CN101572420A - 电流型双输入不间断开关电源 - Google Patents

Abstract

一种电流型双输入不间断开关电源，包括：主功率变压器、高压开关回路、低压开关回路、一个脉宽调制器和一个中心控制单元，所述中心控制单元通过采样所述高压开关回路、低压开关回路的电流以及输出回路的电压，分析判断后，控制脉宽调制器的输出，进而控制高压开关回路和低压开关回路工作，所述主功率变压器包括：第一绕组，它连接在所述高压开关回路中；第二绕组，它连接在所述输出回路中；第三绕组，它连接在所述低压开关回路中，其首端与第二绕组的末端连接并接地；一个用于给脉宽调制器和中心控制单元提供电源的第四绕组。本电流型双输入不间断开关电源不但体积小，电路简单，成本低，而且可靠性高。

Description

电流型双输入不间断开关电源

技术领域

本发明涉及电压变换技术，特别是指一种电流型双输入不间断开关电源。

背景技术

随着信息产业迅速发展，几乎所有的IT***都会装备传统的UPS，但采用UPS电源，存在能量多次重复转换，成本高等问题。而且，从统计学分析，在供电网络和敏感设备之间***一个可靠性低于100％的UPS，对总***的可靠性不是提高，而是降低。这是极为简单明了的，分析如下：

设：一设备对供电敏感，它自身的电源的可靠性为99％，供电网络提供给这台设备的供电可靠性为99％，则这台设备最终负载(如：主板、硬盘等)从供电网络取得电能工作的可靠性为99％×99％≈98％。

又设，如果为了保护此设备避免2％的供电失效的可能性，而加入一台UPS，则这台设备的最终负载到电网插座之间的链接有以下断电的概率，试分析如下：

电网断电，UPS正常，负载受到保护，工作正常。

电网正常，UPS故障，负载因此而断电，工作中断。

电网断电，UPS不能够保护，负载因此而断电，工作中断。

任何电子设备的可靠性不可能为1，UPS也不例外，假设UPS的可靠性是99％，则从电网经过UPS到这台设备最终负载，总的可靠性应该是(98％×99％)≈97％。

于是，人们开始用USPS(不间断开关电源)来代替UPS，就是说在敏感设备本身的电源加上备份第二能源，避免设备外部一切可能的供电单点故障。其***可靠性分析简介如下：

如图4所示，AC和DC两个能源是并列输入，一旦AC断电，DC仍然是在工作着的，同样提供能量经过电磁转换给输出。设这个USPS的AC部分的可靠性为99％，并联加入的DC部分的可靠性为99％，则总的可靠性为：1-(1-99％)×(1-99％)≈99.99％。

发明内容

本发明的目的是提供一种可靠性高、电路简单、成本低、体积小的电流型双输入不间断开关电源。

本发明电流型双输入不间断开关电源，包括：主功率变压器、将输入的高压能经所述主功率变压器耦合至输出回路的高压开关回路、在输入AC低于设定值或中断时经所述主功率变压器向输出回路提供能量的低压开关回路、一个脉宽调制器和一个中心控制单元，所述中心控制单元通过采样所述高压开关回路、低压开关回路的电流以及输出回路的电压，分析判断后，控制脉宽调制器的输出，进而控制高压开关回路和低压开关回路工作，其中，所述主功率变压器包括：

第一绕组，它连接在所述高压开关回路中；

第二绕组，它连接在所述输出回路中；

第三绕组，它连接在所述低压开关回路中，其首端与第二绕组的末端连接并接地；以及，

一个用于给脉宽调制器和中心控制单元提供电源的第四绕组；

该主功率变压器第三绕组的匝数N_L通过下式计算确定：

$N_L=N_H\×\left|\frac{V_{\mathrm{LC}}}{\sqrt{2}{V}_{\mathrm{HT}}}\right|$

式中N_H为接入高压开关回路的第一绕组的匝数，V_HT为给定的低压开关回路电池放电起始点对应的最低交流输入电压有效值，V_LC为低压开关回路中的第三绕组两端电压的最大值。

本电源工作时，在高压侧工作的中心控制单元对次级输出回路的电压采样、同时对高压开关回路和低压开关回路的电流信号进行采样，经过分析判断，控制脉宽调制器(PWM)的输出，进而由所述PWM控制高压开关回路中的高压开关和低压开关回路中的低压开关同时工作，使得：当AC输入正常时，高压开关回路将高压电能经主功率变压器的第一绕组耦合至第二绕组输出；当AC输入低于设定值时，所述PWM控制高压开关回路和低压开关回路同时提供能量，低压开关回路补充的能量经过主功率变压器的第三绕组耦合至第二绕组输出；当AC输入完全中断时，低压开关回路在所述PWM的控制下提供全部所需能量，能量通过主功率变压器的第三绕组耦合至第二绕组输出。另外，在有AC输入时，由高压开关回路将一部分电能耦合到主功率变压器的第四绕组，给中心控制单元供电；当AC输入中断时，由低压开关回路将一部分电能耦合到主功率变压器的第四绕组，给中心控制单元供电。

还可包括一个用于检测输入交流电压的状况的AC检测单元。

还可包括一个可控充电单元，该充电单元输入端接所述输出回路，输出端接所述低压开关回路的电池组，该充电单元的控制端与所述AC检测单元的输出端连接，控制可控充电单元只有在AC输入正常时才向电池组充电。

还可包括一个可控电池监控单元，该电池监控单元包括电压采样电路和比较器，电压采样电路对所述低压开关回路的电池组的电压采样后输入比较器，与参考电压比较来判断电池组的放电情况，由此比较器输出电池状况的信号。

本电流型双输入不间断开关电源采用初级侧电流控制模式，它通过对主功率变压器电磁关系的设计，配合***电路，实现了两路能源输入自动补偿的功能，达到输出在线不间断，同时，得到了较高的转换效率。两个能源的交替过程无需人为的逻辑控制，整个转换过程圆滑而无中断地实现，降低了功率电子器件的应力，避免产生瞬态突变(di/dt)造成电磁干扰。

它是一种电流模式反激式USPS，不但体积小，电路简单，成本低，而且可靠性高。

附图说明

图1为本实施例电流模式反激式不间断开关电源原理方框图；

图2为其高压侧的具体电路图；

图3为其低压侧的电路图；

图4为USPS***可靠性分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

参照图1，本电流型双输入不间断开关电源，包括：主功率变压器200、将输入的高压能经所述主功率变压器耦合至输出回路600的高压开关回路100、在输入AC低于设定值或中断时经所述主功率变压器向输出回路600提供能量的低压开关回路400、一个脉宽调制器和一个中心控制单元301，(本实施例中，脉宽调制器包含在中心控制单元301内)，所述中心控制单元301通过采样所述高压开关回路100、低压开关回路400的电流以及输出回路600的电压，分析判断后，控制脉宽调制器的输出，进而控制高压开关回路100和低压开关回路400工作，所述主功率变压器200包括：

第一绕组201，它连接在所述高压开关回路100中；

第二绕组202，它连接在所述输出回路600中；

第三绕组203，它连接在所述低压开关回路400中，第三绕组203和第二绕组202反相且共地，即：第三绕组203首端与第二绕组202的末端连接并接低压地；以及，

一个用于给脉宽调制器和中心控制单元提供电源的第四绕组204；

该主功率变压器第三绕组203的匝数N_L通过下式计算确定：

$H_L=N_H\×\left|\frac{V_{\mathrm{LC}}}{\sqrt{2}{V}_{\mathrm{HT}}}\right|$

式中N_H为接入高压开关回路的第一绕组201的匝数，V_HT为给定的低压开关回路电池放电起始点对应的最低交流输入电压有效值，V_LC为低压开关回路中的第三绕组203两端电压的最大值。第三绕组203的匝数N_L值的绝对值对应于反激电路用负值，与输出绕组反相。对应于正激电路，取正值，与输出绕组同相，且接入输出绕组。

高压开关回路100包括高压开关101、主功率变压器第一绕组201和第一电流采样器302，高压直流电的正输出端依次接高压绕组201(即主功率变压器第一绕组201)、高压开关101和第一电流采样器302到高压直流电的负输出端形成高压开关回路。所述高压直流电压由AC输入经输入保护、高频滤波、整流滤波后形成。

低压开关回路400包括电池组401、低压开关404、第二电流采样器304和主功率变压器第三绕组203，电池组401的正极依次经过隔离二极管402、第二电流采样器304、低压开关404接至主功率变压器第三绕组203的末端，主功率变压器第三绕组203的首端与电池组401的负极连接，从而形成低压开关回路。

中心控制单元301、第一电流采样器302、用于驱动低压开关的驱动变压器303和第二电流采样器304构成了控制电路300，控制电路在启动时由高压直流电经电阻R52提供工作电压，启动后由主功率变压器第一绕组204提供工作电压。

输出回路600由主功率变压器第二绕组202经过一个整流滤波网络，再接到输出的负载，由负载接到低压地而组成。

本电流型双输入不间断开关电源还包括AC检测单元500、可控电池监控单元406、可控充电单元407、告警单元和输出电压采样单元605。

AC检测单元500含AC电压采样网络501和设于AC电压采样网络501输出端的隔离光耦502，该检测单元500用于检测接入所述高压开关回路100的交流电压的状况。AC检测单元500的输出将对可控电池监控单元406、可控充电单元407、告警单元给予控制，使得：当输入AC正常、电池组401电量不满时，充电单元给电池组正常充电；一旦输入AC断电立即停止充电回路的充电输出，同时给出交流断电的信号启动告警单元输出告警信号和启动电池监控单元406。

可控电池监控单元406对电池组401的状况进行全时间地采样，与预设值进行比较，以便提供电池低告警信息，和经过接口和软件实现对电源的监控和保护。

可控充电单元407输入端接所述输出回路600，输出端接所述低压开关回路400的电池组401，该充电单元407的控制端与所述AC检测单元500的输出端连接，使该可控充电单元只有在AC输入正常时才向电池组401充电。

整个***工作过程如下：

当高压直流电压建立，经过电阻R52给中心控制单元301提供工作电压，PWM工作，驱动高压开关101和低压开关404同步启动工作，主功率变压器200的第一绕组201产生高频磁场，耦合到第二绕组202再经过整流滤波输出给负载一个稳定的低压，同时在第四绕组204产生一个辅助低压，给中心控制单元301供电。

输出电压采样单元605将输出电压反馈信号输入中心控制单元301，同时，第一电流采样器302和第二电流采样器304分别对高压开关回路和低压开关回路的工作电流进行逐个波形峰值采样，并输入中心控制单元301，进行分析比较后经过中心控制单元301内部的PWM对高压开关101和低压开关404进行调制，以确保输出电压的稳定。

一旦高压直流掉电，与高压开关101同步工作着的低压开关404立即有电流通过主功率变压器第三绕组203维持了磁场能量并继续经过第二绕组202给负载提供了稳定的电压，同时也经过第四绕组204给中心控制单元301提供工作能量，而且，也有电流采样信号进入中心控制单元301对PWM进行逐个波形控制和保护，同时，中心控制单元301内的PWM仍然受到次级输出电压采样的反馈信号的控制进行脉宽调制，以确保输出电压的稳定。

图2和图3分别为本电流型双输入不间断开关电源高压侧和低压侧的电路图。其中，第一电流采样器302采用电阻器R53，第二电流采样器304采用互感器S1，高压开关101采用CMOS功率开关管Q1，低压开关404采用CMOS功率开关管Q2，PWM包含在中心控制单元301内，PWM通过电阻R51驱动高压开关工作、通过驱动变压器T2驱动低压开关工作。

参照图2，主能源(即AC输入)经过保护EMI滤波网络接到一整流桥BR1，整流桥BR1输出的高压直流总线正端连接到主功率变压器200的第一绕组201，再连接到CMOS功率开关管Q1漏极，开关管Q1的源极通过脉冲电流采样电阻R53接到高压总线的负端，组成了高压开关回路100。一个足够容量的滤波电容C6从整流桥BR1输出正端跨接到负端。主功率变压器的第四绕组204输出经过整流二极管D6和滤波电容C7接入中心控制单元301的供电输入端，在启动后为中心控制单元301供电，而在启动时由高压总线经过电阻R52给中心控制单元301供电。中心控制单元301输出的PWM驱动信号经过电阻R51接到开关管Q1的栅极。驱动变压器T2的初级接入本中心控制单元301的PWM输出端和高压开关回路地端，PWM驱动信号经过本驱动变压器T2耦合到开关管Q2栅极。采样电流互感器S1的次级经过二极管D7接到中心控制单元301的逐个波形采样输入端。输出电压采样单元605通过光耦305将电压采样信号接到中心控制单元301的电压采样输入端。AC检测单元500连接到AC输入端，其输出经过光耦502隔离输出到电池监控单元406和电池充电单元407。

工作过程如下：

AC输入经过输入回路建立高压直流总线电压，继而通过电阻R52给中心控制单元301供电，启动，中心控制单元301输出PWM脉冲驱动开关管Q1工作，主功率变压器200工作，在次级感应出低压经过整流滤波输出给负载。中心控制单元301同时接受电流采样信号和来自采样光耦305的电压反馈信号，进行连续的比较和调整，再输出PWM信号控制开关管Q1，以达到稳定输出电压的目的。同时，AC检测单元500检测到AC输入的状况，输出一个ACOK信号经过光耦502输出送到电池监控单元406和电池充电单元407，以实现下述逻辑控制：

1、当AC正常时，无论电池组401是否接上或者电池组401电量是否低，都不关机，由AC供电工作。

2、当AC异常时，电池组401工作正常期间，提供AC断电的告警信号；当AC异常，电池组401放电终了时，电池监控单元406输出关机信号，强制关机。

3、当AC正常时，打开充电单元407对电池组401充电；当AC异常时，关断充电单元407，停止充电。

图3为本实施例低压侧的电路图。其中：

低压开关回路400依次由电池组401、隔离二极管402、电流采样互感器304连接后，再接到低压开关404，再接到主功率变压器的第三绕组203，最后接到低压的公共地组成。只要本电源在AC正常启动工作，本回路的低压开关404也和高压开关101同步工作于同一PWM的状况，只是它没有电流流过，第二绕组202输出的能量全部由AC转换而成，一旦AC低于“黄金切入点”的电压，第二能源(即电池组401)才提供一部分能量，AC输入中断则由第二能源(即电池组401)提供全部能量，以保持输出的稳定。

低压输出回路600由主功率变压器的第二绕阻202，经过整流二极管和滤波电容组成的整流滤波网络601，再接到输出的负载602，由负载接到低压共地而组成。正常开机后，只要AC或者低压第二能源(即电池组401)任意一个正常，本输出回路600就会维持稳定的电压输出给负载。

可控电池监控单元406包括电压采样电路和两个比较器IC1A、IC1B，电压采样电路由三个电阻R6、R7和R8串联组成，电压采样电路对所述低压开关回路400的电池组401的电压采样后输入两个比较器IC1A、IC1B，与参考电压比较来判断电池组401的放电情况，该电池监控单元406的比较器的电源端通过一个电子开关Q4接电源，电子开关Q4的控制端与所述AC检测单元500的输出端连接，控制该电池监控单元406只有在电池组401放电的时间才会输出电池状况信号，该单元406在输出电池低告警信息时，同时输出强制关机信号给中心控制单元301。开机后，AC检测单元输出的ACOK信号控制电子开关Q4去开关两个比较器IC1A、IC1B的供电，决定比较器是否工作，以使得：只要AC正常，无论电池组401是否接入，或者电池组401电量是否较低，都不可以输出电池低或者关机的信号；只有AC异常，有电池放电工作时，才会令本电路工作，对电池组放电进行检测，当电池组电量低到某预设的电平时，会输出电池低信号，控制告警单元408发出告警；一旦电池低到放电终了的临界电平时，就会关断电源。

可控充电单元407由输出回路600连接到本单元的输入端，进入一个内部调控电路LM317，输出端接到电池组401正极，同时，与AC检测单元500的输出端连接，以受ACOK信号的控制。当电源在AC正常开机后，即可从输出回路600取得电压经过充电控制电路对电池组401充电，充电模式依据不同电池的特性而选择，直到电池充满，并维持浮充状态。一旦AC断电，ACOK信号自动关断本充电电路的输出，以避免迴流。

告警单元408包括555芯片和喇叭SP，它受可控电池监控单元406和AC检测单元500控制，当接入高压开关回路的AC断电时或电池组401电压低于预设值时输出告警声。

输出电压采样单元605包括基准电路TL431和光耦305，同时，该输出电压采样单元605输入端还与电池监控单元406一输出端连接，以实现在电池放电终了时关断本电源，保护电池不过放电而损坏。

Claims (6)

1、一种电流型双输入不间断开关电源，包括：主功率变压器(200)、将输入的高压能经所述主功率变压器耦合至输出回路(600)的高压开关回路(100)、在输入AC低于设定值或中断时经所述主功率变压器向输出回路(600)提供能量的低压开关回路(400)、一个脉宽调制器和一个中心控制单元(301)，所述中心控制单元通过采样所述高压开关回路、低压开关回路的电流以及输出回路的电压，分析判断后，控制脉宽调制器的输出，进而控制高压开关回路和低压开关回路工作，其特征在于所述主功率变压器(200)包括：

第一绕组(201)，它连接在所述高压开关回路(100)中；

第二绕组(202)，它连接在所述输出回路(600)中；

第三绕组(203)，它连接在所述低压开关回路(400)中，其首端与第二绕组(202)的末端连接并接地；以及，

一个用于给脉宽调制器和中心控制单元提供电源的第四绕组(204)；

该主功率变压器第三绕组的匝数N_L通过下式计算确定：

$N_L=N_H\×\left|\frac{V_{\mathrm{LC}}}{\sqrt{2}{V}_{\mathrm{HT}}}\right|$

式中N_H为接入高压开关回路的第一绕组的匝数，V_HT为给定的低压开关回路电池放电起始点对应的最低交流输入电压有效值，V_LC为低压开关回路中的第三绕组两端电压的最大值。

2、根据权利要求1所述的不间断开关电源，其特征在于：还包括一个AC检测单元(500)，该AC检测单元含AC电压采样网络(501)和设于AC电压采样网络输出端的隔离光耦(502)，该检测单元用于检测接入所述高压开关回路(100)的交流电压的状况。

3、根据权利要求2所述的不间断开关电源，其特征在于：还包括一可控充电单元(407)，该充电单元输入端接所述输出回路(600)，输出端接所述低压开关回路(400)的电池组，该充电单元的控制端与所述AC检测单元(500)的输出端连接，控制该充电单元只有在AC输入正常时才向电池组充电。

4、根据权利要求2所述的不间断开关电源，其特征在于：还包括一个可控电池监控单元(406)，该电池监控单元包括电压采样电路和比较器，电压采样电路对所述低压开关回路(400)的电池组的电压采样后输入比较器，与参考电压比较来判断电池组的放电情况，由此比较器输出电池状况信号。

5、根据权利要求1所述的不间断开关电源，其特征在于：所述高压开关回路(100)包括高压开关(101)、主功率变压器第一绕组(201)和第一电流采样器(302)，高压直流电的正输出端依次接主功率变压器第一绕组(201)、高压开关(101)和第一电流采样器(302)到高压直流电的负输出端；

所述低压开关回路(400)包括电池组(401)、低压开关(404)、第二电流采样器(304)和主功率变压器第三绕组(203)，电池组(401)的正极依次经过隔离二极管(402)、第二电流采样器(304)、低压开关(404)接至主功率变压器第三绕组(203)的末端，主功率变压器第三绕组(203)的首端与电池组(401)的负极连接。

6、根据权利要求5所述的不间断开关电源，其特征在于：所述第一电流采样器(302)为电阻器，第二电流采样器(304)为互感器。

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