CN101777790A - 一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路 - Google Patents

一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路 Download PDF

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一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，一个保险丝与一个电阻串联，再与一个保险丝并联后接在每台直流稳压电源的正母线的输出端，对母线进行短路保护，每台直流稳压电源经过短路保护后分成两路，为两个DC/DC二次电源模块供电，在由不同直流稳压电源供电的DC/DC二次电源模块中选两个DC/DC二次电源模块，选好的两个DC/DC二次电源模块的输出各串联一个二极管后并联在一起为其中的一个CPU板供电，另外两个DC/DC二次电源模块分别给其余两个CPU板供电。解决了三冗余嵌入式计算机的供电电路的可靠性问题，消除因开路或短路故障造成系统失效的单点失效故障模式。

Description

一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路
技术领域
本发明涉及一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路。
背景技术
在运载火箭等高可靠应用领域，某些核心嵌入式计算机采用了三冗余设计，三个完全相同的CPU独立并行工作，输出结果经三取二表决输出，供电电路成为三冗余嵌入式计算机可靠性的关键环节之一。
以往型号三冗余嵌入式计算机由采用单电源供电的形式，也有采用双电源直接并联后为计算机供电的形式，如图1所示，这两种供电电路均存在单点失效故障模式，即一个地方出现故障，导致整个系统崩溃。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，解决了三冗余嵌入式计算机的供电电路的可靠性问题，消除因开路或短路故障造成系统失效的单点失效故障模式。
本发明的技术解决方案：
方案一：
一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，其特征在于：包括两台独立的直流稳压电源、四个保险丝、两个电阻、四个DC/DC二次电源模块和两个二极管，一个保险丝与一个电阻串联，再与一个保险丝并联后接在每台直流稳压电源的正母线的输出端，对母线进行短路保护，每台直流稳压电源经过短路保护后分成两路，为两个DC/DC二次电源模块供电，在由不同直流稳压电源供电的DC/DC二次电源模块中选两个DC/DC二次电源模块，选好的两个DC/DC二次电源模块的输出各串联一个二极管后并联在一起为其中的一个CPU板供电，另外两个DC/DC二次电源模块分别给其余两个CPU板供电，即实现了将两路独立直流电源输入变换为三路独立可靠的直流电源输出为三冗余嵌入式计算机系统供电。
所述保险丝按照工作电流不大于额定电流75％的原则选取。
所述电阻阻值按照保险丝内阻的5～10倍选取。
方案二：
一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，其特征在于：包括两台独立的直流稳压电源、四个保险丝、两个电阻、六个DC/DC二次电源模块和六个二极管，一个保险丝与一个电阻串联，再与一个保险丝并联后接在每台直流稳压电源的正母线的输出端，对母线进行短路保护，每台直流稳压电源经过短路保护后分成三路，为三个DC/DC二次电源模块供电，将由不同直流稳压电源供电的DC/DC二次电源模块进行两两组合，共组成三组，每组的两个DC/DC二次电源模块的输出各串联一个二极管后并联在一起为其中的一个CPU板供电，即实现了将两路独立直流电源输入变换为三路独立可靠的直流电源输出为三冗余嵌入式计算机系统供电。
所述保险丝按照工作电流不大于额定电流75％的原则选取。
所述电阻阻值按照保险丝内阻的5～10倍选取。
本发明与现有技术相比的优点在于：
该方法不仅消除了一度开路故障造成系统失效的故障模式，并且消除了因短路故障造成系统失效的故障模式，大大提高了三冗余嵌入式计算机系统的供电可靠性。(补充)
附图说明
图1为传统的三冗余嵌入式计算机供电电路示意图；
图2为本发明一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路示意图；
图3为本发明另外一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施例分别如图2和图3所示：
如图2所示，包括两台独立的直流稳压电源、四个保险丝1、两个电阻2、四个DC/DC二次电源模块和两个二极管3，一个保险丝与一个电阻串联，再与一个保险丝并联后接在每台直流稳压电源的正母线的输出端，对母线进行短路保护，每台直流稳压电源经过短路保护后分成两路，为两个DC/DC二次电源模块供电，在由不同直流稳压电源供电的DC/DC二次电源模块中选两个DC/DC二次电源模块，选好的两个DC/DC二次电源模块的输出各串联一个二极管后并联在一起为其中的一个CPU板供电，另外两个DC/DC二次电源模块分别给其余两个CPU板供电，即实现了将两路独立直流电源输入变换为三路独立可靠的直流电源输出为三冗余嵌入式计算机系统供电。
如图3所示，包括两台独立的直流稳压电源、四个保险丝、两个电阻、六个DC/DC二次电源模块和六个二极管，一个保险丝与一个电阻串联，再与一个保险丝并联后接在每台直流稳压电源的正母线的输出端，对母线进行短路保护，每台直流稳压电源经过短路保护后分成三路，为三个DC/DC二次电源模块供电，将由不同直流稳压电源供电的DC/DC二次电源模块进行两两组合，共组成三组，每组的两个DC/DC二次电源模块的输出各串联一个二极管后并联在一起为其中的一个CPU板供电，即实现了将两路独立直流电源输入变换为三路独立可靠的直流电源输出为三冗余嵌入式计算机系统供电。
本发明电路中的任一个设备、器件及设备和器件之间的线路发生开路和短路故障，嵌入式计算机系统均工作正常(两个CPU板工作正常，嵌入式计算机工作正常)。
采用两台独立的直流稳压电源为嵌入式计算机供电，在设备内供电电路仍独立，不能并联成一路。如将两台直流稳压电源的输出并联在一起为嵌入式计算机的方法，当其中一台电源的直流输出母线发生短路故障，由于输出母线并联在一起，则直接导致另一台直流稳压电源输出短路，嵌入式计算机失电停止工作。
本发明的主要创新点包括以下两点：
一、在直流稳压电源的正母线上，采用保险丝与电阻串联，再与保险丝并联的保险丝不对等并联法进行母线短路保护。主要考虑因素基于以下三个方面：
(1)保险丝的冗余设计不能采用并联分流方式
为提高可靠性，采用保险丝进行故障隔离，应考虑因保险丝质量问题导致该路无法供电。因此需要考虑保险丝的冗余。对保险丝进行冗余设计有一定的难度，如采取直接并联的方法，虽提高了供电的可靠性，但由于并联保险丝的分流作用，保险丝隔离性能大大降低。举例说明：当未采用保险丝并联冗余，保险丝的额定电流为I，当故障电流是2I时，可保证故障可靠隔离。采用保险丝并联冗余设计后，当故障电流是4I时，保险丝熔断，故障被隔离。如故障电流在小于4I时，故障不能确保被隔离，不符合系统的故障隔离要求。
(2)保险丝冗余采用主备份冗余方式
在备份保险丝路串入限流电阻，增加备份保险丝支路的电阻值，使绝大部分工作电流通过主保险丝，将两路保险丝形成主备份工作模式。正常工作时，主保险丝无故障时，绝大部分工作电路流过主保险丝。备份保险丝流过剩余的较少工作电流。当电路发生过流或短路故障，主保险丝首先熔断，之后，全部故障电流流过备份保险丝，备份保险丝熔断，保证了故障隔离功能发挥作用。
如主保险丝存在质量问题或发生故障，则由备份保险丝接替主保险丝，承担全部工作电流，为后面电路供电，需要考虑限流电阻的阻值会造成一定的供电压降，对后面电路的影响。
(3)保险丝、限流电阻的参数选取
a、工作电流按照0.75A来考虑，保险丝选择按照工作电流不大于额定电流75％的原则选取，因此应选择额定电流不小于1A的保险丝。
b、限流电阻阻值的选取，既要兼顾主备回路的电流分配、又要考虑备份电路工作时，限流电阻造成压降对后面电路的影响。
首先需要查阅保险丝的内阻，如保险丝内阻为0.1Ω，则限流电阻可按保险丝内阻的5～10倍选取，则主保险流过的电流为0.64～0.68A，备份保险丝流过的电流为0.07～0.11A。当故障电流为2.33A时，流过主保险丝额定电流为2A，流过备份保险丝电流为0.33A，主保险丝首先熔断，之后全部的2.33A流过备份保险丝，备份保险丝熔断。
当主保险丝发生质量问题，主电路不导通，则备份保险丝流过所有的0.75A电流，在限流电阻上的压降为0.38～0.75V，对一般采用28V直流供电的嵌入式计算机，小于1V的压降可以接受。
二、二次电源变换电路
选用具有输入输出隔离的DC/DC二次电源模块，实现二次电源变化功能，即可以优化电磁兼容性能，提高抗干扰能力，又实现输出短路故障对输入电路的影响。
本发明采用4个或6个DC/DC二次电源模块，实现二次电源变换，采用4个DC/DC二次电源模块的方案见图2。采用6个DC/DC二次电源模块的方案见图3。将4～6路二次电源转变为3路电源提供给三个CPU板
如图2所示，将DC/DC二次电源模块1和4的输出(分别由不同的直流稳压电源1和2供电)，分别提供给CPU板1和CPU板3，DC/DC二次电源模块2和3的输出正母线经过二极管后并联在一起，负母线直接并联，为CPU板2供电。
如图3所示，将DC/DC二次电源模块1和4正母线经二极管后并联，负母线直接并联，为CPU板1供电。同理将DC/DC二次电源模块2和5的输出提供给CPU板2，将DC/DC二次电源模块3和6的输出提供给CPU板3。
二极管的作用是实现两个并联DC/DC二次电源模块的故障之间的影响，当其中一个电源模块发生故障，由于有二极管隔离，不会影响另一个电源模块的正常输出，二极管的选取应考虑当其中的一个电源模块输出电路短路，能够承受另一个二次电源模块的输出电压而不被击穿。
目前本发明已应用在某型号火箭牵制释放故障检测系统中。系统配置两路直流28V供电，经过保险丝和电阻的保护电路，经过DC/DC电源模块变换成4路5V二次电源，为三个CPU板供电。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，其特征在于：包括两台独立的直流稳压电源、四个保险丝、两个电阻、四个DC/DC二次电源模块和两个二极管，一个保险丝与一个电阻串联，再与一个保险丝并联后接在每台直流稳压电源的正母线的输出端，对母线进行短路保护，每台直流稳压电源经过短路保护后分成两路，为两个DC/DC二次电源模块供电，在由不同直流稳压电源供电的DC/DC二次电源模块中选两个DC/DC二次电源模块，选好的两个DC/DC二次电源模块的输出各串联一个二极管后并联在一起为其中的一个CPU板供电，另外两个DC/DC二次电源模块分别给其余两个CPU板供电，即实现了将两路独立直流电源输入变换为三路独立可靠的直流电源输出为三冗余嵌入式计算机系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，其特征在于：所述保险丝按照工作电流不大于额定电流75％的原则选取。
3.根据权利要求1所述的一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，其特征在于：所述电阻阻值按照保险丝内阻的5～10倍选取。
4.一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，其特征在于：包括两台独立的直流稳压电源、四个保险丝、两个电阻、六个DC/DC二次电源模块和六个二极管，一个保险丝与一个电阻串联，再与一个保险丝并联后接在每台直流稳压电源的正母线的输出端，对母线进行短路保护，每台直流稳压电源经过短路保护后分成三路，为三个DC/DC二次电源模块供电，将由不同直流稳压电源供电的DC/DC二次电源模块进行两两组合，共组成三组，每组的两个DC/DC二次电源模块的输出各串联一个二极管后并联在一起为其中的一个CPU板供电，即实现了将两路独立直流电源输入变换为三路独立可靠的直流电源输出为三冗余嵌入式计算机系统供电。
5.根据权利要求4所述的一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，其特征在于：所述保险丝按照工作电流不大于额定电流75％的原则选取。
6.根据权利要求4所述的一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路，其特征在于：所述电阻阻值按照保险丝内阻的5～10倍选取。
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