新型不间断电源的制作方法

本发明涉及新型不间断电源。

背景技术：

UPS(不间断电源)是为了防止电网断电、实现不间断供电而设置的，是将蓄电池与主机逆变器等相连，实现直流电转换为交流电的系统设备。用于为医疗设备、计算机网络系统、通信基站系统、电力电子设备提供稳定、不间断的电力供应。UPS具有的三大功能为：稳压、滤波、不间断，在电网有电力供应时具有稳压和滤波的作用，以消除或减弱外部电网对用电设备的干扰，保证设备的正常稳定运转。在电网断电时，它可以通过内部的反应机制电路实现零延时的电源供应切换，通过内部蓄电池提供的直流电转化为完美的交流电供用电设备使用，确保用电设备在感觉不到任何变化的同时持续运转，真正实现了用电设备的不间断运行。

随着用电器设备的智能化，其内部多采用低压直流电作为电源供应，使用时需要使用电源适配器将电网电压转换为内部可以使用的直流电电压。因此，为采用直流电的用电设备配备现有的UPS电源具有以下几个方面的技术缺陷：

1、能源输入单一，只能通过交流电补充内部蓄电池的电力。

2、内部必须具有DC/AC逆变功能，将直流电转换为所需要的特定电压的交流电。

3、内部组件多，降低了电源的整体使用效率。

技术实现要素：

本发明的目的之一是为了克服现有技术中的不足，提供一种能源输入输出多样的新型不间断电源。

为实现以上目的，通过以下技术方案实现：

新型不间断电源，其特征在于，包括：

蓄电池，用于储存电能并对外输出电能；

电池管理电路，所述电池管理电路用于控制蓄电池的充电和放电；

其特征在于，还包括直流电输入及输出电路；所述直流电输入及输出电路通过所述电池管理电路与所述蓄电池相连，用于将所述蓄电池的直流电压向外输出，且所述直流电输入及输出电路还用于将外部直流电压输送至蓄电池，为所述蓄电池充电。

根据本发明的优选实施例，所述直流电输入及输出电路包括DC/DC双向斩波电路和直流电输入及输出接口电路；所述DC/DC双向斩波电路用于将来自所述蓄电池的直流电压处理后输送至所述直流电输入及输出接口电路，并由所述直流电输入及输出接口电路输出；且所述DC/DC双向斩波电路还用于将来自所述直流电输入及输出接口电路的直流电处理后，输送至所述蓄电池为所述蓄电池充电。

根据本发明的优选实施例，所述直流电输入及输出接口电路为USB Type-C接口电路。

根据本发明的优选实施例，还包括直流电输入及输出接口；所述直流电输入及输出接口用于与对配连接器连接，用于在所述直流电输入及输出接口电路与对配连接器之间传输直流电。

根据本发明的优选实施例，所述直流电输入及输出接口为USB Type-C接口。

根据本发明的优选实施例，USB Type-C接口电路具有控制芯片，所述控制芯片控制所述直流电输入及输出接口电路的开和关、实时监测输入电路的电压与电流状态并控制输入电路中电流的大小。

根据本发明的优选实施例，还包括主控模块，所述主控模块用于控制所述电池管理电路及所述直流电输入及输出电路工作。

根据本发明的优选实施例，所述直流电输入及输出电路包括直流电输入电路和直流电输出电路；所述直流电输入电路和直流电输出电路上均设置有场效应管；所述控制芯片通过控制所述场效应管控制所述直流电输入电路和直流电输出电路的开和关。

本发明提供的新型不间断电源，所述的新型不间断电源具有交流、直流输入双项电力补充机制，既可以利用交流电市电为电池组充电，也可以利用直流电为电池组充电。同时本发 明还具有交流、直流输出双项电力供应功能。在使用带USB Type-C接口的用电设备时省却了由逆变器先将蓄电池电压转变为交流电后再经用电设备的电源适配器转为相应使用电压的步骤，提高了电能利用率、系统的运行效率并增加了内部电力的补充机制。在某些应用场合，本发明中的新型不间断电源可以省去内部逆变器部分的电子电路，实现了逆变转换电路的可裁剪，简化了新型不间断电源的内部结构，降低了新型不间断电源的成本，使得该新型不间断电源更具有竞争力。增加直流电充电功能，使得本发明中的电池组充电电源更加丰富，不受限于市电一种来源，使用更安全、可靠。

附图说明

图1为本发明实施例1中的新型不间断电源的功能框图。

图2为本发明实施例1中的直流电输入输出电路原理图。

图3为本发明实施例1中的主设备与从设备配合关系示意图。

图4为发明实施例2中的新型不间断电源的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的描述：

实施例1

如图1所示，新型不间断电源200，用于将市电供电设备100提供的交流电输向用电设备300。用电设备300为直流电驱动的设备。用电设备300内设或外设有电源适配器301。电源适配器301将交流电转换为直流电使用。根据本发明的新型不间断电源200，其设置市电输入接口201，与市电输入接口201相连的静态开关202，以及与静态开关202相连的交流电输出接口203。电源适配器301与交流电输出接口203电连接。市电供电设备100通过市电输入接口201、静态开关202及交流电输出接口203为电源适配器301提供交流电。

本实施例所述的新型不间断电源200，还设置有蓄电池和电池管理电路210。在如图1所示的优选示例中，蓄电池数目为多个，组成电池组220工作。电池管理电路210用于管理电池组220中的各个蓄电池的工作。根据本发明的新型不间断电源200，其还包括主控模块 260及人机界面205，主控模块260与电池管理电路210通信连接，并通过通信电路204与人机界面205通信。操作人员可利用人机界面205对主控模块260输入控制指令，并由主控模块260通过电池管理电路210控制电池组220的工作。主控模块260可将从电池管理电路210收集到的电池组220的状态信息通过人机界面205显示给操作人员。根据本发明中的新型不间断电源，其还包括检测电路以及检测装置(图中未示出)用于检测电池组220或者其中的某一个或某几个蓄电池的工作状态或者工作环境，并将检测结果通过电池管理电路210输送至主控模块260，由主控模块260通过人机界面205显示，或者由主控模块260根据设定的规则控制电池组220或者其中的某一个或某几个蓄电池的工作，比如使某个蓄电池停止工作或者改变工作状态。

根据本发明的新型不间断电源200，市电输入接口201通过AC/DC整流滤波电路211、电池管理电路210与电池组220电连接。AC/DC整流滤波电路211用于将交流电市电转换为直流电、并经过整流、滤波后输送至电池组220充电。根据本发明的新型不间断电源，电池组220通过DC/AC逆变电路213和隔离滤波电路214与STS静态开关202电连接。DC/AC逆变电路213和隔离滤波电路模块204用于将电池组220中的直流电压转换为交流电压，并隔离滤波处理后经STS静态开关202提供给电源适配器301。主控模块260控制电池组220在何时输出交流电。比如，在市电停电时，市电无法为电源适配器301供电，主控模块260可以根据市电输电电路的状态判断市电是否正常供电，并在检测到市电供电电路无法为电源适配器301供电时，控制电池组220为电源适配器301供电。

本实施例中的新型不间断电源200还包括直流电输入及输出电路230。直流电输入及输出电路230与电池管理电路210相连，既可以用于将电池组220的直流电向外输出至用电设备300，又可以用于将外部直流电输送至电池组220，为所述电池组220充电。直流电输入及输出电路230包括直流电输入及输出接口电路与直流电输入及输出接口。直流电输入及输出接口电路与直流电输入及输出接口相连。用电设备300可通过直流电输入及输出接口与直流电输入及输出接口电路相连。根据本发明的优选实施例，直流电输入及输出电路还包括DC/DC双向斩波电路231。DC/DC双向斩波电路231既用于将来自所述电池组220的直流电压转换后输送至直流电输入及输出接口电路，并由直流电输入及输出接口电路输出。DC/DC双向斩波电路231还用于将来自直流电输入及输出接口电路的直流电压转换后输送至电池组220为所述电池组220充电。双向DC/DC斩波电路的功能是实现电压的双向转换，在本发明中的功能是既可以将蓄电池电压降压至特定压值，如降至20伏的电压后经直流电输入及输出接口电路输出，也可以将经直流电输入及输出接口电路输入的电压升压至略高于蓄电池电压，为蓄电 池充电。

如图1、图2及图3所示，根据本发明的优选实施例，所述直流电输入及输出接口电路包括DC/DC双向斩波转换电路231和USB Type-C接口电路232。所述直流电输入及输出接口为USB Type-C接口233。带有USB Type-C接口的设备分为三种，一种是仅可以做主设备；第二种是仅可以做从设备；第三种是既可以做主设备也可以做从设备。通过USB Type-C接口输出电能的设备为主设备，通过USB Type-C接口输入电能的设备为从设备。既可以做主设备也可以做从设备的设备既具有功率输出功能也具有功率输入功能。电源适配器是仅可以做主设备的设备，其只能输出功率不能输入功率。仅可以做从设备的设备仅具有功率输入功能。仅可以做主设备的设备与仅可以做从设备的设备连接后可以实现功率传输功能。仅可以做主设备的设备与仅可以做主设备的设备连接后无法实现数据传输与功率传输功能；仅可以做从设备的设备与仅可以做从设备的设备连接后也无法实现数据传输与功率传输功能。本实施例的新型不间断电源200既可以做主设备也可以做从设备。本实施例中的新型不间断电源200通过USB Type-C接口输出电能时做为主设备。本实施例中的新型不间断电源200通过USB Type-C接口输入电能即充电时为从设备。

与本发明中的新型不间断电源相连的外部设备也设置有USB Type-C接口电路，两者通过USB Type-C线缆连接。外部设备与本发明所述新型不间断电源200通过USB Type-C线缆连接时，外部设备的USB Type-C接口电路和新型不间断电源200会通过内部检测电阻确定自己的主从角色。主设备与从设备内的USB Type-C接口控制芯片会通过CC(CC1和CC2)信号线进行数据沟通确定从设备的相关设备信息，主设备按照从设备的信息提供相应的电能。当本实施例中的新型不间断电源与可以做从设备如平板电脑、手机等消费电子产品，或仅可以做主设备的设备如电源适配器连接后，双方分别会通过内部的检测电阻与信号控制线CC识别后确定自己的角色。信号线CC1和信号线CC2其中一个如果检测到检测电阻，则转变为VCONN，另一个做配置信号线使用。本实施例所述的新型不间断电源200在与仅可以做主设备的电源适配器连接时，会通过内部的检测电阻识别并主动扮演从设备。本发明所述的新型不间断电源200与仅可以做从设备的设备连接时会通过内部的检测电阻识别并主动扮演主设备。

当使用USB Type-C线缆将本发明所述新型不间断电源200与外部直流电源相连接，且外部直流电源提供直流电时，USB Type-C接口控制芯片会通过内部的检测电阻判断将外部直流电源作为主设备，并将新型不间断电源200作为从设备。然后通过CC信号线进行数据沟通确定新型不间断电源的相关设备信息，外部直流电源按照新型不间断电源的信息提供相应的 电能，为电池组220充电。本发明所述新型不间断电源200内部的USB Type-C接口控制芯片U1通过控制DC/DC双向斩波转换电路231，使得电池组220工作在电能输入模式，即充电模式。同时设备内部的USB Type-C接口电路232的控制芯片U1的VBUS_VMON管脚会实时监测VBUS信号线上的电压，当电压过高时采取相应的异常处理，防止设备因电压过高而损坏。

如图2所示的优选示例中，USB Type-C接口电路包括直流电输入电路和直流电输出电路。直流电输入电路和直流电输出电路介于DC/DC双向斩波电路231与USB Type-C接口233之间。直流电输入电路(Input)和直流电输出电路(Output)均设置有场效应管(PFET或NFET)。USB Type-C接口控制芯片U1通过控制场效应管控制直流电输入电路(Input)的开和关，以及直流电输出电路(Output)的开和关，进一步控制为蓄电池充电和放电工作。DC/DC双向斩波电路至少采用4个带续流二极管的开关管及电阻、电容、电感等元件，控制芯片U1会根据与相连的USB Type-C设备数据通信情况及监测到的电压等数据，通过输出PWM占空比给相对应的带续流二极管的开关管，通过开关管的协调动作来控制电流的走向及电压的升降。

本实施例中的USB Type-C接口电路数量和USB Type-C接口数量既可以是一个，也可以是多个。如果是USB Type-C接口电路数量和USB Type-C接口数量是一个，则外部直流电源302或直流负载303其中之一与USB Type-C接口电连接，根据与USB Type-C接口连接的是外部直流电源302还是直流负载303，决定是新型不间断电源200充电还是供电。

在如图1所示的优选示例中，本发明中的新型不间断电源200具有市电输出、直流电输出和交流输入等多种功能。根据使用需要，还可以设置交流输入和交流输出功能。以下分别予以说明。

市电输出功能：市电供电设备1通过市电输入接口201与新型不间断电源200电连接。市电供电接口201、STS静态开关202及交流电输出接口203组成市电输出电路。电源适配器301与交流电输出接口203连接。市电输出电路可对电源适配器301输送交流电。

交流电转换为直流电为电池组充电功能:电池组220通过电池管理电路210、AC/DC整流滤波电路211与市电输入接口201连接。交流市电通过AC/DC整流滤波电路211将交流电转换为直流电、滤波后通过电池管理电路210供给电池组220充电。当有市电输入时，电池管理电路210可控制市电转换为直流电后为电池组220充电。

直流电转换为交流电输出功能：电池组220通过电池管理电路210、DC/AC逆变电路213、 隔离滤波电路204、STS静态开关202与交流电输出接口203相连。电池管理电路210通过检测STS静态开关202的状态可以得到市电供电状态信息。当市电断电时，电池管理电路210通过DC/AC逆变电路213、隔离滤波电路204、STS静态开关202将电池组220的直流电转换为交流电输出。

直流电输入充电功能：电池组220通过电池管理电路210、DC/DC双向斩波转换电路231、USB Type-C接口电路232、USB Type-C接口233与外部直流电源302相连。外部直流电源302仅作为主设备。USB Type-C接口电路232的控制芯片U1与外部直流电源302的USB Type-C接口电路的控制芯片通过信息沟通，确定本发明的新型不间断电源200作为从设备。控制芯片U1打开直流电输入电路(Input)。外部直流电源302通过USB Type-C接口233、USB Type-C接口电路232、DC/DC斩波电路231、电池管理电路210为电池组220充电。

直流电输出功能：电池组220通过电池管理电路210、DC/DC双向斩波转换电路231、USB Type-C接口电路232、USB Type-C接口233与直流负载303相连。直流负载303仅作为从设备。USB Type-C接口电路232的控制芯片U1与直流负载303的USB Type-C接口电路的控制芯片通过信息沟通，确定本发明的新型不间断电源200作为主设备。控制芯片U1打开直流电输出电路(Output)。电池组220通过DC/DC双向斩波电路231、USB Type-C接口电路232、USB Type-C接口233为直流负载303供电。

本发明可以通过电池管理电路210控制电池组220的充电、放电。电池管理电路210可以选择由交流电转换为直流电为电池组220充电还是直流电源302为电池组220充电。本实施例可根据实际工作需要，确定是否保留交流电充电功能及相应的电路模块。

实施例2

如图4所示，新型不间断电源200，用于将市电供电设备100提供的交流电输向用电设备300。用电设备300为直流电驱动的设备。用电设备300内设或外设有电源适配器301。电源适配器301将交流电转换为直流电使用。根据本发明的新型不间断电源200，其设置市电输入接口201，与市电输入接口201相连的静态开关202，以及与静态开关202相连的交流电输出接口203。电源适配器301与交流电输出接口203电连接。市电供电设备100通过市电输入接口201、静态开关202及交流电输出接口203为电源适配器301提供交流电。

本实施例所述的新型不间断电源200，还设置有蓄电池和电池管理电路210。在如图1 所示的优选示例中，蓄电池数目为多个，组成电池组220工作。电池管理电路210用于管理电池组220中的各个蓄电池的工作。根据本发明的新型不间断电源200，其还包括主控模块260及人机界面205，主控模块260与电池管理电路210通信连接，并通过通信电路204与人机界面205通信。操作人员可利用人机界面205对主控模块260输入控制指令，并由主控模块260通过电池管理电路210控制电池组220的工作。主控模块260可将从电池管理电路210收集到的电池组220的状态信息通过人机界面205显示给操作人员。根据本发明中的新型不间断电源，其还包括检测电路以及检测装置(图中未示出)用于检测电池组220或者其中的某一个或某几个蓄电池的工作状态或者工作环境，并将检测结果通过电池管理电路210输送至主控模块260，由主控模块260通过人机界面205显示，或者由主控模块260根据设定的规则控制电池组220或者其中的某一个或某几个蓄电池的工作，比如使某个蓄电池停止工作或者改变工作状态。

本实施例中的新型不间断电源200还包括直流电输入及输出电路230。直流电输入及输出电路230与电池管理电路210相连，既可以用于将电池组220的直流电向外输出至用电设备300，又可以用于将外部直流电输送至电池组220，为所述电池组220充电。直流电输入及输出电路230包括直流电输入及输出接口电路与直流电输入及输出接口。直流电输入及输出接口电路与直流电输入及输出接口相连。用电设备300可通过直流电输入及输出接口与直流电输入及输出接口电路相连。根据本发明的优选实施例，直流电输入及输出电路还包括DC/DC双向斩波电路231。DC/DC双向斩波电路231既用于将来自所述电池组220的直流电压转换后输送至直流电输入及输出接口电路，并由直流电输入及输出接口电路输出。DC/DC双向斩波电路231还用于将来自直流电输入及输出接口电路的直流电压转换后输送至电池组220为所述电池组220充电。双向DC/DC斩波电路的功能是实现电压的双向转换，在本发明中的功能是既可以将蓄电池电压降压至特定压值，如降至20伏的电压后经直流电输入及输出接口电路输出，也可以将经直流电输入及输出接口电路输入的电压升压至略高于蓄电池电压，为蓄电池充电。

如图4、图2及图3所示，根据本发明的优选实施例，所述直流电输入及输出接口电路包括DC/DC双向斩波转换电路231和USB Type-C接口电路232。所述直流电输入及输出接口为USB Type-C接口233。带有USB Type-C接口的设备分为三种，一种是仅可以做主设备；第二种是仅可以做从设备；第三种是既可以做主设备也可以做从设备。通过USB Type-C接口输出电能的设备为主设备，通过USB Type-C接口输入电能的设备为从设备。既可以做主设备也可以做从设备的设备既具有功率输出功能也具有功率输入功能。电源适配器是仅可以做主 设备的设备，其只能输出功率不能输入功率。仅可以做从设备的设备仅具有功率输入功能。仅可以做主设备的设备与仅可以做从设备的设备连接后可以实现功率传输功能。仅可以做主设备的设备与仅可以做主设备的设备连接后无法实现数据传输与功率传输功能；仅可以做从设备的设备与仅可以做从设备的设备连接后也无法实现数据传输与功率传输功能。本实施例的新型不间断电源200既可以做主设备也可以做从设备。本实施例中的新型不间断电源200通过USB Type-C接口输出电能时做为主设备。本实施例中的新型不间断电源200通过USB Type-C接口输入电能即充电时为从设备。

与本发明中的新型不间断电源相连的外部设备也设置有USB Type-C接口电路，两者通过USB Type-C线缆连接。外部设备与本发明所述新型不间断电源200通过USB Type-C线缆连接时，外部设备的USB Type-C接口电路和新型不间断电源200会通过内部检测电阻确定自己的主从角色。主设备与从设备内的USB Type-C接口控制芯片会通过CC(CC1和CC2)信号线进行数据沟通确定从设备的相关设备信息，主设备按照从设备的信息提供相应的电能。当本实施例中的新型不间断电源与可以做从设备如平板电脑、手机等消费电子产品，或仅可以做主设备的设备如电源适配器连接后，双方分别会通过内部的检测电阻与信号控制线CC识别后确定自己的角色。信号线CC1和信号线CC2其中一个如果检测到检测电阻，则转变为VCONN，另一个做配置信号线使用。本实施例所述的新型不间断电源200在与仅可以做主设备的电源适配器连接时，会通过内部的检测电阻识别并主动扮演从设备。本发明所述的新型不间断电源200与仅可以做从设备的设备连接时会通过内部的检测电阻识别并主动扮演主设备。

当使用USB Type-C线缆将本发明所述新型不间断电源200与外部直流电源相连接，且外部直流电源提供直流电时，USB Type-C接口控制芯片会通过内部的检测电阻判断将外部直流电源作为主设备，并将新型不间断电源200作为从设备。然后通过CC信号线进行数据沟通确定新型不间断电源的相关设备信息，外部直流电源按照新型不间断电源的信息提供相应的电能，为电池组220充电。本发明所述新型不间断电源200内部的USB Type-C接口控制芯片U1通过控制DC/DC双向斩波转换电路231，使得电池组220工作在电能输入模式，即充电模式。同时设备内部的USB Type-C接口电路232的控制芯片U1的VBUS_VMON管脚会实时监测VBUS信号线上的电压，当电压过高时采取相应的异常处理，防止设备因电压过高而损坏。

如图2所示的优选示例中，USB Type-C接口电路包括直流电输入电路和直流电输出电路。直流电输入电路和直流电输出电路介于DC/DC双向斩波电路231与USB Type-C接口233之间。直流电输入电路(Input)和直流电输出电路(Output)均设置有场效应管(NFET或PFET)。USB Type-C接口控制芯片U1通过控制场效应管控制直流电输入电路(Input)的开和关，以及直流电输出电路(Output)的开和关，进一步控制为蓄电池充电和放电工作。DC/DC双向斩波电路至少采用4个带续流二极管的开关管及电阻、电容、电感等元件，控制芯片U1会根据与相连的USB Type-C设备数据通信情况及监测到的电压等数据，通过输出PWM占空比给相对应的带续流二极管的开关管，通过开关管的协调动作来控制电流的走向及电压的升降。

本实施例中的USB Type-C接口电路数量和USB Type-C接口数量既可以是一个，也可以是多个。如果是USB Type-C接口电路数量和USB Type-C接口数量是一个，则外部直流电源302或直流负载303其中之一与USB Type-C接口电连接，根据与USB Type-C接口连接的是外部直流电源302还是直流负载303，决定是新型不间断电源200充电还是供电。

在如图4所示的优选示例中，本发明中的新型不间断电源200具有市电输出、直流电输出和直流输入等多种功能。

市电输出功能：市电供电设备1通过市电输入接口201与新型不间断电源200电连接。市电供电接口201、STS静态开关202及交流电输出接口203组成市电输出电路。电源适配器301与交流电输出接口203连接。市电输出电路可对电源适配器301输送交流电。

直流电输入充电功能：电池组220通过电池管理电路210、DC/DC双向斩波转换电路231、USB Type-C接口电路232、USB Type-C接口233与外部直流电源302相连。外部直流电源302仅作为主设备。USB Type-C接口电路232的控制芯片U1与外部直流电源302的USB Type-C接口电路的控制芯片通过信息沟通，确定本发明的新型不间断电源200作为从设备。控制芯片U1打开直流电输入电路(Input)。外部直流电源302通过USB Type-C接口233、USB Type-C接口电路232、DC/DC斩波电路231、电池管理电路210为电池组220充电。

直流电输出功能：电池组220通过电池管理电路210、DC/DC双向斩波转换电路231、USB Type-C接口电路232、USB Type-C接口233与直流负载303相连。直流负载303仅作为从设备。USB Type-C接口电路232的控制芯片U1与直流负载303的USB Type-C接口电路的控制芯片通过信息沟通，确定本发明的新型不间断电源200作为主设备。控制芯片U1打开直流电输出电路(Output)。电池组220通过DC/DC双向斩波电路231、USB Type-C接口电路232、USB Type-C接口233为直流负载303供电。

本发明可以通过电池管理电路210控制电池组220的充电、放电。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明的保护范围内。