CN101447666B - 一种电源供电系统及电源过压安全保护控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电源供电系统及电源过压安全保护控制方法，包括AC/DC开关电源，备用电池，以及至少一DC/DC变换器，还包括一过压检测单元，所述过压检测单元用于实时检测各DC/DC变换器的输出电压，并将DC/DC变换器的输出电压与基准电压进行比较，输出一故障信号。当该系统在后级输出检测到危险电压时，首先对瞬态的危险电压进行钳位、吸收，同时，利用过压检测单元路检测出过电压故障信号，切断AC/DC开关电源和备用电池对各变换器的供电，并将该故障信号转换成合适的电压后直接关断控制芯片，实现了对系统的三级保护，规避了可能由变换器输入输出短路引起的安全风险，提高了系统的可靠性。

Description

一种电源供电系统及电源过压安全保护控制方法

技术领域

本发明涉及电源供电系统，尤其涉及医疗设备中需要多路电源输出环境下的一种具有过压安全保护的电源供电系统及电源过压安全保护控制方法。

背景技术

在监护仪等医疗设备中，对电源的需求较为复杂，常常需要电源提供较多路数的输出，且对电压和电流大小的需求各不相同，基本涵盖了12V、5V、3.3V等多种电压。而带后备电源的总线式的供电方案，越来越多地应用于医疗设备中，这种供电方式的医疗设备所需的多路电源输出均由母线电源VBUS通过变换器变换而来，其电源方案为：通过AC/DC适配器从AC交流电变换出直流电压，通过电池作为后备的电源，这两路电源并联接至电源母线构成母线电源VBUS，再由直流母线电压VBUS通过各个DC/DC变换器变换出相应的电压输出。其中，直流母线电压一般高于输出的负载电压，所以DC/DC变换器使用最为广泛的是非隔离的STEP-DOWN型变换器(即降压型变换器)，可以对输入电压(直流母线电压)进行降压变换，从而得到需要的各种输出电压。

图1所示为典型的降压型变换器拓扑结构图。Q为主回路中的开关管，由控制芯片检测变换器输出电压Vout，实时调整输出的PWM驱动信号，从而控制Q的导通时间，使输出电压Vout保持恒定。一般控制芯片都会自带过压保护和过流保护功能，当STEP-DOWN变换器的输出发生过电压，控制芯片检测到输出电压超过预设值时，控制芯片会关断开关管Q，从而切断电源与负载之间的联系，或者控制芯片自身停止工作，使变换器停止工作，实施保护。另外，通过控制芯片的使能控制端ON/OFF也可以使变换器停止工作。

但是，单独依靠控制芯片自身的保护功能进行电源保护是存在风险的，给电源系统的安全性带来一定的隐患。例如，当因意外情况使开关管Q发生短路时，依靠控制开关管Q的驱动信号是无法关断变换器的，此时控制芯片自身的过压、过流保护便失去了作用，ON/OFF控制端也无法控制关断STEP-DOWN电路，AC/DC适配器的输出电压Vin会直接加至负载，若系统为电池供电，则电池的电压也会直接加至负载，对系统安全造成极大风险。并有可能将系统的低压供电部分全部烧毁，由于母线不仅电压高，而且能量大，在后级烧毁时会导致极大的安全风险，如部分功能电路损伤、爆炸、着火。此外控制芯片的过压检测脚与电压反馈脚往往集成在一起，而当这个引脚出现问题是时，比如本引脚对地短路，会使得控制芯片U误认为输出电压不够，反而继续提高此输出电压，这样不仅没有实施保护，反而输出一个更加异常的过电压。其次，医疗设备的供电需求越来越复杂，各种上电时序亦由系统根据配置来设定，这种多时序的后级变换也涉及了一个保护电路供电问题，在实际应用中需求的是，在开机时，任意一路的上电时序不能影响保护电路、参考电压的正常上电，并且只要任意一路变换器有输出，就不影响保护电路的正常取样，其它输出的过压保护电路能正常动作。

由此可见，现有技术仍然存在缺陷，需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电源供电系统及过压安全保护控制方法，该电源供电系统适合多路电源输出，具有高安全可靠性，可以规避可能由变换器输入输出短路引起的安全风险。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种电源供电系统，包括AC/DC开关电源，以及至少一DC/DC变换器，所述AC/DC开关电源输出端接至电源母线，所述DC/DC变换器用于将电源母线的母线电压变换成所需的输出电压；还包括一过压检测单元，所述过压检测单元用于检测各DC/DC变换器的输出电压，并将DC/DC变换器的输出电压与基准电压进行比较，根据所述DC/DC变换器输出电压是否过压输出不同状态的故障信号，当任一变换器输出发生过压时，依据该故障信号切断所述AC/DC开关电源对各变换器的供电。

所述的电源供电系统，其中：还包括备用电池，一关断保护单元及一使能控制单元，所述备用电池输出端接至电源母线，所述关断保护单元串联在所述电源母线上，所述使能控制单元用于对所述过压检测单元输出的故障信号状态的变化进行锁存和电平转换，并输出一关机信号控制所述关断保护单元关断。

所述的电源供电系统，其中：还包括备用电池，包括一关断保护单元及一使能控制单元，所述AC/DC开关电源内置故障关机单元，所述关断保护单元串联在所述备用电池输出端与电源母线之间，所述使能控制单元用于对所述过压检测单元输出的故障信号状态的变化进行锁存和电平转换，并输出一关机信号控制所述关断保护单元和AC/DC开关电源关断。

所述的电源供电系统，其中：所述的过压检测单元包括过压供电电路，电压基准单元，以及至少一电压检测电路，所述过压供电电路与各DC/DC变换器输出端相连，用于对各DC/DC变换器输出电压进行整流处理，获得一过压供电电压作为所述电压基准单元和电压检测电路的供电，所述电压基准单元用于为电压检测电路提供基准电压，所述电压检测电路用于检测对应DC/DC变换器输出电压，将变换器的输出电压与基准电压进行比较，并根据所述DC/DC变换器输出电压是否过压输出不同状态的故障信号。

所述的电源供电系统，其中：所述使能控制单元还输出一使能控制信号，用于控制所述DC/DC变换器的使能端，使所述DC/DC变换器输出过压时关断。

所述的电源供电系统，其中：所述使能控制单元包括一锁存器和电平变换电路，所述锁存器用于锁存所述故障信号状态的变化，并使自身状态发生翻转，所述电平变换电路与锁存器相连，用于电平转换并输出所述使能控制信号和关机信号。

所述的电源供电系统，其中：所述使能控制单元为微控制器，微控制器对检测到的过压故障信号变化进行处理，并在其I/O口输出所述使能控制信号，以及在其中止端输出所述关机信号。

所述的电源供电系统，其中：所述DC/DC变换器输出端并接一瞬态电压吸收单元，用于对DC/DC变换器输出过压时进行钳位吸收。

所述的电源供电系统，其中：所述瞬态电压吸收单元采用暂态电压吸收管，所述暂态电压吸收管并联在所述DC/DC变换器输出端与地之间。

所述的电源供电系统，其中：

所述过压供电电路包括一整流二极管，其阳极连接所述DC/DC变换器的输出端，其阴极连接所述电压基准单元和电压检测电路，为所述电压基准单元和电压检测电路供电；

所述电压检测电路包括一取样电路及一误差放大器，所述取样电路连接在所述DC/DC变换器的输出端与地之间，所述误差放大器的正输入端与所述取样电路的取样端相连，获取取样电压，其负输入端连接所述电压基准单元的基准电压端，其供电端连接所述整流二极管的阴极，其输出端与供电端连接有上拉电阻，并作为所述过压检测单元的输出端。

一种电源过压安全保护控制方法，用于电源供电系统，包括如下步骤：

A、检测各DC/DC变换器的输出电压；

B、对各DC/DC变换器输出电压是否过压进行判断，当任一DC/DC变换器输出发生过压时，切断AC/DC开关电源和备用电池对各DC/DC变换器的供电。

所述的控制方法，其中：所述步骤B包括如下处理：对各DC/DC变换器输出电压是否过压进行判断，当任一DC/DC变换器输出发生过压时，先对DC/DC变换器输出的危险电压进行钳位吸收，再切断AC/DC开关电源和备用电池对各DC/DC变换器的供电。

所述的控制方法，其中：所述步骤B还包括如下处理：当任一DC/DC变换器输出发生过压时，还关断DC/DC变换器的控制芯片，使DC/DC变换器停止工作。

本发明的有益效果为：本发明的电源供电系统及控制方法，当任一路输出发生过压时，通过切断母线电压对直流变换器的供电，规避了可能由变换器输入输出短路引起的安全风险；并且由于采用了输出钳位吸收，直接关断直流变换器的控制芯片的措施，实现了对电源系统的三级保护，大大地提高了系统的可靠性。同时，由于本发明中为过电压检测单元采用后级输出供电方式，即过电压检测单元自动整流获取过压供电的方式，保证各路输出时序可以是任意组合的，从而解决了各路输出上电时序问题，且在直流变换器不工作时不消耗能量。

附图说明

图1为现有技术的降压型变换器结构原理图；

图2为本发明的三级过电压保护供电系统结构框图；

图3为采用第一种使能控制单元的过压保护电源供电系统方案一的原理图；

图4为采用第一种使能控制单元的过压保护电源供电系统方案二的原理图；

图5为采用第二种使能控制单元的过压保护电源供电系统方案一的原理图；

图6为采用第二种使能控制单元的过压保护电源供电系统方案二的原理图；

图7为过压检测单元结构框图；

图8为过压检测单元电路原理图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明提供了一种电源系统过电压保护方法，可应用于带有多路变换器输出的电源系统。该系统在后级输出检测到危险电压时，首先对瞬态的危险电压进行钳位、吸收，同时，利用保护电路检测出过电压故障，发出故障关机信号给前级的AC/DC开关电源以及后备供电的备用电池，以切断母线电压。此外，本故障信号在转换成合适的电压后，可以直接关断控制芯片，这样就实现了危险电压的三级保护。

如图2所示，本发明的电源供电系统包括：AC/DC开关电源，备用电池，以及至少一DC/DC变换器，AC/DC开关电源和备用电池输出并联接至电源母线，DC/DC变换器用于将电源母线的母线电压VBUS变换成所需的输出电压。与现有技术方案不同的是，还包括过压检测单元、使能控制单元、瞬态电压吸收单元，以及在母线电压VBUS之前增加了关断保护单元，过压检测单元用于检测DC/DC变换器的输出电压，并将DC/DC变换器的输出电压与过压检测单元内置基准电压进行比较，根据DC/DC变换器输出电压是否过压输出不同状态的故障信号，例如，当各DC/DC变换器输出电压均正常时，故障信号为低电平，当其中任意一变换器输出过压时，故障信号由低电平变为高电平，故障信号由低电平到高电平变化产生的上升沿经使能控制单元的锁存和电平转换，及时控制关断保护单元断开，以便切断AC/DC开关电源和备用电池对各变换器的供电，从而使得当后级输出发生过电压时彻底断开AC/DC开关电源和备用电池与母线后级电路的连接，保护系统安全，从而有效解决了因非隔离变换器开关管短路造成的VBUS电压直接对直流变换器输出短路的系统风险问题。为了提高电源供电系统的安全可靠性，过压检测单元输出的故障信号还经所述使能控制单元转换成合适的电压后直接关断DC/DC变换器的控制芯片，并且利用瞬态电压吸收单元对瞬态的危险电压进行钳位和吸收，给系统安全增加了二级保障。

在实际应用中，对于需要不同时序上电的多路电源输出情况，针对采用的AC/DC开关电源功能不同，本发明采取两种不同的实施方式，其目的是为了在后级任意一路出现危险电压时，能及时关断VBUS的电压输出。对于AC/DC开关电源不带故障关机功能的，其电源供电系统如图3、5所示，关断保护单元的位置如图中所示，设置在AC/DC开关电源和备用电池(可充电电池)输出与各路变换器输入之间，即串联在所述电源母线上，当输出发生过压时，过压检测单元经使能控制单元输出的关机信号控制关断保护单元，导致关断保护单元动作后，将同时切断AC/DC开关电源的Vin与可充电电池Vbat对母线电压VBUS的输出。而对于AC/DC开关电源带故障关机功能的，即AC/DC开关电源内置故障关机单元，其电源供电系统如图4、6所示，关断保护单元的位置如图4、6中所示，即关断保护单元串联在所述备用电池输出端与电源母线之间，当输出发生过压时，过压检测单元经使能控制单元输出的关机信号分别控制所述关断保护单元和AC/DC开关电源，关断保护单元动作后，将主要切断可充电电池Vbat对母线电压VBUS的输出，而AC/DC开关电源在关机信号的直接作用下，将切断自身Vin对母线电压VBUS的输出。其中，关断保护单元可以采用全控型电子器件实现，如使用MOSFET管作为关断保护单元的主开关。

系统中的过压检测单元主要实时检测各路变换器输出电压，由于过压保护电路由模拟电路构成，而本系统中由于电池的后备作用，如果过电压检测单元由VBUS供电，会导致不开机时过大的待机功耗，从而降低电池寿命，为了降低待机功耗，本发明中过电压检测单元采用后级输出供电的方式。同时为了解决各路输出上电时序问题，本发明采用自动整流技术解决过压检测单元的供电，以保证各路输出时序可以任意组合。过压检测单元如图7、8所示，包括过压供电电路，电压基准单元，以及至少一电压检测电路，过压供电电路分别与各DC/DC变换器输出端相连，用于对各DC/DC变换器输出电压进行整流处理，获得一过压供电电压VCC，VCC作为电压基准单元和电压检测电路的供电，电压基准单元用于为电压检测电路提供基准电压Vref，当有多路电源输出时，需要有对应数量的电压检测电路，分别用于检测对应DC/DC变换器输出电压，并当DC/DC变换器输出过压时输出的过压故障信号FAULT的状态发生变化。当各路电压均正常时，输出的过压故障信号FAULT＝L；当其中任意一路输出电压超过预设过压保护点(即设定的危险电压)时，过压检测单元输出过压故障信号FAULT＝H。

在实际应用中过压检测单元可以采用图8所示的具体电路，其中，过压供电电路采用整流二极管D1、D2....Dn实现，D1、D2....Dn的阳极分别连接一变换器的输出端，其阴极均连接所述电压基准单元和电压检测电路的供电端，为所述电压基准单元和电压检测电路供电；每个电压检测电路包括由取样电阻组成的取样电路及一误差放大器，取样电路连接在对应的DC/DC变换器的输出端与地之间。以与第一路输出电压Vout1相连的电压检测电路为例，取样电路1由电阻R1和R2组成，误差放大器U1的正输入端与取样电路1的取样端R1、R2的节点相连，获得取样电压，其负输入端连接电压基准单元的基准电压Vref端，其供电端连接整流二极管D1、D2....Dn的阴极，其输出端与供电端连接有上拉电阻R7，并且，所有电压检测电路的输出端连接在一起，作为过压检测单元的输出端。各电压检测电路实时监测系统各路DC输出，并与基准电压Vref进行比较，当任意一路输出电压发生过压时，输出故障信号FAULT的状态发生变化。

由此可见，采用上述结构的过压检测单元，过压保护不受各个直流变换器上电时序的影响，只要任意一路有输出，取样电路均能正常工作，保证各路输出时序可以是任意组合的，从而解决了各路输出上电时序问题，且在直流变换器不工作时不消耗能量。

系统中的瞬态电压吸收单元采用并接在各输出端与地之间的暂态电压吸收管(TVS管)实现，由TVS管进行暂态的能量吸收。TVS具有体积小，功率大，响应快，无噪声，价格低等诸多优点，是目前国际上普遍使用的一种高效能的保护器件。当直流变换器的输出出现过电压时，TVS管对瞬态的危险电压进行钳位、吸收。

系统中的使能控制单元是用于对过压检测单元输出的故障信号进行锁存和电平转换，并输出一关机信号控制关断保护单元和AC/DC开关电源关断的。为了提高系统的安全可靠性，使能控制单元还同时输出一使能控制信号ON/OFF，去控制各DC/DC变换器的使能端，在输出过压时使DC/DC变换器关断。使能控制单元可以有多种实现方式，如图3、4所示，采用锁存器和电平转换电路实现。锁存器用于锁存故障信号FAULT的变化，使自身输出状态发生翻转，电平变换电路与锁存器相连，用于电平转换并输出使能控制信号ON/OFF和关机信号Shut down。系统的工作过程为：当直流变换器的输出出现过电压时，首先由TVS管进行暂态的能量吸收，由于VBUS是一个能量很大的源，所以TVS管只能保证很短时间的电压钳位，在这期间，过电压检测单元输出故障信号FAULT的状态发生变化，故障信号FAULT的上升沿被锁存器锁存，锁存器输出状态发生翻转，然后通过电平变换输出ON/OFF信号控制变换器的关断，同时输出关机信号Shut down控制关断保护单元的开关关断以及AC/DC开关电源的关断。该方案可扩展应用至多路DC/DC的输出保护，这里仅以3路DC/DC输出为范例。

使能控制单元还可以采用微控制器实现，如图5、6所示。原理与上相同，只是由CPU参与控制，由微控制器对检测到的过压故障信号的变化进行处理，以简化电路。同样，也先由TVS管进行暂态的能量吸收，在这期间，ON/OFF信号由微控制器实现。当任何一路输出发生过压时，FAULT信号由0变为1，微控制器检测到FAULT信号变化，经CPU处理后在CPU的I/O口输出ON/OFF，关断变换器的控制芯处，并且在中止口输出关机信号Shut down，作用于关断保护单元实现母线电压的关断如图5，或同时作用于关断保护单元与AC/DC开关电源，实现母线电压的关断如图6。

综上，本发明通过实时检测各路输出电压，采用输出钳位吸收，直接关断直流变换器的控制芯片，以及切断母线电压对直流变换器的供电的措施，实现了对电源系统的三级保护，具有高安全可靠性。可以广泛地应用在医疗设备中，如麻醉机、便携式除颤监护仪、高端监护设备上，还可广泛应用于带母线结构的多路输出的电源系统中，以提高系统的可靠性，消除危险电压的安全风险。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种电源供电系统，包括AC/DC开关电源，以及多个DC/DC变换器，所述AC/DC开关电源输出端接至电源母线，所述DC/DC变换器用于将电源母线的母线电压变换成所需的输出电压；其特征在于：还包括一过压检测单元，所述过压检测单元采用后级输出供电的方式，用于检测各DC/DC变换器的输出电压，将DC/DC变换器的输出电压与基准电压进行比较，根据所述DC/DC变换器输出电压是否过压输出不同状态的故障信号，并当任一DC/DC变换器输出发生过压时，依据该故障信号切断所述AC/DC开关电源对各变换器的供电，从而使得当后级输出发生过电压时彻底断开AC/DC开关电源与母线后级电路的连接；

所述过压检测单元对各DC/DC变换器的输出电压进行整流处理；

所述的过压检测单元包括过压供电电路，电压基准单元，以及多个电压检测电路；所述过压供电电路采用整流二极管实现，所述过压供电电路与各DC/DC变换器输出端相连，用于对各DC/DC变换器输出电压进行整流处理，获得一过压供电电压作为所述电压基准单元和电压检测电路的供电；

其中，所述电压检测电路包括一取样电路及误差放大器，所述取样电路连接在所述DC/DC变换器的输出端与地之间，所述误差放大器的正输入端与所述取样电路的取样端相连，获取取样电压，其负输入端连接所述电压基准单元的基准电压端，其供电端连接所述整流二极管的阴极，其输出端与供电端连接有上拉电阻；所述电压检测电路的输出端连接在一起，并作为所述过压检测单元的输出端。

2.根据权利要求1所述的电源供电系统，其特征在于：还包括备用电池，一关断保护单元及一使能控制单元，所述备用电池输出端接至电源母线，所述关断保护单元串联在所述电源母线上，所述使能控制单元用于对所述过压检测单元输出的故障信号状态的变化进行锁存和电平转换，并输出一关机信号控制所述关断保护单元关断。

3.根据权利要求1所述的电源供电系统，其特征在于：还包括备用电池，一关断保护单元及一使能控制单元，所述AC/DC开关电源内置故障关机单元，所述关断保护单元串联在所述备用电池输出端与电源母线之间，所述使能控制单元用于对所述过压检测单元输出的故障信号状态的变化进行锁存和电平转换，并输出一关机信号控制所述关断保护单元和AC/DC开关电源关断。

4.根据权利要求2或3任一权利要求所述的电源供电系统，其特征在于：所述电压基准单元用于为电压检测电路提供基准电压，所述电压检测电路用于检测对应DC/DC变换器输出电压，将变换器的输出电压与基准电压进行比较，并根据所述DC/DC变换器输出电压是否过压输出不同状态的故障信号。

5.根据权利要求4所述的电源供电系统，其特征在于：所述使能控制单元还输出一使能控制信号，用于控制所述DC/DC变换器的使能端，使所述DC/DC变换器输出过压时关断。

6.根据权利要求5所述的电源供电系统，其特征在于：所述使能控制单元包括一锁存器和电平变换电路，所述锁存器用于锁存所述故障信号状态的变化，并使自身状态发生翻转，所述电平变换电路与锁存器相连，用于电平转换并输出所述使能控制信号和关机信号。

7.根据权利要求5所述的电源供电系统，其特征在于：所述使能控制单元为微控制器，微控制器对检测到的过压故障信号变化进行处理，并在其I/O口输出所述使能控制信号，以及在其中止端输出所述关机信号。

8.根据权利要求4所述的电源供电系统，其特征在于：所述DC/DC变换器输出端并接一瞬态电压吸收单元，用于对DC/DC变换器输出过压时进行钳位吸收。

9.根据权利要求8所述的电源供电系统，其特征在于：所述瞬态电压吸收单元采用暂态电压吸收管，所述暂态电压吸收管并联在所述DC/DC变换器输出端与地之间。

10.根据权利要求4所述的电源供电系统，其特征在于：

所述整流二极管的阳极连接所述DC/DC变换器的输出端，所述整流二极管的阴极连接所述电压基准单元和电压检测电路，为所述电压基准单元和电压检测电路供电。

11.一种电源过压安全保护控制方法，用于电源供电系统，包括如下步骤：

A、采用后级输出供电的方式的过压检测单元检测各DC/DC变换器的输出电压，所述过压检测单元对各DC/DC变换器的输出电压进行整流处理；

B、过压检测单元对各DC/DC变换器输出电压是否过压进行判断，当任一DC/DC变换器输出发生过压时，切断AC/DC开关电源和备用电池对各DC/DC变换器的供电，从而使得当后级输出发生过电压时彻底断开AC/DC开关电源和备用电池与母线后级电路的连接；

所述的过压检测单元包括过压供电电路，电压基准单元，以及多个电压检测电路；所述过压供电电路采用整流二极管实现，所述过压供电电路与各DC/DC变换器输出端相连，用于对各DC/DC变换器输出电压进行整流处理，获得一过压供电电压作为所述电压基准单元和电压检测电路的供电；

其中，所述电压检测电路包括一取样电路及误差放大器，所述取样电路连接在所述DC/DC变换器的输出端与地之间，所述误差放大器的正输入端与所述取样电路的取样端相连，获取取样电压，其负输入端连接所述电压基准单元的基准电压端，其供电端连接所述整流二极管的阴极，其输出端与供电端连接有上拉电阻；所述电压检测电路的输出端连接在一起，并作为所述过压检测单元的输出端。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：所述步骤B包括如下处理：对各DC/DC变换器输出电压是否过压进行判断，当任一DC/DC变换器输出发生过压时，先对DC/DC变换器输出的危险电压进行钳位吸收，再切断AC/DC开关电源和备用电池对各DC/DC变换器的供电。

13.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于：所述步骤B还包括如下处理：当任一DC/DC变换器输出发生过压时，关断DC/DC变换器的控制芯片，使DC/DC变换器停止工作。

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