CN219659471U - 一种主备电切换电路及开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种主备电切换电路，应用于开关电源，设置于主用电源输出端与负载输入端之间，及备用电源输出端与负载输入端之间，包括：主备电切换单元、LDO线性稳压单元、MCU控制单元、继电器及充电管理单元；主备电切换单元检测主用电源输出端的电压，并根据检测结果输出电压信号经LDO线性稳压单元传输至MCU控制单元，以控制继电器的导通与关断；继电器导通时，备用电源为负载供电，继电器关断时，主用电源为负载供电；充电管理单元检测备用电源输出端电压，在备用电源输出端电压低于负载的最小供电电压时，输出控制信号至MCU控制单元以控制主用电源对备用电源充电。本实用新型电路简单，成本、功耗低，切换速度快且能够延长备用电源的寿命。

Description

一种主备电切换电路及开关电源

技术领域

本实用新型涉及开关电源领域，尤其涉及一种主备电切换电路。

背景技术

在开关电源应用中，对突发意外事件而导致的停电事故需要保证应急设备能够正常工作，以保证人们生命财产安全。因此，需要主用电源和备用电源配合使用，当主路输出发生掉电时，需要备用电源来代替主路电源给后级设备供电。但现有主备电切换电路通常采用两个二极管进行切换，两个二极管的阳极分别与主用电源和备用电源连接，阴极共同连接负载；在开关电源的工作过程中，由主用电源和备用电源中拥有较高电压的电源为负载供电，也即只要主用电源比备用电源的电压低，就由备用电源给负载供电；反之，则由主用电源给负载供电。虽然现有的主备电切换电路的电路结构简单，但是避免不了备用电源会长期处于一个冲放电的状态，进而损害备用电源的寿命。

实用新型内容

为解决上述现有技术问题，本实用新型提供了一种主备电切换电路，以解决备用电源长期处于充放电状态下的问题，在主用电源未发生掉电时，备用电源不工作，只有在主用电源发生掉电后，备用电源才会给后级设备供电，以避免备用电源长期处于充放电状态，进而保护备用电源的寿命。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

第一方面，提供一种主备电切换电路，应用于开关电源，设置于主用电源输出端与负载输入端之间，及备用电源输出端与负载输入端之间，包括：主备电切换单元、LDO线性稳压单元、MCU控制单元、继电器及充电管理单元；

主备电切换单元检测主用电源输出端的电压，并根据检测结果输出一电压信号经LDO线性稳压单元传输至MCU控制单元；MCU控制单元根据电压信号控制继电器的导通与关断；继电器导通时，备用电源为负载供电，继电器关断时，主用电源为负载供电，进而为负载提供连续的电流；

充电管理单元检测备用电源输出端的电压，并在检测到备用电源输出端的电压低于负载的最小供电电压时，MCU控制单元控制主用电源对备用电源充电。

作为优选，所述充电管理单元还包括备用电源检测模块和备用电源充电模块；

备用电源检测模块的输入端与备用电源输出端连接，用于检测备用电源输出端的输出电压，备用电源检测模块的输出端与MCU控制单元连接；

备用电源充电模块的第一输入端与主电源输出端连接，第二输入端与MCU控制单元连接，备用电源充电模块的输出端与备用电源连接，备用电源充电模块在备用电源输出端的电压低于负载的最小供电电压时，备用电源充电模块根据MCU控制单元输出的控制信号控制主用电源对备用电源充电。

进一步地，所述备用电源检测模块包括电阻R8和电阻R9；所述备用电源充电模块为BUCK电路；

所述电阻R8的第一端作为所述备用电源检测模块的输入端与备用电源输出端连接，所述电阻R8的第二端经所述电阻R9接地；所述电阻R8和所述电阻R9的连接点作为所述备用电源检测模块的输出端与MCU控制单元连接。

作为优选，所述主备电切换单元包括用于检测比较主用电源输出端电压的电压比较器TL431，电压比较器TL431在所述主用电源输出端电压大于其内置的基准电压时，输出低电平，使得备用电源不供电；以及在所述主用电源输出端电压小于所述基准电压时，输出高电平，并控制所述继电器导通，以使备用电源为负载供电。

进一步地，所述主备电切换单元包括：稳压二极管ZD1、电压比较器TL431、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1、二极管D2、MOS管Q1、三极管Q2和电容C1，

所述电阻R1的第一端与主用电源的输出端连接，所述电阻R1的第二端经所述电阻R2接地；所述电阻R1和所述电阻R2的连接节点与所述电压比较器TL431的参考端连接；所述电压比较器TL431的的阳极接地，阴极分别与所述电阻R3的第一端和所述电阻R4的第一端连接，所述电阻R3的第二端经所述稳压二极管ZD1与所述备用电源的输出端连接；所述电阻R4的第一端分别与所述电阻R5的第一端、所述电容C1的第一端和所述MOS管Q1的栅极连接，所述电阻R5的第二端、所述电容C1的第二端和所述MOS管Q1的源极均接地；所述MOS管Q1的漏极经电阻R6与所述三极管Q2的基极连接；所述三极管Q2的发射极与所述备用电源的输出端连接，集电极经所述二极管D2与所述LDO线性稳压单元连接；所述电阻R7连接在所述三极管Q2的基极与所述备用电源的输出端之间；所述二极管D1连接在所述主用电源的输出端与所述LDO线性稳压单元之间。

进一步地，所述二极管D1和所述二极管D2均采用同一型号的肖特基二极管。

进一步地，所述MOS管Q1采用不带寄生二极管的N沟道MOS管。

进一步地，所述三极管Q2采用PNP三极管。

第二方面，一种开关电源，包括主用电源和备用电源，还包括第一方面中任一项所述的主备电切换电路。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型所提供的主备电切换电路，其主备电切换单元中对主用电源输出端的信号采样和开关管的导通均使用全模拟器件实现，且主备电切换单元与LDO线性稳压单元、MCU控制单元和继电器构成的切换电路简单，可应用于小功率开关电源，本申请将主用电源输出端电压通过简单的LDO线性稳压单元降压后为MCU控制单元供电，同时通过MCU控制单元实时监测备用电源的状态，以保证主用电源与备用电源之间只有一个电源给后级设备供电，进而避免备用电源一直处于充电和放电状态，损害电池寿命；本方案极大的减少了元器件个数和切换延迟，降低了电路整体的复杂度和成本；同时本方案所提供的充电管理单元，可在备用电源输出端的电压低于负载的最小供电电压时，利用主用电源给备用电源充电，进而延长备用电源的寿命。

附图说明

图1为本实用新型所提供的主备电切换电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

以下结合附图对本实用新型进行详细的描述：

如图1所示，本实用新型提供一种适用于开关电源的主备电切换电路，开关电源包括主用电源Vo和备用电源；主备电切换电路设置于主用电源Vo输出端与负载R0输入端之间，及备用电源输出端与负载R0输入端之间，所述主备电切换电路包括：主备电切换单元、LDO线性稳压单元、MCU控制单元、继电器及充电管理单元；

作为主备电切换电路的一个具体实施方式，本实施例中的备用电源为备用电池Vbat+；主备电切换单元检测主用电源输出端的电压，并根据检测结果输出一电压信号经LDO线性稳压单元传输至MCU控制单元；MCU控制单元根据电压信号控制继电器的导通与关断；继电器导通时，备用电池Vbat+为负载供电，继电器关断时，主用电源Vo为负载供电，进而为负载提供连续的电流；

充电管理单元检测备用电池Vbat+输出端的电压，并在检测到备用电池Vbat+输出端的电压低于负载的最小供电电压时，MCU控制单元控制主用电源Vo对备用电池Vbat+充电。

作为充电管理单元的一个具体实施方式，所述充电管理单元还包括备用电源检测模块和备用电源充电模块；备用电源检测模块的输入端与备用电池Vbat+输出端连接，用于检测备用电池Vbat+输出端的输出电压，备用电源检测模块的输出端与MCU控制单元连接；备用电源充电模块的第一输入端与主用电源Vo输出端连接，第二输入端与MCU控制单元连接，备用电源充电模块的输出端与备用电池Vbat+连接，备用电源充电模块在备用电池Vbat+输出端的电压低于负载的最小供电电压时，备用电源充电模块根据MCU控制单元输出的控制信号控制主用电源对备用电池充电。

进一步地，备用电源检测模块包括电阻R8和电阻R9；备用电源充电模块为BUCK电路；电阻R8的第一端作为备用电源检测模块的输入端与备用电池Vbat+输出端连接，电阻R8的第二端经电阻9接地；电阻R8和电阻R9的连接点作为备用电源检测模块的输出端与MCU控制单元连接。

作为主备电切换单元的一个具体实施方式，主备电切换单元包括用于检测比较主用电源Vo输出端电压的电压比较器TL431，电压比较器TL431在主用电源Vo输出端电压大于其内置的基准电压，即内置基准电压为2.5V时，输出低电平，使得备用电池Vbat+不供电；以及在主用电源Vo输出端电压小于2.5V时，输出高电平，并控制继电器导通，以使备用电池Vbat+为负载供电。

进一步地，主备电切换单元包括：稳压二极管ZD1、电压比较器TL431、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1、二极管D2、MOS管Q1、三极管Q2和电容C1，

电阻R1的第一端与主用电源Vo的输出端连接，电阻R1的第二端经电阻R2接地；电阻R1和电阻R2的连接节点与电压比较器TL431的参考端连接；电压比较器TL431的的阳极接地，阴极分别与电阻R3的第一端和电阻R4的第一端连接，电阻R3的第二端经稳压二极管ZD1与备用电池Vbat+的输出端连接；电阻R4的第一端分别与电阻R5的第一端、电容C1的第一端和MOS管Q1的栅极连接，电阻R5的第二端、电容C1的第二端和MOS管Q1的源极均接地；MOS管Q1的漏极经电阻R6与三极管Q2的基极连接；三极管Q2的发射极与备用电池Vbat+的输出端连接，集电极经二极管D2与LDO线性稳压单元连接；电阻R7连接在三极管Q2的基极与备用电池Vbat+的输出端之间；二极管D1连接在主用电源Vo的输出端与LDO线性稳压单元之间。

其中，二极管D1和二极管D2均采用同一型号的肖特基二极管；MOS管Q1采用不带寄生二极管的N沟道MOS管，能够更快速的完成主用电源Vo与备用电池Vbat+之间的切换，且成本低、开关速度快；三极管Q2采用PNP三极管；

电阻R1和电阻R2的具体阻值取决于主用电源Vo的欠压大小，使得主用电源Vo发生欠压时，电阻R1与电阻R2连接点的电压小于2.5V；电阻R3的阻值取决于TL431芯片正常工作时需要的电流大小；电阻R4和电阻R5的阻值依据MOS管Q1 正常工作时GS两端的导通压降大小来选取；电阻R6和电阻R7的阻值根据MOS管Q1正常工作时DS两端的电流和三极管Q2正常工作时EB两端的电流选取；电容C1的容值根据MOS管Q1 的GS两端导通时，电阻R5和电容C1的延时设定值来选取，具体大小还需要参考电阻R4阻值。

本实施例的工作原理如下：

在开关电源正常工作时，通过用于检测比较主用电源Vo输出端电压的电压比较器TL431监测主用电源Vo输出端的电压大小，当主用电源Vo幅值正常时，由主用电源Vo对负载R0进行供电；当主用电源Vo无法正常供电时，比如开关电源的输入交流电发生掉电或者其它故障导致开关电源主用电源Vo输出端发生掉电，此时通过电压比较器TL431的参考端所采集的主用电源Vo输出端电压与其内置基准电压2.5V比较，在参考端电压小于内置基准电压2.5V时，电压比较器TL431的阴极输出高电平，该高电平先通过电阻R4给电容C1充电，在经历电阻R5和电容C1的一个RC延时后，电容C1充满电，MOS管Q1导通，此时MOS管Q1的DS两端电压由高电平变为低电平，三极管Q2的基极由高电平变为低电平，使得三极管Q2的EC两端导通，进而使得该电平信号通过二极管D2传输至LDO线性稳压单元，再通过LDO线性稳压单元，将备用电池Vbat+电压转换到3.3V给MCU控制单元供电，以使MCU控制单元开始工作，并检测备用电池Vbat+电压大小；若检测到备用电池Vbat+处于欠压状态时，则备用电池Vbat+不能给负载R0供电，除非主用电源Vo恢复正常，此时MCU控制单元将控制BUCK电路让主用电源Vo给备用电池Vbat+充电，直到备用电池Vbat+充满电；所以只有当主用电源Vo发生掉电且备用电池Vbat+不在欠压点以下时，备用电池Vbat+才会给负载R0供电，从而实现当主电源Vo掉电后，备用电池Vbat+能够快速切换为后极设备供电，同时还能延长备用电池Vbat+的寿命。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本实用新型的构思，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种主备电切换电路，应用于开关电源，设置于主用电源输出端与负载输入端之间，及备用电源输出端与负载输入端之间，其特征在于，包括：主备电切换单元、LDO线性稳压单元、MCU控制单元、继电器及充电管理单元；

所述主备电切换单元检测主用电源输出端的电压，并根据检测结果输出一电压信号经所述LDO线性稳压单元传输至所述MCU控制单元；所述MCU控制单元根据所述电压信号控制所述继电器的导通与关断；所述继电器导通时，备用电源为负载供电，所述继电器关断时，主用电源为负载供电，进而为负载提供连续的电流；

所述充电管理单元检测备用电源输出端的电压，并在检测到备用电源输出端的电压低于负载的最小供电电压时，所述MCU控制单元控制主用电源对备用电源充电。

2.根据权利要求1所述的主备电切换电路，其特征在于，所述充电管理单元还包括备用电源检测模块和备用电源充电模块；

所述备用电源检测模块的输入端与备用电源输出端连接，用于检测所述备用电源输出端的输出电压，所述备用电源检测模块的输出端与MCU控制单元连接；

所述备用电源充电模块的第一输入端与主电源输出端连接，第二输入端与所述MCU控制单元连接，所述备用电源充电模块的输出端与备用电源连接，所述备用电源充电模块在所述备用电源输出端的电压低于负载的最小供电电压时，所述备用电源充电模块根据所述MCU控制单元输出的控制信号控制主用电源对备用电源充电。

3.根据权利要求2所述的主备电切换电路，其特征在于，所述备用电源检测模块包括电阻R8和电阻R9；所述备用电源充电模块为BUCK电路；

所述电阻R8的第一端作为所述备用电源检测模块的输入端与备用电源输出端连接，所述电阻R8的第二端经所述电阻R9接地；所述电阻R8和所述电阻R9的连接点作为所述备用电源检测模块的输出端与MCU控制单元连接。

4.根据权利要求1所述的主备电切换电路，其特征在于，所述主备电切换单元包括用于检测比较主用电源输出端电压的电压比较器TL431，电压比较器TL431在所述主用电源输出端电压大于其内置的基准电压时，输出低电平，使得备用电源不供电；以及在所述主用电源输出端电压小于所述基准电压时，输出高电平，并控制所述继电器导通，以使备用电源为负载供电。

5.根据权利要求4所述的主备电切换电路，其特征在于，所述主备电切换单元包括：稳压二极管ZD1、电压比较器TL431、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1、二极管D2、MOS管Q1、三极管Q2和电容C1，所述电阻R1的第一端与主用电源的输出端连接，所述电阻R1的第二端经所述电阻R2接地；所述电阻R1和所述电阻R2的连接节点与所述电压比较器TL431的参考端连接；所述电压比较器TL431的阳极接地，阴极分别与所述电阻R3的第一端和所述电阻R4的第一端连接，所述电阻R3的第二端经所述稳压二极管ZD1与所述备用电源的输出端连接；所述电阻R4的第一端分别与所述电阻R5的第一端、所述电容C1的第一端和所述MOS管Q1的栅极连接，所述电阻R5的第二端、所述电容C1的第二端和所述MOS管Q1的源极均接地；所述MOS管Q1的漏极经电阻R6与所述三极管Q2的基极连接；所述三极管Q2的发射极与所述备用电源的输出端连接，集电极经所述二极管D2与所述LDO线性稳压单元连接；所述电阻R7连接在所述三极管Q2的基极与所述备用电源的输出端之间；所述二极管D1连接在所述主用电源的输出端与所述LDO线性稳压单元之间。

6.根据权利要求5所述的主备电切换电路，其特征在于，所述二极管D1和所述二极管D2均采用同一型号的肖特基二极管。

7.根据权利要求6所述的主备电切换电路，其特征在于：所述MOS管Q1采用不带寄生二极管的N沟道MOS管。

8.根据权利要求7所述的主备电切换电路，其特征在于：所述三极管Q2采用PNP三极管。

9.一种开关电源，包括主用电源和备用电源，其特征在于，还包括权利要求1-8任一项所述的主备电切换电路。