TW202529356A - 儲能裝置與相關的操作方法 - Google Patents

Abstract

一種儲能裝置包含電源線、電池、雙向開關電路、整流電路以及處理器。電源線用於耦接於負載，並用於接收輸入電壓以使用輸入電壓對負載供電。雙向開關電路包含依序串聯耦接於電源線與電池之間的第一電晶體和第二電晶體。第一電晶體和第二電晶體背對背連接。整流電路並聯耦接於第一電晶體，且用於在輸入電壓小於電壓閾值時導通，以使電池透過第二電晶體與整流電路對電源線放電。處理器耦接於雙向開關電路，用於在輸入電壓小於電壓閾值時，導通雙向開關電路以使電池透過第一電晶體和第二電晶體對電源線放電。

Description

儲能裝置與相關的操作方法

本揭示文件有關供電技術，尤指能避免不正常放電的儲能裝置與相關的操作方法。

隨著遠端工作與遠端教學的需求增加以及人工智慧技術的興起，雲端資料中心的伺服器數量與總功率不斷增加。因此，資料中心的備援電源大多採用具有瞬間大功率放電能力的備援電池模組（Backup Battery Unit）備援電池模組，變壓器提供的輸入電壓會經由備援電池模組輸入伺服器。然而，即使在正常操作的情況下，輸入電壓也可能會在一定的範圍內變化，而若輸入電壓低於備援電池模組的放電電壓，備援電池模組便會不正常地放電且損失儲存的電能。

本揭示文件提供一種儲能裝置，其包含電源線、電池、雙向開關電路、整流電路以及處理器。電源線用於耦接於負載，並用於接收輸入電壓以使用輸入電壓對負載供電。雙向開關電路包含依序串聯耦接於電源線與電池之間的第一電晶體和第二電晶體。第一電晶體和第二電晶體背對背連接。整流電路並聯耦接於第一電晶體，且用於在輸入電壓小於電壓閾值時導通，以使電池透過第二電晶體與整流電路對電源線放電。處理器耦接於雙向開關電路，用於在輸入電壓小於電壓閾值時，導通雙向開關電路以使電池透過第一電晶體和第二電晶體對電源線放電。

本揭示文件提供一種操作方法，其適用於儲能裝置。儲能裝置包含電源線、電池、雙向開關電路、整流電路以及處理器。雙向開關電路包含依序串聯耦接於電源線與電池之間的第一電晶體和第二電晶體，且第一電晶體和第二電晶體背對背連接。整流電路並聯耦接於第一電晶體。操作方法包含以下步驟：透過電源線接收輸入電壓並使用輸入電壓對負載供電；響應於輸入電壓小於電壓閾值，自動導通整流電路，以使電池透過第二電晶體與整流電路對電源線放電；響應於輸入電壓小於電壓閾值，利用處理器導通雙向開關電路，以使電池透過第一電晶體和第二電晶體對電源線放電；以及響應於雙向開關電路導通，自動關斷整流電路。

上述儲能裝置與操作方法的部分優點在於及時補償電力缺口、降低發熱以及避免電池不正常放電。

以下將配合相關圖式來說明本揭示文件的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。

第1圖為根據本揭示文件一實施例的儲能裝置100簡化後的功能方塊圖。儲能裝置100包含電源線110、電池120、雙向開關電路130、整流電路140、處理器150、控制電路160以及分壓電路170。電源線110用於耦接於外部的負載10，其中負載10在一些實施例中可以是記憶體與記憶體控制晶片的組合。電源線110還用於自外部的電源供應器20接收輸入電壓Vin，以使用輸入電壓Vin對負載10供電。雙向開關電路130包含第一電晶體M1和第二電晶體M2。第一電晶體M1和第二電晶體M2依序串聯耦接於電源線110與電池120之間，其中第一電晶體M1和第二電晶體M2背對背連接。

在本實施例中，第一電晶體M1和第二電晶體M2使用P型電晶體實現，背對背連接指的是第一電晶體M1和第二電晶體M2透過源極互相耦接。詳細而言，第一電晶體M1的第一端（例如，汲極）耦接於電源線110，第一電晶體M1的第二端（例如，源極）與本體（Body）耦接於第一節點N1。第二電晶體M2的第一端（例如，汲極）耦接於電池120。第二電晶體M2的第二端（例如，源極）與本體耦接於第一節點N1。第一電晶體M1包含體二極體Dbd1，體二極體Dbd1的陽極端與陰極端分別耦接於電源線110與第一節點N1。第二電晶體M2包含體二極體Dbd2，體二極體Dbd2的陽極端與陰極端分別耦接於電池120與第一節點N1。

整流電路140並聯耦接於第一電晶體M1，且用於在輸入電壓Vin小於一電壓閾值時導通，以使電池120透過第二電晶體M2（例如，第二電晶體M2的體二極體Dbd2）與整流電路140對電源線110放電，以在一定時間中維持負載10的正常運作。整流電路140包含N個二極體Df1~DfN，其中二極體Df1~DfN 串聯於電源線110與第一節點N1之間，且N為大於或等於2的正整數。前述電壓閾值關聯於二極體Df1~DfN的臨界電壓、體二極體Dbd2的臨界電壓以及電池120的放電電壓Vbat，其中電壓閾值可以由以下的《公式一》得出。 《公式一》

在上述《公式一》中，「Vth」代表電壓閾值；「Vbd2」代表體二極體Dbd2的臨界電壓；「Vf」代表二極體Df1~DfN每一者的臨界電壓。當輸入電壓Vin小於電壓閾值時，電池120會透過體二極體Dbd2與二極體Df1~DfN對電源線110放電。由於放電電壓Vbat可以透過電池中電芯的連接方式與數量決定，且體二極體Dbd2的臨界電壓與二極體Df1~DfN的臨界電壓可以透過半導體製程決定，所以電壓閾值可透過《公式一》在電路設計過程中決定。

處理器150透過控制電路160耦接於雙向開關電路130。處理器150用於在輸入電壓Vin小於電壓閾值時，導通該雙向開關電路130，以使電池120透過第一電晶體M1和第二電晶體M2對電源線110放電。詳細而言，分壓電路170耦接於電源線110，且用於分壓輸入電壓Vin以產生參考電壓Vref。分壓電路170包含第一電阻R1和第二電阻R2，其中第一電阻R1和第二電阻R2串聯耦接於電源線110和接地端之間。第一電阻R1和第二電阻R2之間的第二節點N2耦接於處理器150，且第二節點N2用於產生參考電壓Vref。處理器150用於依據參考電壓Vref判斷輸入電壓Vin的大小，進而判斷輸入電壓Vin與電壓閾值之間的大小關係。如前所述，電壓閾值是可以在電路設計過程中決定的參數，故電壓閾值可以事先儲存在處理器150的記憶體中。

值得一提的是，當輸入電壓Vin大於或等於電壓閾值時，整流電路140會自動關斷，且處理器150會關斷雙向開關電路130。因此，關斷的整流電路140、關斷的第二電晶體M2、以及逆偏的體二極體Dbd2會電性隔離電源線110與電池120。

控制電路160耦接於第一電晶體M1的控制端（例如，閘極端）與第二電晶體M2的控制端（例如，閘極端），且耦接於處理器150。控制電路160用於輸出開關訊號Ssw以控制第一電晶體M1和第二電晶體M2。處理器150用於依據輸入電壓Vin與電壓閾值之間的大小關係控制控制電路160，進而控制開關訊號Ssw在不同的第一電壓準位（例如，高電壓準位）與第二電壓準位（例如，低電壓準位）之間切換。

詳細而言，控制電路160包含第三電晶體M3，第三電晶體M3在一實施例中由N型電晶體實現。第三電晶體M3的第一端（例如，汲極端）用於輸出開關訊號Ssw，且耦接於第一電晶體M1的控制端與第二電晶體M2的控制端。第三電晶體M3的第一端還透過第三電阻R3耦接於第一節點N1。第三電晶體M3的控制端（例如，閘極端）透過第四電阻R4耦接於處理器150，以使處理器150能夠依據輸入電壓Vin與電壓閾值之間的大小關係控制第三電晶體M3，進而控制開關訊號Ssw。第三電晶體M3的控制端還可透過第五電阻R5接地。第三電晶體M3的第二端（例如，源極端）耦接於接地端。

第2圖為根據本揭示文件一實施例的操作方法200，其中操作方法200適用於第1圖的儲能裝置100。在步驟S210中，透過電源線110，儲能裝置100自電源供應器20接收輸入電壓Vin，且電源線110使用輸入電壓Vin對負載10供電。

在步驟S220中，響應於輸入電壓Vin小於電壓閾值，整流電路140會自動導通，以使電池120透過第二電晶體M2（例如，第二電晶體M2的體二極體Dbd2）與整流電路140對電源線110放電。例如，整流電路140可以在電源供應器20故障而無法提供輸入電壓Vin時導通，以使電池120代替電源供應器20對負載10提供電力。

在步驟S230中，響應於輸入電壓Vin小於電壓閾值，處理器150會導通雙向開關電路130，以使電池120透過第一電晶體M1和第二電晶體M2對電源線110放電。詳細而言，控制電路160會輸出開關訊號Ssw以控制第一電晶體M1和第二電晶體M2。分壓電路170會產生參考電壓Vref，且處理器150會依據參考電壓Vref判斷輸入電壓Vin與電壓閾值之間的大小關係，以控制開關訊號Ssw在不同的第一電壓準位（例如，高電壓準位）與第二電壓準位（例如，低電壓準位）之間切換。

更詳細而言，在步驟S230中，控制電路160的第三電晶體M3的第一端輸出開關訊號Ssw。處理器150依據輸入電壓Vin與電壓閾值之間的大小關係，控制第三電晶體M3以控制開關訊號Ssw。當處理器150判斷輸入電壓Vin小於電壓閾值時，處理器150會導通第三電晶體M3以將開關訊號Ssw自第一電壓準位切換至第二電壓準位，進而使第一電晶體M1和第二電晶體M2導通。

在一些實施例中，當處理器150判斷輸入電壓Vin大於或等於電壓閾值時，處理器150會關斷第三電晶體M3以使開關訊號Ssw維持於第一電壓準位，進而關斷第一電晶體M1和第二電晶體M2。詳細而言，輸入電壓Vin會透過體二極體Dbd1與第三電阻R3對第一電晶體M1的控制端和第二電晶體M2的控制端充電，進而使開關訊號Ssw維持於第一電壓準位。

接著，在步驟S240中，當雙向開關電路130導通時，由於電源線110的電壓會接近於第一節點N1的電壓，整流電路140會自動關斷。

值得一提的是，整流電路140對於輸入電壓Vin的反應速度較雙向開關電路130更快，但整流電路140的導通阻抗高於雙向開關電路130的導通阻抗。因此，當輸入電壓Vin小於電壓閾值時，整流電路140會先在步驟S220中導通以及時補償電力缺口，接著在步驟S230~S240中雙向開關電路130會導通且整流電路140會關斷，以降低放電過程中的發熱程度。因此，儲能裝置100能及時補償電力缺口與降低發熱，還能避免電池120不正常地對電源線110放電。

第3圖為根據本揭示文件一實施例的儲能裝置300簡化後的功能方塊圖。儲能裝置300包含電源線310、電池320、雙向開關電路330、整流電路340、處理器350、控制電路360以及分壓電路370。第3圖的電源線310、電池320、整流電路340、處理器350以及控制電路360的連接關係、運作以及優點，分別相似於第1圖的電源線110、電池120、整流電路140、處理器150以及控制電路160，為簡潔起見，在此不重複贅述。

在本實施例中，雙向開關電路330的第一電晶體M1和第二電晶體M2是以N型電晶體實現。第一電晶體M1的第一端（例如，源極）與本體耦接於電源線110。第一電晶體M1的第二端（例如，汲極）透過第一節點N1耦接於整流電路340以及第二電晶體M2。第二電晶體M2的第一端（例如，源極）與本體耦接於電池320。第二電晶體M2的第二端（例如，汲極）耦接於第一節點N1。換言之，第一電晶體M1和第二電晶體M2透過汲極互相耦接以實現背對背連接。

在本實施例中，控制電路360是以電荷泵實現。電荷泵的輸出端用於產生開關訊號Ssw，且電荷泵的輸出端耦接於第一電晶體M1的控制端（例如，閘極）以及第二電晶體M2的控制端（例如，閘極），還透過第六電阻R6耦接於接地端。電荷泵還耦接於處理器350，其中處理器350用於依據輸入電壓Vin與電壓閾值之間的大小關係，控制電荷泵以控制開關訊號Ssw。

儲能裝置300可以執行第2圖的操作方法200。與前述配合第2圖討論的內容的差異在於，在儲能裝置300執行步驟S230的過程中，電荷泵會產生開關訊號Ssw，且處理器150會依據輸入電壓Vin與電壓閾值之間的大小關係，控制電荷泵以控制開關訊號Ssw。詳細而言，當處理器150判斷輸入電壓Vin小於電壓閾值時，處理器150會致能電荷泵以對第一電晶體M1的控制端與第二電晶體M2的控制端進行充電。因此，開關訊號Ssw會自第二電壓準位（例如，低電壓準位）切換至第一電壓準位（例如，高電壓準位），進而導通第一電晶體M1與第二電晶體M2。

在一些實施例中，當處理器150判斷輸入電壓Vin大於或等於電壓閾值時，處理器150會禁能電荷泵以使開關訊號Ssw維持於第二電壓準位，進而關斷第一電晶體M1和第二電晶體M2。詳細而言，第一電晶體M1的控制端和第二電晶體M2的控制端會透過第六電阻R6對接地端放電，因而使開關訊號Ssw維持於第二電壓準位。

綜上所述，儲能裝置300能及時補償電力缺口與降低發熱，還能避免電池320不正常地對電源線310放電。

在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等訊號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或訊號連接至該第二元件。

另外，除非說明書中特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。

以上僅為本揭示文件的較佳實施例，在不脫離本揭示文件的範圍或精神的情況下，可以對本揭示文件進行各種修飾和均等變化。綜上所述，凡在以下請求項的範圍內對於本揭示文件所做的修飾以及均等變化，皆為本揭示文件所涵蓋的範圍。

10:負載 20:電源供應器 100,300:儲能裝置 110,310:電源線 120,320:電池 130,330:雙向開關電路 140,340:整流電路 150,350:處理器 160,360:控制電路 170,370:分壓電路 Vref:參考電壓 Vbat:放電電壓 Vin:輸入電壓 Dbd1,Dbd2:體二極體 Df1~DfN:二極體 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 M3:第三電晶體 R1:第一電阻 R2:第二電阻 R3:第三電阻 R4:第四電阻 R5:第五電阻 R6:第六電阻 Ssw:開關訊號 N1:第一節點 N2:第二節點 200:操作方法 S210~S240:步驟

第1圖為根據本揭示文件一實施例的儲能裝置簡化後的功能方塊圖。 第2圖為根據本揭示文件一實施例的操作方法。 第3圖為根據本揭示文件一實施例的儲能裝置簡化後的功能方塊圖。

10:負載

20:電源供應器

100:儲能裝置

110:電源線

120:電池

130:雙向開關電路

140:整流電路

150:處理器

160:控制電路

170:分壓電路

Vref:參考電壓

Vbat:放電電壓

Vin:輸入電壓

Dbd1,Dbd2:體二極體

Df1~DfN:二極體

M1:第一電晶體

M2:第二電晶體

M3:第三電晶體

R1:第一電阻

R2:第二電阻

R3:第三電阻

R4:第四電阻

R5:第五電阻

Ssw:開關訊號

N1:第一節點

N2:第二節點

Claims (19)

1. 一種儲能裝置，包含： 一電源線，用於耦接於一負載，並用於接收一輸入電壓以使用該輸入電壓對該負載供電； 一電池； 一雙向開關電路，包含依序串聯耦接於該電源線與該電池之間的一第一電晶體和一第二電晶體，其中該第一電晶體和該第二電晶體背對背連接； 一整流電路，並聯耦接於該第一電晶體，且用於在該輸入電壓小於一電壓閾值時導通，以使該電池透過該第二電晶體與該整流電路對該電源線放電；以及 一處理器，耦接於該雙向開關電路，用於在該輸入電壓小於該電壓閾值時，導通該雙向開關電路以使該電池透過該第一電晶體和該第二電晶體對該電源線放電。
2. 如請求項1所述之儲能裝置，其中該第一電晶體透過一第一節點耦接於該第二電晶體，且該整流電路包含： N個二極體，串聯耦接於該電源線與該第一節點之間，其中N為大於或等於2的正整數。
3. 如請求項2所述之儲能裝置，其中該電壓閾值等於該電池的一放電電壓減去該N個二極體的N個臨界電壓與該第二電晶體的一體二極體的臨界電壓。
4. 如請求項1所述之儲能裝置，還包含： 一分壓電路，耦接於該電源線，用於分壓該輸入電壓以產生一參考電壓，其中該處理器用於接收該參考電壓，以依據該參考電壓判斷該輸入電壓與該電壓閾值之間的大小關係。
5. 如請求項1所述之儲能裝置，還包含： 一控制電路，耦接於該第一電晶體的一控制端、該第二電晶體的一控制端與該處理器，用於輸出一開關訊號以控制該第一電晶體和該第二電晶體， 其中該處理器用於依據該輸入電壓與該電壓閾值之間的大小關係，控制該開關訊號在不同的一第一電壓準位與一第二電壓準位之間切換。
6. 如請求項5所述之儲能裝置，其中該控制電路包含： 一第三電晶體，包含一第一端、一第二端和一控制端， 其中該第三電晶體的該第一端用於輸出該開關訊號，且耦接於該第一電晶體的該控制端與該第二電晶體的該控制端， 其中該第三電晶體的該第二端耦接於一接地端， 其中該第三電晶體的該控制端耦接於該處理器，該處理器用於依據該輸入電壓與該電壓閾值之間的大小關係，控制該第三電晶體以控制該開關訊號。
7. 如請求項6所述之儲能裝置，其中該第一電晶體與該第二電晶體為P型電晶體，且該第一電晶體的一源極耦接於該第二電晶體的一源極。
8. 如請求項5所述之儲能裝置，其中該控制電路包含： 一電荷泵，用於產生該開關訊號，且耦接於該處理器、該第一電晶體的一控制端以及該第二電晶體的一控制端， 其中該處理器用於依據該輸入電壓與該電壓閾值之間的大小關係，控制該電荷泵以控制該開關訊號。
9. 如請求項8所述之儲能裝置，其中該第一電晶體與該第二電晶體為N型電晶體，且該第一電晶體的一汲極耦接於該第二電晶體的一汲極。
10. 如請求項8所述之儲能裝置，其中，當該雙向開關電路導通時，該整流電路自動關斷。
11. 一種操作方法，適用於一儲能裝置，其中該儲能裝置包含一電源線、一電池、一雙向開關電路、一整流電路以及一處理器，其中該雙向開關電路包含依序串聯耦接於該電源線與該電池之間的一第一電晶體和一第二電晶體，且該第一電晶體和該第二電晶體背對背連接，其中該整流電路並聯耦接於該第一電晶體，其中該操作方法包含： 透過該電源線接收一輸入電壓並使用該輸入電壓對一負載供電； 響應於該輸入電壓小於一電壓閾值，自動導通該整流電路，以使該電池透過該第二電晶體與該整流電路對該電源線放電； 響應於該輸入電壓小於該電壓閾值，利用該處理器導通該雙向開關電路，以使該電池透過該第一電晶體和該第二電晶體對該電源線放電；以及 響應於該雙向開關電路導通，自動關斷該整流電路。
12. 如請求項11所述之操作方法，其中該第一電晶體透過一第一節點耦接於該第二電晶體，且該整流電路包含： N個二極體，串聯耦接於該電源線與該第一節點之間，其中N為大於或等於2的正整數。
13. 如請求項12所述之操作方法，其中該電壓閾值等於該電池的一放電電壓減去該N個二極體的N個臨界電壓與該第二電晶體的一體二極體的臨界電壓。
14. 如請求項11所述之操作方法，其中該儲能裝置還包含耦接於該電源線的一分壓電路，響應於該輸入電壓小於該電壓閾值，利用該處理器導通該雙向開關電路包含： 利用該分壓電路分壓該輸入電壓以產生一參考電壓；以及 利用該處理器依據該參考電壓判斷該輸入電壓與該電壓閾值之間的大小關係。
15. 如請求項11所述之操作方法，其中該儲能裝置還包含一控制電路，該控制電路耦接於該第一電晶體的一控制端、該第二電晶體的一控制端與該處理器，其中響應於該輸入電壓小於該電壓閾值，利用該處理器導通該雙向開關電路包含： 利用該控制電路輸出一開關訊號以控制該第一電晶體和該第二電晶體；以及 利用該處理器依據該輸入電壓與該電壓閾值之間的大小關係，控制該開關訊號在不同的一第一電壓準位與一第二電壓準位之間切換。
16. 如請求項15所述之操作方法，其中該控制電路包含一第三電晶體，該第三電晶體包含一第一端、一第二端和一控制端，其中利用該控制電路輸出該開關訊號包含： 利用該第三電晶體的該第一端輸出該開關訊號，其中該第三電晶體的該第一端耦接於該第一電晶體的該控制端與該第二電晶體的該控制端，該第三電晶體的該第二端耦接於一接地端，該第三電晶體的該控制端耦接於該處理器；以及 利用該處理器依據該輸入電壓與該電壓閾值之間的大小關係，控制該第三電晶體以控制該開關訊號。
17. 如請求項16所述之操作方法，其中該第一電晶體與該第二電晶體為P型電晶體，且該第一電晶體的一源極耦接於該第二電晶體的一源極。
18. 如請求項15所述之操作方法，其中該控制電路包含一電荷泵，該電荷泵耦接於該處理器、該第一電晶體的一控制端以及該第二電晶體的一控制端，其中利用該控制電路輸出該開關訊號包含： 利用該電荷泵產生該開關訊號；以及 利用該處理器依據該輸入電壓與該電壓閾值之間的大小關係，控制該電荷泵以控制該開關訊號。
19. 如請求項18所述之操作方法，其中該第一電晶體與該第二電晶體為N型電晶體，且該第一電晶體的一汲極耦接於該第二電晶體的一汲極。