本发明公开了一种直流不间断电源,包括电连接的开关电源电路、充电电路、保护电路、升压电路电源、管理电路和锂电池;由于该直流不间断电源采用了以LTC1700为核心的升压电路、以LTC4002芯片为核心的充电电路保证了输出电压的稳定,并能适应不同输入电压的环境。当外接电源时,负载直接由外接电源驱动,充电电路单独为锂电池充电,确保了锂电池完成完整的充电循环。当外接电源撤离后,锂电池电压瞬间切换到升压电路,负载由锂电池电压经升压后驱动,效率可达90%,切换速度小于10ns,不需要很大的电容即可很好地驱动大负载。
1.一种直流不间断电源,其特征在于:所述直流不间断电源包括电连接的开关电源电路(1)、充电电路(2)、保护电路(3)、升压电路(4)、电源管理电路(5)和锂电池;所述充电电路(2)包括集成电路IC3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、稳压管DZ2、稳压管DZ3、发光二极管LED1、电感L3、负温度系数电阻NTC和P沟道MOS场效应管M1;集成电路IC3的1脚经串联的电容C11和电阻R6接地,集成电路IC3的2脚为IC3电源引脚,该引脚通过稳压管DZ3与开关电源电路(1)输出的直流电压Vout1连接,集成电路IC3的3脚接MOS场效应管M1的栅极,MOS场效应管M1的源极与集成电路IC3的2脚连接,MOS场效应管M1的漏极与电感L3的一端以及稳压管DZ2的负极端连接,电感L3的另一端接集成电路IC3的7脚,稳压管DZ2的正极端接地,集成电路IC3的4脚接地,集成电路IC3的5脚接发光二极管LED1负极端,发光二极管LED1正极端通过电阻R5接BAT端,BAT直接与锂电池的正极相连,集成电路IC3的6脚接电阻R7和电容C12的一端以及BAT端,电阻R7的另一端与集成电路IC3的7脚连接,电容C12的另一端接地,集成电路IC3的8脚经负温度系数电阻NTC接地。
2.如权利要求1所述的一种直流不间断电源,其特征在于:所述保护电路(3)包括集成电路IC4、电阻R8、电阻R9、电容C14、N沟道MOS场效应管M2和N沟道MOS场效应管M3;集成电路IC4的1脚接MOS场效应管M2的栅极,集成电路IC4的3脚接MOS场效应管M3的栅极,MOS场效应管M2的源极接锂电池的负极,MOS场效应管M2的漏极接MOS场效应管M3的漏极,MOS场效应管M3的源极接地,集成电路IC4的2脚通过电阻R9接地,集成电路IC4的4脚悬空,集成电路IC4的5脚接电阻R8和电容C14的一端,电阻R8的另一端接锂电池正极,电容C14的另一端接锂电池的负极,集成电路IC4的6脚接锂电池的负极。
3.如权利要求1或2所述的一种直流不间断电源,其特征在于:所述升压电路(4)包括集成电路IC5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电感L4、N沟道MOS场效应管M4和P沟道MOS场效应管M5;所述集成电路IC5的2脚接电阻R12的一端和电容C15的一端,电阻R12的另一端连接电容C16的一端,电容C15、电容C16的另一端接地,4脚接电容C17的一端,电容C17的另一端接地,3脚接电阻R10和电阻R11的一端,电阻R10另一端接地,电阻R11的另一端接Vout2端,10脚与MOS场效应管M4、MOS场效应管M5的漏极以及电感L4的一端相连,电感L4的另一端与接地的滤波电容C18、电容C19以及锂电池的正极BAT端连接,8脚接MOS场效应管M4的栅极,9脚接MOS场效应管M5的栅极,MOS场效应管M5的源极经接地电容C20、电容C21滤波后接电源管理电路(5)的Vout2端。技术领域
本发明涉及一种直流不间断电源,具体的说,涉及一种适用于低电压电子产品的直流不间断电源,属于电子技术领域。
背景技术
在当前的应用中,直流不间断电源的实现方式多为铅蓄电池方式。但是铅蓄电池因其体积硕大、造型笨重、难以便携、需要人工维护等缺点,很难在各个领域得到普及。相比而言,锂电池因其能量密度大、可随意造型、体积小重量轻等特点可被应用于不间断电源领域。随着科技的发展,在生产、生活中低电压特别是便携式的电子产品不断涌现,有些产品(如路由器等)自身并不配有蓄电池,只是由市电供电,这样一旦停电即无法使用,直接影响到生活和工作。
发明内容
本发明要解决的问题是针对以上不足,提供一种使用锂电池的适用于低电压电子产品的直流不间断电源。本发明也可做便携式移动电源使用。为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种直流不间断电源,其特征在于:所述直流不间断电源包括电连接的开关电源电路、充电电路、保护电路、升压电路电源、管理电路和锂电池;所述充电电路包括集成电路IC3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、稳压管DZ2、稳压管DZ3、发光二极管LED1、电感L3、负温度系数电阻NTC和P沟道MOS场效应管M1;集成电路IC3的1脚经串联的电容C11和电阻R6接地,集成电路IC3的2脚为IC3电源引脚,该引脚通过稳压管DZ3与开关电源电路输出的直流电压Vout1连接,集成电路IC3的3脚接MOS场效应管M1的栅极,MOS场效应管M1的源极与集成电路IC3的2脚连接,MOS场效应管M1的漏极与电感L3的一端以及稳压管DZ2的负极端连接,电感L3的另一端接集成电路IC3的7脚,稳压管DZ2的正极端接地,集成电路IC3的4脚接地,集成电路IC3的5脚接发光二极管LED1负极端,发光二极管LED1正极端通过电阻R5接BAT端,BAT直接与锂电池的正极相连,集成电路IC3的6脚接电阻R7和电容C12的一端以及BAT端,电阻R7的另一端与集成电路IC3的7脚连接,电容C12的另一端接地,集成电路IC3的8脚经负温度系数电阻NTC接地。一种优化方案,所述保护电路包括集成电路IC4、电阻R8、电阻R9、电容C14、N沟道MOS场效应管M2和N沟道MOS场效应管M3;集成电路IC4的1脚接MOS场效应管M2的栅极,集成电路IC4的3脚接MOS场效应管M3的栅极,MOS场效应管M2的源极接锂电池的负极,MOS场效应管M2的漏极接MOS场效应管M3的漏极,MOS场效应管M3的源极接地,集成电路IC4的2脚通过电阻R9接地,集成电路IC4的4脚悬空,集成电路IC4的5脚接电阻R8和电容C14的一端,电阻R8的另一端接锂电池正极,电容C14的另一端接锂电池的负极,集成电路IC4的6脚接锂电池的负极。另一种优化方案,所述升压电路包括集成电路IC5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电感L4、N沟道MOS场效应管M4和P沟道MOS场效应管M5;所述集成电路IC5的2脚接电阻R12的一端和电容C15的一端,电阻R12的另一端连接电容C16的一端,电容C15、电容C16的另一端接地,4脚接电容C17的一端,电容C17的另一端接地,3脚接电阻R10和电阻R11的一端,电阻R10另一端接地,电阻R11的另一端接Vout2端,10脚与MOS场效应管M4、MOS场效应管M5的漏极以及电感L4的一端相连,电感L4的另一端与接地的滤波电容C18、电容C19以及锂电池的正极BAT端连接,8脚接MOS场效应管M4的栅极,9脚接MOS场效应管M5的栅极,MOS场效应管M5的源极经接地电容C20、电容C21滤波后接电源管理电路5的Vout2端。xa0本发明采用上述技术方案,具有以下优点:由于该直流不间断电源采用了以LTC1700为核心的升压电路、以LTC4002芯片为核心的充电电路保证了输出电压的稳定,并能适应不同输入电压的环境。当外接电源时,负载直接由外接电源驱动,充电电路单独为锂电池充电,确保了锂电池完成完整的充电循环。当外接电源撤离后,锂电池电压瞬间切换到升压电路,负载由锂电池电压经升压后驱动,效率可达90%,切换速度10ns以内,不需要很大的电容即可很好地驱动大负载。由于锂电池的能量密度较大,加之芯片高度集成,该直流不间断电源整个设计可以做得很小,可作为随身移动电源,为各种数码产品充电。另外在工控领域,可以以极低的成本保证设备断电后的正常运作,避免宕机等一系列隐患。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
附图1为本发明实施例中直流不间断电源的电路框图;附图2为本发明实施例中开关电源电路的电路原理图;附图3为本发明实施例中充电电路的电路原理图;附图4为本发明实施例中保护电路的电路原理图;附图5为本发明实施例中升压电路的电路原理图;附图6为本发明实施例中电源管理电路的电路原理图;图中,1-开关电源电路,2-充电电路,3-保护电路,4-升压电路,5-电源管理电路。
具体实施方式
实施例,如图1所示,一种直流不间断电源,包括电连接的开关电源电路1、充电电路2、保护电路3、升压电路4、电源管理电路5和锂电池;如图2所示,开关电源电路1包括集成电路IC1、集成电路IC2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电抗器L1、电感L2、保险管F1、整流桥BR1、开关变压器T1、稳压管DZ1、二极管D1、二极管D2、二极管D3和光电耦合器OC,集成电路IC1为三端PWM开关芯片,其型号为TOP210PFI,集成电路IC2为三端稳压器,其型号为TL431CLP。交流220V输入电压经过保险管F1、电容C1、电抗器L1滤波,整流桥BR1整流后,得到直流高电压,该直流电压加到开关变压器T1初级线圈的一端,初级线圈的另一端加到三端PWM开关芯片的5脚;稳压管DZ1和二极管D1组成钳位电路,把开关变压器T1漏感引起的脉冲前沿尖峰电压限制到安全值;开关变压器T1的次级电压经二极管D2整流和电容C3、电容C5、电感L2滤波后,输出5V稳定电压Vout1。电抗器L1、电容C1、电容C8、电容C9用来减小传导辐射电流,以减小开关电源产生的射频干扰。开关变压器T1的反馈线圈两端电压经二极管D3整流,电阻R1、电容C6限流、滤波后,加到集成电路IC1的4脚即控制端,电容C6两端的电压由集成电路IC1来调整,以便稳定输出电压。开关电源电路1输出端的反馈电压由并联稳压芯片IC2的稳压值2.5V、光电耦合器OC的正向压降和电阻R2上的压降三者之和来决定。当输出端电压升高时,由于集成电路IC2两端的电压始终为2.5V,光电耦合器OC的输入电流增加,光电耦合器OC的输出三极管集电极c、发射极e间的等效电阻减小,二极管D3随之导通,集成电路IC1的4脚的电流增加,集成电路IC1的5脚输出的PWM脉冲的占空比减小,输出电压Vout1降低,实现稳压的目的。如图3所示,充电电路2包括集成电路IC3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、稳压管DZ2、稳压管DZ3、发光二极管LED1、电感L3、负温度系数电阻NTC和P沟道MOS场效应管M1,集成电路IC3为充电芯片,其型号为LTC4002ES8-4.2。集成电路IC3的1脚经串联的电容C11和电阻R6接地,集成电路IC3的2脚为IC3电源引脚,该引脚通过稳压管DZ3与开关电源电路1输出的直流电压Vout1连接,集成电路IC3的3脚接MOS场效应管M1的栅极,MOS场效应管M1的源极与集成电路IC3的2脚连接,MOS场效应管M1的漏极与电感L3的一端以及稳压管DZ2的负极端连接,电感L3的另一端接集成电路IC3的7脚,稳压管DZ2的正极端接地,集成电路IC3的4脚接地,集成电路IC3的5脚接发光二极管LED1负极端,发光二极管LED1正极端通过电阻R5接BAT端,BAT直接与锂电池的正极相连,当电路工作在充电状态时,发光二极管LED1发光,这样通过发光二极管LED1指示充电进行状态及充电结束状态,集成电路IC3的6脚接电阻R7和电容C12的一端以及BAT端,电阻R7的另一端与集成电路IC3的7脚连接,电容C12的另一端接地,集成电路IC3的8脚经负温度系数电阻NTC接地。该充电电路2的充电模式为:1:锂电池电压低于2.9V,进入0.1倍设定电流三角波充电。2:锂电池电压高于2.9V以后,进入设定电流快速充电模式。3:锂电池电压达到4.2V时,达到额定电压,充电终止。4:快速充电模式3小时电压仍未超过4.05V时,重启充电循环直至锂电池电压达到4.2V。如图4所示,保护电路3包括集成电路IC4、电阻R8、电阻R9、电容C14、N沟道MOS场效应管M2和N沟道MOS场效应管M3,集成电路IC4的型号为S8261。集成电路IC4的1脚接MOS场效应管M2的栅极,集成电路IC4的3脚接MOS场效应管M3的栅极,MOS场效应管M2的源极接锂电池的负极,MOS场效应管M2的漏极接MOS场效应管M3的漏极,MOS场效应管M3的源极接地,集成电路IC4的2脚通过电阻R9接地,集成电路IC4的4脚悬空,集成电路IC4的5脚接电阻R8和电容C14的一端,电阻R8的另一端接锂电池正极,电容C14的另一端接锂电池的负极,集成电路IC4的6脚接锂电池的负极。集成电路IC4负责监测锂电池的电池电压与充电回路电流,并控制MOS场效应管M2、MOS场效应管M3这两个MOS场效应管的栅极,两个MOS场效应管在电路中起开关作用,分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断,该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能,其工作过程具体分析如下:1:正常状态xa0在正常状态下,集成电路IC4的1脚与3脚都输出高电压,MOS场效应管M2、MOS场效应管M3这两个MOS场效应管都处于导通状态,锂电池可自由地进行充电和放电。xa02:过充电保护xa0当集成电路IC4检测到电池电压达到4.28V时,其3脚将由高电压转变为零电压,使MOS场效应管M3由导通转为关断,从而切断了充电回路,使充电回路无法再对电池进行充电,起到过充电保护作用。而此时由于MOS场效应管M3自带的二极管的存在,电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。xa0xa03:过放电保护xa0xa0在电池放电过程中,当集成电路IC4检测到电池电压低于3V时,其1脚将由高电压转变为零电压,使MOS场效应管M2由导通转为关断,从而切断了放电回路,使电池无法再对负载进行放电,起到过放电保护作用。而此时由于MOS场效应管M2自带的二极管的存在,充电器可以通过该二极管对锂电池进行充电。xa0xa04:过电流保护xa0锂电池在对负载正常放电过程中,放电电流在经过串联的MOS场效应管M2、MOS场效应管M3时,由于MOS场效应管的导通阻抗,会在其两端产生一个电压,该电压值U=I*R_DS*2,xa0R_DS为单个MOS场效应管的导通阻抗,集成电路IC4的2脚对该电压值进行检测,若负载因某种原因导致异常,使回路电流增大,当回路电流大到使U>0.1V时,其1脚将由高电压转变为零电压,使MOS场效应管M2由导通转为关断,从而切断了放电回路,使回路中电流为零,起到过电流保护作用。xa0xa0xa0xa0xa05:短路保护xa0xa0电池在对负载放电过程中,若回路电流大到使U>0.9V时,集成电路IC4则判断为负载短路,其1脚将迅速由高电压转变为零电压,使MOS场效应管M2由导通转为关断,从而切断放电回路,起到短路保护作用。如图5所示,升压电路4包括集成电路IC5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电感L4、N沟道MOS场效应管M4和P沟道MOS场效应管M5,集成电路IC5的型号为LTC1700升压芯片,集成电路IC5的1脚和9脚分别为信号接地端和功率接地端,2脚为误差放大器补偿端,该引脚的电压范围为0V至1.18V,3脚为反馈电压输入端,4脚为软启动和运行控制输入端,5脚为外部时钟输入/模式控制端,6脚为外部P沟道MOS场效应管M5的栅极驱动端,7脚为电源输出端,8脚为外部N沟道MOS场效应管M4的栅极驱动端,10脚检测信号输入端,集成电路IC5的2脚接电阻R12的一端和电容C15的一端,电阻R12的另一端连接电容C16的一端,电容C15、电容C16的另一端接地,4脚接电容C17的一端,电容C17的另一端接地,3脚接电阻R10和电阻R11的一端,电阻R10另一端接地,电阻R11的另一端接Vout2端,10脚与MOS场效应管M4、MOS场效应管M5的漏极以及电感L4的一端相连,电感L4的另一端与接地的滤波电容C18、电容C19以及锂电池的正极BAT端连接,8脚接MOS场效应管M4的栅极,9脚接MOS场效应管M5的栅极,MOS场效应管M5的源极经接地电容C20、电容C21滤波后接电源管理电路5的Vout2端。升压电路4的输入为锂电池输出电压端BAT电压,经高频电感L4与集成电路IC5的10脚以及MOS场效应管M4、MOS场效应管M5的漏极相连,MOS场效应管M4为NMOS,其型号为Si7686,MOS场效应管M5为PMOS,其型号为Si4435,MOS场效应管M4、MOS场效应管M5的控制栅极分别由集成电路IC5的8脚和6脚的输出控制,高频电感L4值为1.8uH,滤波电容C1值为330uF/16V。经测试,该升压电路4输入电压在3~4.2V之间,其输出电压能可靠稳定在5±0.02V。如图6所示,电源管理电路5包括集成电路IC6、P沟道MOS场效应管M6、P沟道MOS场效应管M7、电容C22和电阻R13,集成电路IC6的型号为LTC4412,升压电路4的输出Vout2端连接集成电路IC6的1脚,给IC6提供工作电压,集成电路IC6的1脚还与MOS场效应管M6的漏极连接,MOS场效应管M6的栅极与IC6的5脚相连,MOS场效应管M6的源极连接到IC6的6脚和电阻R13的一端,并与输出端的负载连接,电阻R13的另一端接IC6的4脚,MOS场效应管M7的漏极与开关电源电路1的输出电压端Vout1连接,MOS场效应管M7的栅极接IC6的4脚,MOS场效应管M7的源极接输出端的负载。电源管理电路5工作过程为:通过集成电路IC6的5脚控制MOS场效应管M6的导通和关断,来控制升压电路4输出的Vout2向负载供电,以及通过集成电路IC6的4脚控制MOS场效应管M7的导通和关断,来控制开关电源电路1输出的Vout1向负载供电,这样,在正常供电时,选择使用开关电源电路1的输出电压供负载使用,在断电时,使用升压电路4的输出电压供负载使用。最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。