TWI446685B

TWI446685B - 備援式電源控制系統

Info

Publication number: TWI446685B
Application number: TW100140171A
Authority: TW
Inventors: Hao Chieh Chen
Original assignee: Pegatron Corp
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2014-07-21
Also published as: US9178385B2; US20130113288A1; TW201320541A; CN103094980A; CN103094980B

Description

備援式電源控制系統

本發明是有關於一種電源控制技術，且特別是有關於一種備援式電源控制系統。

習知的備援式電源架構可參考中華民國專利公告第I331714號之「備援式電源供應系統」，於此前案所揭示之內容可見，以傳統的二極體做為電源備援的切換與導通，這會導致在二極體上的功耗過大，因此有過熱與轉換電力效率降低的情形，也可能因為散熱不易而導致系統上的元件損壞率上升。

另一習知的備援式電源架構可參考中華民國專利公告第I271910號之「用於冗餘電源系統之主動或閘處理控制器」，於此前案所揭示之內容可見，無法提供隔離(Isolation)保護。亦即，此前案為了符合安規要求，需使用足夠的絕緣強度與耐壓之元件。對於縮小尺寸的系統設計，將造成設計困難以及成本高漲。

有鑑於此，本發明提出一種備援式電源控制系統，藉以解決先前技術所述及的問題。

本發明實施例提供一種備援式電源控制系統，其包括主電源供應單元、第一負回授電路單元、備用電源供應單元、第二負回授電路單元以及控制單元。主電源供應單元適於輸出主電源。第一負回授電路單元耦接主電源供應單元的負向端。備用電源供應單元適於輸出備用電源。第二負回授電路單元耦接備用電源供應單元的負向端。控制單元反應於接收主電源的正常供電信號與否來切換第一負回授電路單元與第二負回授電路單元導通或不導通。其中在接收正常供電信號的情況下，控制單元使第一負回授電路單元導通而使第二負回授電路單元不導通。在未接收正常供電信號的情況下，控制單元使第一負回授電路單元不導通而使第二負回授電路單元導通，從而使備用電源供電。

在本發明的一實施例中，控制單元包括電源監測單元以及隔離式控制單元。電源監測單元接收主電源的正常供電信號，電源監測單元根據接收主電源的正常供電信號與否而產生電流變化信號。隔離式控制單元反應於電流變化信號，以導通第一負回授電路單元與第二負回授電路單元的其中一者。

在本發明的一實施例中，電源監測單元包括一TL431型式三極管。

在本發明的一實施例中，第一負回授電路單元包括串接的第一延遲單元、第一切換單元與第一防倒灌單元，而第二負回授電路單元包括串接的第二延遲單元、第二切換單元與第二防倒灌單元。

在本發明的一實施例中，第二切換單元為第三MOS電晶體，第二防倒灌單元為第四MOS電晶體，其中第三MOS電晶體的源極耦接第二延遲單元，第三MOS電晶體的汲極連接至第四MOS電晶體的汲極，第四MOS電晶體的源極耦接至第一接地參考點，並且第三MOS電晶體的閘極與第四MOS電晶體的閘極連接在一起並且接受隔離式控制單元的控制。

在本發明的一實施例中，隔離式控制單元包括第一光耦合電晶體、第二光耦合電晶體以及第三光耦合電晶體。第一光耦合電晶體、第二光耦合電晶體與第三光耦合電晶體反應於電流變化信號，從而第一光耦合電晶體用來控制第一MOS電晶體與第二MOS電晶體的運作，第二光耦合電晶體用來控制第三MOS電晶體與第四MOS電晶體的運作，並且第三光耦合電晶體用來控制第二延遲單元的運作。

在本發明的一實施例中，隔離式控制單元更包括第四光耦合電晶體，第四光耦合電晶體反應於電流變化信號而傳送光耦合信號，用以使發光二極體發光，或是使備援式電源控制系統外部的中央處理器得知電源供應狀態。

在本發明的一實施例中，主電源供應單元為交流轉直流供應單元，而備用電源供應單元為直流轉直流供應單元。

基於上述，本發明實施例的備援式電源控制系統中，主電源供應單元的輸出具有一條流向負向端的電流路徑，而備用電源供應單元的輸出也具有一條流向負向端的電流路徑，本發明採用在流向負向端的兩條電流路徑上控制其中一條電流路徑為導通，且在此兩條電流路徑上分別配置第一負回授電路單元與第二負回授電路單元，從而可由主電源供應單元或是由備用電源供應單元來提供電力，所以可以有效地解決傳統因採用二極體所衍生的功耗過大問題。另一方面，本發明的供電過程中，在主/備用電源供應單元的負向電流路徑上作切換，而第一/第二負回授電路單元可以有效地提供隔離保護並且防止電流倒灌。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

現將詳細參考本發明之實施例，並在附圖中說明所述實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。

圖1是依照本發明一實施例之備援式電源控制系統100的示意圖。請參閱圖1。備援式電源控制系統100包括主電源供應單元110、第一負回授電路單元120、備用電源供應單元130、第二負回授電路單元140以及控制單元150。主電源供應單元110適於輸出主電源PW，藉以供電至負載Z1。主電源供應單元110可以利用如交流(Alternating Current，AC)轉直流供應單元來產生穩定的主電源PW。例如，主電源供應單元110可以為交流轉12伏的供應單元，但不以此為限。關於交流轉直流供應單元為本領域具有通常知識者所熟知的電子裝置，其實施細節在此不多贅述。

主電源供應單元110的輸出端具有正向端A1和負向端A2，當輸出主電源PW時，所輸出的電流從正向端A1流向負載Z1，再經由流向負向端A2的電流路徑回到主電源供應單元110，其中流向負向端A2的電流路徑是指經由第一負回授電路單元120的路徑，且第一負回授電路單元120耦接在主電源供應單元110的負向端A2與負載Z1之間。此外，負向端A2可連接至第二接地參考點GND2，負載Z1耦接於正向端A1與第一接地參考點GND1之間，其中第一接地參考點GND1與第二接地參考點GND2為不同的接地參考點。

備用電源供應單元130適於在主電源供應單元無法供電時，才將備用電源PW_BACK輸出至負載Z1。備用電源供應單元130可以利用如直流轉直流供應單元來產生穩定的備用電源PW_BACK。例如，備用電源供應單元130可以為48轉12伏的供應單元、或是48轉5伏的供應單元，但不以此為限。關於直流轉直流供應單元為本領域具有通常知識者所熟知的電子裝置，其實施細節在此不多贅述。

備用電源供應單元130的輸出端具有正向端B1和負向端B2，當輸出備用電源PW_BACK時，所輸出的電流從正向端B1流向負載Z1，再經由流向負向端B2的電流路徑回到主備用電源供應單元130，其中流向負向端B2的電流路徑是指經由第二負回授電路單元140的路徑，且第二負回授電路單元140耦接在備用電源供應單元130的負向端B2與與負載Z1之間。此外，負向端B2可耦接至第三接地參考點GND3，負載Z1耦接於正向端B1與第一接地參考點GND1之間。其中第三接地參考點GND3與第一接地參考點GND1為不同的接地參考點，且第三接地參考點GND3與第二接地參考點GND2也為不同的接地參考點。

控制單元150可反應於是否接收到主電源PW的正常供電信號Ns，來切換第一負回授電路單元120與第二負回授電路單元140，以決定其中一者為導通而另一者為不導通。其中在接收正常供電信號Ns的情況下，控制單元150使第一負回授電路單元120導通而使第二負回授電路單元140不導通；在未接收正常供電信號Ns的情況下，控制單元150使第一負回授電路單元120不導通而使第二負回授電路單元140導通，如此一來，可使備用電源PW_BACK供電至負載Z1。

由上述的說明可以清楚得知，供電過程中控制單元150可反應於是否接收到正常供電信號Ns，從而在流向負向端的電流路徑上作切換。因此當主電源PW掉電後，能夠無縫切換到備用電源PW_BACK，所以在任何情況下都有正常的工作電源為負載Z1供電。

為了進一步說明備援式電源控制系統100的控制單元150細節，以下特舉另一實施例來對本發明進行說明。圖2是依照本發明一實施例之控制單元150的電路圖。為請再合併參閱圖1和圖2。

控制單元150包括電源監測單元152以及隔離式控制單元154。電源監測單元152用以接收來自主電源PW的正常供電信號Ns，並且根據是否接收到正常供電信號Ns來產生電流變化信號I_VARY。電源監測單元152由TL431型式三極管VTL、電阻R2、R3、電晶體Q1以及電容所構成，其中R3的一端連接到第二接地參考點GND2。於本實施例中可將TL431型式三極管VTL配置成具有參考電壓與監測電源的電路形式。基於TL431型式三極管VTL的元件特性，所設計的參考電壓可表示為Vo=VI×(1+R2/R3)，其中VI為TL431型式三極管VTL內部的基準電壓，R2、R3可分別表示所繪示電阻R2、R3的阻值。例如VI值為2.5V且R2、R3分別為10K、2.806KΩ時，參考電壓可設定為Vo=2.5×(1+10K/2.806K)=11.41V。

上述電源監測單元152主要是使用TL431型式三極管VTL，TL431型式三極管VTL本身可以作為穩壓也可作為恆定的電壓源，本實施例藉由TL431型式三極管VTL所組成的電路可以用來產生出微弱電流的變化，因此可以監測是否有正常供電信號Ns。然而，圖2所繪示的電源監測單元152內容僅是為了說明而舉出的範例，並不用以限制TL431型式三極管VTL與電阻或電容等元件的其他可能配置，而參考電壓值可根據實際電路加以調整。

假設主電源PW的正常值為12V。當主電源PW的電位在12V上下(不低於11.41V)，電源監測單元152接收到12V，因Ns大於參考電壓11.41V，TL431型式三極管VTL判斷收到正常供電信號Ns，而使得電晶體Q1導通，並且產生及輸出電流變化信號I_VARY。其中，使用電晶體Q1的優點是不用比較器，因此相較之下，電晶體Q1的成本低，且其所佔的電路面積也較小。當主電源PW掉電，亦即，電源監測單元152接收到低於11.41V的情況，因Ns小於參考電壓11.41V，TL431型式三極管VTL判斷未收到正常供電信號Ns，使得電晶體Q1不導通，並且不會產生及輸出電流變化信號I_VARY。

於本實施例中，隔離式控制單元154可用來反應於電流變化信號I_VARY，以使第一負回授電路單元120與第二負回授電路單元140的其中一者導通。

於本實施例中，隔離式控制單元154的組成可包括第一光耦合電晶體OPTO1以及串接的第二光耦合電晶體OPTO2與第三光耦合電晶體OPTO3。在主電源PW正常供電，且電晶體Q1為導通的情況，第一光耦合電晶體OPTO1、第二光耦合電晶體OPTO2與第三光耦合電晶體OPTO3可反應於電流變化信號I_VARY，從而第一光耦合電晶體OPTO1產生光耦合信號C1，可用來控制第一MOS電晶體MOS1與第二MOS電晶體MOS2(如圖3所繪示)的運作，並且第二光耦合電晶體OPTO2產生光耦合信號C2，可用來控制第三MOS電晶體MOS3與第四MOS電晶體MOS4(如圖4所繪示)的運作，並且第三光耦合電晶體OPTO3產生光耦合信號C3，可用來控制第二延遲單元142(如圖4所繪示)的運作。

在另一實施例中，隔離式控制單元154更包括第四光耦合電晶體OPTO4，且第四光耦合電晶體OPTO4與第二和第三光耦合電晶體OPTO2、OPTO3串接在一起。第四光耦合電晶體OPTO4可反應於電流變化信號I_VARY而產生並傳送光耦合信號C4，此光耦合信號C4可用來使發光二極體發光或不發光，或使警報裝置發聲，或是通知備援式電源控制系統100外部的主機，以得知目前電源供應狀態。其中以通知主機為例的優點是，中央處理器不用介入切換控制，卻能夠得知目前電源供應狀態。

另外，第一至第四光耦合電晶體OPTO1～OPTP4採用隔離式(分體式)架構。第一光耦合電晶體OPTO1的發射模塊(一次側)的一端連接到第二接地參考點GND2，第二光耦合電晶體OPTO2的發射模塊(一次側)的一端耦接到第二接地參考點GND2，而第二與第四光耦合電晶體OPTO2、OPTO4的接收模塊(二次側)的一端連接到第一接地參考點GND1，一次側的發射模塊與二次側的接收模塊不共相同的接地參考點，從而使光耦合電晶體可以與受控端產生有效的隔離。

由上述的說明可以清楚得知，備援式電源控制系統100利用TL431型式三極管VTL與光耦合電晶體所構成的控制單元150進行回授控制。第一至第四光耦合電晶體OPTO1～OPTP4具有隔離式(分體式)架構，可用來對受控端進行控制，且具有隔離效果。並且所採用的偵測方式僅需偵測主電源PW的電位，而不用同時偵測主電源PW與備用電源PW_BACK。當主電源供應單元110沒有供電，則控制單元150可立即切換到備用電源供應單元130供電，因此控制單元150可確保持續供應負載Z1有電。

請再次參閱圖1。在本實施例中，第一負回授電路單元120包括串接的第一延遲單元122、第一切換單元124與第一防倒灌單元126。第二負回授電路單元140包括串接的第二延遲單元142、第二切換單元144與第二防倒灌單元146。

在主電源PW正常的情況下，隔離式控制單元154發出光耦合信號C1，使第一切換單元124與第一防倒灌單元126導通。而且隔離式控制單元154因一次側有電流，二次側會因元件特性而呈現低阻抗，第二延遲單元142反應於光耦合信號C3的控制，使得第二延遲單元142產生近似短路效果。並且，隔離式控制單元154發出光耦合信號C2，使第二切換單元144與第二防倒灌單元146不導通。

在主電源PW掉電情況下，隔離式控制單元154發出光耦合信號C1，使第一切換單元124與第一防倒灌單元126不導通，而且隔離式控制單元154發出光耦合信號C2，使第二切換單元144與第二防倒灌單元146導通，從而使備用電源PW_BACK供電至負載Z1。其中，當第一防倒灌單元126或第二防倒灌單元146在不導通時，具有防止電流倒灌的效果。

圖3繪示本發明一實施例的第一負回授電路單元120的電路圖。以下請合併參閱圖1和圖3。第一延遲單元122由齊納二極體、電容及電阻所組成。第一切換單元124可為第一MOS電晶體MOS1。第一防倒灌單元126包括第二MOS電晶體MOS2與第一電阻R1。其中第一MOS電晶體MOS1的源極耦接第一延遲單元122且耦接至第一接地參考點GND2，第一MOS電晶體MOS1的汲極耦接至第二MOS電晶體MOS2的汲極，第二MOS電晶體MOS2的源極耦接至第一接地參考點GND1，第一電阻R1連接於第二MOS電晶體MOS2的源極與閘極之間。

第一MOS電晶體MOS1的閘極與第二MOS電晶體MOS2的閘極接收光耦合信號C1，以反應於光耦合信號C1，從而受到隔離式控制單元154的控制。當光耦合信號C1處在沒有電位的情況，會強迫第二MOS電晶體MOS2的閘極接到第一接地參考點GND1，MOS2的Vgs=0，使得第二MOS電晶體MOS2關閉，其中設置第一電阻R1的目的是為了關閉第二MOS電晶體MOS2。故，在未接收到正常供電信號Ns的情況時，第一負回授電路單元120可以有效地提供隔離保護，並且可防止電流倒灌。

圖4繪示本發明一實施例的第二負回授電路單元140的電路圖。以下請合併參閱圖1和圖4。第二延遲單元142由齊納二極體、電容及電阻所組成。第二切換單元144可為第三MOS電晶體MOS3。第二防倒灌單元146可為第四MOS電晶體MOS4。其中第三MOS電晶體MOS3的源極耦接第二延遲單元142且耦接至第三接地參考點GND3，第三MOS電晶體MOS3的汲極連接至第四MOS電晶體MOS4的汲極，第四MOS電晶體MOS4的源極耦接至第一接地參考點GND1。第三MOS電晶體MOS3的閘極與第四MOS電晶體MOS4的閘極連接在一起並且接收光耦合信號C2，以反應於光耦合信號C2，從而受到隔離式控制單元154的控制。故，在接收正常供電信號Ns的情況時，第二負回授電路單元140可以有效地提供隔離保護，並且防止電流倒灌。

綜上所述，本發明的備援式電源控制系統中，主電源供應單元的輸出具有一條流向負向端的電流路徑，而備用電源供應單元的輸出也具有一條流向負向端的電流路徑，本發明採用在流向負向端的兩條電流路徑上控制其中一條電流路徑為導通，其中此兩條電流路徑上分別配置第一負回授電路單元與第二負回授電路單元，從而可由主電源供應單元或是由備用電源供應單元來提供電力。當主電源供應單元供電給負載，不會影響到備用電源供應單元，而在備用電源供應單元，也不會影響到主電源供應單元。所以可以有效地解決傳統因採用二極體所衍生的功耗過大問題。另一方面，本發明的供電過程中，在主/備用電源供應單元的負向電流路徑上作切換，而第一/第二負回授電路單元可以有效地提供隔離保護並且防止電流倒灌。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100．．．備援式電源控制系統

110．．．主電源供應單元

120．．．第一負回授電路單元

122．．．第一延遲單元

124．．．第一切換單元

126．．．第一防倒灌單元

130．．．備用電源供應單元

140．．．第二負回授電路單元

142．．．第二延遲單元

144．．．第二切換單元

146．．．第二防倒灌單元

150．．．控制單元

152．．．電源監測單元

154．．．隔離式控制單元

A1．．．正向端

A2．．．負向端

B1‧‧‧正向端

B2‧‧‧負向端

C1~C4‧‧‧光耦合信號

GND1‧‧‧第一接地參考點

GND2‧‧‧第二接地參考點

GND3‧‧‧第三接地參考點

I_VARY‧‧‧電流變化信號

MOS1‧‧‧第一MOS電晶體

MOS2‧‧‧第二MOS電晶體

MOS3‧‧‧第三MOS電晶體

MOS4‧‧‧第四MOS電晶體

Ns‧‧‧正常供電信號

OPTO1‧‧‧第一光耦合電晶體

OPTO2‧‧‧第二光耦合電晶體

OPTO3‧‧‧第三光耦合電晶體

OPTO4‧‧‧第四光耦合電晶體

PW‧‧‧主電源

PW_BACK‧‧‧備用電源

Q1‧‧‧電晶體

R1~R3‧‧‧電阻

Vo‧‧‧參考電壓

VTL‧‧‧TL431型式三極管

Z1‧‧‧負載

下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。

圖1是依照本發明一實施例之備援式電源控制系統100的示意圖。

圖2是依照本發明一實施例之控制單元150的電路圖。

圖3繪示本發明一實施例的第一負回授電路單元120的電路圖。

圖4繪示本發明一實施例的第二負回授電路單元140的電路圖。

100．．．備援式電源控制系統

110．．．主電源供應單元

120．．．第一負回授電路單元

122．．．第一延遲單元

124．．．第一切換單元

126．．．第一防倒灌單元

130．．．備用電源供應單元

140．．．第二負回授電路單元

142．．．第二延遲單元

144．．．第二切換單元

146．．．第二防倒灌單元

150．．．控制單元

152．．．電源監測單元

154．．．隔離式控制單元

A1．．．正向端

A2．．．負向端

B1．．．正向端

B2．．．負向端

C1～C4．．．光耦合信號

GND1．．．第一接地參考點

GND2．．．第二接地參考點

GND3．．．第三接地參考點

I_VARY．．．電流變化信號

Ns．．．正常供電信號

PW．．．主電源

PW_BACK．．．備用電源

Z1．．．負載

Claims

一種備援式電源控制系統，包括：一主電源供應單元，適於輸出一主電源；一第一負回授電路單元，耦接該主電源供應單元的負向端；一備用電源供應單元，適於輸出一備用電源；一第二負回授電路單元，耦接該備用電源供應單元的負向端；以及一控制單元，反應於接收該主電源的一正常供電信號與否來切換該第一負回授電路單元與該第二負回授電路單元導通或不導通；其中在接收該正常供電信號的情況下，該控制單元使該第一負回授電路單元導通而使該第二負回授電路單元不導通；在未接收該正常供電信號的情況下，該控制單元使該第一負回授電路單元不導通而使該第二負回授電路單元導通，從而使該備用電源供電；其中該控制單元包括：一隔離式控制單元，反應於一電流變化信號，以導通該第一負回授電路單元與該第二負回授電路單元的其中一者；其中該第一負回授電路單元包括串接的一第一延遲單元、一第一切換單元與一第一防倒灌單元，該第二負回授電路單元包括串接的一第二延遲單元、一第二切換單元與一第二防倒灌單元。
如申請專利範圍第1項所述之備援式電源控制系統，其中該控制單元更包括：一電源監測單元，接收該主電源的該正常供電信號，該電源監測單元根據接收該主電源的該正常供電信號與否而產生該電流變化信號。
如申請專利範圍第2項所述之備援式電源控制系統，其中該電源監測單元包括一TL431型式三極管。
如申請專利範圍第1項所述之備援式電源控制系統，其中在該主電源正常的情況下，該隔離式控制單元使該第一切換單元與該第一防倒灌單元導通，而使該第二延遲單元產生近似短路效果，並且使該第二切換單元與該第二防倒灌單元不導通；在該主電源掉電情況下，該隔離式控制單元使該第一切換單元與該第一防倒灌單元不導通，而使該第二切換單元與該第二防倒灌單元導通，從而使該備用電源供電；其中，當該第一防倒灌單元或該第二防倒灌單元在不導通時，具有防止電流倒灌的效果。
如申請專利範圍第4項所述之備援式電源控制系統，其中該第一切換單元為一第一MOS電晶體，該第一防倒灌單元包括一第二MOS電晶體與一第一電阻，其中該第一MOS電晶體的源極耦接該第一延遲單元，該第一MOS電晶體的汲極連接至該第二MOS電晶體的汲極，該第二MOS電晶體的源極耦接至一第一接地參考點，該第一電阻連接於該第二MOS電晶體的源極與閘極之間，該第一MOS電晶體的閘極與該第二MOS電晶體的閘極接受該隔離式控制單元的控制。
如申請專利範圍第5項所述之備援式電源控制系統，其中該第二切換單元為一第三MOS電晶體，該第二防倒灌單元為一第四MOS電晶體，其中該第三MOS電晶體的源極耦接該第二延遲單元，該第三MOS電晶體的汲極連接至該第四MOS電晶體的汲極，該第四MOS電晶體的源極耦接至該第一接地參考點，該第三MOS電晶體的閘極與該第四MOS電晶體的閘極連接在一起並且接受該隔離式控制單元的控制。
如申請專利範圍第6項所述之備援式電源控制系統，其中該隔離式控制單元包括一第一光耦合電晶體、一第二光耦合電晶體以及一第三光耦合電晶體；其中，該第一光耦合電晶體、該第二光耦合電晶體與該第三光耦合電晶體反應於該電流變化信號，從而該第一光耦合電晶體用來控制該第一MOS電晶體與該第二MOS電晶體的運作，該第二光耦合電晶體用來控制該第三MOS電晶體與該第四MOS電晶體的運作，並且該第三光耦合電晶體用來控制該第二延遲單元的運作。
如申請專利範圍第7項所述之備援式電源控制系統，其中該隔離式控制單元更包括一第四光耦合電晶體，該第四光耦合電晶體反應於該電流變化信號而傳送一光耦合信號，用以使一發光二極體發光，或是使該備援式電源控制系統外部的一中央處理器得知電源供應狀態。
如申請專利範圍第1項所述之備援式電源控制系統，其中該主電源供應單元為交流轉直流供應單元，該備用電源供應單元為直流轉直流供應單元。