(12)发明专利申请
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103872755 A(43)申请公布日 2014.06.18
(21)申请号 201210550168.0(22)申请日 2012.12.17
(71)申请人中国船舶重工集团公司第七0七研
究所
地址300131 天津市红桥区丁字沽一号路
268号(72)发明人张文杰 周吉 赵娜 王宏
辛玉龙(74)专利代理机构天津盛理知识产权代理有限
公司 12209
代理人王来佳(51)Int.Cl.
H02J 9/06(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图5页权利要求书1页 说明书4页 附图5页
(54)发明名称
一种双电源无缝切换电路(57)摘要
本发明涉及一种双电源无缝切换电路，包括主电源P1、备用电源P2、两个保护及滤波单元、两个二极管降压及切换单元，主电源P1和备用电源P2的输出分别经保险管F1和保险管F2后与各自的保护及滤波单元输入端连接，主电源P1回路的保护及滤波单元的输出端与主电源P1回路的二极管降压及切换单元连接，备用电源P2回路的保护及滤波单元的输出端与备用电源P2回路的二极管降压及切换单元连接，两个二极管降压及切换单元构成无缝切换的电能输出。本发明能够有效抵抗电快速瞬变脉冲群干扰和浪涌干扰，同时能够在主电源失电30nS内备用电源自动投入使用，具有环保耐用、效率高、寿命长及安全性高的特点。CN 103872755 ACN 103872755 A
权 利 要 求 书
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1.一种双电源无缝切换电路，其特征在于：包括主电源P1、备用电源P2、两个保护及滤波单元、两个二极管降压及切换单元，主电源P1和备用电源P2的输出分别经保险管F1和保险管F2后与各自的保护及滤波单元输入端连接，主电源P1回路的保护及滤波单元的输出端与主电源P1回路的二极管降压及切换单元连接，备用电源P2回路的保护及滤波单元的输出端与备用电源P2回路的二极管降压及切换单元连接，两个二极管降压及切换单元构成无缝切换的电能输出。
2.根据权利要求1所述的双电源无缝切换电路，其特征在于：所述两个保护及滤波单元完全对称，且负极共地，两个保护及滤波单元电路结构、参数相同。
3.根据权利要求1所述的双电源无缝切换电路，其特征在于：所述主电源P1回路的保护及滤波单元包括串接在保险管F1之后的二极管D4、并联在二极管D4的输出与电源负极之间的瞬态抑制二极管TVS1、连接在瞬态抑制二极管TVS1正极与机壳地之间的瞬态抑制器件RV1、连接在瞬态抑制二极管TVS1负极与机壳地之间的瞬态抑制器件RV2、并联在瞬态抑制二极管TVS1两端的共模扼流线圈L1，连接在共模扼流线圈L1正输出端与地之间抑制电快速脉冲群的安规电容C1、连接在共模扼流线圈L1负输出端抑制电快速脉冲群的安规电容C6、分别并联在共模扼流线圈L1输出端的滤波电容C3、C4、C5。
4.根据权利要求1所述的双电源无缝切换电路，其特征在于：所述主电源P1回路的二极管降压及切换单元包括依次串联在保护及滤波单元输出正极的二极管D3、二极管D_CHECK1及接地电容C2，二极管D_CHECK1及接地电容C2之间的节点为电源输出的正极VCC，二极管D3和二极管D_CHECK1之间的节点与备用电源P2回路的二极管降压及切换单元的场效应管栅极G连接；包括连接在保护及滤波单元输出正极与地之间由发光二极管D1、D2反向并联后与电阻R1串联的电源指示电路。
5.根据权利要求1所述的双电源无缝切换电路，其特征在于：所述备用电源P2回路的二极管降压及切换单元包括依次串联在保护及滤波单元输出正极的二极管D8、整流二极管D_vol_1、整流二极管D_vol_3、整流二极管D_vol_4、整流二极管D_vol_2、场效应管及接地电容C2，场效应管栅极G与主电源P1回路的二极管降压单元中二极管D3和二极管D_check1之间的节点连接；包括连接在整流二极管D_vol_4和整流二极管D_vol_2之间的节点与地之间，由发光二极管D5、D6反向并联后与电阻R2串联的电源指示电路。
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说 明 书
一种双电源无缝切换电路
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技术领域
[0001]
本发明属于电源领域，尤其是一种双电源无缝切换电路。
背景技术
随着科学技术的进步，各行业对于供电可靠性和稳定性的要求越来越高，很多场
合要求必须用两路电源来保证供电的可靠性。过去的两路电源切换方法，通常采用双二极管并联的方式，或继电器切换的方式，这两种方式都存在一定的弊端，对于前者，由于两路电源并联在一起，当备用蓄电池满电时电压会高于主电源，这时备用电源就会优先给负载供电，违背了主电源供电优先的原则，但此种技术成本较低，硬件电路实现方便，所以在功耗比较小的电路中应用还比较广泛；对于继电器切换的方式，继电器线圈电阻约1KΩ左右，所以继电器切换方式功耗较大、切换时间较慢，且簧片切换时会产生电火花，在特殊场所会引起危险，但继电器银合金触点电阻小，额定电流较大，有些特定要求的行业还会用到。
[0002]
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双电源无缝切换电路。
[0004] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的： [0005] 一种双电源无缝切换电路，包括主电源P1、备用电源P2、两个保护及滤波单元、两个二极管降压及切换单元，主电源P1和备用电源P2的输出分别经保险管F1和保险管F2后与各自的保护及滤波单元输入端连接，主电源P1回路的保护及滤波单元的输出端与主电源P1回路的二极管降压及切换单元连接，备用电源P2回路的保护及滤波单元的输出端与备用电源P2回路的二极管降压及切换单元连接，两个二极管降压及切换单元构成无缝切换的电能输出。 [0006] 而且，所述两个保护及滤波单元完全对称，且负极共地，两个保护及滤波单元电路结构、参数相同。 [0007] 而且，所述主电源P1回路的保护及滤波单元包括串接在保险管F1之后的二极管D4、并联在二极管D4的输出与电源负极之间的瞬态抑制二极管TVS1、连接在瞬态抑制二极管TVS1正极与地之间的瞬态抑制器件RV1、连接在瞬态抑 制二极管TVS1负极与地之间的瞬态抑制器件RV2、并联在瞬态抑制二极管TVS1两端的共模扼流线圈L1，连接在共模扼流线圈L1正输出端与地之间抵制电快速脉冲群的安规电容C1、连接在共模扼流线圈L1负输出端抵制电快速脉冲群的安规电容C6、分别并联在共模扼流线圈L1输出端的滤波电容C3、C4、C5。
[0008] 而且，所述主电源P1回路的二极管降压及切换单元包括依次串联在保护及滤波单元输出正极的二极管D3、二极管D_CHECK1及接地电容C2，二极管D_CHECK1及接地电容C2之间的节点为电源输出的正极VCC，二极管D3和二极管D_CHECK1之间的节点与备用电源P2回路的二极管降压及切换单元的场效应管栅极G连接；包括连接在保护及滤波单元输
[0003]
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说 明 书
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出正极与地之间由发光二极管D1、D2反向并联后与电阻R1串联的电源指示电路。 [0009] 而且，所述备用电源P2回路的二极管降压及切换单元包括依次串联在保护及滤波单元输出正极的二极管D8、整流二极管D_vol_1、整流二极管D_vol_3、整流二极管D_vol_4、整流二极管D_vol_2、场效应管及接地电容C2，场效应管栅极G与主电源P1回路的二极管降压单元中二极管D3和二极管D_check1之间的节点连接；包括连接在整流二极管D_vol_4和整流二极管D_vol_2之间的节点与地之间，由发光二极管D5、D6反向并联后与电阻R2串联的电源指示电路。
[0010] 本发明的优点和积极效果是： [0011] 1、本发明中的浪涌保护采用1500W的大功率瞬态抑制二极管，最大钳位电压36V，当输入电源两端受到瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达千瓦的浪涌功率，使两极间钳位于一个预定值，有效的保证了后端负载中的精密元器件，此种设计具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、无损坏极限、体积小巧等优点。 [0012] 2、本发明中的滤波采用共模扼流圈来实现，电子电路在工作的过程中既是一个电磁干扰的对象，同时也是一个电磁干扰源，我们选用4.7mH的共模扼流圈和56μH的电感，一方面要滤除信号线上的共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外界发出电磁干扰，起到很好的EMI滤波作用。 [0013] 3、本发明的无缝切换装置用场效应管来实现，它属于电压控制型半导体器件，在为导通时具有108Ω的输入阻抗，同时由于它导通时的电阻很小（仅0.02Ω），所以功耗很小，无缝切换部分是一种性能完善、安全可靠、操作方便、智 能化程度高的技术方案。 附图说明
[0014] [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020] [0021]
图1是本发明的电路框图；
图2是本发明的浪涌保护、滤波单元电路图； 图3是本发明浪涌保护、滤波单元输入、输出波形图； 图4是本发明的二极管降压、无缝切换单元电路图； 图5是本发明二极管降压、无缝切换单元输入、输出波形图； 图6是本发明在双电源工作正常时输入、输出波形图； 图7是本发明在主电源P1失电时输入、输出波形图； 图8是本发明抵抗电磁干扰的输入、输出波形图。
具体实施方式
[0022] 以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：本发明所述的实施例是说明性的，不是限定性的，不能以此实施例作为对本发明保护范围的限定。 [0023] 一种双电源无缝切换电路，如图1所示，包括主电源P1、备用电源P2、两个保护及滤波单元、两个二极管降压及切换单元，主电源P1和备用电源P2的输出分别经保险管F1和保险管F2后与各自的保护及滤波单元输入端连接，主电源P1回路的保护及滤波单元的输出端与主电源P1回路的二极管降压及切换单元连接，备用电源P2回路的保护及滤波单元的输出端与备用电源P2回路的二极管降压及切换单元连接，两个二极管降压及切换单
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元构成无缝切换的电能输出
[0024] 在本发明的具体实施中，所述主电源P1为24V,备用电源P2采用电压范围在20V～28V的备用蓄电池电源。 [0025] 在本发明的具体实施中，如图2所示，所述保险管采用参数为5A/250V的玻璃保险管F1。
[0026] 在本发明的电路中由于主电源P1回路与备用电源P2回路的保护及滤波单元的对称性，所以只对主电源P1回路的保护及滤波单元进行详细说明，备用电源P2回路与主电源P1回路结构相同，电路中器件参数的选用也相同。 [0027] 在本发明的具体实施中，如图2所示，所述主电源P1回路的保护及滤波单元包括串接在保险管F1之后的二极管D4、并联在二极管D4的输出与电源 负极之间的瞬态抑制二极管TVS1、连接在瞬态抑制二极管TVS1正极与地之间的瞬态抑制器件RV1、连接在瞬态抑制二极管TVS1负极与地之间的瞬态抑制器件RV2、并联在瞬态抑制二极管TVS1两端的共模扼流线圈L1，连接在共模扼流线圈L1正输出端与地之间抵制电快速脉冲群的安规电容C1、连接在共模扼流线圈L1负输出端抵制电快速脉冲群的安规电容C6、分别并联在共模扼流线圈L1输出端的滤波电容C3、C4、C5。 [0028] 其中，所述二极管D4的额定电流为3A。 [0029] 其中，所述瞬态抑制二极管TVS1的启动电压为36V。 [0030] 其中，所述共模扼流线圈L1为4.7mH，所述电感线圈L2为56μH。 [0031] 其中，RV1、RV2瞬态抑制器件对于线地之间的1KV电压有很好的抑制作用，同理，安规电容C1、C6能够对5KHZ、峰值2KV的电快速脉冲群有抵制作用。 [0032] 根据感抗的计算公式XL=2πfL可知，感抗XL和电感量L成正比，和频率f也成正比，对于2.5KHZ～5KHZ的群脉冲来说，我们选取4.7mH的共模扼流圈和56μH电感线圈比较合理。
[0033] 电源滤波使用的是大容量的电解电容，是用来去除直流电中工频波形（50Hz－100Hz）减小直流电的波动程度，即起平滑波形的作用，而去耦电容的容量很小，通常为0.01-0.1uF，是用来滤除电路在工作时产生的高频谐波成分，值得注意的是，大容量的电解电容是无法滤除高频谐波成分的，所以滤波单元部分采用大电容并联小电容的通用成熟架构，经过反复的软件仿真和硬件测量，此处选取470uF/50V电解电容、10uF/50V钽电容和0.1uF/50V的无极性瓷片电容并联滤除5KHZ的群脉冲效果最佳。 [0034] 图3为保护及滤波单元输入、输出波形图，输入为函数发生器产生的频率5KHZ、振幅10Vp的正弦波脉冲群，通过示波器的通道1我们能清楚的看到输入的波形图，经过浪涌保护、滤波单元后变成输出电压恒定、波形平滑的13.0V的直流电压，利用万用表测量电路中有6.3mA电流，可见经过上述单元后，整体压降幅度不大，同时，主电源P1指示灯D2发绿光，证明输出正常。
[0035] 在本发明的具体实施中，如图1或4所示，主电源P1回路的保护及滤波单元的负极与备用电源P2回路的保护及滤波单元的负极共地。 [0036] 在本发明的具体实施中，如图1或4所示，主电源P1回路的二极管降 压及切换单元包括依次串联在保护及滤波单元输出正极的二极管D3、二极管D_CHECK1及接地电容C2，二极管D_CHECK1及接地电容C2之间的节点为电源输出的正极VCC，二极管D3和二极管D_
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CHECK1之间的节点与备用电源P2回路的二极管降压及切换单元的场效应管栅极G连接，包括连接在保护及滤波单元输出正极与地之间由发光二极管D1、D2反向并联后与电阻R1串联的电源指示电路。
[0037] 备用电源P2回路的二极管降压及切换单元包括依次串联在保护及滤波单元输出正极的二极管D8、整流二极管D_vol_1、整流二极管D_vol_3、整流二极管D_vol_4、整流二极管D_vol_2、场效应管及接地电容C2，场效应管栅极G与主电源P1回路的二极管降压单元中二极管D3和二极管D_check1之间的节点连接，包括连接在整流二极管D_vol_4和整流二极管D_vol_2之间的节点与地之间，由发光二极管D5、D6反向并联后与电阻R2串联的电源指示电路。 [0038] 其中，所述的二极管D8、整流二极管D_vol_1、整流二极管D_vol_3、整流二极管D_vol_4、整流二极管D_vol_2的参数均为压降0.7V，额定电流3A。 [0039] 当备用电源P2电压高于或等于主电源P1电压时，备用电源P2要比主电源P1多流过4个整流二极管（此处未采用肖特基二极管），按照每个二极管压降0.7V来算，则4个整流二极管分得的电压时2.8V，由于此电路中场效应管的开启电压是4.0V，即源极S极要比栅极G极高4.0V场效应管才能导通，结合电路图可知，在主电源P124V的情况下，我们可以推算出若想让场效应管导通则备用电源P2至少要达到30.8V（24V+4V+2.8V），正常情况下，蓄电池充满电时电压不超过30V，所以此种设计方案能够保证双路电源正常时，优先选择主电源P1供电。
[0040] 图5提供了二极管降压及切换单元电路波形图，输入主电源P1选用频率1KHZ、振幅15Vp的正弦波（示波器通道1所示），备用电源P2选用30V的直流电来模拟蓄电池充满电的状态（示波器通道2所示），我们可以从示波器的通道4看到两路电源通过降压、切换单元后的波形平滑，毛刺较少，是理想的输出状态，同时也说明了在备用电源P2的稳定输出能够弥补主电源P1的脉冲群干扰。
[0041] 图6是双电源工作正常时的电路波形图，我们在主电源P1和备用电源P2端口上分别串联万用表测量电流，通过两次万用表的读数可知，在主电源P1和 备用电源P2同时以24V供电时，主电源P1会优先给负载供电，而备用电源P2输出的电流很小，只提供点亮备用电源P2指示灯D5的9.07mA电流即可，同时驱动负载的全部电流都来自主电源P1（主电源P1万用表读数为117.95mA），通过示波器通道4的波形可看出最终输出电压平滑稳定。 [0042] 对于主电源P1瞬间跌落、掉电的情况，图7给出了电路波形图，通道1显示主电源P1此时电压为0V，此时主电源P1状态指示灯D1、D2都不亮，我们可以确定此时是主电源P1失电的情况，通过示波器通道2读数可知备用电源P2工作正常，且电源状态指示灯D5发光，此时通过串联在电源端口的万用表电流读数可知，负载所需的105mA电流都是由备用电源P2提供，通过示波器通道4中的波形状态可看出，电源输出正常，波形平滑，无毛刺。图8是该方案抵抗电磁干扰的波形图，在图中，我们能看出作为输入的电源改成了频率为5KHZ、振幅为18Vp的脉冲波输入，通过并联在电源端口的万用表读数可知，群脉冲对电源的干扰与供电的优先权是无关的，因为主电源P1和备用电源P2的滤波电路部分基本相同，而群脉冲的谐波成分恰恰消耗在了滤波电路部分了，这点通过示波器通道1和通道2的对比可以发现(通道2为保护及滤波单元输出波形)，示波器通道4的波形图均呈一条平滑的直线，所以，此技术方案能到达理想效果。
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说 明 书 附 图
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