TW201931726A

TW201931726A - 控制器的備用電源運作方法

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Publication number: TW201931726A
Application number: TW107100535A
Authority: TW
Inventors: 張順凱; 羅浚瑋
Original assignee: 上銀科技股份有限公司
Priority date: 2018-01-05
Filing date: 2018-01-05
Publication date: 2019-08-01
Also published as: TWI665849B

Abstract

本發明的控制器的備用電源運作方法包括：先透過輸入電源開始供電。接著，執行充電程序，以第一充電模式對儲能電路充電至電壓門檻值，並在到達電壓門檻值時切換至第二充電模式，以對儲能電路繼續充電至充飽電壓值。第一充電模式從最大電流值開始，並逐漸降低電流值。第二充電模式是固定電流值，且小於最大電流值。然後，暫停執行充電程序。之後，監控輸入電源供電狀態，以輸入電源供電發生中斷時透過儲能電路釋放儲存電能至控制器。本發明可有效率進行充電以確保儲能電路被充飽，並在電源中斷時及時補償電源，以避免設定或資料流失。

Description

控制器的備用電源運作方法

本發明與控制器的電源系統有關，特別是指一種控制器的備用電源運作方法。

控制器是用以控制自動化或機械設備的各種運作，例如加工、量測及輸送等，運作過程通常包含各種不同行程，例如旋轉、移動及抓取等，控制器則透過程式或指令安排來完成各種行程及運作。

控制器通常需要透過電能來執行各種行程及運作，當電能持續且穩定供應時，控制器通常可以正常執行各種行程及運作。但若在執行過程中，電能突然中斷、瞬降等因素導致控制器失去動力電能時，往往使得後續的行程或運作產生明顯誤差。舉例來說，控制器控制機械設備執行轉動運動時，在轉動行程中電能突然中斷，導致控制器暫時失能，之後完成該轉動行程通常會發生明顯偏移。偏移的現象一般是電能中斷時間控制器未能有效儲存目前執行狀態或資料導致後續的問題。

因此，控制器通常需要足以提供與輸入電源電壓相同電壓值的備用電源供給系統，以補償突然中斷的電能，目前備用電源供給系統通常是透過直流/直流轉換器(DC/DC convertor)或線性穩壓器(LDO)等來對儲能元件進行充電，但直流/直流轉換器或線性穩壓器都存在電壓降，因此，這種充電方式通常無法有效將儲能元件充電至與輸入電源電壓相同的位階，且充電電流會隨著電壓值降低而延長通電時間。

此外，因為備用電源會在關機或電源中斷時給予補償，因此，備用電源放電時間也將會延長控制器或系統的關機時間，而影響關機或重新開機等待的時間。

本發明的目的在於有效率地對備用電源充電，以確保備用電源能被充飽，並且在電源中斷時及時供應備用電源，以避免資料或設定遺失，更不會延長關機或重新開機的時間。

為了達成上述目的，本發明的控制器的備用電源運作方法包括：先透過輸入電源開始供電。接著，執行充電程序，以第一充電模式對儲能電路充電至電壓門檻值，並在到達電壓門檻值時切換至第二充電模式，以對儲能電路繼續充電至充飽電壓值。第一充電模式從最大電流值開始，並逐漸降低電流值。第二充電模式是固定電流值，且小於最大電流值。然後，暫停執行充電程序。之後，監控輸入電源供電狀態，以輸入電源供電發生中斷時透過儲能電路釋放儲存電能至控制器。

如此，本發明的控制器的備用電源運作方法可透過充電程序中的第一及第二充電模式達成有效率地對儲能電路充電，並可確保儲能電路被充飽。再者，透過監控輸入電源狀態，達成及時補償中斷的輸入電源，以避免設定或資料流失。

本發明的控制器應用於機械設備，以控制機械設備的各個運作。控制器包括多種控制模組，控制模組用以對應控制機械設備的各個運作。

如第1圖所示，該圖是本發明的運作方法的流程圖。本發明的備用電源供給裝置的運作方法繪示四個步驟，但這不是對本發明構成限制，其他實施例中，步驟的順序是可以被改變，或存在更多或更少步驟。

本發明的備用電源供給裝置的運作方法的流程10從透過輸入電源開始供電11開始，輸入電源可以是直流電或交流電，本實施例輸入電源是24伏特(V)的直流電壓，其他實施例可以是其他電壓值。這個步驟可以代表剛開機或電源中斷又恢復或其他狀態，輸入電源供電是指供電至控制器及電源供給裝置。

然後，步驟13是以第一充電模式對儲能電路充電至電壓門檻值。第一充電模式以大致最大電流值開始，並逐漸降低充電電流值。一般來說剛開機的時，控制器或系統抽取的電流是最小的，因此，可趁這個時候以大致最大的電流來對儲能電路充電，以縮短充電時間。

接著步驟13，步驟15在到達電壓門檻值時切換至第二充電模式，以對儲能電路繼續充電至充飽電壓值。第二充電模式是以固定電流值來進行充電，固定電流值小於最大電流值。以固定電流方式充電可確保儲能電路被充飽，充飽電壓值是充電至與輸入電壓大致相等的電壓值，大致相等可以是超過、等於或略小於。其中，步驟13及步驟15可整合為一個步驟，就是執行充電程序，在其他實施例中，這兩個步驟的順序也可以交換。

之後，執行步驟17是暫停執行充電程序，也就是暫停步驟13及步驟15。步驟17表示儲能電路已到達充飽電壓值，停止對儲能電路充電。

之後，步驟19是監控輸入電源供電狀態，以在輸入電源供電發生中斷時透過儲能電路釋放儲存電能至控制器，以使控制器能暫時正常運作(關機)，已完成資料儲存及避免資料遺失。一般來說，輸入電源供電是連續地，只有在關機、停電或電池脫落等因素才會發生中斷的現象，所以，中斷是指因為前述因素或其他因素所發生的電力不連續，但中斷也可能是突然消失之後又恢復至正常供電狀態。

本實施例中，儲能電路包括超級電容，超級電容除了具有良好的儲能能力外，還可快速釋放儲存電能，以及時補償暫時中斷的電力，並維持控制器正常運作或儲存資料。其他實施例中，儲能電路也可以使用其他具有類似超級電容能力的儲存元件或電路。

因為，本實施例是先透過較大電流值的第一充電模式來做充電，接著以定電流的第二充電模式繼續充電，因此，儲能電路可相較傳統技術更快被充飽。

繼續第1圖的說明，本發明的附加步驟如第2圖所示，第2圖是本發明的運作方法的第二實施例的流程圖。第二實施例包括可選擇地將步驟19改為三個步驟，以完成避免資料遺失功能。步驟191是判斷供電是否正常輸出，這個判斷是依據輸入電源的供電狀態，若是，執行步驟193，儲能電路不釋放儲存電能。若不是，執行步驟195，儲能電路釋放存儲電能至控制器，以使控制器有足夠電力儲存資料。

繼續第1圖的說明，本發明的附加步驟如第3圖所示，第3圖是本發明的運作方法的第三實施例的流程圖。第三實施例包括可選擇地將步驟19增加另外兩個步驟，以完成正常關機功能。步驟194是輸入電源停止供電，繼續執行步驟195，在放電條件內允許儲能電路釋放儲存電能至控制器，接著，步驟196是在該放電條件被滿足時，停止儲能電路供電至控制器，以使控制器被關機。放電條件與釋放電能的時間有關，本實施例中，放電條件是釋放儲存電能的時間小於儲能電路的釋放儲存電能的總時間。如此，關機或重新開機時間就不會受到儲能電路放電影響，而能有效率的儲存資料及關機。

本發明的備用電源運作方法是應用於控制器或系統，以確保控制器或系統關機或發生電源中斷等狀況時，控制器或系統有足夠的電力及時間來儲存各種設定、編碼或信號。其他實施例中，備用電源運作方法可以應用於多個控制器或者多個備用電源供給裝置分別對應的控制器的控制模組，因此，備用電源供給裝置的數量及應用不以本實施例所述為限。

步驟13-19所述的執行充電程序、暫停執行充電程序、及監控輸入電源供電狀態步驟是透過備用電源供給裝置來執行。如第4及5圖所示，備用電源供給裝置30包括判斷電路31、電流管理電路33、儲能電路35、開關電路37及自斷電路39。判斷電路31連接輸入電源50、電流管理電路33及開關電路37。電流管理電路33連接儲能電路35。儲能電路35連接自斷電路39。自斷電路39連接開關電路37。開關電路37有輸出端371，輸出端371連接控制器60或系統。

電流管理電路33用以控制充電電流的大小，也就是選擇第一充電模式及第二充電模式，對應至第1圖是步驟13(執行充電程序)及步驟17(暫停執行充電程序)。

如第5圖所示，電流管理電路33包括第一充電模組331、第二充電模組333及切換模組335。第一充電模組331包括第一電晶體Q1及第一電阻R1。第二充電模組333包括定電流電路，用以固定充電電流值，定電流電路可以是積體電路或透過主動及被動元件組成的電路。切換模組335連接輸入電源50、第一充電模組331、第二充電模組333及儲能電路35，且包括第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第一運算放大器OPA1。

其中，儲能電路35是透過多個電容及多個電阻組成的電路，其他實施例中，電容及電阻的數量是可以任意的，因此，儲能電路35的電容數量不以本實施例所述為限。

第一電晶體Q1的閘極連接判斷電路31的輸出。第一電晶體Q1的源極、第二電阻R2及第二充電模組333的定電流電路的輸入端連接輸入電源50(參照符號Vin)。第一電晶體Q1的汲極連接至第一電阻R1。第一電阻R1另一端接至第三電晶體Q3的源極。第二電阻R2及第三電阻R3是串連連接。第一運算放大器OPA1的正向輸入端連接至第二電阻R2及第三電阻R3的電壓分壓接接點。第三電阻R3另一端接地。第一運算放大器OPA1的反向輸入端連接至儲能電路35(參照符號Vsc)。第一運算放大器OPA1的輸出端連接至第二電晶體Q2的閘極、第三電晶體Q3的閘極及第四電阻R4接點，第四電阻R4的另一端連接至儲能電路35(參照符號Vsc)。定電流電路的輸出連接至第二電晶體Q2的源極。第二電晶體Q2的汲極與第三電晶體Q3的汲極連接至儲能電路35。其中，第一電晶體Q1為PMOS，第二電晶體Q2為PMOS，第三電晶體Q3為NMOS。

如第5及6圖所示，第6圖是備用電源供給裝置的運作時序圖。當開機時，參照第6圖的A區，儲能電路35的儲能電壓Vsc低於設定電壓門檻值，第一運算放大器OPA1輸出為高準位，第三電晶體Q3導通，第二電晶體Q2關閉，充電電流透過第一電晶體Q1、第一電阻R1及第三電晶體Q3對儲能電路35充電，也就是以第一充電模式進行充電。在其他實施例中，第一電晶體Q1可以被省略。

其中，電壓門檻值是第二電阻R2與第三電阻R3的分壓電壓V₂₃ 與儲能電路35的儲能電壓Vsc有關；在分壓電壓V₂₃ 低於儲能電壓Vsc，第一運算放大器OPA1輸出高準位；在分壓電壓V₂₃ 高於儲能電壓Vsc，第一運算放大器OPA1輸出低準位。

接著，參照第6圖的B區，當儲能電路35的儲能電壓Vsc高於設定電壓門檻值時，第一運算放大器OPA1輸出為低準位，第二電晶體Q2導通，第三電晶體Q3關閉，儲能電路35的充電電流由第二充電模組333的定電流電路提供，並透過第二電晶體Q2對儲能電路35充電，也就是以第二充電模式進行充電，以將儲能電路35充飽。如此。本發明透過切換模組335依據第一運算放大器OPA1的輸出條件來改變充電電流的路徑，以進行有效率地充電。

請續參照第5及6圖，判斷電路31、開關電路37及自斷電路39執行監控輸入電源50的輸入電壓V_in 供電狀態(步驟19)，判斷電路31用以監視輸入電源50的輸入電壓V_in 供電狀態是否正常輸出來產生監視結果(步驟191)，監視結果包括正常供電(步驟193)或中斷供電(步驟194-196)。開關電路37依據判斷電路31的監視結果控制儲能電路35是否釋放儲存電能，其中，監視結果屬於正常供電時，開關電路37控制儲能電路35不釋放儲存電能(步驟193)；監視結果屬於中斷供電時，開關電路37控制儲能電路35釋放儲存電能至輸出端371給控制器(步驟195)。自斷電路39是在開關電路37的監視結果屬於中斷供電時(步驟194-196)，先讓儲能電路35在放電條件內釋放儲存電能至控制器(步驟198)，並在放電條件被滿足時(步驟199)，停止儲能電路35釋放儲存電能至控制器，以使控制器被關機。

判斷電路31包括第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7及第二運算放大器OPA2。輸入電源50連接第五電阻R5、第二運算放大器OPA2的反向輸入端及其電源端。第二運算放大器OPA2的正向輸入端連接串連的第五電阻R5及第六電阻R6的分壓接點，第六電阻R6的另一端接地。第二運算放大器OPA2的輸出端連接切換模組335的第一電晶體Q1的閘極、第七電組R7及開關電路37(如圖中符號Vc)。第七電阻R7的另一端連接儲能電路35(如圖中符號Vsc)。

開關電路37包括第四電晶體Q4及第五電晶體Q5。第四電晶體Q4的閘極連接第二運算放大器OPA2的輸出端(參照符號Vc)，其源極連接輸入電源50，其汲極連接輸出端371，也就是連接控制器或系統。第五電晶體Q5的閘極連接輸入電源50及自斷電路39，其源極連接自斷電路39，其汲極連接輸出端371，也是連接控制器或系統。第四電晶體Q4為PMOS，第五電晶體Q5為PMOS。

自斷電路39包括繼電器391、第八電阻R8、第九電阻R9及二極體D1。繼電器391的常開接點393連接至儲能電路35，繼電器391的共同接點395連接第五電晶體Q5的源極，繼電器391連接第八電阻R8、第九電阻R9及二極體D1的陰極。第八電阻R8的另一端接地，第九電阻R9的另一端接儲能電路35，二極體D1的陽極接輸入電源V_in 。其中，繼電器391依據第八電阻R8及第九電阻R9之間的分壓電壓V₈₉ 來做控制。

當輸入電源50正常供電時，參照第6圖的C區，第二運算放大器OPA2輸出低電位，第一電晶體Q1及第四電晶體Q4導通，控制器或系統電壓由輸入電源50提供，此時，第五電晶體關閉Q5，儲能電路35不釋放儲存電能。

此外，正常供電時，二極體D1導通，分壓電壓V₈₉ 亦高於繼電器391的截止電壓值，使得繼電器391的共同接點395與其常開點393連接，表示儲能電路35透過繼電器391與第五電晶體Q5連接。其中，繼電器391的截止電壓值是依據其規格而定，且為業界所週知，於此不贅述。雖然，儲能電路35已能釋放儲存電能至繼電器391，但第五電晶體Q5尚未導通，因此，被釋放的儲存電能不會供應至輸出端371。

當輸入電源50關閉時，參照第6圖的D區，二極體D1截止，但分壓電壓V₈₉ 仍高於繼電器391的截止電壓值，故儲能電路35可以透過繼電器391與第五電晶體Q5的導通路徑對輸出端371釋放儲存電能，也就是對控制器或系統供電。

當儲能電路35因供電於控制器或系統導致電壓Vsc下降，直到分壓電壓V₈₉ 低於繼電器391的截止電壓值，使得繼電器391的共同接點395與其常開接點393斷開，而與儲能電路35形成斷路路徑，控制器或系統將自動關閉。因此，本實施例的放電條件是截止電壓值低於分壓電壓V₈₉ ，就斷開儲存電能供應至開關電路37的路徑。其他實施例中，放電條件也可以透過計時或其他方式來達成，而不以繼電器371的截止電壓值為限。

如此，本發明的控制器的備用電源運作方法除了可以有效率的對儲能電路充電外，更能有效確保關機前將各種設定或資料儲存起來，且儲能電路釋放電能的時間也不會延長關機時間。

10‧‧‧流程

11-19、191-196‧‧‧步驟

30‧‧‧備用電源供給裝置

31‧‧‧判斷電路

33‧‧‧電流管理電路

331‧‧‧第一充電模組

333‧‧‧第二充電模組

335‧‧‧切換模組

35‧‧‧儲能電路

37‧‧‧開關電路

371‧‧‧輸出端

39‧‧‧自斷電路

391‧‧‧繼電器

393‧‧‧常開接點

395‧‧‧共同接點

50‧‧‧輸入電源

60‧‧‧控制器

Q1‧‧‧第一電晶體

Q2‧‧‧第二電晶體

Q3‧‧‧第三電晶體

Q4‧‧‧第四電晶體

Q5‧‧‧第五電晶體

R1‧‧‧第一電組

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

R4‧‧‧第四電阻

R5‧‧‧第五電阻

R6‧‧‧第六電阻

R7‧‧‧第七電阻

R8‧‧‧第八電阻

R9‧‧‧第九電阻

D1‧‧‧二極體

OPA1‧‧‧第一運算放大器

OPA2‧‧‧第二運算放大器

V_in‧‧‧輸入電壓

Vsc‧‧‧儲能電壓

V₂₃、V₈₉‧‧‧分壓電壓

第1圖是本發明控制器的備用電源運作方法的流程圖。第2圖是延續第1圖附加可選擇的流程圖。第3圖是延續第2圖附加可選擇的流程圖。第4圖是本發明控制器的備用電源運作裝置的方塊圖。第5圖是本發明控制器的備用電源運作裝置的電路圖。第6圖是第5圖中備用電源運作裝置的運作時序圖。

Claims

一種控制器的備用電源運作方法，包括：　　透過一輸入電源開始供電；　　執行一充電程序，以一第一充電模式對一儲能電路充電至一電壓門檻值，並在到達該電壓門檻值時切換至一第二充電模式，以對該儲能電路繼續充電至一充飽電壓值，該第一充電模式從最大電流值開始，並逐漸降低電流值，該第二充電模式是固定電流值，且小於最大電流值；　　暫停執行該充電程序；及　　監控該輸入電源供電狀態，以該輸入電源供電發生中斷時透過該儲能電路釋放儲存電能至該控制器。
如申請專利範圍第1項所述的控制器的備用電源運作方法，其中，該第一充電模式的充電時間小於該第二充電模式的充電時間。
如申請專利範圍第1項所述的控制器的備用電源運作方法，其中，監控該輸入電源供電狀態包括：　　依據該輸入電源供電狀態判斷供電是否正常輸出；　　供電狀態正常，該儲能電路不釋放儲存電能；及　　供電狀態不正常，該儲能電路釋放儲存電能至該控制器。
如申請專利範圍第3項所述的控制器的備用電源運作方法，其中，供電狀態不正常包括：　　該輸入電源停止供電；　　在一放電條件內允許該儲能電路釋放儲存電能至該控制器；及　　在該放電條件被滿足時，停止該儲能電路釋放儲存電能至該控制器，以使該控制器被關機，其中，該放電條件與該釋放儲存電能時間有關。
如申請專利範圍第4項所述的控制器的備用電源運作方法，其中，該放電條件是釋放儲存電能時間小於該儲能電路的釋放儲存電能的總時間。
如申請專利範圍第1項所述的控制器的備用電源運作方法，其中，執行及暫停步驟是以一備用電源供給裝置來執行，該備用電源供給裝置包括：　　一電流管理電路，包括一第一充電模組、一第二充電模組及一切換模組，該第一充電模組連接該輸入電源，該第二充電模組連接該輸入電源，該切換模組連接該輸入電源、該第一充電模組、該第二充電模組及該儲能電路，該第一充電模組執行該第一充電模式，該第二充電模組執行該第二充電模式，該切換模組切換該第一充電模式及該第二充電模式。
如申請專利範圍第6項所述的控制器的備用電源運作方法，其中，該第一充電模組包括一第一電晶體及一第一電阻；第二充電模組包括一定電流電路；該切換模組包括一第二電晶體、一第三電晶體、一第二電阻、一第三電阻、一第四電阻、一第一運算放大器，該第一電晶體、該第二電阻及該定電流電路連接該輸入電源，第一電阻連接該第三電晶體的源極，該定電流電路連接該第二電晶體的源極，該第二電阻及該第三電阻是串連連接，該第四電阻連接該儲能電路，該第一運算放大器的反向輸入端連接該儲能電路，該第一運算放大器的正向輸入端連接該第二電阻與該第三電阻的一串連接點，該第一運算放大器的輸出端連接該第四電阻、該第二電晶體的閘極及第三電晶體的閘極，該第二電晶體汲極及該第三電晶體汲極連接該儲能電路。
如申請專利範圍第6項所述的控制器的備用電源運作方法，其中，監控步驟是以該備用電源供給裝置來執行，該備用電源供給裝置包括：　　一判斷電路，連接該輸入電源及該第一充電模組，且用以監視該輸入電源的供電狀態，並在輸入電源中斷供電時產生一監視結果；　　一開關電路，連接該輸入電源及該判斷電路，且有一輸出端，並用以依據該監視結果允許該儲能電路釋放儲存電能給該輸出端；及　　一自斷電路，連接該儲能電路及該開關電路，並依據該監視結果允許在一放電條件未被滿足時讓該儲能電路釋放儲存電能至該開關電路，並在該放電條件被滿足時，停止該儲能電路釋放儲存電能。
如申請專利範圍第8項所述的控制器的備用電源運作方法，其中，該判斷電路包括一第五電阻、一第六電阻、一第七電阻及一第二運算放大器，該第五電阻連接該輸入電源並與該第六電阻串連連接，該第二運算放大器的反向端連接該輸入電源，該第二運算放大器的正向輸入端連接該該第五電阻與該第六電阻的一串連接點，該第七電阻連接該第二運算放大器的輸出端及該儲存電路，該第二運算放大器的輸出端連接該第一充電模組；該開關電路包括一第四電晶體及一第五電晶體，該第四電晶體的汲極及該第五電晶體的汲極連接該輸出端，該第四電晶體的源極連接該輸入電源，第四電晶體的閘極連接該第二運算放大器的輸出端；該自斷電路包括一繼電器、一第八電阻、一第九電阻及一二極體，該繼電器連接該第五電晶體的源極、該儲能電路、該第八電阻、該第九電阻及該二極體的陰極，該第九電晶體連接該儲能電路，該二極體的陽極連接該第五電晶體的閘極及該輸入電源，該放電條件與該繼電器有關。