电源切换电路和电源切换方法与流程

本公开涉及电路领域，特别地，涉及电源切换电路和电源切换方法。

背景技术：

在诸如机动车辆的使用主电源和备用电源对用电设备进行供电的过程中，如果主电源的供电出现低电压情况，需要将主电源切换为诸如电池或电池组的备用电源进行供电。在主电源的电压恢复正常后，还需要将备用电源的电力切换回主电源的电力，从而保证用电设备的稳定电力输入。

通常使用机械继电器或受控开关完成主电源和备用电源的切换。但是，传统的电源切换装置无法计时，或者仅以电源的电压为条件进行电源切换，并且电源切换装置专用于特定电源以及需要与控制器协作，导致成本较高。

因此，存在对现有的电源切换电路和切换方法进行改进的需求。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本公开旨在提出一种电源切换电路和切换方法，以解决上文提出的电源切换电路无法计时、可能耗尽备用电源电力、专用于特定电源和成本较高中的至少一个问题。

根据本公开的一方面，提出一种电源切换电路，包括：

主电源输入端，被设置为接收主电源的电力；

备用电源输入端，被设置为接收备用电源的电力；

电力输出端，被设置为输出电力；

电压检测器，被设置为检测主电源的电压；

计时器，与所述电压检测器连接，并且被设置为基于所述电压检测器检测到的所述主电源的电压进行计时；

切换开关，与所述主电源输入端、所述备用电源输入端、所述电压检测器和所述计时器连接，并且被设置为基于所述电压检测器检测到的所述主电源的电压和所述计时器的计时来选择所述主电源的电力和所述备用电源的电力中的至少一个输出到所述电力输出端以由所述主电源的电力和所述备用电源的电力中的至少一个进行供电。

根据本公开的实施例，所述计时器被设置为在所述主电源的电压下降到低于第一阈值电压时开始计时；以及所述切换开关被设置为当由所述主电源的电力进行供电并且所述主电源的电压下降到低于所述第一阈值电压时，将所述备用电源的电力输出到所述电力输出端以由所述备用电源的电力进行供电。

根据本公开的实施例，所述计时器被设置为在所述主电源的电压上升到高于第二阈值电压时重置计时，其中所述第二阈值电压高于所述第一阈值电压；以及所述切换开关被设置为当由所述备用电源的电力进行供电并且满足以下情况中的任何一个时，将所述主电源的电力输出到所述电力输出端以由所述主电源的电力进行供电：所述主电源的电压上升到高于所述第二阈值电压；所述计时大于预定计时阈值。

根据本公开的实施例，所述电源切换电路还包括接口单元，所述主电源输入端、所述备用电源输入端和所述电力输出端经由所述接口单元分别连接所述主电源、所述备用电源和外部用电设备。

根据本公开的实施例，所述备用电源输入端经由所述切换开关与所述主电源输入端并联连接到所述电力输出端，其中所述切换开关为MOSFET。

根据本公开的实施例，所述电压检测器和所述计时器中的至少一个通过所述电力输出端的电力供电。

根据本公开的另一方面，提出一种机动车辆，包括如上所述的电源切换电路。

根据本公开的又一方面，提出一种电源切换方法，包括：

检测主电源的电压；

基于检测到的所述主电源的电压进行计时；

基于检测到的所述主电源的电压和所述计时来选择由所述主电源的电力输入和备用电源的电力输入中的至少一个进行供电。

根据本公开的实施例，当由所述主电源进行供电并且所述主电源的电压下降到低于第一阈值电压时，选择由所述备用电源进行供电。

根据本公开的实施例，在所述主电源的电压上升到高于第二阈值电压时重置计时，其中所述第二阈值电压高于所述第一阈值电压；以及当由所述备用电源进行供电并且满足以下情况中的任何一个时，选择由所述主电源进行供电：所述主电源的电压上升到高于所述第二阈值电压；所述计时大于预定计时阈值。

通过使用本公开的实施例，可以将电源电力的电压检测与计时相结合进行电源的切换，在保证外部用电设备的稳定电力输入的前提下，使输出电压和电流在电源切换过程中保持稳定，避免主电源和备用电源之间的频繁切换和备用电源的电力耗尽。根据本公开的实施例的电源切换电路和方法还可以使用简单的电路元件在多种电源输入的情况下进行电源切换，无需采用控制芯片和改造控制器，以较低成本和电力消耗的情况下完成电源切换的功能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不用于限制本公开的范围。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1为具有根据本公开的实施例的电源切换电路的电源系统的示例性示意图；

图2为根据本公开的实施例的电源切换电路的示例性结构图；

图3为根据本公开的实施例的电源切换电路在选择主电源的电力作为电力输出的示例性示意图；

图4为根据本公开的实施例的电源切换电路在选择备用电源的电力作为电力输出的示例性示意图；以及

图5为根据本公开的实施例的电源切换方法的示例性示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例性实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能会夸大部分元件的尺寸或加以变形。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、元件等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法或者操作以避免模糊本公开的各方面。

在本文中，“连接”用于表示两个元件、模块或设备之间的电气或信号连接，该连接可以是两者之间的直接连接，也可以是两者之间经由一个或多个中间元件或模块的间接连接。

图1示出具有根据本公开的实施例的电源切换电路100的电源系统。该电源系统例如可以是机动车辆的电源系统。电源系统具有主电源210，备用电源220，接地GND和外部用电设备230。主电源210例如可以是机动车辆的通过发动机驱动的发电机。备用电源220例如可以是车辆的蓄电池或蓄电池组，在主电源的电力故障时切换到该备用电源220以用于向外部用电设备230提供电力。外部用电设备230可以是车辆的车载电气设备，诸如控制器(ECU)等。

主电源210、备用电源220和接地GND作为输入连接到电源切换电路100。电源切换电路100的输出连接到外部用电设备230。电源切换电路100独立于电源电路210和220，以及外部用电设备230。也就是说，外部用电设备230不需要针对电源切换进行改动，电源电路210和220作为电源切换电路100的外部设备，也无需针对电源切换电路100进行改动和匹配。可以在任何外部用电设备230及其电力输入210和220之间设置电源切换电路100。在本公开的实施例中，连接到电源切换电路100的主电源210和备用电源220还可以向机动车辆的电源系统的其它外部用电设备提供电力。电源系统可以是低压电源系统，电源切换电路100可以用于低压电源切换。

图2则示出根据本公开的实施例的电源切换电路100的示例性结构。电源切换电路100可以具有四个主要的输入输出端子。主电源输入端101用于接收主电源210的电力，备用电源输入端102用于接收备用电源220的电力，接地端GND用于接地，电力输出端103用于向电源切换电路100的外部用电设备230输出电力。电源切换电路100还可以具有模块化的接口单元160，端子101、102、103和GND例如可以经由接口单元160上的相应接口与外部的相应模块和设备连接。

主电源输入端101经由电容器C1和二极管D1连接到电容器C2。电容器C1用于储存电力和稳定主电源的电力电压。当从主电源的电力切换到备用电源的电力时，主电源的电力电压出现下降，电容器C1可以减缓电力电压的下降速度，使得在使用备用电源的电力输出到电力输出端103的切换完成之前，电力输出端103的电压不至于下降到外部用电设备230的额定工作电压以下。二极管D1单向导通，用于防止在切换到备用电源的电力时，电流逆向流入主电源。

备用电源输入端102连接到切换开关110的电力输入端。切换开关110的电力输出端与二极管D1的阴极并联连接到电容器C2的一端。电容器C2的另一端连接到电力输出端103。电容器C2的作用为对经切换的电源输入进行电力存储和电压稳压，避免在电源进行切换过程中电力输出端103上的输出电压出现快速下降。另外，电容器C2还可以避免电力波动导致计时器130和外部用电设备230等的损坏。

电源切换电路100还包括电压检测器120和计时器130。电压检测器120用于检测主电源的电力电压，检测到的主电源的电压可以直接输出，或者将其与预先设定的电压阈值进行比较以输出电压比较结果。检测到的主电源的电压或者电压比较结果分别作为计时器130的输入和切换开关110的受控输入端的控制信号之一。电压检测器120由电力输出端103的电力驱动。由于电力输出端103始终存在满足外部用电设备的正常工作的电力输出，所以电压检测器120可以保持对主电源的电力电压的持续监控。

计时器130与电压检测器120连接，用于基于电压检测器120检测到的主电源的电压或者电压比较结果对备用电源的供电进行计时，并与预先设定的计时阈值进行比较以输出计时比较结果或者直接输出计时。计时比较结果或者直接输出的计时作为切换开关110的受控输入端的另一控制信号。计时器130由电力输出端103的电力驱动。在计时器130和电力输出端103之间，可以设置低压差调压(LDO)单元对供电电压进行稳压和降压以满足定时器130的需求。

切换开关110分别与主电源输入端101，备用电源输入端102，电压检测器120和计时器130连接，用于基于受控输入端的控制信号控制电力输入端与电力输出端之间的导通与断开，选择主电源210的电力和备用电源220的电力中的至少一个输出到电力输出端103以由主电源210的电力和备用电源220的电力中的至少一个进行供电。切换开关110例如可以采用晶体三极管等受控开关的形式。在本公开的实施例中，以MOSFET为例说明切换开关110的工作方式。本领域技术人员将理解，切换开关110的范围不限于此。MOSFET 110的源极连接备用电源输入端102，漏极连接电容器C2，栅极分别连接电压检测器120的输出端和计时器130的输出端。根据本公开的实施例，由于MOSFET本身具有防止电流反向的作用，因此切换开关110可以在开关110的电力输入端与电力输出端导通时，避免主电源的电力对备用电源充电，此时主电源和备用电源同时连接到电容器C2以向电力输出端103输出电力。

根据本公开的实施例，可以使用逻辑值1(真，以高电平表示)和0(假，以低电平表示)表示电压检测器120的电压比较结果以及计时器130的计时比较结果。例如，检测结果1表示主电源的电力电压低于满足对外部用电设备正常供电的电压阈值或还没有恢复到能够将电力从备用电源切换回主电源的电力以进行正常供电的电压，0则表示主电源的电力电压足以满足对外部用电设备正常供电或恢复到足够将电力从备用电源切换回主电源以进行正常供电的电压。计时器130的计时比较结果1表示备用电源的电力供电时间超过预先设定的计时阈值，0则表示备用电源的电力供电时间没有超过预先设定的计时阈值。计时器130在电压检测器120的电压比较结果输出为1时开始计时，在检测结果输出为0时停止计时并归零，也就是说，计时器130在主电源的电压下降到低于正常供电的电压阈值时开始计时，在主电源的电压上升到至少高于正常供电的电压阈值时重置计时。

切换开关110则在受控输入端接收到的控制信号为1时，导通开关110的电力输入端和电力输出端之间的电流通路，将备用电源220的电力接入电容器C2以向电力输出端103输出电力。也就是说，当由主电源210的电力进行供电时，切换开关110在主电源的电压下降到低于正常供电的电压阈值时选择由备用电源220的电力进行供电。在控制信号为0时，切换开关110断开电力输入端与电力输出端之间的电流通路，重新选择主电源的电力作为电力输出端103的输出电力。也就是说，当由备用电源220的电力进行供电时，切换开关110在主电源的电压上升到至少高于正常供电的电压阈值或者计时大于预先设定的计时阈值中的任何一个条件满足时，选择由主电源210的电力进行供电。如果电压检测器120直接输出检测到的主电源的电压，可以通过简单的逻辑电路将主电源的电压与电压阈值进行比较输出。如果计时器130直接输出计时，也可以通过简单的逻辑电路对计时与计时阈值进行比较输出。可以对电压检测器120和计时器130两者的输出进行逻辑“与”运算后输出到切换开关110的受控输入端。根据本公开的实施例，通过检测到的主电源的电压以及计时器的计时，可以基于多种电源切换条件的组合实现主电源和备用电源之间的切换过程。

根据一个实施例，可以在电容器C2和电力输出端103之间设置输出滤波器150，用于过滤主电源的电力输入、备用电源的电力输入以及电源切换电路100在切换过程中产生的电压波动，以及用于隔离电磁干扰EMI。

现在结合图3和图4说明根据本公开的实施例的电源切换电路100的切换过程。

在正常情况下，来自主电源210的电力电压维持在保证外部用电设备230稳定工作的水平。例如，外部用电设备230的额定工作电压为6V，则图3中的电源切换设备100的电力输出端103的电压应当保持在6V以上。电压检测器120持续检测主电源输入端101的主电源的电压。考虑到从主电源输入端101到电力输出端103之间的电压降，可以将第一电压阈值设置为8V。由于主电源的电力电压持续保持在第一电压阈值以上，则电压检测器120的输出为“0”，指示主电源的电力正常。计时器130在输入为“0”时不进行计时。切换开关110在控制信号为“0”时断开电力输入端与电力输出端之间的电流通路，将从备用电源输入端102接收的备用电源的电力与电容器C2断开，仅选择主电源的电力向电力输出端103输出电力。此时，电源切换电路100中的电流流动如图3中的路径A1所示，来自主电源的电流经电容器C1、二极管D1、电容器C2和输出滤波器150输出到电力输出端103，并且向电压检测器120供电以使其能够持续检测主电源的电压。

当电压检测器120检测到主电源的电压低于第一电压阈值时，判断主电源的电力出现故障，已经不足以向外部用电设备230提供6V的稳定供电电压。此时，电压检测器120例如输出“1”的检测结果以指示主电源的电压低于第一电压阈值而需要切换到备用电源的电力。计时器130基于电压检测器120的输出“1”开始计时，切换开关110基于电压检测器120的输出“1”导通其电力输入端和电力输出端之间的电流通路，选择来自备用电源220的电力输出到电力输出端103。电容器C1和C2的电容值基于判断主电源的电力是否异常的第一电压阈值以及切换开关110的切换时间设定，以保证在切换过程完成之前，来自主电源输入端101的电力电压不会快速下降导致电力输出端103的输出电压低于外部用电设备230的工作电压，例如6V。

虽然在主电源输入端101上接收的主电源210的电力并未从电源切换电路100中断开，但是来自主电源210的电流可以忽略不计。因此电源切换电路100选择备用电源220的电力输出到电力输出端103，并同时向电压检测器120和计时器130(经由LDO单元)供电以保证二者的正常运行。此时，电源切换电路100中的备用电源的电流流经切换开关110，电容器C2和输出滤波器150输出到电力输出端103，诸如图4中的路径A2所示。根据本公开的实施例，机动车辆中一般采用12V的备用电池(组)作为辅助备用电源。备用电源的电力可通过电压变换(升压或降压)在电力输出端103上提供用于向外部用电设备230供电的电力。

当主电源的电力电压恢复到能够再次向外部用电设备230提供6V的稳定供电电压时，判断主电源的电力已经恢复。对于机动车辆的电路系统来说，主电源的电力输入来自发动机驱动的发电机，因此主电源的电力电压存在波动，通常该波动在1V的范围以内。将用于判断主电源的电力是否恢复的第二电压阈值设置为例如9V，该阈值高于第一电压阈值足够多的量以保证不会出现频繁切换的情况。电压检测器120在检测到的主电源的电压超过第二电压阈值(例如9V)时，输出“0”的检测结果。计时器130基于输入“0”停止计时并归零(即重置计时)，同时输出“0”的计时结果。切换开关110基于控制信号“0”断开其电力输入端和电力输出端之间的电流通路，将备用电源的电力断开，重新选择主电源的电力向电力输出端103输出。切换开关110接收的控制信号“0”可以来自电压检测器120的输出，也可以来自计时器130的输出，也可以来自上述两者的输出的逻辑与运算的结果。同样，在切换过程完成之前，电容器C2用于通过储能稳定电力输出端103的输出电压以满足向外部用电设备230的供电。电源切换电路100的电流流动路径重新回到图3所示的路径A1。

如果主电源的电力电压一直不能恢复到正常的电压，则通过计时器130的计时确定是否进行电源切换。设置计时阈值以判断备用电源的电量是否耗尽。可以将计时阈值设置为不低于外部用电设备230能够及时对电源故障(特别是主电源故障)的应对操作(例如上传报告、进行备份等)做出反应的时间，通常该时间为10分钟左右。计时阈值也应当低于备用电源的电量耗尽时间，以避免备用电源过度放电而损坏。

当计时器130的计时时间超过计时阈值时，计时器130输出“0”的计时(比较)结果，指示备用电源的电量即将耗尽。切换开关110基于来自计时器130的控制信号“0”断开其电力输入端和电力输出端之间的电流通路，断开来自备用电源的电力，重新切换回主电源的电力。

因此，切换开关110在电压检测器120的输出为“1”(此时计时器130的输出也为1)，即主电源的电力故障时，将主电源的电力切换为备用电源的电力；在电压检测器120和计时器130两者的输出中的至少一个为“0”时，即主电源的电力恢复或计时超过时间阈值时，将备用电源的电力切换回主电源的电力。

图5示出根据本公开的电源切换方法的流程图。

电源切换电路100首先连接主电源和备用电源的电力输入。

在主电源的电力正常情况的步骤S410中，切换开关首先选择主电源的电力作为电力输出，此时切换开关处于断开状态。

然后，在步骤S420中，电压检测器检测主电源的电压。如果在步骤S430中检测到主电源的电压低于第一电压阈值，则流程进行到步骤S440，切换开关导通以选择备用电源的电力作为电力输出。

如果在步骤S430中检测到主电源的电力电压不低于第一电压阈值，流程返回到步骤S420，切换开关断开以仍然选择主电源的电力作为电力输出并持续检测其电压。

在步骤S440后，计时器在步骤S450开始计时。需要注意的是，此时电压检测器仍然持续检测主电源的电压。

在步骤S460中，当主电源的电压高于第二电压阈值，或者计时器的计时超过第一时间阈值，即满足两个条件中的任何一个时，流程返回到S410，断开切换开关以将备用电源的电力切换回主电源的电力。如果步骤S460中的两个条件都不满足时，流程返回步骤S440，仍然保持切换开关导通以选择备用电源的电力对外部用电设备供电，计时器继续计时，电压检测器持续检测主电源的电压。

通过上文中描述的电源切换电路和切换方法，可以保证外部用电设备有稳定的电源输入以及在电源切换的过程中的电压、电流稳定。当主电源的电力恢复时，可以从备用电源切换回主电源供电。相比对主电源和备用电源的电压进行检测的方式，采用主电源的电压检测和计时的双重条件控制，可以防止备用电源的电池电量耗尽，并且向外部用电设备(例如车辆的ECU)提供足够的反应时间以保证完成应急操作。设置不同的第一电压阈值和第二电压阈值，可以避免主电源和备用电源的电力之间的频繁切换。在本公开的实施例中，仅使用基本电路元件和一般的电压检测元件、计时器元件，可以使用简单的电路元件在多种电源输入的情况下进行电源切换，无需采用控制芯片和改造控制器，以较低成本和电力消耗的情况下完成电源切换的功能。这种简单的电源切换电路的结构还具有低电流消耗的优点，例如仅需要100uA的正常工作电流消耗。

这种电源切换电路和切换方法可以应用在机动车辆的电路系统中，获得更好的效果。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。