用于根据电路分支的通断情况实现主备电源的切换。该装置能够在一定阈值范围内进行主备电源切换的电路，并可避免电压叠加和主备电源反复切换的风险，为负载提供稳定范围内的电压，电路简单，易于实现快速切换功能。

Description

主备电源切换装置

技术领域

本公开内容的实施方式总体上涉及电源管理技术领域，更具体地，涉及一种主备电源切换装置。

背景技术

随着科学技术的发展，互联网技术的不断应用，使得各种设备的控制器不得不具备保持实时在线或工作若干时间后再下线的功能。同时能源管理对控制器待机时功耗提出了更高要求，所以越来越多的控制器本身集成了小型的蓄电池(干电池或锂电池)作为备用电源，减少对设备本身蓄电池的能源消耗。因此需要有效的主备电源切换电路。

现有的主备电源切换电路虽然能够实现切换的功能，但其切换的设定值为单一的阈值，只设定了切换下限的阈值，即只考虑了欠压情况，没有考虑切换的上限。而且，现有的主备电源切换电路只能实现电压有无的切换，并可能发生主备电源在某一时刻的电压的反复波动。以上缺陷均有可能对负载造成一定的损坏。

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述问题，本公开内容的实施方式提供了一种主备电源切换装置，所述主备电源切换装置包括阈值设置单元、开关控制单元和主备电切换单元。其中，所述阈值设置单元包括第一运算器件和第二运算器件，其中，所述第一运算器件的反相输入端连接至第一阈值电压，所述第二运算器件的正相输入端连接至第二阈值电压，所述第一运算器件的正相输入端和所述第二运算器件的反相输入端均连接至主供电源，其中所述第一阈值电压高于所述第二阈值电压。所述开关控制单元包括第一晶体管和第二晶体管，其中，所述第一晶体管的第一极与所述第一运算器件的输出端连接，所述第二晶体管的第一极与所述第二运算器件的输出端连接，所述第一晶体管的第二极和所述第二晶体管的第二极均与备用电源连接，所述第一晶体管的第三极和所述第二晶体管的第三极均接地，并且其中，当所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一极的电压超过其导通电压时，其第二极与第三极导通。所述主备电切换单元包括第三晶体管、第四晶体管、第一二极管、防倒灌器件和第二二极管，其中，所述第三晶体管的第一极与所述第一晶体管的第二极连接，所述第四晶体管的第一极与所述第二晶体管的第二极连接，所述第三晶体管的第二极和所述第四晶体管的第二极均与所述备用电源连接，所述主供电源通过所述第一二极管连接到所述装置的输出端，所述第三晶体管的第三极通过所述防倒灌器件连接到所述装置的输出端，所述第四晶体管的第三极通过所述第二二极管连接到所述装置的输出端；并且其中，当所述第三晶体管和所述第四晶体管的第二极接地时，其第一极和第三极导通。

在一些实施方式中，所述开关控制单元还包括：连接在所述第一晶体管的第二极与所述备用电源之间的第一限流器件，以及连接在所述第二晶体管的第二极与所述备用电源之间的第二限流器件。

在一些实施方式中，所述阈值设置单元还包括第一分压器件、第二分压器件、第三分压器件和第四分压器件，其中，所述第一分压器件和所述第二分压器件串联在所述备用电源和地之间，所述第三分压器件和所述第四分压器件串联在所述备用电源和地之间。并且，所述第一阈值电压是所述第一分压器件和所述第二分压器件之间的电压，所述第二阈值电压是所述第三分压器件和所述第四分压器件之间的电压。

在一些实施方式中，所述阈值设置单元还包括：连接在所述第一阈值电压与所述第一运算器件的反相输入端之间的第三限流器件，以及连接在所述第二阈值电压与所述第二运算器件的正相输入端之间的第四限流器件。

在一些实施方式中，所述阈值设置单元还包括：连接在所述第一运算器件的输出端与所述第一晶体管的第一极之间的第三二极管和第五限流器件，以及连接在所述第二运算器件的输出端与所述第二晶体管的第一极之间的第四二极管和第六限流器件。

在一些实施方式中，所述开关控制单元还包括：连接在所述第一晶体管的第一极与地之间的第一泄放器件，以及连接在所述第二晶体管的第一极与地之间的第二泄放器件。

在一些实施方式中，所述阈值设置单元还包括：连接在所述第一运算器件的正相输入端与所述主供电源之间的第一电阻，以及连接在所述第二运算器件的反相输入端与所述主供电源之间的第二电阻。

在一些实施方式中，所述第一运算器件和所述第二运算器件选自包括运算放大器和比较器的组。

在一些实施方式中，所述第一晶体管和所述第二晶体管选自包括NPN三极管和金属-氧化物半导体场效应晶体管的组。

在一些实施方式中，所述第三晶体管和所述第四晶体管包括P型金属-氧化物半导体场效应晶体管。

本公开内容提供的主备电源切换装置消除了现有技术的不足，提供了可在一定阈值范围内进行主备电源切换的电路，既能够有效的约束切换的上限电压，也能完成低电压时输出源的切换。并且在实现主备切换的同时，可允许电源在一定的范围内波动不引起误触发，避免了某些情况下的电压叠加和主备电源反复切换的风险，始终为下游的负载提供一个稳定范围内的电压，保护了下游的负载。另外，电路简单，易于实现快速切换功能。

本公开内容提供的主备电源切换装置可以应用于主备电源切换的场景中，例如需要保持实时在线或工作若干时间后再下线的功能场景中，包括但不限于车联网控制器，也可以应用于光伏产业/精密测试/半导体生产设备等会因突然断电或者电压不稳带来严重后果的能源管理行业。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开内容实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开内容的若干实施方式，其中：

图1示出了根据本公开内容的实施方式的主备电源切换装置的示意框图；

图2示出了根据本公开内容的实施方式的主备电源切换装置的电路图。

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本公开内容的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本公开内容，而并非以任何方式限制本公开内容的范围。

在一个方面，本公开内容的实施方式提供了一种主备电源切换装置。参考图1，其示出了根据本公开内容的实施方式的主备电源切换装置100的示意框图。如图1所示，主备电源切换装置100包括阈值设置单元101、开关控制单元102和主备电切换单元103。

参考图2，其示出了根据本公开内容的实施方式的主备电源切换装置的电路图。如图2所示，阈值设置单元101用于实现主供电源与上限电压阈值和下限电压阈值的比较，其包括第一运算器件U1和第二运算器件U2构成迟滞电路。其中，第一运算器件U1的反相输入端(-)连接至第一阈值电压V1，第二运算器件U2的正相输入端(+)连接至第二阈值电压V2，第一运算器件U1的正相输入端(+)和第二运算器件U2的反相输入端(-)均连接至主供电源Vcc。其中，第一阈值电压V1高于第二阈值电压V2。作为本公开内容的一个实施方式，第一运算器件U1和第二运算器件U2选自包括运算放大器和比较器的组。作为示例，第一运算器件U1和第二运算器件U2的电源端可以连接主供电源Vcc。

如图2所示，开关控制单元102用于实现上下两个电路分支的接通或断开，其包括第一晶体管Q1和第二晶体管Q2。其中，第一晶体管Q1的第一极与第一运算器件U1的输出端连接，第二晶体管Q2的第一极与第二运算器件U2的输出端连接，第一晶体管Q1的第二极和第二晶体管Q2的第二极均与备用电源Vbb连接，第一晶体管Q1的第三极和第二晶体管Q2的第三极均接地。当第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的第一极的电压超过其导通电压时，其第二极与第三极导通。

作为本公开内容的一个实施方式，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2选自包括NPN三极管和金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET)的组。在第一晶体管Q1和第二晶体管Q2是NPN三极管的实施例中，其第一极可以是基极，第二极可以是集电极，第三极可以是发射极。在第一晶体管Q1和第二晶体管Q2是MOSFET的实施例中，第一极可以是栅极，第二极可以是漏极，第三极可以是源极。需要注意，本公开内容的第一晶体管Q1和第二晶体管Q2不限于上述晶体管类型以及各极的设置，只要可以实现当第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的第一极的电压超过其导通电压时，其第二极与第三极导通即可。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2可以实现开关功能，控制主备切换电路上的开关。

如图2所示，主备电切换单元103用于根据电路分支的通断情况实现主备电源的切换，其包括第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第一二极管D1、防倒灌器件D10和第二二极管D2。其中，第三晶体管Q3的第一极与第一晶体管Q1的第二极连接，第四晶体管Q4的第一极与第二晶体管Q2的第二极连接。第三晶体管Q3的第二极和第四晶体管Q4的第二极均与备用电源Vbb连接。主供电源通过第一二极管D1连接到装置的输出端Vaa，第三晶体管Q3的第三极通过防倒灌器件D10连接到装置的输出端Vaa，第四晶体管Q4的第三极通过第二二极管D2连接到装置的输出端Vaa。输出端Vaa充当负载使用电压。当第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的第二极接地时，其第一极和第三极导通。

作为本公开内容的一个实施方式，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4可以包括P型金属-氧化物半导体场效应晶体管(P-MOSFET)。在第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的实施例中，第一极是栅极，第二极是源极，第三极是漏极。然而，本公开内容不限于此，只要能够实现当第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的第二极接地时，其第一极和第三极导通即可。

第一二极管D1和第二二极管D2也可以称为隔离二极管，起到隔离的作用。具体地，第一二极管D1和第二二极管D2可以包括肖特基二极管、快恢复二极管、超快恢复二极管等，本公开内容对此不作限制。防倒灌器件D10在第三晶体管Q3的第二极和第三极导通的情况下，可以防止Vcc的电压倒灌入其左侧电路。为了简化和清楚的目的，图2中将防倒灌器件D10示出为二极管，但是本公开内容不限于此。

需要注意，本文中所提到的“连接”可以包括直接连接和间接连接，间接连接是指可以通过中间元件进行连接。

以下结合图2所示的电路图对本公开内容提出的主备电源切换装置的工作原理进行描述。

根据Vaa＝Vcc+Vbb，理想的主备电切换是在一定的电压范围内由Vcc单独供电，当Vcc的电压超过或低于所限定的阈值时，由Vbb单独供电，从而保证了某一时刻能够独立供电，且避免Vcc和Vbb同时导通。因此该装置设定了上限电压阈值V1和下限电压阈值V2，使得能够在一定范围内完成主备电源的切换。

当V1>Vcc>V2时，第一运算器件U1、第二运算器件U2均处于截止状态，Vout1(第一运算器件U1的输出端)与Vout2(第二运算器件U2的输出端)的输出均为0V，其电压达不到第一晶体管Q1、第二晶体管Q2的导通压降，因此第一晶体管Q1、第二晶体管Q2处于反偏，所以第三晶体管Q3、第四晶体管Q4无法导通，此时由主电源供电，Vaa＝Vcc-Vd1(Vd1≈0.3V)，其中Vd1是第一二极管D1的压降。

当Vcc>V1时，第一运算器件U1处于工作状态，而第二运算器件U2处于截止状态，此时第一运算器件U1输出电压Vout1＝Vcc-Vd3，其中Vd3是第三二极管D3的压降。Vout1电压远大于第一晶体管Q1的导通电压(例如0.7V)，由此第一晶体管Q1正偏，完全导通。由于第一晶体管Q1完全导通，第三晶体管Q3的第一极的电压Vm被下拉到地GND，即，第一晶体管Q1的第二极的电压，例如约为0.3V，第三晶体管Q3完全导通。因第三晶体管Q3本身的导通电阻非常小(一般为毫欧姆级别，此处忽略第三晶体管Q3导通的正向压降)，所以Vaa＝Vbb-Vd10，其中Vd10是防倒灌器件D10的压降。由此，实现了备用电源Vbb为负载提供能量供应。

当Vcc<V2时，第二运算器件U2处于工作状态，而第一运算器件U1处于截止状态，此时第二运算器件U2输出电压Vout2＝Vcc-Vd4，其中Vd4是第四二极管D4的压降。Vout2的电压远大于第二晶体管Q2的导通电压(例如0.7V)，由此第二晶体管Q2正偏，完全导通。由于第二晶体管Q2完全导通，第四晶体管Q4的第一极的电压Vm被下拉到地GND，即，第二晶体管Q2的第二极的电压，例如约为0.3V，第四晶体管Q4完全导通。因第四晶体管Q4本身的导通电阻非常小(一般为毫欧姆级别，此处忽略第四晶体管Q4导通的正向压降)，所以Vaa＝Vbb-Vd2，其中Vd2是第二二极管D2的压降。由此，实现了备用电源为Vbb负载提供能量供应。

基于上述电路原理，实现了在要求的电压范围内由主供电源供电，高于电压范围或低于电压范围时，将启动备用电源，从而保证了负载始终工作在一定范围的电压内，保证了系统的稳定性。

本公开内容提供的主备电源切换装置消除了现有技术的不足，提供了可在一定阈值范围内进行主备电源切换的电路，既能够有效的约束切换的上限电压，也能完成低电压时输出源的切换。并且在实现主备切换的同时，可允许电源在一定的范围内波动不引起误触发，避免了某些情况下的电压叠加和主备电源反复切换的风险，始终为下游的负载提供一个稳定范围内的电压，保护了下游的负载。另外，电路简单，易于实现快速切换功能。

本公开内容提供的主备电源切换装置可以应用于主备电源切换的场景中，例如需要保持实时在线或工作若干时间后再下线的功能场景中，包括但不限于车联网控制器，也可以应用于光伏产业/精密测试/半导体生产设备等会因突然断电或者电压不稳带来严重后果的能源管理行业。

作为本公开内容的一个实施方式，第一阈值电压V1和第二阈值电压V2可以通过外接的固定电压源来提供。

作为本公开内容的另一实施方式，第一阈值电压V1和第二阈值电压V2可以通过对备用电源Vbb进行分压而获得。在该实施方式中，阈值设置单元101还可以包括第一分压器件R11、第二分压器件R12、第三分压器件R13和第四分压器件R14。第一分压器件R11和第二分压器件R12串联在备用电源Vbb和地之间，第三分压器件R13和第四分压器件R14串联在备用电源Vbb和地之间。在该实施方式中，第一阈值电压V1是第一分压器件R11和第二分压器件R12之间的电压，V1＝Vbb*R12/(R11+R12)。第二阈值电压V2是第三分压器件R13和第四分压器件R14之间的电压，V2＝Vbb*R14/(R13+R14)。通过调整分压器件R11-R14的匹配，可以灵活设置以及调整电压上限及下限阈值。

作为本公开内容的一个实施方式，开关控制单元102还包括：连接在第一晶体管Q1的第二极与备用电源Vbb之间的第一限流器件R1，以及连接在第二晶体管Q2的第二极与备用电源Vbb之间的第二限流器件R2。

作为本公开内容的一个实施方式，阈值设置单元101还可以包括：连接在第一阈值电压V1与第一运算器件U1的反相输入端(-)之间的第三限流器件R3，以及连接在第二阈值电压V2与第二运算器件U2的正相输入端(+)之间的第四限流器件R4。

作为本公开内容的一个实施方式，阈值设置单元101还包括：连接在第一运算器件U1的输出端与第一晶体管Q1的第一极之间的第三二极管D3和第五限流器件R5，以及连接在第二运算器件U2的输出端与第二晶体管Q2的第一极之间的第四二极管D4和第六限流器件R6。作为示例，第三二极管D3和第四二极管D4可以包括防反隔离二极管，可实现运算器件U1和U2输出端的隔离。

在图2所示的示例中，为了简化和清楚的目的，以上限流器件示出为限流电阻，但是在实际应用中，也可以采用其他任何具有限流作用的器件。以上限流器件可以实现对所连接的电子器件的限流保护，防止电流过大导致击穿或其他损坏。

作为本公开内容的一个实施方式，开关控制单元102还包括：连接在第一晶体管Q1的第一极与地之间的第一泄放器件R21，以及连接在第二晶体管Q2的第一极与地之间的第二泄放器件R22。在图2所示的示例中，为了简化和清楚的目的，以上泄放器件示出为泄放电阻，但是在实际应用中，也可以采用其他任何具有泄放作用的器件。

作为本公开内容的一个实施方式，阈值设置单元101还包括：连接在第一运算器件U1的正相输入端(+)与主供电源Vcc之间的第一电阻R31，以及连接在第二运算器件U2的反相输入端(-)与主供电源Vcc之间的第二电阻R32。

出于示意的目的，已经给出了本公开内容的实施方式的前述说明，其并非是穷举性的也并非要将本公开内容限制为所公开的确切形式。本领域技术人员可以理解的是，在不偏离本公开内容的范围的情况下可以做出各种变化，并且可以将其中的元件替换为等同物。另外，在不偏离本公开内容的基本范围的情况下，可以进行很多修改以使得特定的情况或材料适应于本公开内容的教导。因此，本公开内容不试图限制于所公开的作为用于实现本公开内容所预期的最佳模式的特定实施方式，本公开内容将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施方式。

Claims (10)

1.一种主备电源切换装置，其特征在于，所述主备电源切换装置包括阈值设置单元、开关控制单元和主备电切换单元，其中，

所述阈值设置单元包括第一运算器件和第二运算器件，其中，所述第一运算器件的反相输入端连接至第一阈值电压，所述第二运算器件的正相输入端连接至第二阈值电压，所述第一运算器件的正相输入端和所述第二运算器件的反相输入端均连接至主供电源，其中所述第一阈值电压高于所述第二阈值电压；

所述开关控制单元包括第一晶体管和第二晶体管，其中，所述第一晶体管的第一极与所述第一运算器件的输出端连接，所述第二晶体管的第一极与所述第二运算器件的输出端连接，所述第一晶体管的第二极和所述第二晶体管的第二极均与备用电源连接，所述第一晶体管的第三极和所述第二晶体管的第三极均接地，并且其中，当所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一极的电压超过其导通电压时，其第二极与第三极导通；

所述主备电切换单元包括第三晶体管、第四晶体管、第一二极管、防倒灌器件和第二二极管，其中，所述第三晶体管的第一极与所述第一晶体管的第二极连接，所述第四晶体管的第一极与所述第二晶体管的第二极连接，所述第三晶体管的第二极和所述第四晶体管的第二极均与所述备用电源连接，所述主供电源通过所述第一二极管连接到所述装置的输出端，所述第三晶体管的第三极通过所述防倒灌器件连接到所述装置的输出端，所述第四晶体管的第三极通过所述第二二极管连接到所述装置的输出端；并且其中，当所述第三晶体管和所述第四晶体管的第二极接地时，其第一极和第三极导通。

2.根据权利要求1所述的主备电源切换装置，其特征在于，所述开关控制单元还包括：

连接在所述第一晶体管的第二极与所述备用电源之间的第一限流器件，以及

连接在所述第二晶体管的第二极与所述备用电源之间的第二限流器件。

3.根据权利要求1所述的主备电源切换装置，其特征在于，所述阈值设置单元还包括第一分压器件、第二分压器件、第三分压器件和第四分压器件，其中，

所述第一分压器件和所述第二分压器件串联在所述备用电源和地之间，所述第三分压器件和所述第四分压器件串联在所述备用电源和地之间，并且，

所述第一阈值电压是所述第一分压器件和所述第二分压器件之间的电压，

所述第二阈值电压是所述第三分压器件和所述第四分压器件之间的电压。

4.根据权利要求1所述的主备电源切换装置，其特征在于，所述阈值设置单元还包括：

连接在所述第一阈值电压与所述第一运算器件的反相输入端之间的第三限流器件，以及

连接在所述第二阈值电压与所述第二运算器件的正相输入端之间的第四限流器件。

5.根据权利要求1所述的主备电源切换装置，其特征在于，所述阈值设置单元还包括：

连接在所述第一运算器件的输出端与所述第一晶体管的第一极之间的第三二极管和第五限流器件，以及

连接在所述第二运算器件的输出端与所述第二晶体管的第一极之间的第四二极管和第六限流器件。

6.根据权利要求1所述的主备电源切换装置，其特征在于，所述开关控制单元还包括：

连接在所述第一晶体管的第一极与地之间的第一泄放器件，以及

连接在所述第二晶体管的第一极与地之间的第二泄放器件。

7.根据权利要求1所述的主备电源切换装置，其特征在于，所述阈值设置单元还包括：

连接在所述第一运算器件的正相输入端与所述主供电源之间的第一电阻，以及

连接在所述第二运算器件的反相输入端与所述主供电源之间的第二电阻。

8.根据权利要求1所述的主备电源切换装置，其特征在于，所述第一运算器件和所述第二运算器件选自包括运算放大器和比较器的组。

9.根据权利要求1所述的主备电源切换装置，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管选自包括NPN三极管和金属-氧化物半导体场效应晶体管的组。

10.根据权利要求1所述的主备电源切换装置，其特征在于，所述第三晶体管和所述第四晶体管包括P型金属-氧化物半导体场效应晶体管。

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