一种电池扣板、供电装置和供电方法与流程

本发明涉及外挂电源供电的设备领域，更具体地说，涉及一种电池扣板、供电装置和供电方法。

背景技术：

从胶卷到数码时代，摄影器材的发展带动摄影配件的发展。在现代照相机中，电池几乎成了照相机不可缺少的部分。电池的续航能力也在变化升级，电池也经历着一场更新的革命。利用电池作为能量来源，可以得到具有稳定电压，稳定电流，长时间稳定供电，受外界影响很小的电流，并且电池结构简单，不受外界气候和温度的影响，性能稳定可靠。

外挂电源供电设备对电源的需求主要体现在两方面，一是需要大容量电源保障设备长时间不间断供电；二是需要大功率电源满足大功率设备的供电需要。目前影视摄影行业主要采用v口电池、a口电池和dv电池来给设备供电，而不论电池容量增加还是功率增加，都会增加电池的危险性，大功率电池在运输时易受到限制，特别是航空运输限制无法托运，在实际使用中十分不便。市场上现有产品，将多组电池互相连接已满足大功率或大容量需求，其仅能解决上述大容量电池或大功率电池的单一需求，产品通用性差。

中国专利申请一种双电源供电的电源装置，公告号cn209029981u，公告日2019年6月25日，公开了一种双电源供电的电源装置，所述电源装置包括电源盒、扣板和电池，所述电源盒包括至少一个直流电输入端和直流电输出端，所述扣板固定连接在电源盒上，所述电池通过所述扣板与所述电源盒电连接。上述装置解决了现有的外置电源装置不能保证持续供电的缺点，其可以在不断电的状态下自动切换电源，以在更换电池的同时保证工作不中断，该发明的电源切换是在直流电和电池之间的切换供电，不适用于电池之间的热切换，不易携带；且电路没有功率检测和快速关断模块，无法自动适配匹配的电源供电，在电源切换过程中开关容易累积电荷造成设备故障，可靠性低。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的多电源在工作时，正在供电的电源断开后其他电源无法立即打开的问题，本发明提供了一种电池扣板，它可以实现正在供电的电源撤除瞬间，不间断接续其他电源供电。

2.技术方案

本发明提供的电池扣板，扣板内设置有热切换控制电路，扣板上设置有电源输入接口；包括电源开关、电流单向流通控制电路、热切换强制打开电路、mcu使能电路，所述电流单向流通控制电路设置在电源输出线路上，用于实现电流的单向流动，所述mcu使能电路分别与所述电源开关、热切换强制打开电路连接，所述热切换强制打开电路还与电源输入接口连接，所述mcu使能电路根据使能信号en-bn控制所述电源开关的通断；在由所述电池扣板供电时，当无法正常供电，所述热切换强制打开电路向用于控制其他电池扣板的电源热切换电路的mcu使能电路输出信号；在不是由所述电池扣板供电、电源开关断开时，所述mcu使能电路接收用于控制其他电池扣板的电源热切换电路的热切换强制打开电路输出的信号，打开电源开关。

电池扣板上插接电源，电源连接电源输入接口，电流单向流通控制电路用于实现电流的单向流动，避免多路电源同时供电时，出现电压高的电源给电压低的电源充电的情况，避免电流倒灌。本发明利用热切换强制打开电路检测到电源是否正常供电，一旦无法正常供电，如电压过低，或者电源被拆除时，热切换强制打开电路输出信号fn给其他电源的mcu使能电路，其他电源的mcu使能电路打开相应电源的电源开关，其他电源起到临时供电的作用，实现电源的热切换，避免断电。

更进一步地，所述热切换强制打开电路包括三极管qan1和三极管qan2；三极管qan1的基极接电源bn，发射极接地，集电极接三极管qan2的基极；三极管qan2的发射极接地，基极接使能信号en-bn，集电极向用于控制其他电池扣板的电源热切换电路的mcu使能电路输出信号。当电源的电压过低无法有效供电，或者电源被拆除，导致无法正常供电，由于mcu一时来不及反应，使能信号en-bn仍然为高电平，此时，三极管qan1的基极为低电平，集电极为高电平，三极管qan1截止，三极管qan2打开，三极管qan2输出低电平给其他电源的mcu使能电路，其他电源的mcu使能电路打开相应电源的电源开关；当电源正常供电时，三极管qan1打开，三极管qan2截止，输出信号fn为高阻态。

更进一步地，所述热切换强制打开电路还包括至少一个二极管，二极管的正极分别与mcu使能电路连接，由二极管的负极接收用于控制其他电池扣板的电源热切换电路的热切换强制打开电路输出的信号。来自其他电源的热切换强制打开电路的三极管qan2的集电极的信号经过二极管后输送给mcu使能电路。

更进一步地，所述mcu使能电路包括nmos管qn5、pmos管qn4；nmos管qn5的源极接地，栅极接使能信号en-bn，漏极接pmos管qn4的栅极、以及接收用于控制其他电池扣板的电源热切换电路的热切换强制打开电路输出的信号；pmos管qn4的漏极接所述电源开关，源极接信号gdrive，信号gdrive由电源bn升压得到。mcu使能电路的驱动电压为gdrive，为了满足驱动条件，gdrive信号需要比输入电源bn足够大，所以将电源经过升压处理后连接mcu使能电路进行驱动。使能信号en-bn为高电平时，nmos管qn5和pmos管qn4均打开，由于mcu使能电路的驱动电压gdrive经过升压处理，大于电源电压，电源开关打开。

更进一步地，所述电源开关为mosfet管qn2，mosfet管qn2的栅极连接pmos管qn4的漏极，源极作为输出，接负载，漏极接电源输入接口。

更进一步地，还包括快速关断电路，所述快速关断电路包括mosfet管qn3，mosfet管qn3的栅极接nmos管qn5的漏极，漏极接mosfet管qn2的栅极，源极接所述电源开关的源极。当任一的电源mosfet驱动关闭时，单独靠g-s(栅极-源级)间的泄放电阻可能关闭时间不够短，容易造成mosfet意外损坏，因此，在g-s泄放电阻处并联一个小信号mosfet，触发方式即为mcu使能电路使能关闭时，打开小信号mosfet来快速关闭电源开关mosfet。

更进一步地，所述热切换强制打开电路包括三极管qan1、三极管qan2和至少一个二极管；三极管qan1的基极接电源输入接口，发射极接地，集电极接三极管qan2的基极；三极管qan2的发射极接地，基极接使能信号en-bn，集电极向用于控制其他电池扣板的电源热切换电路的mcu使能电路输出信号；二极管的正极分别与nmos管qn5的漏极连接，由二极管的负极接收用于控制其他电池扣板的电源热切换电路的热切换强制打开电路输出的信号。

更进一步地，所述电流单向流通控制电路为二极管、理想二极管电路或防反灌电路。

更进一步地，所述电流单向流通控制电路设置在电源输入接口与所述电源开关之间，分别连接电源输入接口和电源开关。

更进一步地，所述理想二极管电路包括nmos管qn1和理想二极管控制芯片un，nmos管qn1的源极连接电源输入接口、理想二极管控制芯片un的in引脚，nmos管qn1的栅极连接理想二极管控制芯片un的gate引脚，nmos管qn1的漏极连接所述电源开关、理想二极管控制芯片un的out引脚和vs引脚，理想二极管芯片un的off引脚和gnd引脚接地。

更进一步地，所述电源输入接口设置有用于检测电流的功率检测电路。

本发明还提供一种供电装置，包括n块本发明提供的电池扣板，对于任一块电池扣板，该电池扣板的热切换控制电路的输出信号接入其他电池扣板的热切换控制电路的mcu使能电路。

本发明还一种供电方法，当仅有一个电源时，由该电源供电；当有多个电源、且未接负载时，则由优先级最高的电源供电；当有多个电源、且外接负载时，如果负载的电流小于部分电源的额定电流，则由额定电流大于负载电流的电源中的优先级最高的电源供电，如果在供电过程中，该电源无法正常供电，则立即切换由其他电源临时供电；当有多个电源、且外接负载时，如果负载电流大于单个电源的额定电流，则由多个电源同时供电。

更进一步地，如果在供电过程中，该电源无法正常供电，则立即切换由其他电源临时供电，具体为，当前供电的电源对应的热切换强制打开电路检测到无法正常供电，热切换强制打开电路输出信号fn给其他电源的mcu使能电路，其他电源的mcu使能电路打开对应电源的电源开关，由其他电源中的一个或多个临时供电，直至所述当前供电的电源恢复正常供电，或者相应电源的mcu使能电路接收到打开电源开关的使能信号，mcu使能电路打开相应电源的电源开关，由该相应电源供电。

更进一步地，所述当前供电的电源无法正常供电时，由其他电源中电压高的电源临时供电。当正在工作的电源输入因为故障、拔出等原因突然电压降低，热切换强制打开电路触发工作后会打开其他所有通路的电源电路。本发明可以设置理想二极管电路，在理想二极管电路的作用下，根据电压高低临时供电，不会造成所有电源一起供电导致用电设备损坏，电路可靠性高。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

多电源智能供电方案，同时满足了不间断供电需求和大功率供电需求，扩大了电源系统的使用范围；功率检测电路对用电设备功率进行检测，智能判断电源供电模式：设备负载功率大于单个电源的最大输出功率时，通过电源供电控制功能，自动切换至电源同时供电模式。在多级电源输入时，能够实现任意热插拔，当电路因为某一级电源突然拔除或者故障输入电压降低无法继续维持供电时，热切换强制打开电路输出信号，立刻触发短暂打开其他电源，维持设备的正常供电，只要电路中多级电源输入至少剩余一级电源，总输出就能持续不间断；本电路的可靠性高，在mcu使能电路关闭当前级别电源电路时，使用快速关断电路迅速泄放电路mosfet开关的栅-源极电容，响应速度极快不易造成电源mosfet开关的损坏，同时快速关断，提高了电路的可靠性；本发明所有切换都为电路智能切换，无需手动操作。

附图说明

图1为本发明两路电源通道的供电装置透视图；

图2为图1的a局部放大图；

图3为本发明两路电源通道的供电装置正面正视图；

图4为本发明两路电源通道的供电装置底面正视图；

图5为本发明多个电源通路的供电装置透视图；

图6为本发明供电装置电路的系统框图；

图7为本发明第一级电源输入的电路简图；

图8为本发明第二级电源输入的电路简图；

图9为本发明第三级电源输入的电路简图；

图10为本发明第n级电源输入的电路简图；

图11为本发明gdrive信号简图；

图12为本发明热切换强制打开电路中三极管连接图；

图13为本发明热切换强制打开电路输出信号电路图。

图中标号说明：

1、v-lock输入接口；2、d-tap输出口；3、v-lock输出接口。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1至4所示，是一个由两个电池扣板组成的供电装置，供电装置上设置两个v-lock输入接口1(用于挂载电池，电池输出接v-lock输入接口)、两个d-tap输出口2和一个v-lock输出接口3，如图2所示，d-tap输出口2有正负极。d-tap输出口2和v-lock输出接口3的输出模式和输出电压均相同，提供给用户另一种接口接入设备供电。

如图5所示，是由多块电池扣板组成的供电装置，电池扣板上不设置v-lock输出接口3，只在其中一块电池扣板上设置d-tap输出口2。供电装置设置第一级v-lock输入接口1，第二级v-lock输入接口1，第三级v-lock输入接口1，第n级v-lock输入接口1和两个d-tap输出口2。

本发明的供电装置的供电逻辑如下：

(1)当电池扣板仅挂载单路电池时，直接使用电池对外输出；mcu判断当前电池的带载能力，会提前做出过流保护的动作；

(2)当电池扣板挂载多块电池且无带载设备时，根据优先级打开优先级最高的电池的通路，例如，按照电压高低顺序，优先打开较低电压的电池通路；

(3)当电池扣板挂载多块电池，且检测到带载设备的电流小于单个电池的额定电流，根据优先级打开优先级最高的电池的通路，例如，根据电压高低顺序，默认打开电压较低的通路，直到电池电压降低至某一阀值以下时，即略高于电源允许输入下限，自动切换至另一块电池的通路；如果拔除正在放电的电池，则电池立即切换至另一通路，输出不间断；

(4)当电池扣板挂载多块电池，且检测到带载设备的电流大于单个电池的额定电流时，立即打开多路通路，使多块电池同时对外输出。但这种状态下客户需要使用剩余容量相似的电池。

以下直接以电源代替电池扣板进行描述。

如图6所示，有n级电源输入，第一级电源为b1，第二级电源为b2，第三级电源为b3，…，第n级电源为bn。每一级电源都通过电流单向流通控制电路与电源开关连接，电流单向流通控制电路用于实现电流的单向流动，电流单向流通控制电路可以设置在电源与电源开关之间，也可以设置在电源的输出线路的其他位置，图6中示出的电流单向流通控制电路为理想二极管电路。还包括mcu使能电路、热切换强制打开电路、快速关断电路，mcu使能电路分别连接电源开关、热切换强制打开电路、快速关断电路，快速关断电路也与电源开关连接，图6中示出的快速关断电路为mosfet管。以电源b1为例，mcu选择电源b1并输出高电平给mcu使能电路，mcu使能电路将电源开关打开，电源b1对外供电，当电源b1被拆除或者出现故障或者电压过低时，电源b1无法正常工作，热切换强制打开电路输出信号f1给其他电源的mcu使能电路，其他电源的mcu使能电路将相应电源的电源开关打开(虽然mcu并没有输出高电平使能信号给对应电源的mcu使能电路)，实现临时供电。在电源b1正常供电的情况下，如果需要电源b1停止供电，mcu输出低电平给mcu使能电路，mcu使能电路关断电源开关，快速关断电路可以实现电源开关的快速关断。

理想二极管起防反灌功能，解决电源顺序供电模式下或不同电量电源同时接入时，高电压电源给低电压电源充电的问题。同时实现单向输入，防止电源反接对用电设备造成损坏，对用电设备进行保护。因为理想二极管电路没有压降，低功耗，本实施例中使用理想二极管电路作为电流单向流通控制电路。电流单向流通控制电路还可以采用二极管或防反灌电路。

如图7至图10所示，电源输入依次为b1，b2，b3，…，bn，总输出为vout。为保证电源的单向输入，电源b1、b2、b3……bn输入后，需要先经过二极管或者理想二极管电路或者防反灌电路，优选理想二极管电路，该电路的损耗低。理想二极管电路包括nmos管和理想二极管控制芯片，其中q11、q21、q31、……、qn1为nmos管，u1、u2、u3、……、un为理想二极管控制芯片。电源开关为mosfet管q12、q22、q32、……、qn2；mcu使能信号为en-b1、en-b2、en-b3、……、en-bn。

以第n级电路为例，如图10所示，理想二极管电路包括nmos管qn1、理想二极管控制芯片un，nmos管qn1的源极连接电源bn、理想二极管控制芯片un的in引脚，nmos管qn1的栅极连接理想二极管控制芯片un的gate引脚，nmos管qn1的漏极连接电源开关mosfet管qn2的漏极、理想二极管控制芯片un的out引脚和vs引脚，理想二极管芯片un的off引脚和gnd引脚接地，理想二极管控制芯片un的vs引脚和out引脚之间连接一个电阻稳流，理想二极管控制芯片un的vs引脚与gnd之间连接电容以便保护电路。mcu使能电路包括nmos管qn5、pmos管qn4；nmos管qn5的源极接地，栅极接使能信号en-bn，使能信号由mcu提供，漏极通过电阻rn3接pmos管qn4的栅极，漏极还接其他电源(b1、b2、b3、……、bn-1)的热切换强制打开电路的输出信号fn，以及，漏极通过电阻rn4与快速关断电路连接；pmos管qn4的漏极接电源开关mosfit管qn2的栅极，源极通过二极管dn1a接信号gdrive，二极管dn1a实现单向导通，信号gdrive由电源bn升压得到。pmos管qn4的栅极和源极之间并联连接一个电阻rn2和一个双向tvs二极管，电阻rn2和双向tvs二极管对电路限流，保护电路。快速关断电路包括mosfet管qn3，mosfet管qn3的栅极通过电阻rn4接nmos管qn5的漏极，漏极接mosfet管qn2的栅极，源极接mosfet管qn2的源极。mosfet管qn2的漏极与源极之间连接电阻rn5。电源开关mosfet管qn2的源极还作为电源bn的输出接到总输出vout。

如图12、13所示，12(a)、13(a)是对应电源b1的热切换强制打开电路，12(b)、13(b)是对应电源b2的热切换强制打开电路，12(c)、13(c)是对应电源b3的热切换强制打开电路，12(d)、13(d)是对应电源bn的热切换强制打开电路。热切换强制打开电路包括三极管qan1、三极管qan2以及n-1个二极管；三极管qan1的基极通过电阻rn9、rn6接电源bn，电阻rn9还与电阻rn7连接，电阻rn7接地，三极管qan1的发射极接地，集电极接三极管qan2的基极；三极管qan2的发射极接地，基极接电源bn的使能信号en-bn，即mcu提供给mcu使能电路的使能信号；三极管qan2的集电极输出信号fn给其他电源(b1、b2、b3、……、bn-1)的mcu使能电路，如图13(a)、13(b)、13(c)所示，三极管qan2的集电极输出信号fn分别通过二极管d3、d9、d6形成信号force1、force2、force3分别接电源b1、b2、b3的mcu使能电路，即接mcu使能电路的nmos管(q15、q25、q35)的漏极。再以电源bn为例，说明n-1个二极管如何连接。来自电源b1、b2、……、bn-1的信号f1、f2、……、fn-1分别接二极管d10、d11、……、d12的负极，二极管d10、d11、……、d12的正极相互连接后与电源bn的mcu使能电路连接，即，与mcu使能电路的nmos管qn5的漏极连接。

如图11所示，gdrive为电源经过升压处理后的电平信号，用于mcu使能电路的驱动电压。为了满足驱动条件，gdrive信号需要比输入电源bn足够大。n级电源b1，b2，b3，…，bn分别与一二极管(d13、d14、d15、d16)正极连接后并联，二极管负极(d13、d14、d15、d16)连接升压模块输入端bin，经过升压处理输出gdrive，本实施例中选取电源中电压最大的做升压处理。

下面详细描述本发明工作原理。

(1)mcu根据需求选择多块电池的供电优先级，假设选择根据电池电压排序，由电压低的优先供电。

(2)当挂载多块电池，且有带载设备时，mcu通过对采样电阻rsns1、……、rsnsn的电流放大值做a/d转换，得到带载设备的电流，然后和mcu读取的电池本身的额定电流做比较。由于设备负载功率即为电源输出功率，利用功率检测电路采样电源输出电流值来快速识别。

1)如果检测到带载设备的电流小于单个电池的额定电流，mcu默认仅打开电压较低的通路。以第一级电源b1为例进行说明。en-b1为mcu使能信号，当mcu使能电路选择连接第一电源b1时，en-b1为高电平，nmos管q15打开，force1为低电平。gdrive为高电平，在驱动电平gdrive的作用下，pmos管q14打开。由于gdrive比b1足够大，电源开关mosfet管q12打开，电流流向为b1→vo1+→vout；nmosq25、q35、qn5关断，force2、force3……forcen变为高电平，mosfetq22、q32、qn2关闭，电池通道b2、b3……bn关闭。

直到b1电压降低至某一阀值(略高于电源允许输入下限)以下时。

短时间内由于mcu来不及反应，en-b1仍为高电平，热切换强制打开电路中的三极管qa11和qa12快速响应。由于en-b1为高电平，b1输入三极管qa11的基极的为低电平，热切换打开电路三极管qa11截止，qa12打开，f1拉至低电平，f1在二极管d7、d4、……、d10的作用下，force2、force3、……、forcen拉至低电平，进而第二级电路、第三级电路、……、第n级电路的pmos管q24、q34、……、qn4打开，驱动对应电源的mosfet开关q22、q32、……、qn2打开，强制打开其他所有电源电路。在理想二极管电路的作用下，电压高的电源临时供电，此状态仅临时持续数秒，直至mcu将en-b1变为低电平，以及拉高下一优先级电源电路的mcu使能信号。mcu将en-b1变为低电平后，nmos管q15关断，force1变为高电平，q14关断，q13打开，电源mosfet开关q12关闭，q13让q12的栅-源级电容cgs迅速泄放，防止电荷引起开关管的击穿，保证快速关断q12，保护电源mosfet开关。在当前电源b1正常工作时，热切换强制打开电路中的qa11打开，qa12截止，f1为高阻态，不会触发其他电源的mcu使能电路打开相应的电源开关。

如果中途拔出电池b1或出现故障，强制打开其他电池通路，原理相同，从而实现不间断供电。

其他级电路结构及原理与第一级相同。其他级电源的输入和输出原理与第一级电源b1相同。

2)如果检测到带载设备的电流大于单个电池的额定电流，mcu同时打开所有检测到电池的通道，假设只有两个电源，为b1和b2。mcu将en-b1和en-b2拉为高电平，nmos管q15和q25打开，force1和force2为低电平。在驱动电平gdrive的作用下，pmos管q14和q24打开。由于gdrive足够大，mosfetq12和q22打开，电池b1和电池b2同时供电。但这种状态下客户需要使用两块剩余容量相似的电池。否则在理想二极管电路的作用下，电路将会选择电量高的供电，从而无法启动带载设备。

(3)当挂载多块电池且无带载设备时，等同于检测到带载设备的电流小于单个电池的额定电流，仅打开较低电压的电池通路。

(4)当仅挂载单路电池时，直接对外输出；mcu判断当前电池的带载能力，会提前做出过流保护的动作。

无论是挂载两块电池还是挂载更多块电池，本发明的控制方式是相同的。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。