可编程双输入不间断开关电源的制作方法

本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种可编程的双输入的不间断开关电源。

背景技术：

目前，开关电源在日常生活中应用广泛，主要为设备供给电能，而现有的开关电源大多依靠市电供电工作，市电断开时，开关电源立即断电，设备停止工作，若未来得及保存资料，很容易造成资料数据的丢失，给工作生活带来一定的困扰。

为了避免上述问题的产生，现有技术中，出现了一种不间断电源，但是，对于需要不间断供电的设备，基本都采用传统UPS(（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）)进行设备的供电保障。市电接入到UPS的输入端，经UPS稳压后输出，再连接到设备的交流输入端进行供电。市电正常时，通过这个串联网络维持设备的工作；在市电断电的情况下，由UPS将后备能源（一般为蓄电池）逆变为交流电输出到设备的交流输入端，以保证设备在没有交流电的情况下也能正常工作，此为其一。

其二，常规实现不间断供电的系统，在使用过程中如要改变其工作状态，需要使用者在系统设计之初就要配合电源，进行二次开发设计，通过外部增加相关辅助器件实现，涉及到市电检测、安规、输出电压电流检测、通讯等诸多环节，且由于成品开关电源硬件线路可扩展性差，极难配合外部线路进行相应二次开发，造成二次开发工作量大，连接线路复杂，可靠性低，生产效率低。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种可编程双输入不间断稳压开关电源，不采用传统的UPS，直接在原有的开关控制电源上并联一个备用电源，并通过连接一个控制电路，对充放电以及断电时备电电路的通断实现自行控制管理。

为了实现上述功能，本发明公开一种可编程双输入不间断开关电源，包括电源管理电路、备电电路和扩展电路，所述电源管理电路直接与输出接口连接，所述备电电路同时与电源管理电路和输出接口连接，扩展电路一端与备电电路电连接，另一端与输出接口电连接，所述扩展电路包括输入模拟信号放大电路、输出模拟信号放大电路、主控模块、逻辑电平转换电路和通讯接口，所述备电电路的输入端连接输入模拟信号放大电路，模拟信号放大电路与主控模块电连接，输出模拟信号放大电路也与主控模块电连接，输出模拟信号放大电路与输出接口连接，同时还与备电电路的电池连接，通讯接口与逻辑电平转换电路均与主控模块电连接，主控模块还与备电电路上的切换电路电连接，备电电路工作，接通主控模块，主控模块控制切换电路的工作状态。

其中，所述电源管理电路包括防雷保护电路、EMI抑制电路、输入整流电路、功率因数校正和变换电路以及输出同步整流电路，所述市电直接连接防雷保护电路后，经过EMI抑制电路，再经过输入整流电路后与功率因数校正和变换电路连接，之后再经过输出同步整流电路与输出接口连接。

其中，所述备电电路包括检测市电的检测电路、控制市电与电池切换的切换电路、对电池进行充电管理的的充电管理电路、电池、以及由电池直接输出的转换电路，检测电路直接与输入整流电路电连接，以隔离和检测市电的变化，且检测电路与输入模拟信号放大电路电连接，切换电路连接检测电路与转换电路，充电管理电路的输出端连接电池，电池与转换电路连接，转换电路直接连接输出接口，充电管理电路的输入连接变换电路输出，功率因数校正电路的输出和变换电路电连接。

其中，所述检测电路由隔离小信号的变压器及其外围电路组成，变压器的初级段与电源管理电路的输入整流电路电连接，次级端连接切换电路以及输入模拟信号放大电路。

其中，所述充电管理电路包括两个MOS管和充电管理IC，且设置有控制电池连通备电电路的控制开关，控制开关开启，电池接通在备电电路中，进行电池的充电与放电，所述电池与控制开关之间还设置有浪涌保护电路，所述充电管理电路还与主控模块电连接。

其中，所述输入模拟信号放大电路采用了两级放大电路，所述输出模块信号放大电路也采用了两级放大电路，输入模拟信号放大电路采集检测输入端的电压信号，并发送至主控模块中进行逻辑判断和处理，所述输出模拟信号放大电路采集检测输出接口的电流信号，并发送至主控模块中进行逻辑判断和处理。

其中，所述通讯接口采用RS232信号转化接口。

其中，所述逻辑电平转化电路由多个三极管及外围电路组合而成，且三极管及其外围电路与主控模块电连接。

其中，所述主控模块采用ATMEGA16型号的芯片。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的一种可编程双输入不间断开关电源，在现有的电源管理电路上并联了一个备电电路并增加检测控制模块，对开关电源电路进行实时检测控制，并可由用户通过上位机对电源工作状态进行自定义编程。且在电池工作时，输出电压保持稳定。通过半导体器件切换，无继电器或者其他的机械触点。输入输出模拟信号放大电路对所需采集的模拟/数字信号进行采集、放大等相关处理之后，送入主控模块进行信号处理，并通过通讯接口对外输出。通讯接口为双向通信方式，在电源独立工作时，其工作状态由所检测的外部供电状态决定；当通讯接口连接上位控制机器时，可通过上位机来设置电源的工作状态，例如设置市电电压跌落的转换点、充电电压电测点、设置定时充放电等。本发明的电路结构可以直接输出设备所需的直流电压，同时具备充电管理功能，替换串联在市电中的UPS，替代设备内部的开关电源，这样，设备供电回路中只有一级能量转换，提高整体供电效率和可靠性，减小体积，重量，且能适应不同应用领域的输入电压，能在备电电压上升或者下降时始终维持输出电压的稳定。

附图说明

图1为本发明实施例的整体电路结构框图；

图2为本发明实施例的具体框图结构示意图；

图3为本发明实施例的电源管理电路原理图；

图4为本发明实施例的充电管理电路、转换电路和切换电路原理图；

图5为本发明实施例的充电管理电路上的控制芯及外围电路；

图6为本发明实施例输入模拟信号放大电路原理图；

图7为本发明主控模块电路原理图；

图8为本发明实施例输出模拟信号放大电路原理图；

图9为本发明实施例通讯接口电路原理图；

图10为本发明实施例逻辑电平转化电路原理图。

主要元件符号说明如下：

1、电源管理电路 2、备电电路

3、扩展电路 4、输出接口

11、防雷保护电路

12、EMI抑制电路 13、输入整流电路

14功率因数校正和变换电路 15、输出同步整流电路

21、检测电路 22、切换电路

23、电池 24、转换电路

25、充电管理电路 31、主控模块

32、输入模拟信号放大电路 33、输出模拟信号放大电路

34、通讯接口 35、逻辑电平转化电路。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1-图2，本发明公开一种可编程双输入不间断开关电源，包括电源管理电路1、备电电路2和扩展电路3，电源管理电路1直接与输出接口4连接，备电电路2同时与电源管理电路1和输出接口4连接，扩展电路3一端与备电电路2电连接，另一端与输出接口4电连接，扩展电路3包括输入模拟信号放大电路32、输出模块信号放大电路33、主控模块31、逻辑电平转换电路35和通讯接口34，输入模拟信号放大电路32与主控模块31电连接，输出模拟信号放大电路33与主控模块电连接，通讯接口34以及逻辑电平转化电路35分别与主控模块31电连接，备电电路2包括检测市电的检测电路21、控制市电与电池切换的切换电路22、对电池进行充电管理的的充电管理电路25、电池23、以及由电池23直接输出的转换电路24，切换电路22与主控模块31电连接，电池23余输出模拟信号放大电路33电连接，在本实施例中，电源管理电路1包括防雷保护电路11、EMI抑制电路12、输入整流电路13、功率因数校正和变换电路14以及输出同步整流15电路，市电直接连接防雷保护电路11后，经过EMI抑制电路12，再经过输入整流电路13后与功率因数校正和变换电路14连接，之后再经过输出同步整流电路15与输出接口4连接。在本实施例中，检测电路21直接与输入整流电路13电连接，以隔离和检测市电的变化，且检测电路21与输入模拟信号放大电路32电连接，切换电路22连接检测电路21与转换电路24，电池23经过充电管理电路25的充电管理后与转换电路24连接，转换电路24直接连接输出接口4，充电管理电路25与功率因数校正和变换电路14电连接。

请参阅图3，本发明中，市电经过了防雷保护电路11后，再经过EMI抑制电路12的防干扰处理进行电压的输出，防止通过电源线和电网的相互干扰，且传入其他设备中影响其他设备的正常运行，在本实施例中，采用的EMI抑制电路12由共模滤波电路和差模滤波电路组成，一方面滤除电网谐波及浪涌，使其不影响高频开关电源的正常工作，另一方面由于电源工作时，电源的功率开关管、变压器处于高频的开关状态，电压、电流的快速跳变会产生干扰噪音，而EMI抑制电路主要是阻止这些干扰噪声串入电网影响其他的电子设备，具体的，EMI抑制电路12包括跨接在电源线之间起差模抑制作用的电容CX1、电容CX2以及接在电源线和地之间起共模抑制作用的电容CY1、电容CY2,且中间串接着变压器LF2和变压器LF1,同时，在变压器LF2两端还并联有电阻R1、电阻R110以及电阻R127、电阻R126，此结构大大提高了电网通过电源线连接设备之间的安全性，同时在本实施例中，放置电网被雷或者其他高强度静电击穿的防雷保护电路11包括与EMI抑制电路12并联的压敏电阻ZNR1、压敏电阻ZNR2以及压敏电阻ZNR3以及陶瓷气体放电管GDT1。在完成了防雷和EMI抑制之后，通过由电桥BR1、电感L3以及电容C3和C4组成的输入整流电路13，将交流转变成脉动输出的直流。

在本实施例中，在输入整流电路13的输出端，连接有检测电路21，在本实施例中，检测电路21包括电阻R10、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R18以及变压器T4进行电隔离以及检测，经过变压器T4，输出一个交流信号AC SENSEI,该交流信号与输入模拟信号放大电路32连接，经两级放大后进入U6。在本实施例中，交流复位信号AC RESET来自于主控模块31上的主控芯片U6的PB1引脚，经过三极管Q2后，与切换电路22连接，切换电路22包括与三极管Q2的发射极连接的稳压二极管ZD3，电阻R59、电阻R63、三极管Q18、稳压二极管ZD4，电阻R93和三极管Q17，通过控制三极管Q17的通断将输出电压与转换电路24连接。

请参阅图4，在本实施例中，转换电路24采用了型号为UC2843的开关电源管理芯片U3及其外围电路，同时转换电路2的开关电源管理芯片U3上的VCC引脚通过三极管Q2与电池23连接，由MOS管Q19、三极管Q8、电阻R154以及稳压二极管ZD5、控制芯片U13及外围电路组成的充电管理电路25对电池23的充放电进行控制，请参阅图5，控制芯片U13采用LM338T，且其输入端输入信号由主电路输出的CHR IN信号 ，其与主功率变压器T1的第八引脚经过二极管D19后连接，获取该信号，而控制芯片U13的输出端，经过并联电阻R23和R68后，再经过一个二极管D21与转化电路24上的MOS管Q19上的源极端连接，最终连接到电池，其中，充电管理电路25上的三极管Q8的发射极连接三极管Q37，三极管Q37还与主控模块31电连接。

在本实施例中，电池23通过开关CON2以及熔断器F3、由稳压二极管ZD8组成的浪涌保护电路后与充电管理电路25上的MOS管Q19连接，CON2为总开关，控制电池23是否与充电管理电路25以及转换电路24接通。

在本实施例中，输入模拟信号放大电路32请参阅图6，由放大器U17A、U17B及其外围电路构成，与检测电路21输出的AC SENSEI 信号连接，协同检测电路共同构成市电检测及信号放大电路，之后将放大信号送入到主控模块31上的主控芯片U6上进行处理及逻辑判断；请参阅图7，在本实施例中，主控芯片采用ATMEGA16型号的芯片，ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器，主要用于混合信号处理，通过该控制芯片的控制，控制输出电压的跌落转换点、充电电压的检测点或者对电池23进行定时充放电。

在本实施例中，主控芯片U6的AVREF引脚还连接一个输出电压和电池电压的分压采样电路，用于对电池23和输出电压进行管理控制，在本实施例中，请参阅图8，主控芯片U6上的OUT1接口与输出模拟信号放大电路33连接，输出模拟信号放大电路33也是通过两个放大器U18A和U18B及其外围电路得到，输出模拟信号放大电路33与输出接口4连接，获取从输出接口4输出的27.5V的直流电压电流信号，经过放大后输入到主控芯片U6中，进行进一步的信号处理和分离，通过主控芯片U6的分析处理，控制切换电路22是否选择市电到电池的切换动作以及输出过欠压，过流保护动作。

在本实施例中，请参阅图9，主控模块31上的主控芯片U6还分别与通讯接口34和逻辑电平转化电路35连接，在本实施例中，通讯接口采用RS232信号转化接口，在该接口上的控制芯片U10上的RIOUT引脚与主控芯片U6的RXD引脚连接，控制芯片U10的TIIN引脚与TXD引脚连接，该通讯接口可以与上位机进行连接，使上位机与主控芯片U6实现双向通讯，既可输出状态信号，也可通过外部输入对电源检测点进行编程；从而对整个开关电源电路进行可编程控制。

请参阅图10，逻辑电平转化电路35由多个三极管及外围电路组合而成，在本实施例中，采用了6个三极管，分别为三极管Q20、三极管Q30、三极管Q31、三极管Q9、三极管Q29和三极管Q23,各个三极管与各自的外围电路连接，并分别连接在主控芯片U6的对应引脚上，将经过主控芯片U6处理判断后的信号转换成TTL逻辑电平输出。

在本实施例中，请进一步参阅图3，功率因数校正和变换电路14采用了日本新电元的MCZ5205型号的芯片作为电源管理芯片U1，还包括MOS管Q1、主功率变压器T2、MOS管Q12、MOS管Q15、电容C37、主功率变压器T1、MOS管Q6和MOS管Q7，在本实施例中，电源管理芯片U1及其外围电路分别与括MOS管Q1和主功率变压器T2，再通过MOS管Q12、MOS管Q15和电容C37与主功率变压器T1连接，主功率变压器T1通过MOS管Q6、MOS管Q7后与同步整流电路15连接，在本实施例中，U8和U9采用TEA1791芯片，同时，通过MOS管Q6、MOS管Q7以及电解电容EC4、电解电容EC5以及第三磁线圈LF3、以及两组反向相接的稳压二极管ZD9和ZD35后与输出接口4连接，并输出27.5V的工作电压。

本发明在现有的电源管理电路1的基础上，并联了一个备电电路2，对开关电源电路进行实时检测，在并联的备电电路2的备用电池23以及切换电路22和检测电路21上还连接有一个扩展电路3，通过输入模拟信号放大电路32、输出模拟信号放大电路33采集检测电路21上的电压信号以及输出接口4上的电压信号，从而实时检测输入输出的电压信号值，并通过主控模块31上的主控芯片U6对电压值进行控制、分析判断，使电源工作在正确的状态。而主控芯片U6的动作还可由通过与之连接的通讯接口34从上位机上输入的控制程序来控制，通过输入控制程序，可以设置开关电源的工作状态，例如设置市电电压跌落的转换点、充电电压电测点、设置定时充放电、输出过欠压、过流保护点等，从实现用户对电源的灵活控制，这种不间断开关电源的结构，在交流或电池工作时可直接输出设备所需的直流电压，交流或者电池均可独立启动工作，且在电池工作时，可以保持输出电压的稳定，切换电路22由外部可编程的单片机，即主控芯片U6控制，这样，还可以在线式切换电源工作状态，通过半导体器件切换，无继电器或者其他的机械触点，且控制更为方便，且可以根据需求任意调整控制过程，只需要改变主控芯片U6上的控制程序即可，无需再对电路进行元件增加或者其他的变动，缩短用户开发周期，降低开发成本。

本发明的优势在于：

1）结构简单，容易实现，在现有的开关电源的基础上，并联了一个备电电路，对开关电源电路进行实时检测，当市电正常供电的时候，开关电源正常输出，同时给电池供电，当市电断电的时候，通过切换电路，将转换电路打开，电池通过转换电路进行放电，从而继续从输出端口输出电压，达到不间断供电的目的；

2）设置有一个控制电池通断的开关，通过该控制开关和对应的开关电路，进行电池的接通与断开，从而实现电池开路、短路、欠压等状态的实时检测，并可通过主控芯片设置电池定时充放电，避免电池长期自放电造成的亏损，增加电池使用寿命；

3）由于设置扩展电路，通过输入模拟信号放大电路、输出模拟信号放大电路采集检测电路上的电压信号以及输出接口上的电压信号，从而实时检测输入输出的电压和输出电流、电池电压信号，并通过主控模块上的主控芯片对信号进行分析判断，使电源始终工作在正确的状态下；

4）由于扩展电路中采用了可编程的可扩展芯片，通过通信接口即可对控制芯片中的程序进行更新更改，使电源功能和特性也发生变化，在开关电源电路进行二次开发的时候，无需大规模替换整个电路元件，就能实现功能上的改变和提高，扩展性强，节约了二次开发的时间和成本；

5）通过扩展电路控制备电电路的工作状态，使备电电路的工作变得更灵活，可以根据情况自动切断或开启备电电路，并调节备电电路工作过程中相关参数，使电源工作状态的变化更可控，更灵活；

6）本发明的电路结构可以直接输出设备所需的直流电压，同时具备充电管理功能，替换串联在市电中的UPS，替代设备内部的开关电源，这样，设备供电回路中只有一级能量转换，提高整体供电效率和可靠性，减小体积，重量；

7）适用性强，本结构能适应不同应用领域的输入电压，能在备电电压上升或者下降时始终维持输出电压的稳定，本发明的结构能在任意拓扑结构的电源线路中使用。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。