CN101764425B

CN101764425B - 单板电源备份电路及单板电源系统

Info

Publication number: CN101764425B
Application number: CN2009102158199A
Authority: CN
Inventors: 任谦; 陈会光
Original assignee: Fujian Star Net Communication Co Ltd
Current assignee: Ruijie Networks Co Ltd
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2029-12-30
Also published as: CN101764425A

Abstract

本发明涉及电源领域，尤其涉及一种单板电源备份电路及单板电源系统，该电路包括：检测切换单元，检测单板上主电源输出电压，有故障时发出切换使能信号；至少一个冗余电源备份单元，其包括：电源变换模块，输出端经第一开关与主电源输出端连接；反馈回路，包括串联的上比例电阻和下比例电阻；阻值切换单元，出现故障时将下比例电阻切换到一个确定阻值，使电源变换模块输出电压切换到故障主电源电压；备份电源输入切换单元，在接收到切换使能信号时，接通第一开关。单板电源系统利用上述单板电源备份电路进行冗余电源备份。本发明供电时能够在所需的多个电压间快速切换，快速切换到需要的备份电源，大大缩短MTTR恢复时间。

Description

单板电源备份电路及单板电源系统

技术领域

本发明涉及电源电路技术领域，尤其涉及一种单板电源备份电路及单板电源系统。

背景技术

电源是电子产品的能量来源，稳定可靠的电源供应是保障电子产品稳定可靠工作的前提条件。现代电子产品采用的集成电路芯片复杂度越来越高，采用的集成电路芯片的数量越来越多，产品对电源的需求也越来越严格。

在电子系统设计时，经常遇到外部提供的电源不能满足电子系统需要的电源要求的情况。例如外部电网提供的电源电压为交流220V，而电子系统中电子产品单板工作需要的电压为直流3.3V的电源，这就需要使用特定的电子电路将已有的电源转换成能够满足电子产品单板使用要求的电源，这种完成电源转换功能的电子技术就是电源变换技术。而一个能够完成某个电源变换功能的电子电路一般称之为一个电源变换模块。

通常将电网交流电转换为低压直流电压输出的电源变换模块称为一次电源模块，将低压直流电压转换为产品需要的各路直流电压输出的电源变换模块称为二次电源或者板级电源。板级电源包含DC-DC开关电源和线性稳压电源。

如图1所示的DC-DC开关电源结构，可以将输入低压直流电压变换到芯片工作需要的各路输出电压，并且保持很高的转换效率。DC-DC开关电源包含一个DC-DC控制器、上下两个电子开关、输出电感/电容和反馈回路。DC-DC控制器周期性的打开关闭上、下电子开关，可以产生一个周期性的电源方波，然后通过电感/电容对该方波进行平滑滤波得到平稳的直流电压输出。反馈回路通过监控输出电压，据此调整上电子开关和下电子开关的开关时间从而实现输出电源电压的稳定；当上电子开关打开时，DC-DC开关电源将从输入电压处获取电流，输出电压上升；而当上开关关闭时则下开关打开，输入电压处不提供电流，依靠电感器件提供输出电流。因此DC-DC开关电源从输入电压处获取电流是周期性大小变化的。DC-DC开关电源将输入电压的功率通过电子开关和电感传递到输出端，一般能实现高达90％以上的电源变换效率，所以在电子系统中得到的广泛的应用。

一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。图2是一个比较简单的线性稳压电源原理图，取样电阻R₁通过取样输出电压，并与参考电压V₁比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管T1的导通程度，使输出电压保持稳定。线性稳压电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大，间接地给系统增加热噪声。

由于通讯设备等工作时往往需要多种电压各不相同的电源，对于单板有多路电源输入的设备，如图3所示，在电源设计上通常是从外部提供一个公共的直流电源，然后使用多个电源变换模块如上述DC-DC开关电源或线性稳压电源，分别变换得到需要的多路不同电压的电源输出1...电源输出n，向电子设备供电。这个向电子设备提供多路输出电源的电路称为多路输出电源系统。

在电子系统正常工作的过程中，对于单板有多路电源输入的设备，一般都会要求各路输入电源符合严格的要求。如果多路输出电源的某路电源出现故障，将导致单板无法正常工作。为了实现单板多路输出电源的备份，目前主要采用的电源备份方案有以下两种。

如图4所示，单板上包括多个需要不同电源的业务板，实现单板多路输出电源备份的单板电源备份系统包括：电源备份板、高低压母线、DC/DC模块、与DC/DC模块串联的二极管、检测/切换电路。电源备份板上包括直流电源、备份电源和DC/DC模块，DC/DC模块将直流电源输出电压(如48V)进行 DC/DC转换后引入低压母线上，各业务板通过检测/切换电路接入母线实现为负载LOAD供电。48V的备份电源直接通过另一母线与各业务板上的DC/DC模块连接。

上述电源备份系统通过单独的电源备份板实现对各个业务板的总电源的备份，备份电源接入48V母线通过各业务板上的DC/DC模块给对应的负载LOAD供电，通过各检测/切换电路检测输出电源是否正常，正常时使备份电源回路断开，当输出电源异常时，该检测切换电路接通备份电源回路，为业务板供电。这种方案针对的是单板总电源的备份，业务板只需要一种工作电压时适合，当业务板内部需要多种不同工作电压时，无法实现对单板内部多种电压的智能检测和对应备份电源的切换。此外备份DC/DC电源与单板DC/DC电源采用二极管进行隔离，由于二极管受环境温度等影响，压降不稳定，从而导致单板DC/DC电源输出至负载LOAD的电压不稳定。

如图5所示，实现电源备份的方法为：利用多个功能相同的供电单元组成电源，所有供电单元的输出功率之和大于设备要求的功率，各供电单元的输出并联在一起，共同为设备供电，当单个供电单元发生故障时，由其他供电单元继续给设备供电，实现设备电源的备份，这种电源的备份方法称为热备份。

上述方案在功能上是实现了电源的冗余备份，设备需要一种工作电压时，可以通过并联两个相同的供电单元实现备份，但是当一个设备需要多种不同电压的电源时，针对每一种电压的电源，都要至少两个功能相同的供电单元电源，这样系统的空间增大、成本增大，实用性并不强。因为在一般情况下系统多种不同电压的电源不可能都出现故障，也就是说有些电源的冗余备份是没有必要的。电源模块输出端采用二极管，由于二极管受环境温度等影响，压降不稳定，导致电源模块供给负载的电压不稳定。同时这种方案无法实现多种不同电压电源的智能检测和备份电源的切换，即实时检测系统电源，当检测到某电源故障时，切换到对应的备份电源。

发明内容

本发明提供一种单板电源备份电路及单板电源系统，其中将主电源供电切换到备份电源供电时能够在所需的多个电压间快速切换，大大缩短MTTR恢复时间。

本发明提供了一种单板电源备份电路，包括：

检测切换单元，用于检测单板上各路主电源输出的电压，在检测到主电源出现故障时，发出切换使能信号；

至少一个冗余电源备份单元，每一冗余电源备份单元包括：电源变换模块，输出端经与所述主电源一一对应的第一开关与主电源输出端连接，用于对备份电源电压进行变换并输出；反馈回路，包括串联的上比例电阻和下比例电阻，所述上比例电阻一端接入所述电源变换模块输出端，另一端分别连接下比例电阻一端和电源变换模块反馈端，所述下比例电阻另一端接地；阻值切换单元，在接收到切换使能信号时，将所述下比例电阻切换到多个设定阻值中一个确定阻值，使电源变换模块输出的电压切换到其中一路故障主电源电压；

备份电源输入切换单元，在接收到切换使能信号时，接通输出故障主电源电压的电源变换模块的输出端与所述故障主电源的输出端之间连接的第一开关。

本发明还提供了一种单板电源系统，包括：

多路主电源，用于输出多路电压为需要不同电压值的负载电路供电；；

上述单板电源备份电路。

利用本发明提供的单板电源备份电路及单板电源系统，具有以下有益效果：单板电源备份电路能够在所需的多个电压间快速切换，在主电源出现故障时可以快速切换到故障主电源电源，输出备份电源为负载电路供电，大大缩短MTTR(Mean Time to Restoration)恢复时间，使负载电路正常工作，以保证电源系统的高可靠性。

附图说明

图1为现有技术中采用的DC-DC开关电源内部结构图；

图2为现有技术中采用的线性电源内部结构图；

图3为现有技术中的多路输出电源系统结构图；

图4为现有技术中采用电源备份板的单板电源系统结构图；；

图5为现有技术中采用热备份的单板电源系统结构图；

图6为本发明依照本发明实施例一的单板电源系统内部电路图；

图7为依照本发明实施例一的冗余电源备份单元结构图；

图8为依照本发明实施例二的单板电源系统结构图；

图9为依照本发明实施例二的单板电源系统内部电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行更详细地说明。

现有技术中的单板电源系统中，一旦某路电源出现故障，轻则部分模块无法工作，重则导致整个系统瘫痪。有鉴于此，本发明提供一种单板电源备份电路，将主电源供电切换到备份电源供电时能够在所需的多个电压间快速切换。

依照本发明的实施例一中，如图6所示，所提供的单板电源备份电路包括：

检测切换单元10，用于检测单板上各路主电源输出的电压，在检测到主电源出现故障时，发出切换使能信号；

至少一个冗余电源备份单元20，每一冗余电源备份单元包括：

电源变换模块201，输出端经与主电源一一对应的第一开关与主电源输出端连接，用于对备份电源电压进行变换并输出；该电源变换模块为通过DC/DC将低压直流转换为供电需要的直流电源，可以采用图1所示开关电源中原理进行DC/DC转换；反馈回路202，包括串联的上比例电阻202a和下比例电阻202b，所述上比例电阻202a一端接入所述电源变换模块201输出端，另一端同时连接下比例电阻202b和电源变换模块201的反馈端，所述下比例电阻202b一端与所述上比例电阻202a连接，另一端接地；阻值切换单元203，在接收到切换使能信号时，将下比例电阻202b切换到多个设定阻值中一个确定阻值，使电源变换模块201输出的电压切换到其中一路故障主电源电压；阻值切换单元203可以用于将下比例电阻202b的阻值在多个设定阻值间切换，使所述电源变换模块输出的电压在多个设定电压值间切换。

备份电源输入切换单元30，在接收到切换使能信号时，接通输出故障主电源电压的电源变换模块输出端，与所述故障主电源输出端连接的第一开关。

优选地，本实施例中的多个设定电压值为所述单板上各路主电源输出电压值。这样，在主电源出现故障时利用下比例电阻的阻值切换，可以快速切换到所需备份电压。本实施例中的下比例电阻包括：包括一路与上比例电阻202a串联的主电阻，及并联连接在所述主电阻两端的至少一路支电阻，每路支电阻经第二开关与主电阻并联。阻值切换单元，具体通过控制所述支电阻串联的第二开关的开闭，将所述下比例电阻切换到多个设定阻值中一个确定阻值。

通过第二开关的开闭可以实现第二开关所在的支路中的支电阻与主电阻形成并联还是断开并联，从而改变下比例电阻202b的等效阻值，进而改变电源变换的输出电压。本实施例中优选采用主电阻并联不同支电阻的方式来改变下比例电阻的等效阻值。当然，改变下比例电阻的等效阻值的方式不限于此，也可以采用其他只要是通过开关切换实现反馈回路电阻网络改变的方式。

下比例电阻202b中主电阻及各路支电阻的阻值根据需要进行备份的电压电压确定。具体过程根据现有的反馈控制原理调整，这里不再赘述。

如图7所示，本实施例中各支电阻连接的第二开关为三极管F2_Q2、F3_Q2...Fn_Q2，三极管的基极与阻值切换单元203连接，发射极经支电阻与所述主电阻接地的一端连接，集电极与所述主电阻另一端连接；或所述发射极与所述主电阻接地的一端连接，所述集电极经支电阻与所述主电阻的另一端连接；阻值切换单元203，具体通过控制三极管的基极电压来控制集电极和发射极的导通或断开。上比例电阻202a采用等效阻值为第一恒定阻值R1的一个或一组互联电阻；下比例电阻中，主电阻采用等效阻值为第二恒定阻值R2的一个或一组互联电阻，为节省电阻数量，如图7所示，本实施例中上比例电阻202a优选为采用等效阻值为第一恒定阻值R1的一个电阻R₁；下比例电阻202中的主电阻采用等效阻值为第一恒定阻值R2的一个电阻R₂。

下比例电阻202b中，所有支电阻F2_R1、F3_R1...Fn_R1对应串联的第二开关F2_Q2、F3_Q2...Fn_Q2打开时，电源变换模块201输出的设定电压值等于最大的主电源电压。这样，随着不同支电阻与主电阻并联，使输出电压逐级减小。优选地，下比例电阻202b中，所述主电阻两端并联的主电阻和支电阻的总路数和主电源输出的电压值个数一致。如在供电需要n路电压时，在有一路主电阻的情况下，并联的支电阻路数为n-1路。

优选地，第一开关为双MOS管，其栅极与所述备份电源输入切换单元30连接，源极和漏极分别对应连接一电源变换模块201的输出端与一主电源的输出端；所述备份电源输入切换单元30具体通过控制栅极电压来接通或断开源极和漏极的连接，实现第一开关的开闭。

所述冗余电源备份单元的个数由单板上主电源的个数及故障出现频率经验值确定，具体为冗余电源备份单元的个数，与单板上主电源的总个数与故障出现频率经验值乘积一致。如在单板上主电源的个数小于4时，只采用一个冗余电源备份单元即可。在采用多个冗余电源备份单元时，可以根据需要同时实现多路不同冗余电源备份。具体为通过检测切换单元10对多路主电源的输出进行检测，在检测到一路主电源出现故障时，选择任意一个冗余电源备份单元，利用阻值切换单元将其输出电压切换到故障主电源；在检测到两路主电源出现故障时，选择其中两个冗余电源备份单元，利用对应的阻值切换单元将其输出电源分别切换到两路故障主电源。依次类推，最多可以实现n(n为冗余电源备份单元的个数)路故障主电源的同时备份。一般情况下，多路故障主电源同时出现故障的几率很小，所以根据上述方式确定冗余电源备份单元的个数的方式确定选择多少个冗余电源备份单元。

在本发明实施所提供的单板电源备份电路的基础上，所提供的单板电源系统，如图8所示，该单板电源系统包括：多路主电源，用于输出多路电压为需要不同电压值的负载电路供电；本发明上述实施例中所提供的单板电源备份电路。优选地，所述多路主电源中，每路主电源的输出端经第三开关同时接入所述负载电路和所述单板电源备份电路中对应的第一开关；该单板电源系统还包括：供电控制单元40，用于在所述单板电源备份电路中的检测切换单元10未检测到主电源故障时，接通未出现故障主电源输出端所连接的第三开关；在接收到切换使能信号时，关闭故障主电源输出端所连接的第三开关。每路主电源的输出经第三开关在接入所述负载电路之前，所述主电源的输出端还连接有与所述负载电路并联的储能元件。每路主电源的输出经第三开关在接入所述负载电路之前，所述主电源的输出端还连接有与所述负载电路并联的储能元件。

本发明所提供的单板电源备份系统通过将检测切换单元10对多路主电源独立输出的多电压检测采样比较，若判定某路主电源输出电压异常，发出切换使能信号，在切换使能信号的控制下，供电控制单元40关闭对应的第三开关隔离该路主电源电压输出，将主板冗余备份电源启动后，通过单板电源备份电路快速切换备份，大大缩短MTTR恢复时间，并且能够实现硬件板级电源的自愈修复功能。防止电源系统因某路电源故障而导致整个系统无法正常工作，从而保证该工作系统更加可靠。适合通信技术领域或者其他电子电路领域单路或多路电源供电的产品。

依照本发明的实施例二中，如图8所示，所提供的单板电源系统中的多路主电源V1...Vn由对应的电源变换模块1、电源变换模块2...电源变换模块n将电源总线上输入的电压进行相应的电源变换得到，本实施例中单板电源备份电路中电源变换模块201的输入电源从电源总线上获取冗余备份电源输入。冗余备份电源输入是为单板电源备份电路中电源变换模块提供输入电源。实施例一中的检测切换单元10、阻值切换单元203、备份电源输入切换单元30及供电控制单元40构成检测切换电路，检测切换电路实现对n路电源V1...Vn的故障检测，将检测出故障的电源切换到单板电源备份电路供电。单板电源备份电路实现对n路电源的备份，检测切换电路一旦检测出主电源某路输入电源故障，立即切换到冗余备份的电源上，保障工作系统的正常工作。通过上述检测切换电路，最终将工作系统负载所需的电源board_VOUT1、board_VOUT1...board_VOUTn输出至对应的工作系统。

本实施例中实现单板电源系统的一种电路如图9所示，此电路实现3路主电源的故障检测和冗余备份。检测切换电路由中央控制单元MCU(型号为PIC16F73的单片机)及外围电路实现，其中RV11和RV12、RV21和RV22、RV31和RV32分别为主电源输入电压V1、V2、V3的分压电阻。单板电源备份电路的反馈回路中的上比例电阻为R₁，下比例电阻包括主电阻R₂和与电阻R₂并联的两路支电阻F2_R1、F3_R1，各路电阻F2_R1、F3_R1对应串联第二开关F2_Q1、F3_Q1，实现多种不同电压的电源调节输出，电阻取值要根据工作系统电源board_VOUT1...board_VOUT3的需求值计算得到，且要选择精度小于等于1％的电阻。电路中的电容C1...C3为储能电容，在电路切换的瞬间，由储能电容向工作系统供电。电路中第一开关和第三开关采用双MOS管。主电源输出和单板电源备份电路的备份电源输出端采用双MOS管开关，起到了很好的隔离作用，压降比较稳定，避免了采用二极管，其压降受环境温度等影响差异较大。

采用本实施例上述电路结构的单板电源系统实现供电的过程为：

通过图8中的电源变换模块1...电源变换模块3得到主电源V1...V3，在图9中此3路电源输入到单片机PIC16F73，PIC16F73通过A/D转换分别检测3路主电源电压，并与预先设定的参考电压相比较，这里参考电压根据实际要求检测的电压给定，当检测出电压均大于参考值时，表示电路主电源正常；单片机PIC16F73通过I/O口控制输出开关信号VOUT_k1...VOUT_k3，打开对应的第三开关，使主电源输入V1...V3与工作系统电源的输入board_VOUT1...board_VOUT3接通，从而为工作系统供电。同时通过开关信号feedback_k2、feedback_k3关断单板电源备份电路中的各路支电阻连接的第二开关，及通过开关信号backup_k1...backup_k3关断电源变换模块输出端连接的第一开关。

当单片机PIC16F73检测到某路主电源电压值小于参考电压值时，表示该路主电源出现故障，PIC16F73此时需要通过开关信号feedback_k2/feedback_k3闭合单板电源备份电路中的某路支电阻连接的第二开关，进行阻值切换，使备份电源输出端输出的电压为故障主电源电压。然后通过开关信号backup_k1/backup_k2/backup_k3闭合电源变换模块输出端连接的第一开关。使备份电源输出端为工作系统供电，同时通过开关信号VOUT_k1...VOUT_k3关闭出现故障的主电源连接的第三开关，实现从故障电源端到备份电源端的切换，保障系统的正常运行。

本实施例中所采用的单板电源备份电路，可以通过电路中开关信号backup_k1接通时对应的备份电源为单板电源备份电路中电源变换模块输出的一种默认电源。如果备份电源模块采用线性电源，且V1＞V2＞V3，则此电路图中单板电源备份电路默认输出值大小为V1，为V1提供备份，V2和V3的备份电源通过接通开关信号feedback_k2和feedback_k3实现。

例如，当PIC16F73检测到信号V2小于设定的参考电压时，说明该路电源V2出现故障，无法正常给工作系统供电，此时PIC16F73通过开关信号feedback_k2使支电阻F2_R1并联到电阻R₂，因此输出电源切换到V2，然后通过开关信号backup_k2打开对应的第一开关，通过开关信号VOUT_k2关闭主电源的输出通道，使备份电源输出与系统电源的输入board_VOUT2接通，实现故障电源V2到备份电源的切换。当PIC16F73检测到信号V3小于设定的参考电压时，说明该路电源V3出现故障，无法正常给工作系统供电，此时PIC16F73通过开关信号feedback_k3使支电阻F3_R1并联到电阻R₂，因此输出电源切换到V3，然后通过开关信号backup_k3打开对应的第一开关，通过开关信号VOUT_k3关闭主电源的输出通道，使备份电源输出与系统电源的输入board_VOUT3接通，实现故障电源V3到备份电源的切换。

本实施例中方案可以扩展到采用多个冗余电源备份单元进行多路输出电源同时进行多路备份、采用一个冗余电源备份单元进行单路电源冗余备份，主电源出现故障时快速切换到备份电源，缩短MTTR恢复时间。采用其他电压检测手段，判断电压是否异常，从而快速切换备份的电路也属于本专利扩展范围。

本发明的检测切换电路可以由MCU扩展到采用CPLD、ARM或CPU处理器等，同样能够实现多路输出电源的冗余备份，保障工作系统的可靠运行。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种单板电源备份电路，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的单板电源备份电路，其特征在于，所述下比例电阻中包括：一路与上比例电阻串联的主电阻，及并联连接在所述主电阻两端的至少一路支电阻，每路支电阻串联连接第二开关；

所述阻值切换单元，具体通过控制所述支电阻串联的第二开关的开闭，将所述下比例电阻切换到多个设定阻值中一个确定阻值。

3.如权利要求2所述的单板电源备份电路，其特征在于，

所述第二开关为三极管，所述三极管的基极与所述阻值切换单元连接，发射极经支电阻与所述主电阻接地的一端连接，集电极与所述主电阻另一端连接；或所述发射极与所述主电阻接地的一端连接，所述集电极经支电阻与所述主电阻的另一端连接；

所述阻值切换单元，具体通过控制所述三极管的基极电压来控制所述集电极和发射极的导通或断开。

4.如权利要求2或3所述的单板电源备份电路，其特征在于，

所述上比例电阻包括等效阻值为第一恒定阻值的一个或一组互联电阻；

所述主电阻包括等效阻值为第二恒定阻值的一个或一组互联电阻。

5.如权利要求4所述的单板电源备份电路，其特征在于，

所述主电阻和支电阻的总路数和主电源输出的电压值个数一致。

6.如权利要求2或3所述的单板电源备份电路，其特征在于，

所述第一开关为双MOS管，其栅极与所述备份电源输入切换单元连接，源极和漏极分别对应连接一电源变换模块的输出端与一主电源的输出端；

所述备份电源输入切换单元具体通过控制所述栅极电压来接通或断开源极和漏极的连接。

7.如权利要求1～3任一所述的单板电源备份电路，其特征在于，

所述冗余电源备份单元的个数，与单板上主电源的总个数和故障出现频率经验值的乘积一致。

8.一种单板电源系统，其特征在于，包括：

多路主电源，用于输出多路电压为需要不同电压值的负载电路供电；

权利要求1～7任一所述的单板电源备份电路。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述多路主电源中，每路主电源的输出端经第三开关同时接入所述负载电路和所述单板电源备份电路中对应的第一开关；该单板电源系统还包括：

供电控制单元，用于在所述单板电源备份电路中的检测切换单元未检测到主电源故障时，接通未出现故障主电源输出端所连接的第三开关；在接收到切换使能信号时，关闭故障主电源输出端所连接的第三开关。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，

每路主电源的所连接的第三开关接入负载电路的一端，还连接有与所述负载电路并联的储能元件。