CN2208721Y

CN2208721Y - 智能化能量互补在线式不间断开关电源装置

Info

Publication number: CN2208721Y
Application number: CN94221822U
Authority: CN
Inventors: 冉茂莘
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-09-10
Filing date: 1994-09-10
Publication date: 1995-09-27
Anticipated expiration: 2004-09-10
Also published as: WO1996007962A1; AU1271095A

Abstract

一种智能化能量互补在线式不间断电源装置，包括高压输入部分；由电池组构成的低压输入部分；脉宽调控电路；主功率变压器，低压直流输出部分，高压输出转换电路，还包括提供交流高压的AC高压回路，向电池充电的低压回路，向主功率变压器放电的低压放电回路，高压直流输出回路和控制开关装置工作的控制电路。

Description

本发明涉及一种开关电源装置，具体来讲，涉及一种智能化能量互补在线式不间断开关电源装置，可结合于对电网供电质量敏感的用电器具中，例如，电脑、通讯电子产品医疗仪器、工控仪器、远程数据收集记录系统等。

随着信息技术的发展，以电脑为代表的信息产品全面进入各个领域，但这些产品对电网质量要求很高。目前所用的电源主要有两种，即UPS和SPS。

通常，在UPS中，无论是正弦波还是方波输出，都要经过多次交直流能量相互转换过程；在电池支持工作时，电池电压要转换成高压直流或转换成高压交流，高压交流送给负载又要由负载内的开关电源将高压交流转换成低压直流。因此能源利用率低。

UPS电源的另一个问题是电源的投资高，特别是功率愈大、支持时间愈长，则价格越贵。

UPS电源还有一个问题在于，它的输出与负载之间若有任何接触不良，或发生负载故障，而使UPS进入保护状态，其他负载亦会发生中断。

传统的开关电源SPS不具备不间断功能。

因此，本发明的目的就在于，提供一种智能化能量互补在线式不间断电源装置，它比传统的UPS电源能源利用率高，成本低，即可以单独地，还可以结合入用电器支持负载的用电部分。

根据本实用新型，其工作过程是：（1）当高压正常时，第一能源（市电高压）向负载提供能量，第二能源端的电池从主功率转换变压器吸收第一能源的能量充电。（2）如果AC低于设定值时，则电池（第二能源）就经过第二端向主功率变压器放电而补充能量，其放电电流随AC的降低而增加，直至某一转换点时全部由电池供电。（3）当AC突然中断时，由于第二能源端是处于与AC高压同步工作状态，所以是无间断地补充全部能源，同时在第一能源端产生出高压可以提供给需要高压的负载。由此达到负载始终保持有稳定的电压的目的。

根据本实用新型的一种智能化能量互补在线式不间断开关电源装置，包括由输入保护电路、EMI 滤波电路、桥式整流电路和低通滤波电路顺序组成的高压输入部分；由电池组构成的低压输入部分；一脉宽调控电路；一主功率变压器；由整流滤波电器构成的低压直流输出部分；高压输出转换电路；其中，输入保护电路的输出与高压输出转换电路的输入直接连接起来构成AC高压输出回路；本实用新型的特征在于，还包括：

一高压回路，由一高压开关连接于所述低通滤波器和所述主动率变压器之间构成，所述高压开关在所述脉宽调控电路的控制下，将所述低通滤波器高压输出直流送到主功率变压器，以供低压输出；

一低压回路，由主功率变压器经一充电保护电路与所述电池组连接起来而构成，用于在交流电压正常（在一予定范围内）时，向所述电池组充电；

一低压放电回路，由一低压开关连接于所述电池组和所述主功率变压器之间构成，该低压开关在所述脉宽调控电路控制下，与所述高压开关同步工作，在所述交流电压低于一预定值时，从所述电池组向所述主动率变压器放电；

一高压直流输出回路，由所述主动率变压器的初级高压绕组、一高压整流电路、所述低通滤器和所述高压输出转换部分顺序连接构成，用于提供高压直流输出；

一控制电路，根据操作员的指令或本电源装置的状态信号、由开关和智能逻辑控制的模块组成的控制电路，用于控制所述电源的工作状况。

根据本实用新型的一个实施例，所述不间断开关电源装置，还包括一远程通讯控制模块，该远程控制模块与现所述控制电路相连接，根据电话线路的信号或时间控制信号或其他信号来启动或停止所述电源开关装置的工作。

图1是本实用新型一个实施例的电路方框图。

图2A、B、C是本实用新型的电路图。

图3A、B、C、图4和图5是图2中控制模方框504的具体线路图。

图6是本实用新型远程通讯模块的框图。

图7是图6所示远程通讯模块的电路图。

下面结合附图，详细说明本发明。

图1、2是本实用新型的一个典型应用，是微型计算机内的不间断电源，其结构如下：

A.高压输入部分

本部分由AC输入插座起到整流滤波输出高压直流止，组成如下：

（1）.一个标准的AC输入插座P1，如图1所示，经保护电路（100），进入EMI波滤网络（101），再经桥式整流器（102）和低通滤波（103），进入高压PWM开关（201）。

本部分电路的输入保护（100），EMI滤波（101），桥式整流（102）及低通滤波（103）均采用经典线路及元件组成可见图2相应部分，即，短路保护由保险管F1实现。输入浪涌保护由RT1实现。EMI滤波网络由C001，L001，C002，C003，C004实现。整流桥是BR1，低通滤波为电容C006。

（2）.同时由保护电路（100）后的AB两点引出交流高压送到一个继电器组成的转换电路（105）的常开端点。

工作原理：当高压正常时，受交流采样电路（106）和控制部分（504）所控制的（转换电路）继电器（105）会将高压输出端经过继电器（105）的转接活动端接到常开端而直接将AC高压输出。

B：低压输入部分（301）：

本电路（301）采用24V密封免维护可充电电池组BT1，经过反向隔离二极管D001送到变压器（200）低压初级绕组W2，W2与低压功率开关管Q002组成回路。电池组BT1的数量、类型和设计，根据装进各用电器内部的条件而定，本实施例是为台式和立式电脑机箱机箱而设计的，电池组是12V／1.9AH×2串联安装于一简洁的与5.25窗口完全吻合的阻燃防腐的塑料盒内。该BT1正好取代5.25″软驱的位置，使安装极为方便。

从电池组的正负极还引出两根外接电池线及插头插于一附加卡上，再经防反接及短路保护电路接于该插端部的扩充电池插口。以让用户必要时可任意增加24V电池容量达到长延时的目的。

C：高低压同步双路单管能量互补功率转率部分

本部分是本设计的核心。其组成和工作原理如下：

组成：图1中的（201），（302），及其相关的内部电路，详见图2中的（201）所示包括T002，R002，Q001，C009，R003，D004，R004，C010，R021，C029，T001的高压初级绕组W1和（302）所示包括R006，Q002，R016，C028，D005，C011，R005和低压初级绕组W2。

a.经高压低通滤波（103）后C.D.两点来的高压直流电压，加在高压开关Q001的S极，再顺序经过其D极、W1的2端、W1的1端（或3端）、110V／220V选择开关（104）形成高压回路。

b.由电池放电电路（301）中的隔离二极管D001来的低压直流电压正端，送到W2的1端然后由2端串联低压PWM开关Q002的D到S而回到电池负极（）形成低压回路。

c.由PWM控制电路（500）来的脉宽调制信号，见图2中，由控制模块（504）的12脚输出经R001到P点分成两路，一路经驱动脉冲变压器T002，一路直接同时加到高、低压PWM开关管Q001，Q002 G 极。

d.工作过程：

开机后Q001，Q002均进入同步的开关工作状态

（1）.AC正常时W1两端电压V 为高频（80K）的峰峰值为V_CD。根据变压器设计的匝比关系，此时在W2上的由于W1的供电而感生的电压为VWI，大于32Vpp，此电压远高于电池的电压（24V），因此VWI将经过（303）向电池充电（另述），而在次级低压绕组WL1，WL2分别感生相应的不同等级的电压，经整流滤波（601）向各级低压直流负载供电。

本电路以保证低压输出的稳定为中心目标，由对输出的采样（图2中（503））反馈给（500），对Q001和Q002进行脉宽调制而实现。

（2）.当AC高于正常值达120％时，本设计所采用的各部元件均能正常工作。而输出的稳定由PWM控制，均保证在电网调整率（Line－Regulation）标准之内。

（3）.当AC低于正常值的82％时，由于W1上的VIPP的降低，在W2的感应电压VWI也随之降低，直到对电池充电停止。当AC进一步降低时，电池将会由27.5V的浮点电压经Q002和W2而轻微放电。当AC进一步降低时，电池放电电流亦随之加大，直到由此而在W1上的感应VBL等于VIPP时，则全部负载的能量供给均由电池承担。

（4）.当AC突然断电，在C008上的储电电压开始下降时，由于低压开关管（302）Q002一直是在工作状态，W2上的电流即时增大补足上去。

综观（3）、（4）的工作状态，高压交流与低压直流在主变压变器中的能量转换是一种互补的形式。中间没有间断点，达到了在线不间断（ON－LINE）的目的。而在各种状态的全过程中，由于PWM的调节控制，均能保证低压负载上的电压维持恒定。

e.各相关线路中的吸收回路是吸收高频（80K）转换过程中产生的尖峰，以减少干扰和保护器件，均属常规电路，此不必赘述。

D〉.高压输出部分，参考图2，图4

本输出前题条件是，

（1）.由于当今在数字处理机和外围设备中，绝大部分都采用SPS作为电源。因此在下述线路，将证明本实用新型是极为简捷，行之有效的。（例如显示器均是采用宽适应范围的开关电源）。

从SPS的AC输入分析，如果输入的是AC额定值的有效值的直流电流，对保险管、浪涌吸收电阻、EMI滤波网络和整流桥均不会有不利影响，在桥式整流器上，只有2只在二极管导通，另2只不工作。

因此本设计在交流低于70％时，由继电器把高压负载从AC输入转换接到高压直流输出上，实验证明比方波输入的效果更好。（在某些抗干扰能力差的显示器上，看不到方波奇次偕波给显示带来干扰横线。）

本设计高压输出分为高压交流和高压直流两路。

（2）.电路设计如下：

i.一路交流高压来自AC输入回路（A.B点），接到转换电路（105）的继电器的一对常开端点。

ii.另一路高压来自主变压器（200）的高压初级绕W1，本回路由220V／110V转换开关选择W1的抽头1（或3）和D002在C008两端形成高压直流VDE，再经串联的热敏电阻RT2送到转换电路（105）的J1的常闭触点。当电网停电无AC输入时，电池供电工作，在W1上感应电压为VBH，则VBH＝VB X W1／W2.Xη（式中VB为电池电压，W1／W2为高低压初级线圈的匝比，η为转换效率）。设若AC输入为标称值的82％时，在W2端这产生的感应电压为27.6Vpp，则电池供电时在W1上产生的感应电压VBH会小于AC交流高压标称值的直流效值（

\sqrt{2}

×V_AC），因此，将此直流高压输出到高压负载（显示器）的开关电源上，可以保证不会造成过压冲击，但仍在该类负载的可正常工作的范围内，提高了安全度。

iii.高压输出的转换控制，由交流采样（106），控制部分（504）智能逻辑（504A）组成。（106）从AC输入保护（100）后的A.B点取出交流电压，经过220V／110V选择开关（104）SW2B，以选择RV1和RV2两个不同值的压敏电阻分别作为220VAC或110VAC的取样选择，经过C007到一个桥式整流器D010－D013，然后经光耦U003隔离送到由IC5C、IC5B及其相关电路组成的比较电路，送到控制模块（504）的Q3的基极，而决定继电器（105）线圈的工作与否达到切换高压输出的目的。

（3）.工作原理：

（i）.参见图4，AC正常时（106）中的U003导通，使IC5C的8、9端为电平，致使IC5A的1端为高压电平，经过与非门IC5A的1端和IC5A2端的时间常数电路R35，C12再经IC5B的4端输出高电平，使Q3导通，致使继电器（105）线圈加电而使输出端转向AC侧，由AC向高压负载（显示器）供电。

（ii）.当AC低于正常值的70％或为0时，本电路将是逆反上述逻辑，而使继电器（105）线圈失电，则由主变压器（200）高压初级线圈W1感应电压整流滤波后的VDE，经继电器（105）常闭端向高压负载（显示器）供电。

（iii）.另一路智能控制信号由模块（504A）ICU的5端提供，其工作是（504A）模块内部检测是否有操作人员在工作，如果没有操作人员，SW1在OFF状态，全机处于无人值守状态。下面分两种情况说明本电源自动ON／OFF的工作原理。

a.AC交流正常时，如果有远程控制信号的高电平（＋5V－＋10V）自504A的2端输入，（504）的3端将置于0电平，即可使控制回路（504）进入工作状态，而启动全机，电脑可自行引导执行自动程序。此刻（504A）的5端将自动置于低电平，交流高压输出P2经J1置于AC一侧，而正常工作。如果此时AC突掉电，全机转由电池（301）供电，但（504）仍锁定J1置于AC侧，而减少电池消耗，当（506）的控制电平低至0时，则（504A）令3端置于高电平而令全机停止工作。

b.AC停电时：

如果有远程信号自（506）来到（504A）的2端输入，（504A）仍将5端置于低电平而使高压输出P2经J1锁定AC一侧而无输出，令高压负载（显视器）不必启动而浪费电池。同时置3端为低电平，主机则正常启动，自动完成预先设定的工作（如接收FAX等）。

E〉.低压直流输出部分：（参考图2）

本设计的低压部分是为通用的各种不同电压的输出组成。

例如＋5 VDC，＋24VDC，＋3VDC，－5VDC，－12VDC等等。

由主变压器（200）的次级绕组WLI经整流，滤波，向负载供＋12VDC。

由在WL1的抽头经流滤波向负载供＋5VDC。

由WL2以同样方式再经三端稳压IC7905，7912供－5VDC和－12VDC。

F〉.电池充放电电路及其保护（参考图5）：

1）.充电及其保护的电路

由主变压器（200）的低压初级绕组W2，低压开关管Q002，C13，Q003，R011，R42，D9，Q7，R43，R28，R29，231，D4和比较器IC4B组成。

工作原理：AC正常时，由W2的感应电压VAL经Q002，C13组成整流滤波送到Q003的C极由其E极经电阻R11向电池充电，充电电流的大小由Q003的基极电压决定：

Q003基极的正偏压电阻为R42，该基极与Q点之间并联有二极管D9。D9为LED，其正偏电压特性近以稳压管，因此Q点电压稳定在1.6V，充电电流为I＝（V LED－VBE（Q003））／R011＝0.4A。所以本充电电路以0.2C电流进行准恒流充电。取0.2C即保证充电速度，又延长电流寿命。同时也不使充电电流过大而影响整个电源的功率分配平衡。

当电池电压充电到115％时，经过比较器IC4B输出的电平将使Q7导通，拉低充电三极管Q003的基极而关断Q003，停止充电。

2）.放电及其保护电路；（图5）

放电的条件和过程已在第（C）部分中阐述。

保护电路由比较器（IC3C），R47 R48 R49以及 Q4 R39 D6 Q5组成。当电池放电，直到电池电压低于18.5 VDC时，经IC3C输出一低电平使Q4载止，遂使整个控制回路失电而全机停止。

G〉.输出的过压和短路保护则为常规线路：

经过比较器IC2A 2B 组成＋12V、＋5V欠压采样电路，由IC2C组成＋5V过压采样电路，经R40 D6 Q5（图15）执行＋12V和＋5V的欠、过压保护。

H〉.控制：

条件：由于计算机越来越广泛地应用于各种通讯和自动控制设备中，因此要求电脑在无人操作时亦可以自动接收，处理信息。而在无人操作时，显视器可以不工作，但要求在没有交流时亦可以由USPS电池能量来持电脑工作。

如果有AC，主机将开机进入正常工作。如果无AC（交流停电），因内部有电池提供能量，同样可使主机开关正常工作，在此种情况下，只开主机不开显示器，使达节能目的。接收或处理信息完毕后，将自动关闭主机。

本控制电路以两路决定工作状态：

1.以操作者是否开机操作为一路。

当SWI（505）在ON状态，USPS智能开关模块自动封锁，FAX自动开机卡送来自动开关机信号，主机及显示器正常工作，并具备UPS功能。

2.当操作者关断主开关（505）后，本电源装置处于无人守值等待状态。如果经门GI1（506）进来信号电平（5VDC－10VDC），即可经R17使Q004导通致令主控回路工作，此刻，如果AC（100）正常，主机进入正常工作，如果AC（100）不正常亦可由电池提供能量，令主机启动正常工作。

八〉经电话线由传真电子邮件控制，参见图（6）

电路原理：线路振铃信号经振铃采样（6102），变压器隔离（6103），由启动电路（6200）给出开机的高电平信号，此信号再由USPS内部智，能开关输入到或门电路GI（506），启动USPS。USPS启动后，其＋5V（6500）开始为控制电路提供＋5V工作电压。在振铃期间，关机驱动电路（6404）不执行关机。当自动运行软件执行“提起听筒”步骤后进入接收过程，此时，关机驱动电路（6404）不执行关机。当FAX过程完毕挂机后，“挂听筒”信号检测电路（6401）检出挂听筒信号，经关机延时电路（6402）延迟设定的一段时间后，产生已隔离的关机信号，由控制电路（300）关机。

本电路中，市话线路于控制电路由变压器实现完备的光电磁电隔离，消除了市话与计算机之间的相互干扰。

以上借助于实施例详细地说明了本实用新型，但并不局限于这些实例，本领域的技术人员完全可以在不脱离本实用新型的构思情况下实现一些改变，但没有脱离所附权利要求的范围。

Claims

1、一种智能能量互补在线式不间断开关电源装置，包括由输入保护电路、EMI滤波电路、桥式整流电路和低通滤波电路顺序组成的高压输入部分；由电池组构成的低压输入部分；一脉宽调控电路；一主功率变压器；由整流滤波电路构成的低压直流输出部分；高压输出转换电路；其中，输入保护电路的输出与高压输出转换电路的输入直接连接起来构成AC高压输出回路；其特征在于，还包括：

一高压回路，由一高压开关连接于所述低通滤波器和所述主功率变压器之间构成，所述高压开关在所述脉宽调控电路的控制下，将所述低通滤波器高压输出直流送到主功率变压器，以供低压输出；

一低压回路，由主功率变压器经一充电保护电路与所述电池组连接起来而构成，用于在交流电压正常(在一予定范围内)时，向所述电池组充电；

一低压放电回路，由一低压开关连接于所述电池组和所述主功率变压器之间构成，该低压开关在所述脉宽调控电路控制下，与所述高压开关同步工作，在所述交流电压低于一预定值时，从所述电池组向所述主功率变压器放电；

2、根据本实用新型的一个实施例，所述不间断开关电源装置，还包括一远程通讯控制模块，该远程控制模块，与所述控制电路相连接，根据电话线路的信号或时间控制信号或其他信号来启动或停止所述电源开关装置的工作。

3、根据权利要求2的不间断开关电源装置，其特征在于，所述远程控制模块包括；成串联相接的过压保护部分、铃振采样部分、隔离电路和启动电路，启动电路产生开机高电平信号启动所述不间断开关电源装置，还包括一“挂听筒”信号检测电路，响应于检出的“挂听筒”信号，经一延时关机电路延时的信号通过一光电隔部分、关机驱动部分和控制电路，使所述开关电源关机。

4、根据权利要求1的不间断开关电源装置，其特征在于，所述控制模块是由时钟控制的。