CN100459369C - 一种主备电源的切换控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电路控制领域，提供了一种主备电源的切换控制装置，所述装置包括：根据主路电源电压和合路输出电压的压差控制主路电源供电通路开通与关断的主路切换控制单元；以及根据主路电源电压和参考电压的压差控制备用电源供电通路开通与关断的备用切换控制单元；所述主路切换控制单元和备用切换控制单元分别包含一个控制电源通路开通与关断的低压降开关元器件。本发明中采用有源开关作为主备电源切换的开关器件，提高开关动作，降低了压降和损耗，适用于低压电路，实现了与二极管相同的隔离作用。同时，实现了两路电源的不间断切换，提高了系统的可靠性，并且所有器件均可表贴化，散热容易。

Description

一种主备电源的切换控制装置

技术领域

本发明属于电路控制领域，尤其涉及一种主备电源的切换控制装置。

背景技术

在低压两路或多路供电系统中，通常由主路电源对负载进行供电，若主路电源发生故障不能为负载供电时，切换到备用电源，由备用电源对负载进行供电。主路电源和备用电源都采用二极管作为隔离模块，防止主路电源失效后备用电源倒灌入主路电源。

图1示出了多路供电系统中采用二极管隔离的主备电源切换电路的组成，电路中包括多个主路电源和一个备用电源。采用二极管隔离主路电源和备用电源时，在主备电源均为低电压时，由于隔离二极管压降较高，主路电源会在二极管上产生较大的压降(最小也要0.4V)。另外，环境温度对二极管的压降会产生较大的影响，造成合路后电压过低，合路输出对负载供电不正常。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主备电源的切换电路，旨在解决现有技术多路低压电路供电系统中，主备电源采用二极管隔离时由于正向压降较大，导致合路后电压过低，对负载供电不正常的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种主备电源的切换控制装置，所述装置包括：

根据主路电源电压和合路输出电压的压差控制主路电源供电通路开通与关断的主路切换控制单元；以及

根据主路电源电压和参考电压的压差控制备用电源供电通路开通与关断的备用切换控制单元；

所述主路切换控制单元和备用切换控制单元分别包含一个控制电源通路开通与关断的低压降开关元器件。

所述主路切换控制单元包括：

采集主路电源电压和合路输出电压的主路采样模块；

与所述主路采样模块连接，根据主路采样模块采集的主路电源电压和合路输出电压的压差输出切换控制信号的主路控制模块；以及

与所述主路控制模块连接，根据所述切换控制信号控制主路电源通路开通与关断的主路隔离模块，所述主路隔离模块包括一个低压降开关元器件。

所述备用切换控制单元包括：

采集主路电源电压和参考电压的备用采样模块；

根据备用采样模块采集的主路电源电压和参考电压的压差输出切换控制信号的备用控制模块；以及

与所述备用控制模块连接，根据所述切换控制信号控制备用电源供电通路开通与关断的备用隔离模块，所述备用隔离模块包括一个低压降开关元器件。

所述主路控制模块进一步包括：

在主路电源电压跌落时，调高合路输出电压与主路电源电压之间压差值的回差电路模块。

所述备用控制模块进一步包括：

在主路电源电压回升时，调高主路电源电压与参考电压之间压差值的回差电路模块。

所述备用切换控制单元进一步包括：

与所述备用控制模块和备用隔离模块连接，根据所述备用控制模块的切换控制信号，加速拉低低压降开关元器件的输入电平，控制所述备用隔离模块加速开通备用电源供电通路的加速开通模块。

所述参考电压为备用电源电压或者基准电压。

所述低压降开关元器件为MOS管或者大功率晶体管。

所述加速开通模块包括一个三极管或MOS管。

本发明中采用有源开关作为主备电源切换的开关器件，提高开关动作，降低了压降和损耗，隔离电路前后的压降很小(20A大约只有50mV)，适用于低压电路，实现了与二极管相同的隔离作用。同时，实现了两路电源的不间断切换，提高了系统的可靠性，并且所有器件均可表贴化，散热容易。

附图说明

图1是现有技术中主备电源采用二极管隔离的供电电路示意图；

图2是本发明第一实施例中的主备电源切换装置的实现原理图；

图3是本发明第一实施例中的主备电源切换装置的电路结构示例图；

图4是本发明第二实施例的主备电源切换装置的实现原理图；

图5是本发明第二实施例中的主备电源切换装置的电路结构示例图；

图6是本发明第一实施例中增加了回差电路的主备电源切换装置的实现原理图；

图7是本发明第二实施例中增加了回差电路的主备电源切换装置的实现原理图；

图8是本发明第一实施例中增加了回差电路的主备电源切换装置的电路结构示例图；

图9是本发明第二实施例中增加了回差电路的主备电源切换装置的电路结构示例图；

图10是本发明第一实施例中增加了加速开通电路的主备电源切换装置的实现原理图；

图11是本发明第二实施例中增加了加速开通电路的主备电源切换装置的实现原理图；

图12是本发明第一实施例中增加了加速开通电路的主备电源切换装置的电路结构示例图；

图13是本发明第二实施例中增加了加速开通电路的主备电源切换装置的电路结构示例图；

图14是本发明第一实施例中增加了回差电路和加速开通电路的主备电源切换装置的实现原理图；

图15是本发明第二实施例中增加了回差电路和加速开通电路的主备电源切换装置的实现原理图；

图16是本发明第一实施例中增加了回差电路和加速开通电路的主备电源切换装置的电路结构示例图；

图17是本发明第二实施例中增加了回差电路和加速开通电路的主备电源切换装置的电路结构示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用低压降元器件作为主路电源和备份电源的隔离装置，与其他电路元器件组成低压降隔离电路，实现对主路电源和备用电源的隔离。通过对主路电源和备用电源以及合路输出电压的压差比较，控制隔离器件的开通和关断，灵活地切换主路电源和备份电源，保证供电系统的正常工作。

在本发明中，选用压降更低的器件作为主路电源和备用电源的隔离器件，如金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET/MOS)、大功率晶体管等器件，以下以MOS管为例对本发明的具体实现进行详细说明。由于MOS管具有双向导电性，必须采用合理的控制装置MOS管门极的开通和关断，从而达到有效隔离的目的，本发明通过压差控制方式控制MOS管的开通和关断。

在本发明的第一实施例中，主路隔离的开通与关断通过检测主路电源电压与合路输出电压的压差实现，备用隔离的控制通过检测主路电源电压和基准电压的压差实现。

如图2所示，主路采样模块101.1采集主路电源电压及合路输出电压，主路控制模块102.1根据主路采样模块101.1采集的主路电源电压和合路输出电压之间的压差对主路隔离模块103.1的开关进行控制。当主路电源的电压高于合路输出电压一定压差(一般15～20mV)时，控制主路隔离模块103.1打开，主路电源供电通路连通，反之则关断，主路电源供电通路关断。

备用采样模块101.2采集主路电源电压和基准电压，备用控制模块102.2根据备用采样模块101.2采集的主路电源电压和基准电压之间的压差对备用隔离模块103.2进行开关控制。当主路电源电压小于基准电压时，备用控制模块102.2控制备用隔离模块103.2打开，备用电源供电通路连通，反之则关断，备用电源供电通路关断。在本发明中，基准电压由精确度较高的稳定电压源提供。

当电路开始工作时，主路电源电压高于基准电压，备用控制模块102.2控制备用隔离模块103.2关断，当主路电源电压高于合路输出电压一定压差时，主路控制模块102.1控制主路隔离模块103.1开通，主路电源向负载供电。在主路电源工作不正常时，主路电源电压开始跌落，当主路电源电压与合路输出电压的电压差小于一定压差时，主路控制模块102.1控制主路隔离模块103.1关断。当主路电源电压继续跌落小于基准电压时，备用控制模块102.2控制备用隔离模块103.2打开，切换到备用电源向负载供电。

如图3示出了本实施例下的电路结构示例，采用P沟道增强型MOSFET管作为主路电源和备份电源的隔离器件。

电阻R1一端接地，另一端接电阻R3，电阻R3与电阻R4串联，电阻R4接主路电源(Z_3V3)。电阻R3、电阻R4串联后与电阻R1对主路电源电压分压，分压输出作为比较器U1A的参考电压。电阻R2与电阻R5对合路输出电压分压，分压输出作为比较器U1A的另一路参考电压。R1＝R2，R3＝R5，电阻R4是一个可调电阻，通过调节电阻R4可以保证当主路电源电压比合路输出电压高出一定电压时才打开Q1，从而在主电源电压跌落在小于合路输出电压之前就提前将Q1关断，降低了主路电源失效后备份电源倒灌入主路电源的可能性。

比较器U1A的正负输入端与电容C1并联，电容C1的作用是滤波。上拉电阻R6一端接比较器U1A的输出端，另一端与比较器U1A正极相接。

MOS管Q1的栅极(G极)接比较器的U1A的输出端，源极(S极)接主路电源，漏极(D极)输出合路输出电压。主路电源电压正常时，比较器U1A负输入端电压高于U1A正输入端电压，U1A输出低电平，由于Q1是低电平导通，此时Q1导通。主路电源电压不正常时，U1A负输入端电压低于正输入端电压时，输出开路，由上拉电阻R6将高电平输出，Q1门极被拉高，Q1关断。

电阻R8一端接地，另一端接电阻R7，电阻R7和电阻R8对主电源电压分压后作为比较器U1B的一路参考电压，基准电压(3V3)作为比较器U1B的另一路参考电压。

比较器U1B的正负输入端和电容C2并联，电容C2的作用是滤波。上拉电阻R12一端接比较器U1B输出端，另一端与比较器U1B正极相接。

MOS管Q2的栅极(G极)接比较器的U1B的输出端，源极(S极)接备用电源(B_3V3)，漏极(D极)输出合路输出电压。主路电源电压常时，比较器U1B正输入端电压高于U1B负输入端电压，U1B输出开路，由上拉电阻R13将高电平输出，Q2门极被拉高，Q2关断。主路电源电压不正常时，U1B正输入端电压低于负输入端电压时，输出低电平，此时Q2导通。

U1A与U1B的正极分别与二极管D2、D1的负极相连，二极管D1的正极接备用电源、D2的正极接合路输出电压，由备用电源电压和合路输出电压对UIA、UIB供电。为防止电流倒灌，备用电源的电压和合路输出后的电压分别通过二极管D1、D2给比较器U1B和U1A供电，C3的作用是当主、备电压均跌落时维持比较器U1A和U1B的正常供电。

作为本发明的第二实施例，如图4所示，通过检测主路电源电压和备用电源电压之间的压差控制备用隔离。其中，主路隔离模块103.1的开关控制原理与第一实施例相同，不再赘述。

备用采样模块101.2采集主路电源电压和备用电源电压，备用控制模块102.2根据主路电源电压和备用电源电压之间的电压差对备用隔离模块103.2进行开关控制。当主路电源电压小于备用电源电压时，备用控制模块102.2控制备用隔离模块103.2打开，备用电源供电通路连通，反之则关断，备用电源供电通路关断。

当主路电源开始工作时，如果主路电源电压高于备用电源电压，备用控制模块102.2控制备用隔离模块103.2关断，当主路电源电压高于合路输出电压一定压差时，主路控制模块102.1控制主路隔离模块103.1开通，主路电源向负载供电。在主路电源工作不正常时，主路电源电压开始跌落，当主路电源电压与合路输出电压的电压差小于一定压差时，主路控制模块102.1控制主路隔离模块103.1关断。当主路电源电压继续跌落小于备用电源电压时，备用控制模块102.2控制备用隔离模块103.2打开，切换到备用电源向负载供电。

图5示出了本实施例下的电路结构示例，R8＝R9，R7＝R10，电阻R11是可调电阻，电阻R8和电阻R7对主路电源电压分压电压作为比较器U1B的一路参考电压，电阻R9一端接地，另一端接电阻R10，电阻R10、电阻R11串联后与电阻R9对备用电源电压分压后作为另一路参考电压。通过调节电阻R11，可使只有当主路电源电压低于备用电源电压时才开通Q2，由备用电源供电。

正常情况下，主电路正常，即主路电源电压高于合路输出电压一定值(由电阻R4调节而定)，同时也高于备用电源电压，U1A输入负端电压高于输入正端电压时，U1A输出低电平，Q1导通，U1B输入正端电压高于输入负端电压，U1B输出开路，Q2断开，由主路电源供电；当主路电源电压跌落低于备用电源电压一定值(由电阻R11调节)时，主路电源电压低于合路输出电压，因此U1A输入负端电压低于输入正端电压，U1A输出高电平，Q1断开。U1B输入正端电压低于负端电压，U1B输出低电平，Q2打开，此时由备用电源供电。其余电路的工作原理与第一实施例相同，不再赘述。

为了增强系统的抗干扰性，在本发明的另一实施例中，可以在备用控制模块102.2中增加回差电路模块102.21，如图6、图7所示，以在主路电源电压跌落时，调高合路输出电压与主路电源电压之间的压差值，对应的电路结构示例分别如图8、图9所示。

其中，电阻R14的一端接在比较器U1B的负输入端，另一端接二极管D3的正极，D3的负极接比较器U1B的输出端。主电路电源电压正常的情况下，U1B输出开路，二极管D3反向截止，电阻R7和电阻R8分压作为输入的参考电压。当主路电源欠压时，U1B输出低电平，D3正向导通，输入的参考电压为电阻R7和电阻R8//电阻R14(电阻R8和电阻R14并联后的电阻)的分压，因此主路电源电压回升时，必须高于基准电压或者备份电源电压一定值后才能关断备份隔离通道，增强了系统的抗干扰性。同样，也可以在主路控制模块102.1中增加回差电路，使得在主路电源电压回升时，调高主路电源电压与参考电压之间的压差值，以增加系统的抗干扰性，其电路结构及工作原理与上述相同，不再赘述。

为了加速备用隔离模块103.2的开通，提高主备电源切换速度，在本发明的另一实施例中，如图10、图11所示，在备用隔离模块103.2上方增加了一个加速开通模块104，加速开通模块104可以选择三极管、MOS管或其他开关器件。

图12、图13示出了该实施例下的电路结构示例，采用一个NPN型三极管Q4作为加速装置。三极管Q4的发射极接地，基极接比较器U1B的输出端，集电极接MOS管Q2的栅极。当主路电源正常时，U1B输出低电平，由NPN型三极管的工作原理可知，低电平时三极管Q4断开，Q2断开；当主路电源欠压时，U1B输出开路，三极管Q4开通，Q2门极被迅速拉低，Q2开通，备份隔离通道加速打开。

作为本发明的一个优选实施例，如图14、图15所示，可以同时增加回差电路模块及加速开通模块。本优化实施例下的电路结构示例如图16、17所示，具体工作原理如上所述，不再赘述。

本发明也可以适用于N+1备份的情况，在集中N+1备份时，由N路主路电源同时给系统供电，1路备用电源处于备份状态，不给系统供电，将N路中的备用控制模块控制备用隔离模块103.2的信号通过或门后再去控制备用隔离模块103.2。当N路中的任意一路主路电源出现故障后，通过或门触发备用电源向系统供电，保证系统始终为N路供电，其实现原理和电路结构与上述类似，不再赘述。在采用N+1备份时，同样可以适用于上述各实施例，具体实现原理及电路结构不再赘述。

与原二极管隔离电路相比，本发明增加了比较器(失效率16FIT)，MOS管(失效率17FIT)和三极管(失效率2FIT)和电阻电容等器件，失效率共35FIT，与原采用二极管隔离电路的失效率32FIT基本持平，可靠性较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种主备电源的切换控制装置，其特征在于，所述装置包括：

根据主路电源电压和合路输出电压的压差控制主路电源供电通路开通与关断的主路切换控制单元；以及

根据主路电源电压和参考电压的压差控制备用电源供电通路开通与关断的备用切换控制单元；

所述主路切换控制单元和备用切换控制单元分别包含一个控制电源通路开通与关断的低压降开关元器件。

2、如权利要求1所述的主备电源的切换控制装置，其特征在于，所述主路切换控制单元包括：

采集主路电源电压和合路输出电压的主路采样模块；

与所述主路采样模块连接，根据主路采样模块采集的主路电源电压和合路输出电压的压差输出切换控制信号的主路控制模块；以及

与所述主路控制模块连接，根据所述切换控制信号控制主路电源通路开通与关断的主路隔离模块，所述主路隔离模块包括一个低压降开关元器件。

3、如权利要求1所述的主备电源的切换控制装置，其特征在于，所述备用切换控制单元包括：

采集主路电源电压和参考电压的备用采样模块；

根据备用采样模块采集的主路电源电压和参考电压的压差输出切换控制信号的备用控制模块；以及

与所述备用控制模块连接，根据所述切换控制信号控制备用电源供电通路开通与关断的备用隔离模块，所述备用隔离模块包括一个低压降开关元器件。

4、如权利要求2所述的主备电源的切换控制装置，其特征在于，所述主路控制模块进一步包括：

在主路电源电压跌落时，调高合路输出电压与主路电源电压之间压差值的回差电路模块。

5、如权利要求3所述的主备电源的切换控制装置，其特征在于，所述备用控制模块进一步包括：

在主路电源电压回升时，调高主路电源电压与参考电压之间压差值的回差电路模块。

6、如权利要求3所述的主备电源的切换控制装置，其特征在于，所述备用切换控制单元进一步包括：

与所述备用控制模块和备用隔离模块连接，根据所述备用控制模块的切换控制信号，加速拉低低压降开关元器件的输入电平，控制所述备用隔离模块加速开通备用电源供电通路的加速开通模块。

7、如权利要求3或5所述的主备电源的切换控制装置，其特征在于，所述参考电压为备用电源电压或者基准电压。

8、如权利要求2或3所述的主备电源的切换控制装置，其特征在于，所述低压降开关元器件为MOS管或者大功率晶体管。

9、如权利要求6所述的主备电源的切换控制装置，其特征在于，所述加速开通模块包括一个三极管或MOS管。

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