专利名称：后置式后备电源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池组充电和向负载供电，以及直流功率输入变换为直流功率输出 的电源系统，尤其涉及用于个人电脑、服务器和存储器等数据信息设备的备用电源 系统。背景技术：
个人电脑、服务器、存储器等数据信息设备，工作时都需要正常的电力供应。 一旦断电，其内部存储器所保存的内容可能会立即消失。如果不是正常的断电，导 致其内存中的信息来不及保存到硬盘等存储设备上，就会造成信息因完全丟失或变 得不完整而失去价值，从而浪费大量的工作精力和时间，甚至造成巨大的经济损失。
而对于UNIX的操作系统，如果不正常关机，其内存中的系统信息没有读写到硬盘 上，还可能造成系统崩溃，无法再次启动。另外，这些设备中的硬盘，虽然应用的 是磁存储介质，不会因断电损失信息，但突然的电力故障会使正在进行读写工作的 硬盘物理磁头损坏，或者系统文件在维护文件系统时，造成文件分配表错误，从而 使整个硬盘报废。这些设备在工作时突然停电或者欠压供电，就可能带来其内存中 的信息被冲掉和/或硬盘数据丢失的后果。
在这种背景下，包括UPS(不间断电源)、SPS(备份/待命电源)、BBU(电池后备 单元)在内的各种后备电源解决方案应运而生，尤其是UPS伴随电力电子技术的发 展，不断推陈出新，在数十年间成就了一个崭新的产业。
其中UPS—Uninterr叩ted Power Supply不间断电源是一种含有储能装置， 以逆变器为主要部件，稳压稳频输出的电源设备。当市电正常输入时，UPS就将巿 电滤波、稳压后供给负载使用，同时对设备内的电池充电，把能量储存在该电池中， 当市电因各种原因中断或输入故障时，UPS即将设备内电池的能量转换为交流电继 续供负载使用，使负载维持正常工作。
SPS—Standby Power Su卯ly备份/待命电源内含一定容量的电池，当巿电因各 种原因中断或输入故障时，能提供一定后备时间的电源模块，其工作原理和结构比 UPS简单。
BBU-Battery Backup Unit电池后备单元是电池或电池组，当巿电因各种原因 中断或输入故障时，提供备份电源， 一般不具备稳压输出功能。现有技术后备电源系统，包括三种方案
第一种方案，如图4所示，采用UPS或SPS电源设置于巿电输入和AC/DC变换 器之间，当巿电正常时巿电经UPS或SPS进到AC/DC变换器；当巿电异常时由UPS 或SPS把自身的电池能量经过转换后提供给AC/DC变换器，从而继续给设备提供电 源。
其缺点如下
① 效率低
从电路方框结构示意图上看，如图4所示，该方案是把UPS或SPS置于AC/DC 变换器之前，而不是直接接到设备的各功能板(主板或背板)上，这样使一部分能量 在中间的转换环节上损耗掉了，因为中间环节的转换效率是有限的，中间环节越多， 总的效率越低。
② 可靠性差
因为电路的中间环节如AC/DC、 DC/DC变换器等，只要任何一个中间环节发生 故障，后级电路便失去电力，即使UPS或SPS正常，也不能给各功能板(主板或背板) 提供电力。
③ 成本高
UPS或SPS本身包括很多电路功能单元，线路复杂，结构多样，因此物料成本、 设计成本、制造成本都高。如果要实现UPS或SPS冗余备份的话，成本更高。
④ 体积大，占用空间
UPS或SPS往往体积较大，难以实现和数据信息设备的集成一体化。
第二种方案，如图5所示，BBU (电池后备单元)置于DC/DC变换器(一般是 48V输入)的输入端，当市电因各种原因中断或输入故障时，由其继续给设备提供 电源。
其缺点如下
① 效率低
从电路方框结构示意图上看，如图5所示，该方案是把BBU置于DC/DC变换器 之前，而不是直接连接到设备的各功能板(主板或背板)上，这样一部分能量就在 DC/DC变换器上损耗掉了。
② 可靠性差
因为电路的中间环节DC/DC变换器若发生故障，后级电路便失去电力，即使BBU
正常，也不能给各功能板(主板或背板)提供电力。
③ 体积大，占用空间48V电池组一般需要多个12V或6V蓄电池串联组成，往往体积也是比较大的。 (D维护难
蓄电池是需要定期检查维护的，由于48V蓄电池一般比较大，比较笨重.不便 于更换安装；同时由于电池电极和后级电路的连接一般是通过电缆头紧固连接的， 所以无法实现热拔插功能。
第三种方案，如图6所示，是把BBU直接置于设备各功能板(主板或背板)上， 当巿电因各种原因中断或输入故障时，由其直接给设备最关键的功能单元(主要是 内存)供电。
其缺点如下
由于各功能板空间有限， 一般直接置于其上的BBU容量都比较小，只能提供部 分功能电路需要的电源(主要是内存)，而无法处理对其它功能板的保护,包括人工 直接干预处理更多的业务进程。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种后置 式后备电源系统，该后备电源系统具有转换效率高、可靠性好、体积小和功率大的 优点，并且便于安装、更换和维护。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是
提供一种后置式后备电源系统后置式后备电源系统，包括电池后备单元，并涉
及数据信息设备的各功能板组件；所述电池后备单元直接并联在所述数据信息设备 的各功能板组件的输入端与各该功能板组件前级电源变换器的输出端之间；当市电 和各功能板组件前级电源变换器正常时，所述巿电借助各功能板组件前级电源变换 器给所述数据信息设备的各功能板组件提供电力，并对所述电池后备单元内的电池 进行充电；当市电异常或者所述数据信息设备的各功能板组件输入端的前级电源变 换器出现故障时，所述电池后备单元不需要通过任何中间转换环节而直接给所述数 据信息设备的各功能板组件提供电力。
上述电池后备单元为可热拔插、冗余备份的电池后备单元,包括输入输出连接 器、热拔插电路、充电电路、充电电池和输出控制电路，所述输入输出连接器包括 输入端和输出端;所述输入输出连接器的输入端与所述热拔插电路电连接，所述热 拔插电路与充电电路电连接，所述充电电路电连接到所述充电电池的正极和负极， 所述充电电池的正极和负极直接电连接或经过输出控制电路电连接到所述输入输
7出连接器的输出端。
同现有技术相比较，本发明后置式后备电源系统的有益效果在于
1、 通过减少后备电源同一电路内的中间串联环节，避免了现有技术造成的效 率低下，提高了后备电源系统的转换效率，实现绿色节能；同时，也降低了故障概率，
提高了后备电源系统的可靠性；
2、 通过可热拔插、冗佘、小形化设计，使单个BBU不致于过大、过重，便于 安装、更换和维护；
3、 采用多个BBU以N+1冗余来满足设备对大功率的需求，即在满足该设备只需 要N个BBU的情况下，另额外增加一个BBU来防止出现意外事故时功率不够的问题；
4、 避免了现有技术高成本或者是BBU容量小的缺点；
5、 实现后备电源既可内置于各数据信息设备内，与该数据信息设备一体化； 也可以外置，方便扩大容量。
图l是本发明后置式后备电源系统的电原理方框示意图2是所述后备电源系统之电池后备单元的电原理方框示意图； 图3是所述后备电源系统之电池后备单元中输出控制电路的电原理示意图； 图4是现有技术电源系统第一种方案的电原理方框示意图； 图5是现有技术电源系统第二种方案的电原理方框示意图； 图6是现有技术电源系统第三种方案的电原理方框示意图。
具体实施方式
下面结合各附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1, 一种后置式后备电源系统IOO,包括电池后备单元130，即BBU，并涉及 数据信息设备的各功能板组件110;所述电池后备单元130直接并联在所述数据信息 设备的各功能板组件no的输入端与各该功能板组件110前级电源变换器的输出端 之间，就是将电池后备单元130并联于数据信息设备的各功能板组件110的前级电 源AC/DC变换器200 (有的数据信息设备里没有DC/DC变换器300 )或者DC/DC变 换器300的输出端与所述数据信息设备的各功能板组件110的输入端之间。当巿电 和各功能板组件110前级各变换器正常时,所述巿电借助各功能板组件no前级各 变换器给所述数据信息设备的各功能板组件HO提供电力，并对电池后备单元130 内的电池进行充电，即充电电源来自AC/DC变换器200或DC/DC变换器300的输出；当市电异常或者所述数据信息设备的各功能板组件110输入端的前级各变换器出现 故障时，所述电池后备单元130不需要通过任何中间转换环节而直接给所述数据信 息设备的各功能板组件iio提供电力，确保数据信息设备的各功能板组件110的后 级电路仍继续工作。
参见图1和图2，上述电池后备单元130为可热拔插、冗余备份的电池后备单 元，包括输入输出连接器131、热拔插电路132、充电电路133和充电电池134,所述 输入输出连接器131包括输入端1311和输出端1312;所述输入输出连接器131的输 入端1311与所述热拔插电路132电连接，所述热拔插电路132与充电电路133电 连接，所述充电电路133电连接到所述充电电池134的正极和负极，所述充电电池 134的正极和负极直接电连接或经过输出控制电路135电连接到所述输入输出连接 器131的输出端1312。
所述充电电池134是高放电倍率的充电电池，包括阀控式铅酸蓄电池和锂离子 电池。阀控式铅酸蓄电池的英文名称为Valve Regulated Lead Acid Battery(简称 VRLA电池)，其基本特点是使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏 酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有单向排气阀(也叫安全阀)，该阀的作用是当电 池内部气体量超过一定值(通常用气压值表示)，即当电池内部气压升高到一定值 时，排气阀自动打开，排出气体，然后自动关阀，防止空气进入电池内部。
在维护时为确保电池后备单元130的插拔不致中断数据信息设备的正常工作， 电池后备单元130设置了可热拔插功能的电路。热拔插电路132主要是用于防止在 不关闭电源的情况下，该电池后备单元130拔插过程中出现大的电流或电压波动导 致烧毁某个配件，从而造成整个数据信息设备工作不正常。该热拔插电路132为现
有技术。
充电电路133是电池后备单元130必备的电路，用以实现对充电电池134的充 电管理。该充电电路133也是现有技术。
参见图2，为便于监测和维护，上述输入输出连接器131还包括监控信号接线 端子1313，通过该监控信号接线端子1313可监控所述电池后备单元130的工作状 态。
参见图2,上述电池后备单元130还包括输出控制电路135，所述输出控制电路 135电连接在所述充电电池134与所述输入输出连接器131的输出端之间；所述输出 控制电路135用于把所述电池后备单元130内的充电电池134电压变换到规定的电压值，同时确保带负载时所述电池后备单元130内的充电电地134放电电流不至于 过大和/或不会过度放电。
参见图3,上述输出控制电路135包括两个集成电路U2、U3、三个场效应管CS9、 CSll、 CS15、两个电感L1、 L2、四个电阻R3 R5、 R7和四个电容C2、 C7、 C8、 C25。 它们的连接关系如下
参见图3，所述场效应管CS15的栅极接使能控制脚EN，源极接地，漏极接所述集 成电路U2的脚28;所述集成电路U2的两脚28、 26之间接有电阻R3，两脚27、 26 之间接有所述电阻M,并且脚26还通过电容C25后接地，脚25通过电阻R7接地， 两脚24、 22直接接地,脚23通过电容C2接地，脚21与所述集成电路U3的脚33相 连接；所述集成电路U3的脚31接所述场效应管CS11的栅极，两脚32、 38之间接 有电容C7,脚38接所述场效应管CS9的漏极，脚34接地，脚35接所述场效应管CS9 的栅极，两脚36、 37相连后接所述集成电路U2的脚26;所述电感L1 一端接所述集 成电路U2的脚26,其另 一端接所述场效应管CS9的漏极及通过所述电容C8接所述 场效应管CS11的源极;所述两场效应管CS9、 CS11的源极之间接有电感L2;所述场 效应管CS9的源极接地;所述场效应管CS11的漏极通过所述电阻R5接所述集成电 路U2的脚25。
参见图3，所述场效应管CS9同场效应管CS10并联，所述场效应管CS11同场效 应管CS12并联，即所述并联两场效应管的栅极、源极和漏极都分别互相连接。
参见图3,上述输出控制电路135还包括两个电阻R2、 R6、稳压二极管ZD1和 三个电容C6、 C23、 C36。两个电阻R2、 R6串联接在集成电路U2的脚21和集成电 路U3的脚37之间；稳压二极管ZD1的负极接在两个电阻R2、 R6之间，稳压二极管 ZD1的正极接地；电容C6并联在稳压二极管ZD1两端；电容C23接在集成电路U2的 脚26和地之间；电容C36接在场效应管CS11的漏极和地之间。
所述集成电路U2是非同步整流控制芯片，该芯片具有恒功率控制功能，型号为 MC34063;所述集成电路U3是同步整流驱动芯片，型号为ISL6613。
参见图1至图3，上述输出控制电路135的EN是使能控制脚；当EN为高电平时， 输出控制电路135被禁止工作；当EN为低电平时，输出控制电路135被允许工作； EN直接和数据信息设备的各功能板组件110的前级电源AC/DC变换器(有的数 据信息设备里没有DC/DC变换器300 )或者DC/DC变换器300的PG信号连接，该PG 信号用以指示AC/DC变换器200或DC/DC变换器300的输出是否正常。场效应管CS11 的漏极是输出Vout的正极。集成电路U2的脚26是输入Vin的正极，即充电电池134 的正极。
10参见图3,整个输出控制电路13S是一个Sepic变换电路，用于把所述电池后备 单元130内的充电电池134电压变换到规定的电压值，同时确保带负载时所述电池 后备单元130内的充电电池134放电电流不至于过大和/或不会过度放电。
非同步整流控制芯片和同步整流驱动芯片的结合使得本发明的输出控制电路 135能以极低的成本实现了大功率同步整流Sepic拓扑变换电路，而现有技术Sepic 变换电路由于没有专门的同步整流控制芯片配套，使得Sepic变换电路无法应用于 大功率场合，因此效率低，也无法解决散热的问题。这种非同步整流控制芯片和同 步整流驱动芯片的结合技术同样还适用于Boost、 Zeta、 Cuk等拓扑的变换电路， 实现其高效率和大功率输出。
所述电池后备单元130各部分都安装在同一壳体中集成为一体。拓宽了充电电 池134的使用范围，而不局限于充电电池134本身的电压和连接方式等因素带来的 弊端，并且更安全和美观。
为保证电池后备单元130的充分可靠性，所述电池后备单元130根据所述数据 信息设备的各功能板组件110的功耗来选用，并以N+l冗余来满足该数据信息设备
的各功能板组件iio对大功率的需求，即在满足该数据信息设备的各功能板组件no
只需要N个电池后备单元130的情况下，另额外增加一个所述电池后备单元130。 所述电池后备单元130可内置于各数据信息设备内，与该数据信息设备一体化，
即在所述数据信息设备的各功能板组件iio上设置有与所述输入输出连接器131适 配的N+l个连接器插座；N+l个所述电池后备单元130的输入输出连接器131分别直 接插入到所述数据信息设备的各功能板组件110上的N+l个所述连接器插座内，N+1 个所述连接器插座并联电连接到所述数据信息设备的各功能板组件no的输入端， 其中N>1。或者是，在安装时，先把每一个所述电池后备单元130并联到一个总的输 入输出连接器,所述数据信息设备的各功能板组件no上设置有与该总的输入输出 连接器适配的一个连接器插座，该总的输入输出连接器直接插入到所述数据信息设 备的各功能板组件110上的所述连接器插座内，所述连接器插座电连接到所述数据 信息设备的各功能板组件110的输入端。
或者是，所述电池后备单元130也可以外置，方便扩大容量，即先把每一个所 述电池后备单元130并联起来，整个并联后的所述电池后备单元130设置在所述数 据信息设备的各功能板组件110外,用带有导线的接头与所述数据信息设备的各功 能板组件110的输入端电连接。
参见图3，由于输出控制电路135的集成电路U2是带有恒功率控制功能的，即输出功率大于该电路设计的额定值时其输出功率就被限定在该额定值上，而不能再 增加，由图3中的电阻R4来设定。这样的好处是避免多个电池后备单元130并联
运行时，当某个电池后备单元130超功率运行后，来保护电地后备单元130中的电 充电电池134。比如每个电池后备单元130的额定功率设定为200W (12V/16. 6A), 假若数据信息设备需要的功率是1000W，电池后备单元130 —般采用N+I备份冗余, 那么需要5+1个电池后备单元130并联，这时每个电池后备单元130理论上的负载 是166.6W，不会超过200W，但由于某种因素导致负载不均衡，使得某个电池后备单 元130的输出电流瞬间超过16. 6A，假如是20A,则其输出电压马上降到10V,保持 输出功率为200W不变，同时由于其输出电压趺落下来，根据欧姆定律其输出电流 也会快速回落，从而维持电池后备单元130的负载均衡(即有限性负载均衡,就是 在电流超出额定值后才进行均衡)。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但 并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些
都属于本发明的保护范围；因此,凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，
均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
1权利要求
1.一种后置式后备电源系统(100)，包括电池后备单元(130)，并涉及数据信息设备的各功能板组件(110)；其特征在于所述电池后备单元(130)直接并联在所述数据信息设备的各功能板组件(110)的输入端与各该功能板组件(110)前级电源变换器的输出端之间；当市电和各功能板组件(110)前级电源变换器正常时，所述市电借助各功能板组件(110)前级电源变换器给所述数据信息设备的各功能板组件(110)提供电力，并对所述电池后备单元(130)内的电池进行充电；当市电异常或者所述数据信息设备的各功能板组件(110)输入端的前级电源变换器出现故障时，所述电池后备单元(130)不需要通过任何中间转换环节而直接给所述数据信息设备的各功能板组件(110)提供电力。
2.根据权利要求l所述的后置式后备电源系统，其特征在于所述电池后备单元(130)为可热拔插、冗余备份的电池后备单元,包括输入 输出连接器(131)、热拔插电路(132)、充电电路(133)和充电电池(134),所述输 入输出连接器(131)包括输入端(1311)和输出端(1312);所述输入输出连接器 (131)的输入端(1311)与所述热拔插电路(132)电连接，所述热拔插电路(132) 与充电电路(133)电连接，所述充电电路(133)电连接到所述充电电池(134)的正 极和负极，所述充电电池(134)的正极和负极电连接到所述输入输出连接器(131) 的输出端(1312)。
3.根据权利要求2所述的后置式后备电源系统，其特征在于所述输入输出连接器(131)还包括监控信号接线端子(1313)，通过该监控信 号接线端子(1313)可监控所述电池后备单元(130)的工作状态。
4.根据权利要求2所述的后置式后备电源系统，其特征在于所述电池后备单元(130)还包括输出控制电路(135),所述输出控制电路 (135)电连接在所述充电电池(134)与所述输入输出连接器(131)的输出端之间；压变换到规定的电压值，同时确保带负载:所述电池后备单元(130)内的充电电 池(134)放电电流不至于过大和/或不会过度放电。
5. 根据权利要求4所述的后置式后备电源系统，其特征在于.所述输出控制电路(135)包括两个集成电路U2、U3、三个场效应管CS9、CS11、 CS15、两个电感L1、 L2、四个电阻R3-R5、 R7和四个电容C2、 C7、 C8、 C25;所述场效应管CS15的栅极接使能控制脚EN,源极接地,漏极接所述集成电 路112的脚(28);所述集成电路U2的两脚(28、 26)之间接有电阻R3，两脚(27、 26)之间接有电阻R4,脚(26)通过电容C25接地，脚(25)通过电阻R7接地，两脚 (24、 22)直接接地，脚(23)通过电容C2接地，脚(21)与所述集成电路U3的脚(33) 相连接;.所述集成电路U3的脚(31)接所述场效应管CS11的栅极，两脚(32、 38) 之间接电容C7,脚(38)接所述场效应管CS9的漏极，脚(34)接地，脚(35)接所述 场效应管CS9的栅极，两脚(36、 37)相连后接所述集成电路(J2的脚(26);所述 电感Ll 一端接所述集成电路U2的脚(26)，其另 一端接所述场效应管CS9的漏极 及通过电容C8接所述场效应管CS11的源极；所述两场效应管CS9、 CS11的源 极之间接有电感L2;所述场效应管CS9的源极接地；所述场效应管CS11的漏极 通过所述电阻R5接所述集成电路U2的脚(25)。
6. 根据权利要求5所述的后置式后备电源系统，其特征在于所述集成电路U2是非同步整流控制芯片，型号为MC34063。
7. 根据权利要求5所述的后置式后备电源系统，其特征在于所述集成电路U3是同步整流驱动芯片，型号为ISL6613。
8. 根据权利要求5所述的后置式后备电源系统，其特征在于所述场效应管CS9同场效应管CS10并联，所述场效应管CS11同场效应管 CS12并联，即所述并联两场效应管的栅极、源极和漏极都分别互相连接。
9. 根据权利要求2所述的后置式后备电源系统，其特征在于所述充电电池(134)是高放电倍率的充电电池，包括阀控式铅酸蓄电池和锂 离子电池。
10. 根据权利要求l至9任一项所述的后置式后备电源系统，其特征在于所述电池后备单元(130)各部分都安装在同一壳体中集成为一体;所述电池 后备单元(130)根据所述数据信息设备的各功能板组件(110)的功耗来选用，并 以N+l冗余来满足该数据信息设备的各功能板组件(110)对大功率的需求，即在满足该数据信息设备的各功能板组件aiO)只需要N个电池后备单元(130)的情 况下，另额外增加一个所述电池后备单元(130);所述数据信息设备的各功能板组件(110)上设置有与所述输入输出连接器 (131)适配的N+l个连接器插座，N+l个所述电池后备单元(130)的输入输出连接 器(131)分别直接插入到所述数据信息设备的各功能板组件(110)上的N+l个所 述连接器插座内，N+1个所述连接器插座并联电连接到所述数据信息设备的各功 能板组件(110)的输入端，其中N> 1;或者是，安装时，先把每一个所述电池后备 单元(130)并联到一个总的输入输出连接器，所述数据信息设备的各功能板组件 (IIO)上设置有与该总的输入输出连接器适配的连接器插座，该总的输入输出连 接器直接插入到所述数据信息设备的各功能板组件(110)上的所述连接器插座内，所述连接器插座电连接到所述数据信息设备的各功能板组件(iio)的输入端;或者是，先把每一个所述电池后备单元(130)并联起来，整个并联后的所述电池后备单元(i3o)设置在所述数据信息设备的各功能板组件ai0)夕卜，用带有导线 的接头与所述数据信息设备的各功能板组件aio)的输入端电连接。
全文摘要
一种后置式后备电源系统，包括电池后备单元，并涉及数据信息设备的各功能板组件；电池后备单元直接并联在数据信息设备的各功能板组件的输入端与各该功能板组件前级电源变换器的输出端之间；当市电和各功能板组件前级电源变换器正常时，市电借助各功能板组件前级电源变换器给数据信息设备的各功能板组件提供电力，并对电池后备单元内的电池进行充电；当市电异常或者数据信息设备的各功能板组件输入端的前级电源变换器出现故障时，电池后备单元不需要通过任何中间转换环节而直接给数据信息设备的各功能板组件提供电力。本发明后备电源系统具有转换效率高、可靠性好、体积小和功率大的优点，并且便于安装、更换和维护。
文档编号H02J7/00GK101685978SQ20081021642
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者田志刚, 韦永奎 申请人:韦永奎;田志刚