CN1239783A

CN1239783A - 计算机不间断供电开关电源

Info

Publication number: CN1239783A
Application number: CN 98114097
Authority: CN
Inventors: 孙康; 孙宝库
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 1999-12-29

Abstract

本发明提供一种计算机不间断供电开关电源，它除包括计算机主机开关电源外，还包括电池供电开关、状态检测和切换单元，电压检测单元，声光显示报警单元以及电能供给和存储单元；它结构科学，制造成本低，使用过程中能量损耗小，电池能量利用率高，***可靠性好，适于被广泛地应用于各类计算机设备。

Description

计算机不间断供电开关电源

本发明涉及一种不间断供电开关电源技术，特别是一种计算机不间断供电开关电源。

众所周知，在当今的世界上，计算机已经得到了极广泛的应用。如果由于某种原因使供电中断，致使一部分计算机停止运行，都有可能对民众的生活甚至社会经济的正常运转造成恶劣的影响。为保证计算机在停电情况下的正常工作，各种不间断电源***即UPS(Uninterruptible Power System)应运而生。这些UPS基本上分为：在线式、在线互动式、后备式等；输出电压有正弦波形和方波形；有置于计算机之外的独立式或装入计算机内的内置式等。尽管这些UPS种类繁多，工作原理又不尽相同，但它们又都具备共同的基本功能：有交流电时，将高压交流电能转换成低压直流电能存储到电池中，停电时又将存储在电池中的直流电能逆变成交流电能，并通过升压变压器将输出电压升至220VAC或110VAC，再提供给计算机，以保证计算机在停电时能够连续工作。

由于这种共同的基本功能，使现有UPS不可避免地存在以下不足之处：

1.***可靠性下降。由于UPS是串联在计算机与电源之间，包括UPS在内的***失效率λ_s为：λ_s＝λ_comp＋λ_ups，式中λ_comp是计算机的失效率，λ_ups是UPS的失效率，由于λ_ups不可能为零，故λ_s必大于λ_comp，这表明引入UPS使***失效率增加，即***可靠性下降。大量的实践表明，使用UPS，特别是中低档UPS的计算机客户，常遇到因UPS故障而使计算机中数据丢失的情况，有时计算机本身并未发生故障，而为其供电的UPS却发生了一次甚至多次故障的情况，为计算机客户造成不应有的损失，究其原因，就在于此；

2.***集成的成本增加。目前市场上性能好，可靠性高的UPS，售价一般为数千元至上万元，已与计算机本身的售价相差无几；

3.电池存储能量利用率低。当交流供电中断时，UPS中电池存储的能量除供给计算机之外，还在能量转换的过程中，被UPS自身消耗，主要有以下几个方面：直流逆变交流损耗，变压器升压损耗，UPS中辅助电路的工作消耗以及一些UPS为降温而使用的风机消耗等。

本发明的目的是提供一种可以有效克服上述缺陷的新型计算机不间断供电开关电源。

本发明的目的是这样实现的：它包括计算机主机开关电源，其特征是：它还包括电池供电开关、状态检测和切换单元，电压检测单元，声光显示报警单元以及电能供给和存储单元；电池供电开关、状态检测和切换单元由电池供电开关，供电状态检测电路和电池供电切换电路三部分组成；电能供给和存储单元由充电监测保护电路、电池充电电源、辅助直流电源及机内或机外电池组及连接器组成；电池供电开关、状态检测和切换单元的电池供电工作输入端通过电能供给和存储单元的连接器与机内或机外电池组相接，交流供电工作输入端与计算机主机开关电源的整流器(R)相接，电池供电开关、状态检测和切换单元的输出端一个与滤波器(F)相接，另一个与电源插座相接，其信号输入端与电压检测单元相接，其信号输出端与声光显示报警单元相接；电压检测单元的输入端与计算机主机开关电源的滤波器(F)的输出端相接，其输出端还与电源开关、声光显示报警单元、电能供给和存储单元的充电监测保护电路相接；电能供给和存储单元的电池充电电源和辅助直流电源均与计算机主机开关电源的高频变压器相连，其充电监测保护电路的供电输入端与电池充电电源相接，其供电输出端通过连接器与机内或机外电池组相接，电能供给和存储单元的辅助直流电源为电压检测单元、声光显示报警单元、充电监测保护电路及电源开关和电池供电开关提供直流电源。

本发明的计算机不间断供电开关电源配接电池组时，具备不间断供电功能；不接电池组时，不具备不间断供电功能，但仍可以在交流供电状态下与现有计算机主机开关电源同样使用。由于本发明不计电池组的生产成本仅比现有计算机主机开关电源的生产成本增加人民币几十元，远低于一台计算机的价格。因此，计算机客户可以在购买计算机***时选择本发明的电源***，并且既可以在当时购买电池组，也可以在以后需要实现不间断供电功能时再购买电池组。购买电池组时，既可以选容量较大的机外电池组，也可以选容量较小的机内电池组。

采用本发明的计算机不间断供电开关电源与现有UPS技术配置的计算机不间断电源***相比，本发明的***中取消了独立的高压交流电到低压直流电的充电电路，取消了电池直流电到交流电的大功率逆变电路，取消了变压器升压电路，减少了元器件的使用量，减少了不必要的电池能量损耗，从而使计算机的不间断电源***获得了明显的进步：***可靠性增加，***集成的成本降低，电池能量利用率提高，计算机客户购买电源***时的选择余地扩大，或组态更灵活。

下面结合附图详述本实施例。

图1为本发明组成原理图。

图2为本发明电池供电开关、状态检测和切换单元，电能供给和存储单元及电源开关的电路图。

图3为本发明与图2和图4所示电路相配套的电压检测单元、声光显示报警单元及电能供给和存储单元的充电监测部分的电路图。

图4、图5、图6分别为本发明另外三种实施例的电池供电开关、状态检测和切换单元，电能供给和存储单元及电源开关的电路图。

图7和图8为本发明与图5和图6电路相配套的电压检测单元，声光显示报警单元及电能供给和存储单元的充电监测部分的电路图。

图1中，点画线框内为现有计算机主机开关电源组成原理图，实线框内为本发明组成原理图，其中虚线框内为电能供给和存储单元。本发明的计算机不间断供电开关电源是实线框与点画线框两部分的组合。

根据上述组成原理和连接方式，不论由交流电源供电还是由电池组供电，这两种不同供电状态下所提供的电压均汇合在滤波器(F)处。

图中电池供电开关、状态检测和切换单元中的供电状态检测电路既可以采用接触式电路，也可以采用非接触式电路，例如采用各种类型的电流互感器或电压互感器检测供电状态。由于目前技术水平下非接触式的电路成本较高，故本实施例中供电状态检测电路采用了接触式电路。另一方面，只要能够实现对供电状态检测的目的，状态检测电路既可以设置在交流电源供电的通道上，也可以设置在电池组供电的通道上；又由于供电通道必然存在两条线路，即电流的流入端和电流的流出端，因此状态检测电路既可以设置在流入本电源的线路上，又可以设置在流出本电源的线路上，本实施例将详细介绍状态检测电路设置在交流电源供电通道的电流流入端上，如图2所示。如将状态检测电路设置在交流电源供电通道的电流流出端上，则如图4所示。当采用图2或者图4所示的的电路时，声光显示报警单元需采用图3所示的电路。如将状态检测电路设置在电池组供电通道的电流流入端上，或电流流出端上，则分别如图5和图6所示，此时声光显示报警单元需采用图7和图8所示的电路。由于图2、图4、图5和图6所示的电路采用的元器件完全相同，与图2、图4相对应的图3及与图5和图6相对应的图7和图8所示的电路采用的元器件也完全相同，只是安装的位置稍有变化，故在本发明中，将以图2和图3所示的实施例进行详细分析，其它几种实施例的工作原理可以参照对图2和图3的分析。

图中，TIL₁至TIL₈为光电管，其型号为TLP521-1，U₁和U₂是两只四电压比较器LM339，T₄为精密电压调节器TL431，D₁至D₄为高压整流二极管IN5407，D₅为高压整流二极管RU2，D₆为肖特基二极管IN5819，D₇至D₁₆为开关二极管IN4148，T₁和T₁₁为中功率开关三极管2SC2655，T₂，T₃和T₅至T₁₀为开关三极管2SC9013。

如图2所示，整流器(R)由整流桥BR₁组成；滤波器(F)由电容C₁和C₂串联组成；供电状态检测电路由D₁、D₂、R₀、R₁₀和TIL₁组成，其中D₁、D₂串联在BR₁的“+”端与“A+”之间，D₁的正端接BR₁的“+”端，D₂负端与“A+”相接，R₁₀与TIL₁串联之后与R₀并联共同跨接在D₁和D₂两端；电池供电开关及切换电路中，由D₃担任切换电路的任务，D₃的负端与“A+”相接，D₃的正端与电池供电开关K_1-2，J_-2和K_2-2相接之后，再接连接器CJ_4-1和CJ_5-1；电容C₁的正端是滤波器(F)的高电平端V_H，电容C₂的负端是滤波器(F)的低电平端V_L；BR₁的“-”接“A-”端，同时接连接器CJ_4-2和CJ_5-2；机内电池组和机外电池组分别通过连接器CJ₄和CJ₅与电路相接。

当交流供电存在时，BR₁输出脉动直流电压，D₁和D₂周期性导通，为C₁和C₂充电，得到约300V直流高压电V_H，该电压经功率驱动脉宽调制电路和高频变压器，耦合到次级并经相应的整流滤波电路，产生开关电源的各组直流输出。由于电池组的电压V_B小于交流供电正常时的V_H，故D₃处于截止状态，关断了电池组到滤波器(F)的供电通道。如果交流供电非正常中断，则BR₁截止，自动关断交流供电通道，D₁和D₂电截止。随着C₁和C₂的放电，V_H减小，当V_H等于V_B时，D₃已处于临界导通状态，当V_H低于V_B约0.7V时，D₃导通，V_H将一直保持低于V_B约0.7V的电压值，至此，整个开关电源的供电状态从交流供电平稳地过渡到电池组供电，实现了自动的，无扰动的切换。同理，当交流供电恢复时，BR₁再次导通，D₁和D₂也导通，为C₁和C₂充电，当V_H高于V_B时，D₂自动截止，又关断了电池供电通道，实现了从电池组供电到交流供电的自动切换。

电池供电切换电路也可以选择其它元件实现切换功能，如采用晶体管、MOS管、场效应管，可控硅等。由于这些元件均为受控元件，故使用时还需要配置相应的控制电路，会使产品电路复杂，成本增加。因此，只用一只二极管(D₃)作为电池供电切换电路既简单方便，又最具价格优势。

本实施例中，D₃可以与K_1-2、K_2-2和J_-2这三者一同互换位置，这表明：电池组提供的直流电压，既可以先经过开关，再经过切换电路到达滤波器(F)处，也可以先经过切换电路，再经过开关到达滤波器(F)处。开关和切换电路，这两者谁在先，谁在后并不重要，关键是把电池组的直流电压馈送到滤波器(F)才是目的。

当交流供电存在时，D₁和D₂周期性导通，TIL₁的④与③脚之间也周期性导通；当交流供电非正常中断时，D₁和D₂截止，TIL₁的④与③脚之间关断，由此获取了交流供电存在与否的信息。

CJ₂和CJ₃为新型的五芯电源插座。这两个插座分别为显示器和打印机的开关电源供电。该种电源插座除提供正常交流电的火线、零线和地线之外，还提供电池组的正端电压V_B和负端电压V_L。当交流供电非正常中断时，电池组的直流电压经过电池供电开关和五芯电源插座向显示器和打印机供电，从而保证两者继续正常工作。

图中，由高频变压器次级新增加的绕组L₁及与其相连接的整流滤波电路组成电池充电电源V_BC；由新增加的绕组L₂及与其相连接的整流滤波电路组成辅助直流电源V_A。V_BC的数值应比电池组的最高浮充电压略大几伏。例如12V的蓄电池最高浮充电压为13.6V，如果电池组采用18节12V电池串联，则其最高浮充电压为：13.6V×18≈245V，则V_BC可选250V。V_A的数值应能保证由它供电的电路正常工作，又不造成过大的功耗，一般取5V至12V，本实施例中V_A取为9V。如设定对电池组的最大充电电流为0.1A，则充电电源V_BC的最大输出功率为25W。如经测定，实现本发明新增电路的最大工作电流为0.5A，则辅助直流电源V_A的最大输出功率为4.5W。两个新增电源输出功率之和约为30W。如果原计算机开关电源输出总功率为230W，则增加两路直流电源后，输出总功率扩大到260W。因此，高频变压器和功率驱动放大电路的功率容量均应按不小于260W的输出容量重新调整。

图中，以T₁为核心及其周围元器件组成了对电池组的充电监测保护电路。当TIL₂和TIL₆的④与③脚之间都导通时，由V_BC经R₃向T₁提供基极电流，T₁导通，V_BC经R₅、T₁、R₄和D₄向电池组充电。如果R₄取值为6.2欧姆，则充电电流为0.1A时，R₄两端电压为0.62V，该电压使T₂临界导通，如果充电电流再增加，则T₂导通，由于T₂导通后的分流作用，T₁的基极电流将减少，从而将T₁的充电电流限制在0.1A左右。如果采用机外电池组，并且容量较大，需要增大充电电流，则可闭合K₄，由于R₆的并入，可以使最大充电电流增加。例如R₆也取6.2欧姆，则最大充电电流扩充到0.2A，但此时充电电源V_BC的输出功率，以及本电源的总输出功率必须相应提高。TIL₂和TIL₆的④脚与③脚之间如有一个关断，都将使T₁截止，从而中止对电池组的充电。当电源关机时，D₄截止，可以防止电池组存储的能量向外泄漏。

图3中，由U₁和U_2-1共五个电压比较器及其周围元器件分别组成五个具有滞后特性的比较电路，由U_2-2和U_2-3两个电压比较器及其周围元器件分别组成两个振荡器。上述各个电路在本发明中起的作用为：以U₁为核心及其周围元器件组成电压检测单元，以U_2-1及其周围元器件组成充电监测保护电路中部分监测电路，以T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀、T₁₁和U_2-2、U_2-3及其围元器件组成声光显示报警单元。

图中各电路的工作过程如下：交流供电存在时，TIL₁的④与③脚之间周期性导通。导通时V_A通过R₄₄为C₈充电，同时T₅导通，指示交流供电的绿色发光二极管LEDG点亮。在TIL₁的④与③脚之间周期性关断期间，依靠C₈放电，保证T₅一直导通，LEDG一直点亮。当交流供电非正常中断后，TIL₁的④与③脚之间关断，C₈放电终了后，T₅截止，LEDG熄灭。由于T₅截止，V_A通过R₄₆和R₄₇为T₆提供基极电流，T₆导通，指示电池供电的黄色发光二极管LEDY点亮，同时TIL₇的④与③脚之间导通。当TIL₇的④与③脚导通后，由U_2-2及其周围元器件组成的振荡器起振，振荡周期为10秒，在此周期内，TIL₈的④与③脚之间导通1秒，关断9秒。当TIL₈的④与③脚之间导通后，由U_2-3及其周围元器件组成的振荡器起振，振荡频率约为200Hz，如果K₅处于闭合状态，则经T₉，T₁₀，T₁₁放大之后，扬声器发出长间隔低频报警声，与此同时，告警指示的红色发光二极管LEDR长间隔闪亮。

下面仍以18节12V电池串联组成电池组为例说明图中其它电路的工作过程。设定每节12V电池的欠压状态为11.4V，临近放电终了状态为11V，放电终了状态为10.8V，则整个电池组相对应的状态为：欠压205V，临近放电终了198V，放电终了195V。此外，如前所述，最高浮充电压为245V，充电电压V_BC为250V。

当V_H高于250V时，U_1-1输出为低，TIL₂的④与③脚导通，允许以T₁为核心的充电电路为电池组充电。

当V_H低于250V时，U_1-1输出为高，TIL₂的④与③脚关断，不允许对电池组充电，以防V_BC通过D₃向C₁和C₂充电，产生不必要的能量循环。

当V_B低于245V时，U_2-1输出为高，TIL₆的④与③脚导通，允许为电池组充电；

当V_B高于245V时，U_2-1输出为低，TIL₆的④与③脚关断，不允许对电池组充电，以防电池组因充电电压过高而损坏。

当V_H高于205V时，U_1-2输出为低，TIL₃和TIL₄的④与③脚均关断，对以U_2-2和U_2-3为核心的两个振荡器的工作无影响。

当V_H低于205V时，电池组已处于欠压状态，U_1-2输出为高，TIL₃和TIL₄的④与③脚均导通。由于TIL₃的④与③脚导通，R₅₄与R₅₃成并联状态，加快了对C₉的充电速度，使U_2-2为核心的振荡器振荡周期从原来的10秒减少到3秒，在此短周期内，TIL₈的④与③脚之间导通1秒，关断2秒。由于TIL₄的④与③脚导通，R₆₄与R₆₃成并联状态，加快了对C₁₀的充电速度，使U_2-3为核心的振荡器振荡频率提高，从原来的200H_z提高到800Hz。此时扬声器改发短间隔高频报警，LEDR也改为短间隔闪亮。

当V_H高于198V时，U_1-3输出为低，TIL₅的④与③脚关断，对U_2-3为核心的振荡器工作无影响。

当V_H低于198V时，电池组已处于临近放电终了状态，U_1-3输出为高，TIL₅的④与③脚导通。由于TIL₅的④与③脚导通，由U_2-3为核心的振荡器将一直振荡，扬声器改发无间隔持续高频报警，LEDR一直点亮。

当V_H高于195V时，U_1-4输出为低，T₃导通，继电器J闭合，电源***正常工作；

当V_H低于195V时，电池组已处于放电终了状态，U_1-4输出为高，T₃截止，继电器J关断，整个计算机的电源***自动关机，以保障电池组不会因过度放电而损坏。

本电源的开关机过程如下：开机时，按下开机开关K₁，K_1-1和K_1-2均闭合，交流供电或电池组供电向滤波器(F)的C₁和C₂充电，V_H建立，本电源各组直流输出均建立。只要V_H略高于自动关机电压值，J就闭合，由于J的自保作用，此时松开K₁，本电源仍处于正常运行状态。关机时，按下关机开关K₂，K_2-1和K_2-2均关断，由于切断了对滤波器(F)的供电，V_H减小，当V_H低于自动关机电压值，即放电终了电压值时，J关断，由于J的自保作用消失，此时松开K₂，本电源已经处于关机状态。也可以不采用上述复杂的开关机方式，而只用一只普通的双刀开关，如图2中虚线连接的K₃所示。采用此种开关的优点是连接简单，但也有不利的隐患，当电池组供电工作时，如到了放电终了状态时仍不能人为关机，则电池组会因过度放电而损坏。

Claims

1.一种计算机不间断供电开关电源，它包括计算机主机开关电源，其特征是：它还包括电池供电开关、状态检测和切换单元，电压检测单元，声光显示报警单元以及电能供给和存储单元；电池供电开关、状态检测和切换单元由电池供电开关，供电状态检测电路和电池供电切换电路三部分组成；电能供给和存储单元由充电监测保护电路、电池充电电源、辅助直流电源及机内或机外电池组及连接器组成；电池供电开关、状态检测和切换单元的电池供电工作输入端通过电能供给和存储单元的连接器与机内或机外电池组相接，交流供电工作输入端与计算机主机开关电源的整流器(R)相接，电池供电开关、状态检测和切换单元的输出端一个与滤波器(F)相接，另一个与电源插座相接，其信号输入端与电压检测单元相接，其信号输出端与声光显示报警单元相接；电压检测单元的输入端与计算机主机开关电源的滤波器(F)的输出端相接，其输出端还与电源开关、声光显示报警单元、电能供给和存储单元的充电监测保护电路相接；电能供给和存储单元的电池充电电源和辅助直流电源均与计算机主机开关电源的高频变压器相连，其充电监测保护电路的供电输入端与电池充电电源相接，其供电输出端通过连接器与机内或机外电池组相接，电能供给和存储单元的辅助直流电源为电压检测单元、声光显示报警单元、充电监测保护电路及电源开关和电池供电开关提供直流电源。