JP2013520949A - 逆接続保護装置及びこれを備えるバックアップ電源 - Google Patents

逆接続保護装置及びこれを備えるバックアップ電源 Download PDF

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Abstract

逆接続保護装置及びこれを備えるバックアップ電源である。逆接続保護装置は、第1及び第2の導入端と、第1及び第2の導入端にそれぞれ対応付けられた第1及び第2の導出端と、を定義する充放電インターフェース(2)、充放電インターフェース(2)の第1の導入端に結合され、二次電池(1)の充放電を制御するため、二次電池(1)の正極に結合するよう適応している電池制御モジュール(7)、充放電インターフェース(2)の第1の導出端と、負荷(4)の正極及び外部の電源(3)の正極との間に結合されるよう適応しているスイッチユニット(5)、スイッチユニット(5)に結合されるスイッチ制御モジュール(6)、及び、電池制御モジュール(7)、負荷(4)及び外部の電源(3)にそれぞれ結合されるよう適応している起動モジュール(8)、を備える。
【選択図】図1

Description

本開示は電源に関連し、特に逆接続保護装置及びこれを備えるバックアップ電源に関連する。
通信システム、インターネットサーバなどの電気機器にとって、連続的な電力供給は非常に重要である。電力供給の中断が発生したときは、装置の回路を保護するため、バックアップ電源が起動されなければならない。それゆえ、回路を保護するための電力供給は特に重要である。
従来、電源が逆接続されたときの回路の保護のために、高圧逆接続保護ダイオード、過渡電圧サプレッサ(TVS)あるいはヒューズが用いられている。しかしながら、ヒューズは溶断すると、取り替えられなければならない。それゆえ保守が不便である。
本開示のひとつの実施形態によれば、第1及び第2の導入端と、前記第1及び第2の導入端にそれぞれ対応付けられた第1及び第2の導出端と、を定義する充放電インターフェースであって、前記第2の導入端は、バックアップ電源の二次電池の負極に結合するよう適応しており、前記第2の導出端は、負荷の負極及び外部の電源の負極に結合するよう適応している充放電インターフェース、前記充放電インターフェースの前記第1の導入端に結合され、前記二次電池の充放電を制御するため、前記二次電池の正極に結合するよう適応している電池制御モジュール、前記第1の導出端と、前記負荷の正極及び前記外部の電源の正極との間に結合されるよう適応しているスイッチユニット、前記充放電インターフェースの前記第1及び第2の導出端の電圧に従って前記スイッチユニットを制御するため、前記スイッチユニットに結合されるスイッチ制御モジュール、及び、前記外部の電源がオンした後に前記電池制御モジュールを起動するため、また、前記負荷、前記二次電池及び前記外部の電源のいずれかが逆接続されたときオフされるため、前記電池制御モジュール、前記負荷及び前記外部の電源にそれぞれ結合されるよう適応している起動モジュール、を備える前記バックアップ電源のための逆接続保護装置が提供される。
本開示の他の実施形態によれば、二次電池及び逆接続保護装置を備えるバックアップ電源が提供される。逆接続保護装置は、第1及び第2の導入端と、前記第1及び第2の導入端にそれぞれ対応付けられた第1及び第2の導出端と、を定義する充放電インターフェースであって、前記第2の導入端は二次電池の負極に結合するよう適応しており、前記第2の導出端は、負荷の負極及び外部の電源の負極に結合するよう適応している充放電インターフェース、前記充放電インターフェースの前記第1の導入端に結合され、前記二次電池の充放電を制御するため、前記二次電池の正極に結合するよう適応している電池制御モジュール、前記第1の導出端と、前記負荷の正極及び前記外部の電源の正極との間に結合されるよう適応しているスイッチユニット、前記充放電インターフェースの前記第1及び第2の導出端の電圧に従って前記スイッチユニットを制御するため、前記スイッチユニットに結合されるスイッチ制御モジュール、及び、前記外部の電源がオンした後に前記電池制御モジュールを起動するため、また、前記負荷、前記二次電池及び前記外部の電源のいずれかが逆接続されたときオフされるため、前記電池制御モジュール、前記負荷及び前記外部の電源にそれぞれ結合されるよう適応している起動モジュール、を備える。
本開示の実施形態においては、二次電池、電池制御モジュール、充放電インターフェース、外部の電源及び負荷が、メイン充放電回路を構成する。電池制御モジュールは、メイン充放電回路から独立した起動モジュールにより起動され得ることとなり、また、バックアップ電源のメイン回路のオン及びオフの各状態をスイッチユニットにより制御し、結果として二次電池及びメイン充放電回路のオン及びオフの各状態を制御するため、メイン充放電回路が逆接続されたか否かが、スイッチ制御モジュールにより、充放電インターフェースからの電圧出力に従って判別される。メイン充放電回路が逆接続されたとき、メイン充放電回路はオフされ、結果として、メイン充放電回路の逆接続(すなわち、二次電池、外部の電源及び負荷の少なくともひとつが逆接続されること)が防止される。本開示の実施形態に係る、逆接続保護装置及びこれを備えるバックアップ電源は、構造が簡潔で低コストである。
本開示の実施形態の他の態様及び特長は、以下の明細書の一部において示され、以下の説明の一部において明らかになり、あるいは、本開示の実施形態の実施から知得される。
本開示の上記及び他の態様及び特長は、図面と一体をなす以下の説明により明らかになり、より容易に理解される。
本開示の実施形態に係るバックアップ電源の構造図である。 本開示の他の実施形態に係るバックアップ電源の構造図である。 図2に示す電池制御モジュールの詳細な回路図である。
本開示の実施形態を詳細に記述する。添付した図面を参照して説明されるこの実施形態は説明上のもので例示的なものであり、本開示の全般的な理解のために用いられている。この実施形態は、本開示を限定するものと解釈されてはならない。同一ないし同様の構成要素、及び、同一ないし同様の機能を有する構成要素には、本明細書を通じて同じ参照番号を付してある。
図1−3を参照すると、図1は、本開示の実施形態に係るバックアップ電源の構造図である。図2は、本開示の他の実施形態に係るバックアップ電源の構造図である。図3は、図2に示す起動モジュールの詳細な回路図である。
図1から3に示すように、いくつかの実施形態において、バックアップ電源を有する電気装置には逆接続保護装置が用いられていてもよい。この電気機器は、外部の電源によって駆動されてもよいし、バックアップ電源によって駆動されてもよい。
実施形態において、逆接続保護装置は、二次電池1を充放電するための充放電インターフェース2、二次電池1の充放電を制御するための電池制御モジュール7、電池制御モジュール7を起動するための起動モジュール8、スイッチユニット5、及び、スイッチユニット5に結合されるスイッチ制御モジュール6を備える。充放電インターフェース2は、第1及び第2の導入端と、この第1及び第2の導入端にそれぞれ対応付けられた第1及び第2の導出端とを備えており、第2の導入端は、二次電池1の負極(B−)に結合されており、第2の導出端は、負荷4の負極及び外部の電源3の負極に結合される。電池制御モジュール7は、二次電池1の充放電を制御するため、充放電インターフェース2の第1の導入端と、二次電池1の正極(B+)とに結合される。スイッチユニット5は、充放電インターフェース2の第1の導出端と、負荷4の正極及び外部の電源3の正極との間に結合される。スイッチ制御モジュール6は、充放電インターフェース2の第1及び第2の導出端の電圧に従ってスイッチユニット5を制御するため、スイッチユニット5に結合される。スイッチ制御モジュール6は、スイッチユニット5のスイッチをオンするか否かを、充放電インターフェース2の第1及び第2の導出端の電圧に従って決定する。起動モジュール8は、外部の電源3がオンした後に電池制御モジュール7を起動するため、また、負荷4、二次電池1及び外部の電源3のいずれかが逆接続されたとき起動モジュール8をオフするため、電池制御モジュール7、負荷4及び外部の電源3にそれぞれ結合される。
本開示の実施形態では、二次電池1、電池制御モジュール7、充放電インターフェース2、外部の電源3及び負荷4が、メイン充放電回路を構成する。
図2−3に示すように、パワーインターフェース2は、2個の導入端及び2個の導出端を定義する4端子インターフェースであってもよい。スイッチユニット5は、常開スイッチであってもよい。
図2に示すように、起動モジュール8は、起動端子83、雷保護回路82、電圧安定化及び逆接続保護回路81、及び、光カプラUを備える。起動端子83は、負荷4及び外部の電源3にそれぞれ結合するよう適応している。雷保護回路82は、起動端子83に結合される。電圧安定化及び逆接続保護回路81は、雷保護回路82に結合され、負荷4、二次電池1及び外部の電源3のいずれかが逆接続されたとき、切断される。光カプラUの第1及び第2の入力端は、電圧安定化及び逆接続保護回路81にそれぞれ結合され、光カプラUの出力端は、電池制御モジュール7に結合される。
実施形態のひとつにおいては、起動端子83は誤操作防止型の起動端子である。
実施形態のひとつにおいては、雷保護回路82は、第1のキャパシタC1、第2のキャパシタC2、第1の電流制限抵抗器R1、第2の電流制限抵抗器R2、第1の磁気ビーズL1、及び第2の磁気ビーズL2を備えている。第1のキャパシタC1の一端は、起動端子83の一端に結合される。第2のキャパシタC2は、第1のキャパシタC1に直列に接続され、第2のキャパシタC2の一端は、起動端子83の他端に結合され、第1のキャパシタC1と第2のキャパシタC2との接続点は接地される。第1の電流制限抵抗器R1の一端は、起動端子83の一端に結合され、第2の電流制限抵抗器R2の一端は、起動端子83の他端に結合される。第1の磁気ビーズL1は、第1の電流制限抵抗器R1の他端に結合され、第2の磁気ビーズL2は、第2の電流制限抵抗器R2の他端に結合される。
実施形態のひとつにおいては、雷保護回路82はさらに、直列に接続された第1及び第2のキャパシタC1、C2に並列に接続される、第3のキャパシタC3を備える。
実施形態のひとつにおいては、電圧安定化及び逆接続保護回路81は、雷保護回路82の第1の磁気ビーズL1に結合されるカソードと光カプラUの第1の入力端に結合されるアノードとを有する第1のダイオードDを備える。
実施形態のひとつにおいては、電圧安定化及び逆接続保護回路81はさらに、光カプラUの第2の入力端に結合されるアノードと雷保護回路82の第2の磁気ビーズL2に結合されるカソードとを有するツェナーダイオードZDを備える。
電池制御モジュールは、第1の電界効果トランジスタ(FET)Q1、第2の電界効果トランジスタQ2、直列に接続された第3の抵抗器R3及び第4の抵抗器R4、直列に接続される第5の抵抗器R5及び第6の抵抗器R6、第3の電界効果トランジスタQ3、第4の電界効果トランジスタQ4、並びにシングルチップマイクロコンピュータU1を備える。第1の電界効果トランジスタQ1のソースは、第1の導入端に結合される。第2の電界効果トランジスタQ2のドレインは、第1の電界効果トランジスタQ1のドレインに結合され、第2の電界効果トランジスタQ2のソースは、二次電池1の正極に結合するよう適応している。第3の抵抗器R3の非コモン端子は第1の導入端に結合され、第3の抵抗器R3及び第4の抵抗器のコモン端子は、第1の電界効果トランジスタQ1のゲートに結合される。第5の抵抗器R5の非コモン端子は二次電池1の正極に結合するよう適応しており、第5の抵抗器R5のコモン端子及び第6の抵抗器R6は、第2の電界効果トランジスタQ2のゲートに結合される。第3の電界効果トランジスタQ3のソースは、第4の抵抗器R4の非コモン端子に結合され、第3の電界効果トランジスタQ3のドレインは接地される。第4の電界効果トランジスタQ4のソースは、第6の抵抗器R6の非コモン端子に結合され、第4の電界効果トランジスタQ4のドレインは接地される。シングルチップマイクロコンピュータU1の入力端子は起動モジュール8に結合され、シングルチップマイクロコンピュータU1の出力端子は、第3の電界効果トランジスタQ3及び第4の電界効果トランジスタQ4の各ゲートにそれぞれ結合される。
実施形態のひとつにおいては、電池制御モジュール7はさらに、第3の電界効果トランジスタQ3のドレインとゲートとの間に接続される第7の抵抗器R7、及び、第4の電界効果トランジスタQ4のドレインとゲートとの間に接続される第8の抵抗器R8を備える。
実施形態のひとつにおいては、電池制御モジュール7はさらに、第1の電界効果トランジスタQ1、第2の電界効果トランジスタQ2、第3の電界効果トランジスタQ3及び第4の電界効果トランジスタQ4にそれぞれ逆並列接続される第3ないし第6のダイオードを備える。
実施形態のひとつにおいては、第1の電界効果トランジスタQ1及び第2の電界効果トランジスタQ2はP型であり、第3の電界効果トランジスタQ3及び第4の電界効果トランジスタQ4はN型である。
本開示の実施形態に係るバックアップ電源は、二次電池1、及び、上述した逆接続保護装置を備える。
以下に、本開示の上述の実施形態と合わせて、逆接続保護装置の詳細な原理を述べる。
実施に際しては、様々な理由により、負荷が逆接続され、外部の電源が逆接続され、あるいは充放電インターフェースが逆接続され得るものであり、これがメイン充放電回路の逆接続をひき起こし、回路全体が破壊され得る。二次電池などのバックアップ電源1は、通常の状況下では電力を供給せず、回路に接続されているときに充放電を行うためには、起動される必要がある。起動モジュール8が外部の電源3により電力を供給された後は、電気信号が、起動端子83、雷保護回路82、並びに電圧安定化及び逆接続保護回路81から光カプラUへと、順次に送信され得て、また、電池制御モジュール7を駆動するために、光カプラUから出力され得る。電池制御モジュール7内のシングルチップマイクロコンピュータU1は、電池及びメイン充放電回路をオンまたはオフするよう制御し得る。たとえば、二次電池1が過充電または過放電のために二次電池1の電気量が不十分であるときは、二次電池1と充放電インターフェース2との接続が切断されるよう、電池制御モジュール7のFETが開く。シングルチップマイクロコンピュータU1がオンしたときは、二次電池1を充放電するよう、メイン充放電回路をオンするため4個のFETを順次オンする。
スイッチ制御モジュール6は、電圧信号をサンプリングするよう構成されたサンプリング回路、及び、サンプリング回路からの電圧信号をテストし制御信号をスイッチユニット5へと供給するよう構成された制御チップを備える。検出された電圧信号が基準を満たすとき、制御チップは、メイン充放電回路をオンするため、スイッチユニット5をオンするよう制御する。メイン充放電回路が逆接続されていないとき、検出される電圧信号は正であり、スイッチ制御モジュール6はスイッチユニット5をオンするよう制御する。メイン充放電回路が逆接続されたとき、検出される電圧信号は負であり、スイッチ制御モジュール6はスイッチユニット5をオフするよう制御し、二次電池1は後続の回路に接続されず、結果として危険が回避される。
実施形態のひとつにおいて、第1の磁気ビーズL1及び第2の磁気ビーズL2は、端子の静電気を防止し得る。第1の電流制限抵抗器R1及び第2の電流制限抵抗器R2は、起動回路の電流及び雷撃の間の電流の衝撃を制限し得る。第1のキャパシタC1及び第2のキャパシタC2は、静電気及びコモンモードの雷電流を解放し得る。第3のキャパシタC3は、静電気及び差動モードの雷電流を解放し得る。起動端子83が逆接続されたならば、電圧安定化及び逆接続保護回路81内の第1のダイオードDはオンせず、結果として電圧安定化及び逆接続保護回路81内の第1のダイオードDは、起動端子83の正極及び負極の逆接続から起こる内部の回路の損壊を防止し得る。電圧安定化及び逆接続保護回路81内のツェナーダイオードZDは、外部の電源3の電圧が低くあるいは不安定であるときの起動モジュール8の反復的なスタートを防止し得る。外部の電源3の電圧がツェナーダイオードZDの電圧安定値に届かないとき、起動回路はオンせず、電池制御モジュール7は起動せず、結果として二次電池1はオンしない。
光カプラUは、起動モジュール8と二次電池1との間のスイッチとして用いられ得るのみならず、電気的レベルの差により引き起こされる内部制御システムへの悪影響を防止するため、二次電池1を外部の電源3から分離し得る。具体的には、起動端子83は誤操作防止型の起動端子であり得る。二次電池1はニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、又はリチウムイオン電池である。
本開示の実施形態に係る、バックアップ電源のための逆接続保護装置を用いれば、電池制御モジュールは、メイン充放電回路から分離した起動モジュールにより起動され得ることとなり、また、メイン回路全体のオン及びオフの各状態をスイッチユニットにより制御し、結果として二次電池及びメイン充放電回路のオン及びオフの各状態を制御するため、メイン充放電回路が逆接続されたか否かが、メイン充放電回路上のスイッチ制御ユニットにより、充放電インターフェースからの電圧出力に従って判別される。その上で、メイン充放電回路が逆接続されたとき、二次電池及びメイン充放電回路は危険を回避するためにオフされ、結果として、二次電池及びメイン充放電回路の逆接続が効率的に防止される。本開示の実施形態に係る逆接続保護装置は、構造が簡潔で低コストである。
説明上の実施形態を示して説明したが、この技術分野の通常の知識を有する者は、本開示の精神及び原理を逸脱することなく、請求の範囲及びその均等物の範囲にいずれも属するような変更、代替及び改良を行い得ることを理解されたい。
(関連出願の相互参照)
本願は、2010年2月27日に中華人民共和国国家知識産権局(SIPO)に出願された中国特許出願第201020122605.5に基づく優先権及び利益を主張し、その全文を参照のためここに組み込まれる。

Claims (12)

  1. 第1及び第2の導入端と、前記第1及び第2の導入端にそれぞれ対応付けられた第1及び第2の導出端と、を定義する充放電インターフェースであって、前記第2の導入端は、バックアップ電源の二次電池の負極に結合するよう適応しており、前記第2の導出端は、負荷の負極及び外部の電源の負極に結合するよう適応している充放電インターフェース、
    前記充放電インターフェースの前記第1の導入端に結合され、前記二次電池の充放電を制御するため、前記二次電池の正極に結合するよう適応している電池制御モジュール、
    前記第1の導出端と、前記負荷の正極及び前記外部の電源の正極との間に結合されるよう適応しているスイッチユニット、
    前記充放電インターフェースの前記第1及び第2の導出端の電圧に従って前記スイッチユニットを制御するため、前記スイッチユニットに結合されるスイッチ制御モジュール、及び、
    前記外部の電源がオンした後に前記電池制御モジュールを起動するため、また、前記負荷、前記二次電池及び前記外部の電源のいずれかが逆接続されたときオフされるため、前記電池制御モジュール、前記負荷及び前記外部の電源にそれぞれ結合されるよう適応している起動モジュール、
    を備える前記バックアップ電源のための逆接続保護装置。
  2. 前記起動モジュールは、
    前記負荷及び前記外部の電源にそれぞれ結合するよう適応している起動端子、
    前記起動端子に結合される雷保護回路、
    雷保護回路に結合され、前記負荷、前記二次電池及び前記外部の電源のいずれかが逆接続されたとき切断される電圧安定化及び逆接続保護回路、及び、
    前記電圧安定化及び逆接続保護回路にそれぞれ結合される第1及び第2の入力端と、
    前記電池制御モジュールに結合される出力端と、を定義する光カプラ、を備える、
    請求項1に記載の逆接続保護装置。
  3. 前記起動端子は、誤操作防止型の起動端子である、
    請求項2に記載の逆接続保護装置。
  4. 前記雷保護回路は、
    前記起動端子の一端に結合される一端を有する第1のキャパシタ、
    前記第1のキャパシタに直列に接続され、前記起動端子の他端に結合される一端を有する第2のキャパシタであって、前記第1のキャパシタと前記第2のキャパシタとの接続点が接地される前記第2のキャパシタ、
    前記起動端子の前記一端に結合される一端を有する第1の電流制限抵抗器、
    前記起動端子の他端に結合される一端を有する第2の電流制限抵抗器、
    前記第1の電流制限抵抗器の前記他端に結合される第1の磁気ビーズ、及び
    前記第2の電流制限抵抗器の前記他端に結合される第2の磁気ビーズ、を備える、
    請求項2に記載の逆接続保護装置。
  5. 前記雷保護回路はさらに、直列に接続された前記第1及び第2のキャパシタに並列に接続される第3のキャパシタを備える、
    請求項4に記載の逆接続保護装置。
  6. 前記電圧安定化及び逆接続保護回路は、前記雷保護回路の前記第1の磁気ビーズに結合されるカソードと前記光カプラの前記第1の入力端に結合されるアノードとを有する第1のダイオードを備える、
    請求項4に記載の逆接続保護装置。
  7. 前記電圧安定化及び逆接続保護回路はさらに、前記光カプラの前記第2の入力端に結合されたアノードと前記雷保護回路の前記第2の磁気ビーズに結合されたカソードとを有するツェナーダイオードを備える、
    請求項6に記載の逆接続保護装置。
  8. 電池制御モジュールは、
    前記第1の導入端に結合されるソースを有する第1の電界効果トランジスタ、
    前記第1の電界効果トランジスタのドレインに結合されるドレインと、前記二次電池の正極に結合するよう適応しているソースとを有する第2の電界効果トランジスタ、
    第3の抵抗器の非コモン端子が前記第1の導入端に結合され、前記第3の抵抗器及び第4の抵抗器のコモン端子が前記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合される、直列接続された前記第3及び第4の抵抗器、
    第5の抵抗器の非コモン端子が前記二次電池の正極に結合するよう適応し、前記第5の抵抗器のコモン端子及び第6の抵抗器が前記第2の電界効果トランジスタのゲートに結合される、直列接続された前記第5及び第6の抵抗器、
    前記第4の抵抗器の非コモン端子に結合されるソースと、接地されるドレインとを有する第3の電界効果トランジスタ、
    前記第6の抵抗器の非コモン端子に結合されるソースと、接地されるドレインとを有する第4の電界効果トランジスタ、及び、
    前記起動モジュールに結合される入力端子と、前記第3及び第4の電界効果トランジスタの各ゲートにそれぞれ結合される出力端子とを有するシングルチップマイクロコンピュータ、を備える、
    請求項1に記載の逆接続保護装置。
  9. 前記電池制御モジュールはさらに、
    前記第3の電界効果トランジスタの前記ドレインと前記ゲートとの間に接続される第7の抵抗器、及び、
    前記第4の電界効果トランジスタの前記ドレインと前記ゲートとの間に接続される第8の抵抗器、を備える。
    請求項8に記載の逆接続保護装置。
  10. 前記電池制御モジュールはさらに、前記第1乃至第4の電界効果トランジスタにそれぞれ逆並列接続される第3乃至第6のダイオードを備える、
    請求項8に記載の逆接続保護装置。
  11. 二次電池、及び、
    第1及び第2の導入端と、前記第1及び第2の導入端にそれぞれ対応付けられた第1及び第2の導出端と、を定義する充放電インターフェースであって、前記第2の導入端は前記二次電池の負極に結合するよう適応しており、前記第2の導出端は、負荷の負極及び外部の電源の負極に結合するよう適応している充放電インターフェース、
    前記充放電インターフェースの前記第1の導入端に結合され、前記二次電池の充放電を制御するため、前記二次電池の正極に結合するよう適応している電池制御モジュール、
    前記第1の導出端と、前記負荷の正極及び前記外部の電源の正極との間に結合されるよう適応しているスイッチユニット、
    前記充放電インターフェースの前記第1及び第2の導出端の電圧に従って前記スイッチユニットを制御するため、前記スイッチユニットに結合されるスイッチ制御モジュール、及び、
    前記外部の電源がオンした後に前記電池制御モジュールを起動するため、また、前記負荷、前記二次電池及び前記外部の電源のいずれかが逆接続されたときオフされるため、前記電池制御モジュール、前記負荷及び前記外部の電源にそれぞれ結合されるよう適応している起動モジュール、
    を備える逆接続保護装置、を備える、
    バックアップ電源。
  12. 前記二次電池は、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、又はリチウムイオン電池である、
    請求項11に記載のバックアップ電源。
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