CN100479305C - 使负载能够抵御瞬时电源故障的保护电路 - Google Patents

Abstract

一种使负载(L)能够抵御瞬时电源故障的保护电路(PD2)。它包括：连接到至少一个电源(B1，B2)的多个输入、连接到负载(L)的多个输出、至少两个存储电容器(SC1，SC2)、以及第一切换装置(D1至D4，SW3，CU2)，使得两个存储电容器在至少一个电源的电压大于固定值时并联连接到至少一个电源(B1，B2)，并且在每个电源电压小于或等于固定值时与任一电源(B1，B2)隔离而且串联连接到电路(PD2)的多个输出。应用于电子设备，特别是电信设备。

Description

使负载能够抵御瞬时电源故障的保护电路

技术领域

本发明涉及一种使负载能够抵御瞬时电源故障的保护电路。

背景技术

以上种类的电路特别可用于如下电信切换设备中，该电信切换设备需要的电源电压总是高于一个设置的最小值。这种电信设备包括插入到底板上的连接器中的电子卡，该底板通常以48V DC电压向多个卡供应电能。

所有卡是并联连接以便向它们供应电能。如果卡上的短路使得该卡的电源输入短路，则专用于该卡的保险丝烧断。这会使该卡在数毫秒级的时间延迟之后从电源断开。由于该短路，电源的电压可能在该时间延迟期间几乎为零。都是并联地向卡供应电能，因此在该时间延迟期间这些卡不能正确操作，除非保护它们免受这种瞬时电源故障。

卡通常包括并联连接到卡的电源输入的多个滤波电容器以及一个DC-DC转换器，该DC-DC转换器用于将48V电压转换成一个或多个较低DC电压例如5V和3.3V。该转换器仅能在例如从36V到72V的精确限定的输入电压范围中正确地工作。

通过通常包括二极管的切换系统，卡的电源输入连接到电源，从而使得滤波电容器能够在电源正确操作时充电，并且在电源短路时不能放电。为了克服电源故障，通常有通过二极管并联连接的两个电源。

为了防止在瞬时电源故障期间转换器的输入处的电压降到允许的最小值以下，可以增加滤波电容器的电容量以便于它们存储充足的电荷，以在整个故障持续时间将转换器的输入电压保持在最小值以上。这在本领域中是已知的。

分接于每个卡的电源输入的滤波电容器具有很高的总电容量，例如在消耗200瓦(W)的卡的情况下是10000微法拉(μf)。因此这些电容器所占据的体积很大，并且电容器显著地增加了卡的成本。

美国专利号5973547描述了一种电压调节器，该电压调节器具有连接到电源的多个输入、连接到负载的多个输出、两个存储电容器、切换装置和用于该切换装置的控制装置。这两个存储电容器：

·当至少一个电源正常操作时并联连接到至少一个电源；以及

·当没有电源正常操作时与任一电源隔离而且串联连接到调节器的输出。

该调节器保护负载免受电压下降的影响，因为两个存储电容器的串联连接临时地建立了一个电源，该电源的起始电压理论上等于两个电容器所充电得到的电压之和。

发明内容

本发明的目的是改进上述现有技术的电路。

根据本发明，一种使负载能够抵御瞬时电源故障的保护电路包括：

·连接到至少一个电源的多个输入和连接到该负载的多个输出；以及

·至少两个存储电容器，第一切换装置，以及用于该第一切换装置的控制装置，使得该两个存储电容器：

·在至少一个电源正常操作时并联连接到至少一个电源；以及

·在没有电源正常工作时与任一电源隔离而且串联连接到该电路的多个输出；

所述保护电路的特征在于：

·第一存储电容器具有连接到该电路的正输出的第一端子和通过第一电阻器连接到该电路的负输出的第二端子；

·第二存储电容器具有连接到该电路的负输出的第一端子和通过第二电阻器连接到该电路的正输出的第二端子；以及

·电子开关将该第一存储电容器的第二端子连接到该第二存储电容器的第二端子；以及

其特征在于该第一控制装置包括开关控制装置，该开关控制装置使得该开关在没有电源正常操作时闭合，并且该开关在至少一个电源正常操作时断开。

特征如上的该电路具有仅包括一个电子开关的优点，它取代了美国专利号5973547中公开的现有技术电路的三个开关，同时保持了防范电压下降的相同保护。

附图说明

按照如下描述和附图，能够更好地理解本发明，并且它的其它特征将变得明显：

·图1是当电源正常工作时现有技术保护电路的一个实施例所呈现出的状态的框图。

·图2是在电源故障情况下现有技术电路的同一实施例所呈现出的状态的框图。

·图3是包括不同控制单元的现有技术电路的以上实施例的变形的框图。

·图4是在电源正常工作时本发明的保护电路的一个实施例所呈现出的状态的框图。

·图5是在电源故障情况下本发明的保护电路的同一实施例所呈现出的状态的框图。

·图6是本发明的保护电路的以上实施例的一个变形的框图。

具体实施方式

图1示出了现有技术的电路PD1的一个实施例，该电路PD1具有：

·两个正输入，分别连接到两个电源B1和B2的正端子；

·两个负输入，分别连接到两个电源B1和B2的负端子；

·两个二极管D1和D3，其阳极分别经由保险丝F1和保险丝F3连接到各个正输入；

·两个二极管D2和D4，其阴极分别经由保险丝F2和保险丝F4连接到各个负输入；

·正输出和负输出，分别连接到负载L的正输入和负输入，该正输出连接到二极管D1和D3的阴极；

·慢启动电路SSC，具有分别连接到电路PD1的正输出、连接到电路PD1的负输出和连接到二极管D2和D4的阳极的三个端口；

·存储电容器SC1，具有连接到电路PD1的正输出的第一端子和通过电子开关SW1连接到电路PD1的负输出的第二端子；

·存储电容器SC2，具有连接到电路PD1的负输出的第一端子和通过电子开关SW2连接到电路PD1的正输出的第二端子；

·第三电子开关SW3，将电容器SC1的第二端子连接到存储电容器SC2的第二端子；以及

·控制单元CU1，具有：

·多个输出连接到电子开关SW1、SW2、SW3的各个控制输入；

·两对输入，分别连接到电源B1的端子和电源B2的端子；以及

·第三对输入，连接到二极管D1和D3的阴极以及二极管D2和D4的阳极。

负载L是电子卡，该电子卡例如具有全部并联连接到负载L的两个输入的一连串滤波电容器C1至Cn以及DC/DC转换器CV。

慢启动电路SSC是标准的电子电路，其功能是在将卡插入底板中时或者在底板上切换时，限制由下游电容器特别是电容器SC1、SC2、C1至Cn中的电荷造成的电涌。

电源B1和B2包括通过充电器(未示出)来持续充电的两个48V电池，这些充电器具有来自总电源的电能。它们并联地向多个负载供电，就像仅示出的一个负载那样。需要保护以免受瞬时电源故障的每个负载通过类似于电路PD1的电路而连接到两个电源B1、B2。二极管D1至D4在影响第一电源的永久故障情况下借助于其它电源(B2)来支援第一电源(例如B1)。另一方面，如果并联连接到两个电源的其它负载之一短路，则这些二极管不能防止电源故障。短路可以造成两个电源B1和B2的电压同时下降。控制单元CU正是在此时进行干预，该单元持续地测量：

·电源B1的端子电压V1；

·电源B2的端子电压V2；以及

·就在二极管D1至D4和保险丝F1至F4下游的电路PD1的输入处的电压Ve。

图1表现出这些开关在每个电源B1、B2正常工作时呈现出的状态。控制单元CU1检测到Ve具有低于V1和V2(约48V)的值(约47V)，即二极管D1至D4导通。它闭合开关SW1和SW2并且断开开关SW3，以便于电容器SC1和SC2二者并联连接到电路PD1的输出。经由二极管D1至D4将电容器SC1和SC2充电达到电源B1和B2的电压(约47V)。在该正常操作期间，它们为电容器C1至Cn的作用添加了一定的滤波作用。

图2是现有技术电路的同一实施例的图，示出了当每个电源B1、B2由于负载L之外的负载之一上短路而暂时发生故障时开关SW1、SW2、SW3的状态。在保护电路PD1中，电压V1和V2突然降到电压Ve以下，而且二极管D1、D2、D3、D4停止导通并且将电路PD1与短路的电源B1和B2隔离。它们防止该短路使电容器SC1和SC2放电。电容器SC1、SC2、C1至Cn的端子处的电压由于它们放电以向转换器CV供电而开始逐步地下降。

二极管对D1-D2当电压Ve(约47V)升到V1以上时停止导通。当电压Ve升到V2以上时，二极管对D3-D4停止导通。当Ve升到V1和V2以上时，控制单元CU1推断电源B1和B2有故障从而断开开关SW1和SW2。在用于这些开关断开所需要的延迟(例如10微秒(μs))之后，它闭合开关SW3以串联连接电容器SC1和SC2。接着该组合分接电路PD1的输出，并且理论上(如果没有滤波电容器C1至Cn)供应的电压等于在切换之时电容器SC1所充电达到的电压和电容器SC2所充电达到的电压之和，该电压和约为94V。该电压实际上由滤波电容器C1至Cn衰减。在一个实施例中这些电容器C1至Cn的满(top-up)充电产生了82V的起始电压。该电压接着下降，但是以大于36V的电压向负载L供电至少5毫秒(ms)(该延迟由高级电信计算架构(ATCA)设置)，36V在本例中是转换器CV的正确操作所需要的最小值。

时间常数选择为使得组成开关SW1、SW2、SW3的三个晶体管不能同时导通。

当不再存在短路时，控制单元CU1检测到电压Ve在大于固定阈值的持续时间(例如5ms)再次保持为高于V1和V2的值(约47V)。它首先断开开关SW3。在该断开所需要的延迟(例如100μs)之后，它闭合开关SW1和SW2，使得电容器SC1和SC2均并联连接到电路PD1的输出。经由二极管D1至D4将它们充电达到电源电压V1和V2(约47V)。

图3是现有技术电路的以上实施例的变形PD1’的框图。控制单元CU1由仅具有一对输入的控制电路CU1’取代，这一对输入连接到二极管D 1和D3的阴极以及二极管D2和D4的阳极。如果电压Ve降到固定的阈值41V以下，则控制单元CU1’断开开关SW1和SW2。在该断开所需要的延迟(例如10μs)之后，它闭合开关SW3以串联连接电容器SC1和SC2。接着该组合分接电路PD1’的输出，并且供应的电压等于电容器SC1和SC2在切换的瞬间所充电达到的电压之和，起始约为82V。

当不再存在短路时，控制单元CU1’检测到电压Ve在大于固定阈值的持续时间(例如5ms)再次保持为高于阈值(41V)的值(约47V)。它首先断开开关SW3。在该断开所需要的延迟(例如100μs)之后，它闭合开关SW1和SW2以将电容器SC1和SC2并联连接到电路PD1’的输出。经由二极管D1至D4将这些电容器充电达到电源B1和B2的电压约为47V。

图4是本发明保护电路的一个实施例PD2的框图。它比现有技术电路更简单，因为它仅包括一个电开关SW3。它与现有技术的电路不同之处在于电子开关SW1和SW2分别由电阻器R1和R2取代。控制单元CU2类似于例如实施例PD1的控制单元CU1，但是仅具有一个控制开关SW3的输出。

图4示出了开关SW3在每个电源B1、B2正常操作时的状态。控制单元CU2检测到电压Ve具有小于V1和V2(约48V)的值(约47V)，意味着二极管D1至D4导通。控制单元使开关SW3保持断开，以便于电容器SC1和SC2二者分别通过电阻器R1和R2串联连接到电路PD2的输出。经由二极管D1至D4将电容器SC1和SC2充电达到由电源B1和B2供应的约为47V的电压。

图5是在电源B1、B2具有由负载L之外的负载之一上的短路造成的瞬时故障时该实施例PD2呈现出的情形的框图。在保护电路PD2中，电压V1和V2突然小于电压Ve，并且二极管D1、D2、D3、D4停止导通，并将电路PD2与短路的电源B1和B2隔离。它们防止使电容器SC1和SC2放电的短路。由于电容器SC1、SC2、C1至Cn放电以向转换器CV供电，所以这些电容器上的电压开始逐步地下降。

如果电压Ve(约47V)升到V1以上，则二极管对D1-D2停止导通。如果电压Ve升到V2以上，则二极管对D3-D4停止导通。如果Ve升到V1和V2以上，则控制单元CU2推断有关于电源B1和B2的电源故障并且闭合开关SW3。则串联连接了电容器SC1和SC2。电阻器R1与电容器SC2是并联的。电阻器R2与电容器SC1是并联的。使得时间常数R2×SC1和R1×SC2远大于5ms，从而由这些电阻器造成的放电可以忽略。

接着两个电容器SC1-SC2的串联连接组合分接于电路PD2的输出，并且供应的电压等于在切换之时电容器SC1所充电达到的电压和电容器SC2所充电达到的电压之和，起始为82V。

当不再出现短路时，控制单元CU2检测到电压Ve在超过固定阈值的持续时间(例如5ms)再次保持为高于V1和V2的值(约47V)。它断开开关SW3。电容器SC1和SC2再次分接电路PD2的输出。经由二极管D1至D4将它们充电达到电源B1和B2的电压，即约47V。

参照图3描述的控制单元CU1’还能够用来取代单元CU2控制该第二实施例的开关SW3。

图6是该实施例的变形PD3的框图，该变形使得可以使用针对较低服务电压而设计的存储电容器SC1和SC2，显著地减少了它们的成本和它们的体积。为此，齐纳二极管Z1分接于电容器SC1，而齐纳二极管Z2分接于电容器SC2。齐纳二极管Z1和电阻器R1对电容器SC1充电，将充电电压限制为47V。类似地，齐纳二极管Z2和电阻器R2对电容器SC2充电，将充电电压限制为47V。

一个例子使用了R1＝R2＝10千欧姆(kΩ)以及针对50V工作电压而不是针对没有齐纳二极管时的80V或100V工作电压而设计的存储电容器SC1＝SC2＝220μf。

对于上述变形，存储电容器SC1和SC2的电容量根据如下的函数来选择：

·电源故障的持续时间；

·转换器CV所需要的最小电压；

·转换器CV能够经受的最大电压；

·负载L的最大消耗；以及

·滤波电容器C1至Cn的电容量。

例如，对于以上参照图1至5所描述的变形，并且对于：

·等于5ms的故障持续时间；

·等于36V的最小电压；

·等于72V的最大电压；

·在触发时间(在检测到电源B1和B2的故障时)等于43V的电容器充电电压V_in；

·等于195W的最大消耗；以及

·等于220μf的滤波电容器C1至Cn的总电容量；

可使用的两个电容器SC1和SC2每一个具有680μf的电容量。就在将两个电容器串联连接之后，由串联的电容器实际供应的电压V_BOOST是69V。

具体来说，如果C表示电容器SC1和SC2的每一个的电容量，并且如果滤波电容器C1至Cn的总电容量等于n×C，则就在将电容器串联连接之后，串联的电容器实际供应的电压V_BOOST由下式给出：

$V_{\mathrm{BOOST}}=\frac{n+1}{n+1/2}{V}_{\mathrm{in}}$

其中V_in是触发时间(在检测到电源B1和B2的故障时)的电容器充电电压。

也能够示出在负载L消耗电能P时用于克服持续时间Δt的故障所需要的、与SC2串连的SC1和C1至Cn的总电容C_tot等于：

$C_{\mathrm{tot}}=\frac{2\·P\·\mathrm{\Δt}}{{V^2}_{\mathrm{BOOST}}={V^2}_{\min }}$

其中V_min是转换器CV工作所需要的最小电压。

由此推导每个电容器SC1和SC2的电容量C：

$C=\frac{C_{\mathrm{tot}}}{n+1/2}$

所能支持的最大故障持续时间也可以根据下式来计算：

${\mathrm{\Δt}}_{\max }=C_{\mathrm{tot}}\frac{({V^2}_{\mathrm{BOOST}}-{V^2}_{\min })}{2P}$

电子开关SW1、SW2、SW3的实施对于本领域的技术人员是显然的。它们常规地包括MOS晶体管。包括二极管D1至D4的电源切换电路也能够由MOS晶体管实施。

Claims (4)

1.一种使负载(L)能够抵御瞬时电源故障的保护电路(PD2；PD3)，所述电路包括：

·连接到至少一个电源(B1，B2)的多个输入和连接到所述负载(L)的多个输出；以及

·至少两个存储电容器(SC1，SC2)、电子开关(SW3)、第二切换装置(D1、D2、D3、D4)、以及用于所述电子开关的控制装置(CU2)，使得所述两个存储电容器：

·在至少一个电源正常操作时并联连接到至少一个电源(B1，B2)；以及

·在没有电源(B1，B2)正常工作时与任一电源(B1，B2)隔离而且串联连接到所述电路(PD2)的所述多个输出；

以及所述电路的特征在于：

·所述至少两个存储电容器中的第一存储电容器(SC1)具有连接到所述电路的正输出的第一端子和通过第一电阻器(R1)连接到所述电路的负输出的第二端子；

·所述至少两个存储电容器中的第二存储电容器(SC2)具有连接到所述电路的所述负输出的第一端子和通过第二电阻器(R2)连接到所述电路的所述正输出的第二端子；以及

·所述电子开关(SW3)将所述第一存储电容器(SC1)的所述第二端子连接到所述第二存储电容器(SC2)的所述第二端子；以及

其特征在于所述控制装置(CU2)包括用于控制所述电子开关(SW3)的控制装置，使得所述电子开关(SW3)在没有电源正常操作时闭合，并且所述电子开关(SW3)在至少一个电源正常操作时断开。

2.根据权利要求1的电路，其特征在于它还包括两个齐纳二极管(Z1，Z2)，所述齐纳二极管分接于各存储电容器(SC1，SC2)，以将它们各自的充电电压限制为小于所述电源(B1，B2)电压的值。

3.根据权利要求1的电路，其特征在于它在每个电源(B1，B2)与所述存储电容器(SC1，SC2)之间还包括慢启动电路(SSC)。

4.根据权利要求1的电路，其特征在于所述第二切换装置(D1，D2，D3，D4)在每个电源(B1，B2)与所述存储电容器(SC1，SC2)之间，适于防止使所述存储电容器(SC1，SC2)放电的跨电源(B1，B2)短路。

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