CN111434002A - 电池***与配电总线的连接 - Google Patents

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Abstract

一种用于经由配电总线向负载供电的电源单元的备份***，包括：电源、耦合在电源的输出端子和配电总线之间的开关元件网络、与开关元件并联耦合的二极管、和被配置成选择性地激活或去激活开关元件中的每一个，以使得电源能够经由配电总线为负载供电的控制器。开关元件可以是晶体管，并且二极管可以是晶体管的寄生体二极管。电源可以是电池，诸如可再充电电池。来自电池的输出电压电平可以由控制器作为激活或去激活的晶体管的数量的函数来调节。

Description

电池***与配电总线的连接
技术领域
本发明大体涉及电池技术，尤其涉及一种用于在连接到配电总线时监视电池单元并控制其放电的***。
背景技术
本节旨在介绍本领域的各个方面，这些方面可以与本公开的示例性实施例相关联。本讨论被认为有助于提供一个框架，以便于更好地理解本公开的特定方面。因此，应当理解，本节应当从这个角度来理解，而不一定作为现有技术的承认。
现代信息技术和电信***包含在多种配电总线电压下操作的配电总线。例如，计算机服务器通常将12伏(“V”)分配给该服务器内部子***，诸如存储器、处理器、存储、冷却风扇和I/O(配电总线将电源电压提供给的此类内部子***在此称为“负载电路”，或简单地称为“负载”)。有线电信***使用48V配电，无线电信和蜂窝基站***通常使用24V。所有上述***共享几个共同的特性：在正常运行时，这些配电总线可以承载数十安培甚至数百安培的电流，并且通常要求对这些总线上的电压进行调节，以确保总线上的最大电压偏移限制在高于或低于所需标称值的固定值。调节的配电总线将具有应用于其标称值的指定电压公差。例如，公差为正负10％的12V配电总线将具有范围从13.2V到10.8V的操作范围。
在过去的五年里，电池***已经被开发出来，被优化用于在短持续时间内递送非常高的电流。电池***通常包括一个或多个电池单元(本文中，术语“电池(battery)”和“单元(cell)”可以互换使用)。由于电池***尺寸小，在一些装备类型中，它们变得很有吸引力，以取代传统的不间断电源(“UPS”)，在AC主电源中断时充当装备的短期电气备份。这些大功率电池***具有独特的能力，以输送非常高的放电电流，但有一个缺点，仅能够缓慢地接受充电电流。这种放电电流与充电电流的比率可以高达30:1，甚至40:1，这是当今市场上的技术。
目前用于短时间备份应用的大功率电池***通常采用DC-DC转换器形式的输出调节器，能够处理高能量(例如，输出DC-DC转换器)以将电池***的输出电压与配电总线电压相匹配，并防止电流从配电总线回流到电池中，这将导致不安全的充电电流并构成安全隐患。在当今的许多***中，充电电流通过与放电电流分开的路径提供，并且可以由单独的低功率充电DC-DC转换器提供。因此，如果能消除此类高能量输出DC-DC转换器或者用具有更高电气效率和更低成本的不同方案来取代，就有机会降低成本并提高电气效率，同时允许电池***通过这种改进方案直接地连接到配电总线。
目前已有将电池***直接连接到电气总线的现有技术，几乎所有这些技术都使用高侧或低侧金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)对作为开关元件(本文也简单地称为“开关”)来控制充电电流和放电电流的导通/断开。MOSFET通常用于这些应用中，因为根据其制造工艺的性质，它们包含二极管(即，体二极管)，即使在MOSFET断开时，该二极管也允许电流沿一个方向流过MOSFET。该体二极管在许多应用中代表一种问题，但实际上在本发明的实施例中被用作优点。
当今的电池***中的许多都使用两个背对背放置的开关，开关中的每一个都包括与每一个开关并联的寄生体二极管或跨开关的外部二极管。具有前向二极管(从电池面向负载)的开关被认为是“充电”开关(在其断开状态下，它阻止任何充电电流)，另一个开关是“放电”开关(在其断开状态下，它阻止任何放电电流)。该方案适用于满足以下条件的低功率配电总线：(1)总线的总电流容量(该总线上可用的或耦合到该总线上的负载消耗的)不超过电池的安全充电电流或放电电流，(2)配电总线电压是可控的，使得在需要时可以将其升高到足够高的电压，以便电池在放电后能够完全充电，以及(3)负载电路的可允许操作电压在电池完全放电(即，0％充电状态)时的最小电池端子电压和电池完全充电(即，100％充电状态)时的最大电池端子电压之间，或包括该最小电池端子电压和该最大电池端子电压。然而，当总线上的电压需要严格调节(例如，如由负载要求的)以使该电压必须保持低于电池的完全充电电压时，使用这种方法是不实际的；当总线上通常可用的电流超过电池的充电电流的安全电平时，也不能使用这种方法。
单单元或多单元电池***与配电总线的直接连接的行业标准见于低功率***，诸如在笔记本电脑和平板电脑以及手机中实现。这些设备使用前文提到的单晶体管开关的“背对背”配置进行充电控制和放电控制。图1示出了开关的“高侧”配置，其中开关Q1和Q2(例如，MOSFET)被布置为使得开关连接到电池的高电压侧(+侧)。连接开关Q1和Q2，使得可以取决于这两个开关中的哪一个导通，对电池进行充电和放电。控制器耦合到开关中的每一个，并对开关中的哪些导通、在什么条件下以及在什么持续时间内进行控制。因此，充电控制和放电控制由控制器施加。控制器可以基于电池的健康状态、充电电平、瞬时容量、电压、电流、温度或设计者可以选择的任何其他参数，允许或禁止充电或放电。开关、开关的寄生体二极管和控制器的组合允许对电池的输出端子进行充电控制、放电控制或完全电气隔离。
这种双开关控制方案适用于许多电池应用，其中充电电流、放电电流和可用总线电流的大小接近，或者可允许的充电电流远远高于可用总线电流。膝上型计算机电池具有典型的设计点，充电率近似等于放电率，例如，接近1C(即，是电池额定容量C的一倍)。便携式手机电池可以设计为具有更高的充电率(例如，高达4C)，但通常具有非常低的放电率。这使得手机在快速充电的同时，单次充电具有更长的使用寿命。在这些低充电率和放电率下，开关的寄生体二极管具有足够的热和功率能力，以最小的温度升高和功率损耗通过必要的充电电流和放电电流。
然而，越来越多的***的现实示例具有电池充放电不对称性，其中可允许的放电率远远超过可允许的充电率。例如，提供电备份的电池通常设计充电时间为60-90分钟，具有高倍率放电时间，可以在60-90秒内完全耗尽电池。正常充电电流和正常放电电流之间的该巨大差异(即，较大的充放电电流不对称性)使得图1的双开关控制方案不切实际。具体地说，在充电开关中看到的体二极管完全不适合承载如果使用此类方案其将看到的放电电流，因为其电压降和功率损耗将对***的操作产生不利影响。此外，在具有锂离子电池作为能量存储设备的严格调节的+12V配电总线的示例中，为此类应用选择的电池将需要尽可能接近+12V(例如，每一个单元充电到4.0V的3或4个串联单元)。如本领域普通技术人员所见，通过具有差正向电压特性的隔离二极管(诸如通常在传统MOSFET的寄生体二极管中看到的)从+12V电源给该电池完全充电是不可能的。
除了前文描述的隔离开关外，还设计了调节***，用于在将电池电压转换为连接到电源总线时控制电气输出。例如，线性调节器可以用于在特定值或设定点处提供均匀的电压输出。参考图2，示出了反馈电路，该反馈电路包括驱动串通(series-pass)元件(例如，具有并联二极管的晶体管)的运算放大器(“OPAMP”)。在此类调节***中，图2的电路基本上取代了图1的放电控制开关Q2，以在负载处提供经调节的电压输出，直到交叉点为止，在该交叉点处，跨串通元件的最小电压降在线性调节器的输入与其输出之间(即，在电池端子和负载端子之间)创建足以使负载端子处的电压低于负载电路的最小操作电压阈值(例如，最低可接受的操作电压电平)的电压降。
此类线性调节器当为低功率设备实现时可能会起作用。然而，随着电源电平的提高，出现许多不足之处。首先，串通元件在其线性模式下工作，其中输入电压和输出电压之间的电压差施加在串通元件上，在高电流的情况下，这会产生非常高的功率损耗和基于V-I的发热。这些产生的热量必须转移到环境中或以其他方式从设备中移除，否则这些热量将集中在串通元件封装内部，甚至高功率晶体管也会迅速过热和失效。可以处理从该功率损耗生成的热量的封装将需要具有直接安装散热器的非常大的物理封装。大多数高功率电池***有物理空间局限和制造限制，不鼓励使用该类型的晶体管封装。此外，很难找到能够通过其印刷电路板(“PCB”)触点散发足够的热量的表面贴装晶体管(“SMT”)。
开关调节器也用于将电池电压转换为固定的总线电压。一般来说，降压型(step-down)或“降压(buck)”转换器需要输入电压高于其输出电压以达到其最高效率。这导致串联电池堆具有更高的串联单元计数，以向转换器提供更高的输入电压，从而实现高效率和可管理的开关占空比。然而，这种更高的单元计数会增加成本、电路复杂度、总电路封装体积以及电池管理***(“BMS”)部件计数和复杂度。
附图说明
图1和图2示出了用于将电池***连接到配电总线的现有技术***。
图3示出了根据本发明的实施例配置的***。
图4示出了图3的***的示例性操作，显示了该***从电源单元向负载供电的状态到电池向负载供电的状态的过渡。
图5示出了图3的***的示例性操作，显示了该***从电池向负载供电的状态到电源单元向负载供电的状态的过渡。
图6示出了根据本发明实施例配置的***的电路框图，其中使用一组串联开关代替图3中的开关中的一个。
图7示出了根据本发明实施例配置的***的电路框图，其中使用一组并联开关代替图3中的开关中的一个。
图8示出了单个示例性锂离子可再充电电池单元在不同的可能负载电流下的电压曲线族对充电状态(“SOC”)的绘图。
图9-图11示出了电压曲线族对SOC的绘图，这些绘图是由不同数量的如图8所描述的串联示例性锂离子可再充电电池单元产生的。
图12示出了在图6的***内可以实现的调节方案的非限制性示例。
图13示出了在图7的***内可以实现的调节方案的非限制性示例。
具体实施方式
应当理解，本文所描述的特定实施例通过解说的方式示出，而不是作为对本发明的实施例的限制。在不脱离本发明范围的情况下，本发明的主要特征可以用于各种实施例中。
作为先前公开的线性或开关调节器的替代，本发明的实施例提供了一组单独控制的开关(例如，MOSFET)，该一组单独控制的开关将电源(例如，电池端子电压)连接到可以连接负载电路的输出(例如，配电总线)。根据本发明的实施例，当MOSFET用作开关时，MOSFET以预确定的(例如，编程的)方式操作，以利用MOSFET的体二极管的固有正向压降和/或与每一个MOSFET串联耦合的外部电阻(例如，电阻元件)来调节电池堆输出电压的输送。与在高功率下操作的线性或开关调节器相比，此类电路可以被配置为取代电池放电DC-DC转换器、承受高放电电流和/或在许多操作模式下更有效地操作。
本发明的实施例提供了利用在编程控制下操作的可编程激活的(例如，顺序、二进制计数或任何其他顺序)充电控制开关和/或放电控制开关(例如MOSFET)将电池***连接到配电总线的***，该***可以取代先前公开的反馈控制线性或开关DC-DC转换器调节器。本文公开的实施例可以实现N个(其中N≥1个)串联的充电控制开关(例如，参见图3和图6)和/或N个(其中N≥1个)并联的放电控制开关(例如，参见图7)。
参考图8，为了理解充电控制开关的串联或放电控制开关的并联如何能够控制电池放电电压的应用以及如何提供等效输出电压调节，现在讨论典型电池的特性操作。图8示出了单个示例性锂离子可再充电电池单元在不同的可能负载电流下的电压曲线族对充电状态(“SOC”)的绘图。这些曲线定义了电池电压对于电池电流和SOC的各种组合可以在其内操作的操作范围。
可再充电电池，诸如基于锂离子(“Li离子”)的可再充电电池，可以由不同的内部材料和特定的化学成分构成，这些材料和化学成分定义了每一个电池单元的操作电压范围、最大放电电流、内部阻抗和比容量。这些参数中的每一个都定义了放电电压-放电电流曲线族，这对于每一种类型的电池都是独一无二的。
电池由给定化学容量构成，该给定化学容量是由电池中有限数量的活性化学材料给定。该容量是通过在给定电流下放电和直到达到某最小电压为止的时间测量的。该容量通常以毫安时(“mAh”)或安时(“Ah”)报告。该容量在本文中用字母“C”表示，对应于电池1小时可用的持续电流，该电流导致电池从100％SOC(完全充电)状态放电到0％SOC(完全放电)状态。
对于任何给定的放电电流，电池的端子电压将根据其充电状态(“SOC”)而下降。100％满SOC由电池的最大充电电压表示。0％满或100％空的SOC由电池的最小放电电压表示。当电池的化学容量耗尽时，SOC将从100％降至0％。
图8显示了在不同负载电流下的电压曲线对SOC，其表示在电流需求为10A(“安培(amps)”)、12A、15A和20A时容量为1Ah的示例性Li离子电池单元。可以很容易看出，给定SOC的电池端子电压将根据电流需求的增加而降低。当电流需求增加时，电压刻度上的曲线之间的距离是由于电池的内部电阻或阻抗引起的。对于给定的施加电流负载，内部阻抗越高，电池端子电压越低。因此，给定SOC下的电池端子电压不仅取决于SOC，而且还取决于负载电流需求，并且存在于由特性曲线定义的操作范围内。
从图8的图示可以理解，典型电池的输出(放电)电压不是恒定的，而是随负载电流和SOC而可变化的，并且因此典型电池不具有在将存储的能量从电池中耗尽或随着负载电流变化而花费的时间内将该电池的放电电压调节或维持在特定电压范围内的固有能力。然而，如前所述，在电力***中非常常见的是，需要向配电总线供电的任何源来调节向配电总线供应的电压，以确保配电总线上的最大电压偏移限制在所需标称值之上或之下的指定固定值，即，负载可容忍的电压可允许范围，例如，以确保无误操作(本文称为“指定负载电压公差范围”)。这就是为什么实施电压调节器(诸如先前所述的那些)的原因中的一个，以便将(例如，由电池或其他源)供应给配电总线的输出电压维持在此类指定负载电压公差范围内。
图9-图11示出了电压曲线族对SOC的绘图，这些绘图是由不同数量的如图8所描述的串联示例性锂离子可再充电电池单元产生的。可能需要不同数量的串联电池，以获得与不同的常用配电总线电压兼容的特定电池堆电压。
参考图9-图11示出的示例，本文定义的是相对于指定负载电压公差范围的三个电压区域，该指定负载电压公差范围要求经由配电总线输送到负载。叠加在每一组曲线上的是与指定负载电压公差范围相对应的灰色阴影区域。这种叠加的结果是，每一个绘图被分成三个区域。区域1被定义为电源电压(例如，由电源(诸如电池)供应的)存在于指定负载电压公差范围上方(灰色阴影区域上方的区域)的所有操作点。这等效于电源电压高于指定负载电压公差范围内的最大电压。区域2被定义为电源电压存在于指定负载电压公差范围内(在灰色阴影区域内)的所有操作点。区域3被定义为电源电压存在于指定负载电压公差范围下方(在灰色阴影区域下方的区域)的所有操作点。区域3等效于电源电压低于指定负载电压公差范围内的最小电压。
图9示出了14个串联电池单元(诸如相对于图8描述的电池单元)的示例性48V电池堆在不同的可能负载电流下的电压曲线族对SOC的绘图。应当注意，在本示例中，对于基本上所有的电池电流和SOC值，指定负载电压公差范围(注为区域2)等于总电池堆电压，除了放电的最后时刻(例如，SOC小于约7％)，即，电池操作特性基本上位于区域2内，直到存储在电池中的能量几乎全部耗尽为止。
图10示出了3个串联电池单元(诸如相对于图8描述的电池单元)的示例性12V电池堆在不同的可能负载电流下的电压曲线族对SOC的绘图。如在图9中，应当注意，对于基本上所有的电池电流和SOC值，指定负载电压公差范围(注为区域2)等于总电池堆电压，除了放电的最后时刻(例如，SOC小于约5％)，即，电池操作特性基本上位于区域2内，直到存储在电池中的能量几乎全部耗尽为止。
图11示出了4个串联电池单元(诸如相对于图8描述的电池单元)的12V电池堆在不同的负载电流下的电压曲线示例性族对SOC。应当注意，在本示例中，高SOC下的电池操作特性曲线存在于绘图的区域1中，区域1在指定负载电压公差范围(注为区域2)上方。当电池在区域1内操作时，在将所得的降低电压输送到负载之前，应当实现对从电池供应给配电总线的电压的电压调节(例如，降低)，以防止供应给负载的电压变化到指定负载电压公差范围(注为区域2)之外的电平。
例如，如图11所示(并且如将关于图6和图7进一步描述的)，指定负载电压公差范围(在图11中注为区域2)可以比为备份目的而实现的电池堆的整个放电电压范围更窄。然而，本发明的实施例能够在不使用传统电压调节器的情况下实现，但仍然能够将从电池堆供应给配电总线的输出电压基本上维持(调节)在指定负载电压公差范围内。
图3示出了根据本发明的实施例配置的***300的电路框图。***300包括电池***306，电池***306被配置为通过定义的开关配置将电池308的输出端子选择性地耦合到配电总线304。在该示例中，电池308的端子电压特性与图10中所描绘的类似，其中与所有操作点(电流和SOC的组合)相对应的电池电压位于指定负载电压公差范围内(即，所有电池操作点都存在于特性曲线的区域2区内)。根据本发明的实施例，该定义的开关配置包括耦合在电池308和配电总线304之间的串联开关(在该非限制性示例性实施例中，放电控制开关的数量N为1(在图3中标记为311))，该串联开关耦合到经由公知的AC线路输入电压供电的公知的电源单元(“PSU”)301。PSU 301将AC线路输入电压转换为DC输出电压，DC输出电压馈送一个或多个负载电路(本文也简称为“负载”)305所连接到的配电总线304。
根据本发明的实施例，电池***306、定义的开关配置和PSU 301进行组合以形成多开关电池备份单元(“BBU”)。当AC线路输入电压存在且在正常操作限制内时，可以将BBU配置为用作正常电源。如果PSU 301的输出下降(例如，由于AC线路输入电压损失或PSU 301的内部故障)，则***300可以被配置为从电池308供应足够的电力以使负载305在预确定的最短持续时间(例如，足够长以切换到发电机备份或完成正确的关闭程序)内操作。因此，电池***306可以被配置为在到PSU 301的AC线路输入电压发生故障(或不在正常或所需的操作范围内)或PSU 301经历内部部件故障或意外停止操作时，用作备份电源。根据本发明的实施例，电池***306包括电池308和控制器302。控制器302可以包括被配置为执行本文描述的功能的任何电路，或者实现为能够执行本文关于控制器302描述的功能的任何其他电路、集成电路(“IC”)模块或微处理器。电池308可以实现为一个或多个电池单元(例如，在电池堆中配置的一个或多个锂离子单元)。
根据本发明的实施例，开关309-311中的任何一个或多个可以实现为p型或n型的FET(诸如MOSFET)，其中控制器302内的电路可以被配置为根据需要适当且独立地导通和断开FET 309-311中的每一个(例如，分别经由栅极驱动线320-322)来实现本文描述的各种功能。替代地，开关309-311中的任何一个或多个可以替换为适合于执行本文描述的它们的各自功能的任何电路。根据本发明的实施例，FET 309-311中的一个或多个可以实现为包含寄生体二极管，当它们各自的FET 309-311的(多个)传导通道处于其断开状态时，寄生体二极管将用作允许电流沿仅一个方向流动。根据本发明的某些实施例，开关元件311可以被配置为没有寄生体二极管。
PSU 301可以包括公知的内部电子器件(未示出)，该内部电子器件被配置为通过信号线312发送输出信号(诸如数字逻辑电平或模拟信号(注为AC_OK))，指示PSU 301是否正经由配电总线304向负载305供应足够的电力(例如，指示PSU 301是否正正常运行或已发生故障，或者AC线路输入电压是否在正常(例如，所需)操作范围内)。通过信号线312从PSU301向控制器302提供该输入信号(AC_OK)，以监视AC线路输入电压。注意，根据本发明的实施例，一个或多个电源(PSU)301可以连接到配电总线304以向负载305供电。
根据本发明的某些实施例，电池***306可以进一步包括电流传感器307，电流传感器307被配置为检测和测量流入或流出电池308的电流。电流传感器307可以被配置为耦合到放大器的感测电阻器，诸如图3所描绘的。根据本发明的某些实施例，控制器302可以被配置为通过电流传感器307测量从电池308提取或输送到电池308的电流的大小(例如，以安培为单位)和方向(负的或者正的)。关于图4-图5进一步描述了电流传感器307的使用。
在参考图3描述的放电开关的数量N等于1的示例性实施例中，电池308的特性操作电压范围可以被配置为与要供应给配电总线304的(例如，如由负载305所要求的)指定负载电压公差范围(诸如图10和图11中被指示为区域2)基本上相匹配。
根据本发明的某些实施例，控制器302可以被配置为导通充电控制FET 309(或任何合适的开关元件)，以允许通过单独的充电电路(“充电器”)303对电池308充电。FET 309还可以包括如图3所描绘的寄生体二极管。此外，本发明的实施例可以进一步包括二极管330(或(多个)等效电路元件)，二极管330被配置为防止来自电池308的电力传递到充电器303。
多开关电池操作-从PSU到电池的电源切换
参考图3和图4，下文描述了电池308经由配电总线304与负载305的多开关连接(诸如在到PSU 301的AC线路输入功率损失或PSU 301的故障期间)的示例性非限制性可编程配置。根据本发明的实施例，***300可以被配置为使得当来自向配电总线304馈送的PSU 301的电压出于某种原因降低到低于阈值电平(例如，低于指定负载电压公差范围的可允许下限)时，电池308向负载305提供电力。例如，考虑到在某个时间点，到PSU 301的AC线路输入电压被移除，或者PSU 301未能适当地操作(本文称为“PSU故障事件”)。例如，这可以是由于提供AC线路输入电压的外部AC电源中断造成的。
当PSU 301内的电路发生故障或PSU 301的内部电子器件检测到AC线路输入电压下降时，PSU 301可以被配置为引起信号线312上的AC_OK信号的状态变化(例如，AC_OK＝0)作为对整个***的警告，即PSU 301经历了PSU故障事件，可能会发生断电。在图4中，供应给负载305的电压(称为“负载电压”)由点线表示，由PSU 301供应的电压(称为“PSU电压”)由相邻的实线表示，由电池308供应的电压由虚线表示。
根据本发明的实施例，PSU 301可以包含一个或多个公知的能量存储元件(例如，电容器，未示出)，该能量存储元件被配置为存储从AC线路接收的能量，这允许总线304上的PSU电压在短时间段内基本保持恒定，即使在没有AC输入功率的情况下也是如此，在图4中称为“PSU保持时间”。根据本发明的实施例，该PSU保持时间通常可以在时间尺度上在2毫秒到20毫秒的范围内，虽然PSU保持时间的确切持续时间将取决于此类(多个)能量存储元件的能量存储容量。当PSU 301内部的(多个)能量存储元件开始耗尽该存储的能量时，总线304上的PSU电压开始以某个特定的衰减率下降或下垂，该衰减率由PSU 301的内部电路和外部负载(例如，(多个)能量存储元件)以及(例如，由负载305)从PSU 301的瞬时输出功率汲取确定。电压降在本领域中是公知的，是指在约束的功率输送的条件下，当设备驱动负载时，来自设备的输出电压逐渐降低。该电压降在图4的PSU电压曲线中被描绘为“PSU输出电压降”。
控制器302可以被配置为响应于信号线312上的AC_OK信号(例如，AC_OK＝0)的状态变化的接收而导通FET 311(例如，通过在Q2栅极驱动线322上断言(assert)适当的电压(在图4中称为“Q2栅极信号高”))。这使得来自电池308的电压通过FET 310的体二极管连接到总线304，因为FET 310的传导通道保持断开(因为此时控制器302被配置为在Q1栅极驱动线321上输出不足以导通FET 310的传导通道的电压信号)。试图从配电总线304向相反方向(即，进入电池308)流动的任何电流都被FET 310的体二极管阻挡，但是，在总线304上的电压降到低于来自电池308的电压减去FET 310的体二极管的正向电压(V电池–VfQ1)的瞬间，电力可以从电池308流入配电总线304。这种情况在图4中称为“电池放电就绪状态”。
随着PSU 301内部的能量存储元件开始耗尽能量，总线304上的电压将下降，直到其达到其等于来自电池308的电压减去FET 310的体二极管的正向电压(V电池–VfQ1)的点。此时，电池308开始通过FET 310的体二极管(Q1体二极管导通周期)向配电总线304(并因此也向负载305)输送电流，并且电池308和PSU 301将电流共享到配电总线304上(在图3中用“电池电流”和“PSU电流”表示)。这在本文中被称为图4中的电池308放电周期的“从PSU到电池的电源切换”。根据本发明的实施例，一旦FET310的体二极管开始导通，控制器302可以被配置为检测从电池308流出到配电总线304上的非零电流，这可以通过发送与电流传感器307中的瞬时电流成比例的信号(例如，模拟)来完成，该信号在电池电流测量线325上被发送到控制器302。
此时，为了防止在FET 310的体二极管中的进一步的功率耗散(和相对应的热量生成)，控制器302可以被配置为导通FET 310(例如，通过在Q1栅极驱动线321上断言适当的电压(在图4中称为“Q1栅极信号高”))，使得传导通道在Q1内建立，该传导通道将电流从高耗散体二极管转移到低耗散传导通道，从而降低FET 310中的总体功率损耗。在图4中，FET310和FET 311被导通的条件在本文称为“通过Q1传导通道和Q2传导通道的电池放电电流”。FET 310和FET 311两者处于“导通”状态以及电池308与PSU301共享负载电流的这种情况将持续，直到达到PSU 301中的(多个)能量存储元件的低能量阈值，此时PSU 301将停止操作或切断。在切断PSU 301时，电池308将接管负载305的供电。该条件对应于如图9和图10所示的电池308放电的区域2区内的操作，其中电池308经由总线304连接到负载305。典型负载305可以通常表现出恒定功率特性，因此电池308电流将与电池308的电压下降的速率相称地缓慢上升，如图4所描绘的。电池308将随着其存储的能量的消耗而正常放电，并且当控制器302检测到电池端子电压已经达到最小可允许总线电压或跨入本文中所称的如图9和图10所示的电池308放电的区域3区时，控制器302将终止电池放电。该点可以由应用或负载电路对最小可允许负载电压的限制(例如，指定负载电压公差范围的下限)所定义的预确定电压下限来确定。一旦达到区域3区，电池308中剩余的任何能量将不可用于总线304。
当电池308耗尽化学能时，作为响应，控制器302可以被配置为断开FET 310和FET311两者(例如，经由Q1栅极驱动线321和Q2栅极驱动线322)，从而将电池308与配电总线304隔离，从负载移除电源并终止其操作。图4中描绘的总运行时间可以由负载305和电池308中的单元的总体能量存储能力来确定。
多开关操作-从电池到PSU的电源切换
参考图5，假设电池308的单元尚未完全耗尽，并且当AC线路电源恢复到PSU 301(或以其他方式恢复PSU 301的正常操作)时电池308仍在向配电总线304输送电流，PSU 301可以被配置为开始其启动序列，改变信号线312上的AC_OK信号(例如，AC_OK＝1)的状态，并且连接到配电总线304的PSU输出电压(在图5中描绘为“PSU电压”线)将开始升高(“PSU输出电压斜升”)。当升高的PSU电压与配电总线304电压相匹配时，PSU 301将开始接管输送到负载305的电流的部分。此后，当PSU电压开始升高到高于电池308的电压时，在电池308的输出端子处将出现反向(充电)电流(在图5中称为“进入电池的负电流”)，该反向(充电)电流可以由电流传感器307感测。当检测到来自PSU 301的有效AC_OK＝1信号和“进入电池的负电流”两者时，控制器302将改变到FET 311的Q2栅极驱动信号322的状态，从而导致FET 311的Q2传导通道关闭。在稍后当PSU301的输出电压稳定时的某个时间，控制器302可以被配置为经由其Q1栅极驱动信号321关闭FET 310，这用于将电池308与配电总线304隔离。然后，PSU电压可以继续升高，直到PSU 301达到其正常操作电压调节电平，并且PSU 301可以在这种条件下继续，直到发生另一个电力中断事件。
图6示出了根据本发明的实施例配置的***600的电路框图。***600中的元件中的每一个可以以与先前关于***300描述的相对应地标记的元件相似的方式操作。***600采用电池***606，电池***606被配置为通过定义的开关配置(即，多个串联开关)将电池608的输出端子选择性地耦合到配电总线604。根据本发明的实施例，该定义的开关配置包括在电池608和配电总线604之间串联连接的一系列N个(其中N≥2)充电控制开关(例如，FET，其可以是MOSFET)，其中每一个FET由控制器602独立地控制。
***600可以用于具有延伸超过指定负载电压公差范围(例如，如由负载605所要求的；例如，参见图11的示例中所示的区域2区)的电池端子电压操作点的电池***。如本文其他部分所讨论的，典型电池具有位于许多负载所要求的这样更窄的指定负载电压公差范围之外的操作点。因此，可以采用***600来将所供应的电池电压基本上调节在该指定负载电压公差范围内。根据本发明的某些实施例，电池608的电压可以被配置为在一些SOC和电池电流条件下位于高于配电总线604的指定负载电压公差范围，并且在其他SOC或电池电流条件下与配电总线604的指定负载电压公差范围基本上匹配。
***600包括经由公知的AC线路输入电压供电的公知的电源单元(“PSU”)601。PSU601将AC线路输入电压转换成DC输出电压，DC输出电压馈送负载605所连接到的配电总线604。根据本发明的实施例，电池***606、定义的开关配置和PSU 601进行组合以形成多开关电池备份单元(“BBU”)。当AC线路输入电压存在且在正常操作限制内时，可以将BBU配置为用作正常电源。如果PSU 601的输出下降(例如，由于AC线路输入电压损失或PSU 601的内部故障)，则***600可以被配置为从合适尺寸的电池608供应足够的电力以使负载605在最短定义持续时间(例如，足够长以切换到发电机备份或完成正确的关闭程序)内操作。因此，电池***606可以被配置为在到PSU 601的AC线路输入电压发生故障(或PSU 601的输出落在正常或所需的操作范围之外)或PSU 601发生故障或意外停止操作时，用作备份电源。
根据本发明的实施例，电池***606包括电池608和控制器602。电池608可以实现为一个或多个电池单元(例如，Li离子电池)。控制器602可以包括被配置为执行本文描述的功能的任何电路，或者实现为能够执行本文关于控制器602描述的功能的任何其他电路、IC模块或微处理器。
在图6所示的非限制性示例性实施例中，***600实现N个(其中N≥2)充电控制开关(例如，N个MOSFET 610a…610c)的网络来代替图3的FET 310。串联充电控制FET的数量可以从2个到可以由实现的控制器602实际地控制的任何更大的数量。FET的数量N可以由最大电池堆电压和所需输出电压(例如，如由指定负载电压公差范围确定(例如，参见图11中的区域2))的差来确定。根据本发明的实施例，控制器602内的电路可以被配置为根据需要适当地导通和断开FET 609、610a…610c和611中的每一个(例如，分别经由栅极驱动线620、621a…621c和622)以实现本文描述的本发明实施例的功能。替代地，FET 609、610a…610c和611中的任何一个或多个可以替换为适合于执行如本文描述的其各自功能的任何电路。
控制器602可以被配置为独立地导通和断开FET 610a…610c和611中的每一个。根据本发明的实施例，FET 610a…610c和611中的一个或多个可以实现为包含寄生体二极管，寄生体二极管将用于在各自的FET 610a…610c处于断开状态时防止电流流入电池(充电电流)，并且在FET 611处于断开状态时防止放电电流进入负载。根据本发明的某些实施例，开关元件611可以被配置为没有寄生体二极管。根据本发明的替代实施例，为了最小化当电流正传导通过体二极管时，FET封装(即，N个充电控制FET 610a…610c，和放电控制FET 611)中的功率损耗(和由此的热量生成)，外部肖特基(Schottky)二极管(未示出)也可以与任何或所有充电控制开关并联连接(或内置到任何或所有充电控制开关的封装中)。
PSU 601可以包括内部电子器件(未示出)，该内部电子器件被配置为通过信号线612发送输出信号(诸如数字逻辑电平或模拟信号(注为AC_OK))，指示PSU 601是否正经由配电总线604向负载605供应足够的电力(例如，指示PSU 601是否正正常运行或已发生故障，或者AC线路输入电压是否在正常(例如，所需)操作范围内)。通过信号线612从PSU 601向控制器601提供该输入(AC_OK)，以监视AC线路输入电压。注意，根据本发明的实施例，一个或多个电源(PSU)601可以连接到配电总线604以向负载605供电。
根据本发明的某些实施例，电池***606可以进一步包括电流传感器607，电流传感器607被配置为检测和测量流入或流出电池608的电流。电流传感器607可以被配置为耦合到放大器(例如，运算放大器(OPAMP))的感测电阻器R，该放大器在电池电流传感器线路625上输出信号。根据本发明的某些实施例，控制器602可以被配置为通过电流传感器607测量从电池608提取或输送到电池608的电流的大小(例如，以安培为单位)和方向两者。***600可以进一步包括电池电压反馈电路642和负载电压反馈电路641，被配置为用作电压传感器以确定电池608的电压电平和负载605处的输出电压电平。
根据本发明的某些实施例，控制器602可以被配置为导通充电控制FET609(或任何合适的开关元件)，以允许通过充电电路(“充电器”)603对电池608充电。FET 609还可以包括如图6所描绘的寄生体二极管。此外，本发明的实施例可以进一步包括二极管630(或(多个)等效电路元件)，二极管630被配置为防止来自电池608的电力传递到充电器603。
当电池连接并且基本上与从电池608向负载605输送电流的开始同时(与FET 611的导通相对应)，电池端子电压将根据电池608的特性阻抗曲线拉低或下降，且提供给配电总线604的电压将是所得到的电池端子电压减去每一个体二极管的总正向电压降之和乘以处于断开状态(如由控制器602确定)的N个FET 610a…610c的数量。控制器602可以被配置为经由电压传感器642感测电池电压并经由电压传感器641感测(到负载605的)输出电压，并作为响应确定需要导通或断开的充电控制开关(例如，N个FET610a…610c)的数量，以便将负载605处的电压维持在所需的操作范围(例如，指定负载电压公差范围(例如，参见图11中所描绘的区域2))内。当电池电压由于电流增加(阻抗曲线效应)或通过降低电池的充电状态(基于SOC的电压降)而持续下降时，可以由控制器602响应于由电压传感器642和641感测的改变的电压条件，以预确定的编程方式(例如，顺序、二进制计数或任何其他顺序)导通N个FET 610a…610c，以减少电池端子和输出(负载)端子之间串联正向二极管电压降的总数，以便调节由电池608向负载605供应的电压。同样，由于特性阻抗效应而导致电池端子电压升高的负载605所汲取的电流的突然减小可以通过控制器602断开N个FET 610a…610c中的一个或多个来补偿，因此，将一个或多个正向二极管电压降添加回到N个FET 610a…610c的串联电路中。
图12中描绘了可以在控制器602内实现的调节方案的非限制性示例，该示例示出了跨N个(其中N＝3)串联FET 610a…610c上的总电压降作为导通或断开的FET(0…N)的数量的函数。可以看出，跨N个FET 610a…610c的网络的总电压降可以由控制器602以从基本上0V到由FET的数量N定义的电压的离散步骤来控制，这由所需的负载电压(及其公差)与电池608的端子处的最大电压之间的差(在N＝3的本示例中，约为2.4v)来确定。由于FET网络位于电池608的输出端子与负载605的输入端子之间的电路中，因此负载605将其输入电压视为电池608的端子电压减去跨FET网络上的电压降。通过该技术，可以通过由控制器602导通/断开N个FET 610a…610c以调整跨FET网络上的电压降来实现和维持提供给负载605的电压的调节(例如，基本上在指定负载电压公差范围内)。根据本发明的实施例，控制器602还可以被配置为导通/断开FET 610a…610c和611中的任何一个或多个，以最小化任何个体FET的体二极管中的功率损耗。
根据本发明的实施例，有许多广为人知的控制技术，诸如误差放大器的实现、状态空间控制或滞后控制方法，其可以在控制器602中实现，以响应于由传感器642和传感器641提供的电压感测和由传感器607提供的电流感测，确定导通或断开任何特定FET(例如，N个FET 610a…610c)的顺序和定时。
图7示出了根据本发明的实施例配置的***700的电路框图。***700中的元件中的每一个可以以与先前关于***300和***600描述的相对应地标记的元件相似的方式操作。***700采用电池***706，电池***706被配置为通过定义的开关配置将电池708的输出端子选择性地耦合到配电总线704。根据本发明的实施例，该定义的开关配置包括N个(其中N≥2)并联放电开关710a…710d(例如，MOSFET)的网络，每一个放电开关与电阻器750a…750d串联耦合以形成N个FET/电阻器对的网络。
***700可以用于具有延伸超过指定负载电压公差范围(例如，如由负载705所要求的；例如，参见图11的示例中所示的区域2区)的电池端子电压的电池***。如本文其他部分所讨论的，典型电池在某些操纵点处具有位于许多负载所要求的这样更窄的指定负载电压公差范围之外的端子电压。因此，可以采用***700来将所供应的电池电压基本上调节在该指定负载电压公差范围内。根据本发明的某些实施例，电池708的电压可以被配置为在一些SOC和电池电流条件下位于高于配电总线704的指定负载电压公差范围，并且在其他SOC或电池电流条件下与配电总线704的指定负载电压公差范围基本上匹配。
电阻器750a…750d中的每一个可以被配置有不同的电阻值，并且可以配置成使得系列750a…750d中的每一个电阻器的电阻值低于该系列中的前一个电阻器(例如，电阻器750b具有低于电阻器750a的电阻值，电阻器750c具有低于电阻器750b的电阻值等)。FET/电阻器对可以通过另一个开关元件(例如，MOSFET)711在电池端子和配电总线704之间并联连接，开关元件711防止直接从配电总线704给电池充电，并且其中N个FET 710a…710d及其成对电阻器以及FET 711中的每一个都是由控制器702经由控制线721a…721e独立地控制。然而，本发明的实施例可以使用具有基本相等的电阻值的电阻器750a…750d中的一个或多个来实现。
并联放电控制FET/电阻器对的数量N可以从2个到可以由控制器702实际地控制的任何数量。放电控制FET/电阻器对的数量N通常可由许多因素确定，诸如电池堆中可用的最小电压和最大电压、最小输出电流和最大输出电流的预期范围以及所需的最小和最大输出电压范围(例如，如由指定负载电压公差范围确定(例如，参见图11中的区域2))。
根据本发明的实施例，可以通过由控制器702以编程方式(例如，顺序、二进制计数序列或任何其他序列)激活(例如，导通)N个FET 710a…710d中的一个或多个来将电池708连接到配电总线704，诸如可以从FET710a开始，其可以与最高电阻值电阻器750a配对。当FET 710a导通时，电流将开始流向负载705，并且电池708的端子电压将根据电池阻抗特性曲线开始下降。如果通过FET/电阻器对710a/750a的串联组合的负载705的电流足够高，则跨FET/电阻器对710a/750a的串联组合的电压降将增加，直到负载705处的电压降到预确定阈值，该预确定阈值可以根据负载705的最小调节点规范(例如，指定负载电压公差范围的下限)来设置(例如，在控制器702内)。当该阈值被达到并由控制器702通过输出电压传感器741感测到时，控制器702可以被配置为断开FET/电阻器对710a/750a，并导通与电阻器750b配对的FET，电阻器750b可能是系列电阻器750a…750d中电阻值次最高的电阻。根据本发明的实施例，与FET 710b串联的电阻器750b可以被配置为具有显著小于电阻器750a的电阻值的电阻值，并且因此跨FET 710b和电阻器750b的串联组合的电压降将小于跨FET 710a和电阻器750a的串联组合的电压降。这样做的效果是将到负载705的输出电压升高到与负载705的最小调节点规范(例如，指定负载电压公差范围的下限)有关的先前注明的阈值以上，并且因此使到负载705的输出电压保持在该最小预确定阈值以上。这样，通过控制器702选择性地激活N个FET 710a…710d(例如，在向上二进制计数序列中)以升高负载电压，以及选择性地去激活N个FET710a…710d(例如，在向下二进制计数序列中)以降低负载电压，在如由控制器702经由电池电压传感器742、输出电压传感器741以及电流传感器707感测的变化的电池端子电压和负载电流下，可以由控制器702将到负载705的输出电压保持在调节窗口(例如，指定负载电压公差范围(例如，参见图11中的区域2))内，其中FET 710a与二进制顺序计数器的最低有效位相关联，而FET 710d(或更高)与最高有效位相关联。
图13描绘了可以在控制器702内实现的调节方案的非限制性示例，其示出作为由控制器702对N个FET 710a…710d的选择性激活的二进制计数序列的函数的跨并联FET/电阻器对的总电压降。可以看到，可以在N2(例如，当N＝4时为16)个离散步骤中控制跨FET/电阻器对网络的电压降，范围从基本上0V到某个期望的最大电压(在本示例中，约为3.0V)。由于FET/电阻器对网络位于电池708的输出端子与负载705的输入端子之间的电路中，因此负载705将其输入电压视为电池708的端子电压减去跨FET/电阻器对网络上的电压降。通过该技术，可以通过由控制器702导通/断开N个FET710a…710d以调整跨FET/电阻器对网络上的电压降来实现和维持提供给负载605的电压的调节(例如，基本上在指定负载电压公差范围内)。
根据本发明的实施例，此类由N个并联放电开关元件(即，N个FET/电阻器对)组成的网络可以被配置为作为高电流数模转换器来操作(例如，响应于从控制器702接收的指令)，其中源电压(即，来自电池708的电压)随时间变化不恒定(例如，参见图8)。在该配置中，来自电压传感器741、742和电流传感器707的信息可以由控制器702用于补偿输入电压和输出电压(即，电池708和负载705)中的变化。
由此，得到的***700被配置为N个固定阻抗元件(即，N个FET710a…710d和相关联电阻器750a…750d)组成的网络，这些元件可以由控制器702切换入网络和切换出网络，以补偿输入(即，电池708)和输出(即，负载705)上的电压的变化。改变电阻器750a…750d的电阻值将定义个体元件的阻抗。根据本发明的实施例，每一个FET/电阻器对可以在预确定的施加电流下配置有特定的电压降。结果，***700可以被配置为控制在电池708和负载705之间定义可变的、可控的阻抗的元件网络。随着负载705的电压增加，由控制器702调整网络，使得总阻抗增加，输送到负载705的电压降低。当电池708的电压降低时，由控制器702重新配置网络，使得总阻抗降低并且因此也降低跨网络上的电压，用于将输送到负载705的电压保持在期望范围内(例如，基本上在指定负载电压公差范围内)。然后，可以通过控制器702使用任意数量的不同控制技术控制从电池电压中减去的跨网络上的补偿电压降，使得通过对***700中的各种N个FET/电阻器对的排序来控制输送到负载705的所得的电压，以每当在区域1操作范围内(例如，如图11所示)存在电池操作点(例如，由于任何原因而漂移)时，提供高分辨率的电压匹配。
根据本发明的实施例，有许多广为人知的控制技术，诸如误差放大器的实现、状态空间控制或滞后控制方法，其可以在控制器702中实现，以响应于由电压传感器741和电压传感器742提供的电压感测和由电流传感器707提供的电流感测，确定导通或断开特定FET/电阻器对的顺序和定时。
作为上述描述的结果，可以容易地理解，***600或***700、或结合***600和***700两者的FET网络的***可以被配置为当电池正在放电时将从电池提供给负载电路的输出电压维持在期望的电压范围内，包括将这样的输出电压维持在所需的操作电压范围内(例如，基本上在指定负载电压公差范围内)，以便能够将***600和/或***700实现为电压调节器(例如，用于用作BBU)。
再次参考图3，在示例性非限制性实施例中，PSU 301可以被配置为具有40.8V–55.2V的输出电压范围，其是具有+/–15％方差的用于配电总线304的标称48V输出。PSU 301可以耦合到Li离子电池堆308，其具有串联连接的14个单独的电池单元以定义14S配置。当每一个电池单元充电到3.95V时，电池308将具有55.3V的完全充电电压和39.2V的完全放电电压，并且因此除了剩余容量的最后4％–5％之外，对于所有充电和负载条件，位于这样的48V配电总线304的所需的规范内(例如，基本上在指定负载电压公差范围内)。该14S单元配置具有完全充电和正常放电电压，其允许直接连接到配电总线304，而不需要电池电压的任何降低(即，如图9所示，电池电压对其SOC范围的95％或更多被限制在区域2操作区)。因此，这是本发明实施例的适当应用环境，其中，如图3所示，此类放电开关元件的数量是一个(即，N＝1)。
在导致电池308放电到配电总线304中的事件(例如，PSU故障事件；参见图4)期间，电池308的电压将在施加的负载305下下降。电池308的电压降的量将取决于施加的负载305的大小和电池308中每一个电池单元的内部阻抗。可以针对电池308的电池单元的电压、电流和阻抗特性仔细选择电池单元，以能够支持电池单元所连接到的配电总线304的全功率要求，同时将电压降保持足够小以使配电总线304在放电事件期间(例如，基本上在指定负载电压公差范围内)保持在其电压限制(例如，上述标称48V输出、具有+/–15％的方差)内。
参考图11，在本发明的又一个非限制性示例性实施例中，4单元电池堆可以被配置为直接连接到12V电气总线。与前一个示例相比，电池V-I-SOC曲线表明，在进入区域2区之前，该4单元电池将在区域1操作区中操作其放电中的大部分。根据该非限制性示例性实施例，可以利用诸如图6和/或图7中所示的电路配置之类的电路配置，从而使得通过在电池和负载之间实现的开关网络来降低电池端子电压。
尽管本发明的实施例在本文中公开为利用电池作为电源(例如，出于电池备份目的)，但本发明的实施例可以被配置为利用任何适当类型的电源。相应地，***300、***600和/或***700适合与具有不受调节的输出电压(例如，此类电源的输出电压在配电总线电压公差范围之外变化)的任何类型的电源(而不是电池)一起使用。
如本领域技术人员将理解的，本发明的方面(例如，控制器302、控制器602和/或控制器702)可以体现为***、方法和/或程序产品。因此，本发明的方面(例如，控制器302、控制器602和/或控制器702)可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)的形式，或者结合软件和硬件方面的实施例的形式，这些方面在本文中通常都称为“电路”、“电路***”、“模块”或“***”。此外，本发明的方面可以采用体现在其上体现有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读存储介质中的程序产品的形式。(然而，可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。)
还应注意，电路框图的每一个框和/或图4和图5的框图中表示的功能，以及电路框图中的框的组合和/或图4和图5的框图中表示的功能可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的***、或者由专用硬件和计算机指令的组合来实现。例如，模块(例如，控制器302、控制器602和/或控制器702)可以实现为包括定制的VLSI电路或门阵列、现成半导体(诸如逻辑芯片、晶体管、控制器或其他分立部件)的硬件电路。模块(例如，控制器302、控制器602和/或控制器702)也可以在诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备中实现。
除非另外定义，否则在本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本公开主题所属领域的普通技术人员所通常理解相同的含义。术语“一”和“一个”当在本申请(包括权利要求书)中使用时表示“一个或多个”。
如本文所使用的，术语“约”用于通过提供给定值可以是“略高于”或“略低于”端点来为数值范围端点提供灵活性。
如本文中所使用的，术语“基本上”指的是动作、特性、性质、状态、结构、物品或结果的完全或近乎完全的范围或程度。例如，“基本上”封闭的对象将意味着该对象是完全封闭的或近乎完全封闭的。在一些情况下，绝对完整性的确切允许偏差程度可以取决于特定的上下文。然而，一般而言，完整性的接近度将是使得具有犹如获取绝对与全部完整性那样相同的总体结果。当在负面含义中使用以指代动作、特性、性质、状态、结构、物品或结果的完全或近乎完全缺乏时，使用“基本上”是同样适用的。
如本文所使用的，术语“和/或”和当在实体列表的上下文中使用时在两个词之间的“/”字符的使用是指单独或组合存在的实体。因此，例如，短语“A、B、C和/或D”包括单独地A、B、C和D，但也包括A、B、C和D的任何和所有组合和子组合。

Claims (20)

1.一种用于经由配电总线向负载供电的电源单元的备份***，所述***包括：
电源；
在所述电源的输出端子和所述配电总线之间串联连接的第一晶体管和第二晶体管；
与所述第二晶体管并联耦合的第一二极管；以及
电路，被配置成选择性地导通和断开所述第一晶体管和所述第二晶体管，以使得所述电源能够经由所述配电总线为所述负载供电，其中所述电路被配置为响应于所述电源单元已经历故障的信号而保持所述第二晶体管断开的同时导通所述第一晶体管。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一二极管作为寄生体二极管耦合到所述第二晶体管，其中所述第一晶体管的所述导通导致经由所述第一晶体管和所述第二晶体管的所述寄生体二极管的从所述电源供应到所述配电总线的第一电压的耦合。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述电路被配置为在从所述电源单元供应的第二电压下降到低于从所述电源供应的所述第一电压减去所述第一二极管的正向电压时，导通所述第二晶体管。
4.如权利要求3所述的***，其特征在于，所述电路被配置为响应于在所述电源单元经历所述故障之后已经恢复从所述电源单元到所述配电总线的足够电压的信号而断开所述第一晶体管和所述第二晶体管。
5.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述电路被配置为响应于检测到从所述电源流出的非零电流而导通所述第二晶体管。
6.如权利要求5所述的***，进一步包括耦合到所述电源的电流传感器，其中所述电流传感器被配置成向所述电路发送已经检测到流出所述电源的非零电流的数据信号。
7.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述电源是包括一个或多个串联单元的电池。
8.如权利要求7所述的***，进一步包括耦合在所述电池和电池充电器之间的第三晶体管，其中所述电路被配置为导通所述第三晶体管以用所述电池充电器给所述电池充电。
9.如权利要求7所述的***，其特征在于，所述电路被配置为响应于检测到流入所述电池中的充电电流而断开所述第一晶体管和所述第二晶体管。
10.如权利要求1所述的***，其特征在于，由所述电源单元经历的所述故障是所述电源单元未接收到AC线路输入电压的结果。
11.如权利要求1所述的***，进一步包括：
与所述第一晶体管和所述第二晶体管串联耦合的第三晶体管；以及
与所述第三晶体管并联耦合的第二二极管，其中所述第一二极管作为第一寄生体二极管耦合到所述第二晶体管，其中所述第二二极管作为第二寄生体二极管耦合到所述第三晶体管，其中所述第一晶体管的所述导通导致经由所述第一晶体管、所述第二晶体管的所述第一寄生体二极管以及所述第三晶体管的所述第二寄生体二极管的从所述电源供应到所述配电总线的第一电压的耦合，其中所述电路被配置成选择性地且独立地导通/断开所述第二晶体管和所述第三晶体管，以便作为跨所述第一寄生体二极管和所述第二寄生体二极管上的正向电压降的函数而调节供应给所述负载的第二电压。
12.一种用于经由配电总线向负载供电的电源单元的备份***，所述***包括：
电源；
耦合在所述电源的输出端子和所述配电总线之间的N个(其中N>1)晶体管的网络，其中所述N个晶体管中的每一个与二极管并联耦合；以及
控制器，被配置为选择性地且独立地激活/去激活所述N个晶体管，以使得所述电源能够用作为激活/去激活的N个晶体管中的数量的函数进行调节的输出电压电平经由所述配电总线为所述负载供电。
13.如权利要求12所述的***，其特征在于，耦合到所述N个晶体管的所述二极管是寄生体二极管，其中所述输出电压电平作为跨与所述激活/去激活的晶体管有关的所述寄生体二极管中的一个或多个上的正向电压降的量的函数进行调节。
14.如权利要求13所述的***，其特征在于，所述电源是包括一个或多个串联单元的电池。
15.如权利要求12所述的***，其特征在于，所述N个晶体管的网络包括N个串联晶体管，其中所述输出电压电平作为跨与由所述控制器激活/去激活的N个晶体管中的数量有关的所述二极管中的一个或多个上的正向电压降的量的函数进行调节。
16.如权利要求12所述的***，其特征在于，所述N个晶体管的网络包括N个并联晶体管/电阻器对，其中所述控制器被配置为通过作为通过所述网络的瞬时电流和到所述网络的输入电压的函数激活/去激活所述N个并联晶体管/电阻器对中的特定数量来调整跨所述网络上的电压降。
17.如权利要求12所述的***，进一步包括与所述N个晶体管中的每一个串联耦合的电阻器，其中所述N个晶体管的网络包括N个并联晶体管，其中所述输出电压电平作为跨与由所述控制器激活/去激活的N个晶体管中的数量有关的所述电阻器中的一个或多个上的电压降的量的函数进行调节。
18.如权利要求17所述的***，其特征在于，所述输出电压电平还作为跨与由所述控制器激活/去激活的N个晶体管中的数量有关的所述二极管中的一个或多个上的正向电压降的量的函数进行调节。
19.如权利要求14所述的***，其特征在于，所述输出电压电平被调节在最大电平低于所述电池的初始放电电压的电压范围内。
20.如权利要求14所述的***，其特征在于，所述输出电压电平被调节在指定负载电压公差范围内。
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