CN102156525A - 电源热插拔控制方法、电路及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源热插拔控制方法、电路及设备，其中方法包括：当电源变换模块通过接插件与工作系统的电源总线接触时，断开所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路；检测所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值；根据所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路。本发明可以有效解决热插拔电源在插拔瞬间的打火现象，提高了工作系统的可靠性。

Description

电源热插拔控制方法、电路及设备

技术领域

本发明涉及一种电源热插拔控制方法、电路及设备，属于电源的热插拔技术领域。

背景技术

随着计算机及通信技术的发展，对电子系统的不间断供电要求越来越严格。进行电源备份是解决该问题的较好办法，快速有效的电源热插拔技术是关键。

电源热插拔技术是指在电源导电的工作状态下，将电源插接到工作系统上或者从工作系统上拔离而不影响工作系统的操作。热插拔冗余电源系统增加了系统的容错程度。如图1所示，电源系统的冗余通常用n+x的方法来描述，这里的n代表在满足系统最大供电要求时所需要的主用电源变换模块的数量，x表示所安装的备用电源变换模块的数量。电源变换模块1～n为主用电源变换模块；电源变换模块n+1～n+x为备用电源变换模块。

电源热插拔时，如果系统存在压差或能量冲突，就会发生打火，会产生很大的电流，造成接触点局部熔化，或在振动中出现拉弧现象使插座发生损坏。现代电子产品的应用形式越来越广泛，热插拔的电源应用越来越多。在电源热插拔过程中，必须保证不能损害电源和系统的元器件，不能出现危害安全的现象，例如打火。要保证电源热插拔前后以及插拔的瞬间，电源和系统能够很好的配合，并保证可靠工作，电源热插拔瞬间的系统压差及能量释放必须进行严格控制，以防电源插拔打火，从而保证电源和系统工作的可靠性。

为了防止电源热插拔瞬间打火，现有技术中存在如下技术方案：

为了实现电子系统电源的备份，目前主要采用的方案有以下两种：

电源热插拔要将高的瞬间电流控制在一个比较低而且合理的水平，目前实现方法有以下几种：

(1)使用正温度系数的热敏电阻(简称：PTC)，是最简单的方法。依靠PTC本身的电流发热改变阻抗，从而降低瞬间电流的幅度。其缺点是反应速度慢，而且长时间使用会影响使用寿命。例如：在专利号为99216547.4，名称为《用于热插拔电子设备的缓冲装置》的专利中，采用电阻加在线路中作为限流，缺点是在电源正常工作时电阻要消耗能量，影响电源效率，并且引入了电路的不可靠因素。

(2)金属氧化物半导体(简称：MOS)管电流检测电阻加上一些简单的电阻电容延迟线路的方法成本低，但防打火的效果较差，因此仅适于低端用途。

(3)采用热插拔芯片，通常该芯片包含一个驱动MOS设计和电流检测电阻，它除了做基本热插拔之外，还可以提供特殊功能，如控制电流上升速率、做断电器、电源管理以及状态报告等，能够提升系统的工作状态。如图2所示，在供电与负载之间串联一个MOS管Q1和一个电流检测电阻R1，该电流检测电阻R1的目的是将流过MOS管的信号传给控制线路，控制线路再根据电流设定和计时电路来控制MOS管的导通。这种电路可以有效控制冲击电流对系统的危害，提高整机系统的可靠性，但是不能消除冲击电流，因为热插拔芯片只能设计一个固定的阈值，高于这个阈值的冲击可能对系统造成损坏，所以高于阈值的冲击都会导致热插拔控制芯片关闭MOS管。并且这种方案的实现需要采用专用的热插拔控制芯片，电路和控制复杂，使得电路的可靠性有所下降，成本也偏高。

(4)采用设置输入电容、接插件长短针设计来控制热插拔。例如：在专利号为03222273.4，名称为《电源热插拔的装置》的专利中，在输入电源线与输入开关的输出端之间设置有输入电容预充电电路及输入大电容；在控制电路中设置有输入电压比较电路；电源插座中的接插件长度控制各线的接通顺序：最长是输出地线的针、其次是输入电源线和地线的针、再次是输出电源线的针、最短的是电源插到位标志针。这种方法的缺陷是在第一次插拔时不会有问题，在后续的连续插拔中，由于后级电路中电容放电未完，电源再次插入，虽然有长短针的设计，但在快速热插拔中，能够延缓接触的时间很短，因此可能会出现插拔打火现象。

发明内容

本发明提供一种电源热插拔控制方法、电路及设备，用以解决电源热插拔瞬间打火的问题。

本发明一方面提供一种电源热插拔控制方法，其中包括：

当电源变换模块通过接插件与工作系统的电源总线接触时，断开所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路；

检测所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值；

根据所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路。

本发明另一方面提供一种电源热插拔控制电路，与接插件并联，该接插件用于连接电源变换模块与工作系统的电源总线，其中包括：

第一开关，用于连接所述电源变换模块与所述接插件；

第二开关，用于连接所述工作系统的电源总线与所述接插件，当所述电源变换模块通过所述接插件与所述工作系统的电源总线接触时，所述第一开关及所述第二关保持断开；

第一电压实时检测电路，用于检测所述电源变换模块侧的电压值；

第二电压实时检测电路，用于检测所述工作系统侧的电压值；

电源输出控制电路，用于根据所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值，控制所述第一开关接通所述电源变换模块与所述接插件之间的供电通路，并控制所述第二开关接通所述接插件与所述电源总线之间的供电通路。

本发明又一方面提供一种电源热插拔控制设备，其中包括电源热插拔控制电路及接插件，所述电源热插拔控制电路与所述接插件并联，该接插件用于连接电源变换模块与工作系统的电源总线。

本发明通过实时检测电源变换模块侧的电压值与工作系统侧的电压值，进而根据检测到的电压值控制电源的接通，可以有效解决热插拔电源在插拔瞬间的打火现象，反应迅速、判断准确，避免了热插拔电源在多次热插拔或快速热插拔时出现的瞬间打火现象，防止了热插拔瞬间冲击电流对接插件和其他电路的损伤，保证了电源变换模块与工作系统的可靠接触，提高了工作系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有冗余供电系统的结构示意图；

图2为现有电源热插拔控制电路的举例示意图；

图3为本发明所述电源热插拔控制方法实施例的流程图；

图4为图3所示步骤300的一种可选实现方式的流程图；

图5为图3所示步骤300的另一种可选实现方式的流程图；

图6为本发明电源热插拔控制电路的连接示意图；

图7为本发明电源热插拔控制电路的具体结构示意图；

图8为本发明电源热插拔控制电路的可选电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3为本发明所述电源热插拔控制方法实施例的流程图，如图所示，该方法包括如下步骤：

步骤100，当电源变换模块通过接插件与工作系统的电源总线接触时，断开所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路。

其中，所述电源变换模块可以是交流/直流(简称：AC/DC)电源变换模块，也可以是直流/直流(简称：DC/DC)电源变换电源。当进行电源热插拔时，电源变换模块先连接到与工作系统的电源总线相连的接插件上，在本步骤中，当电源变换模块通过接插件与工作系统的电源总线接触时，暂时先断开所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路，此时，电源变换模块并不向电源总线供电，从而不会发生瞬间打火现象。

步骤200，检测所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值。

其中，所述电源变换模块侧的电压值是指电源变换模块的输出电压值；所述工作系统侧的电压值是指所述工作系统的电源总线上的输入电压值。

步骤300，根据所述电源变换模块侧的电压值和工作系统侧的电压值接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路。

通过本步骤，使得外部电源总线通过该接插件向工作系统供电。具体地，本步骤的具体实现方式将在后续内容进行详细介绍。

本实施例所述方法通过实时检测电源变换模块侧的电压值与工作系统侧的电压值，进而根据检测到的电压值控制电源的接通，可以有效解决热插拔电源在插拔瞬间的打火现象，反应迅速、判断准确，避免了热插拔电源在多次热插拔或快速热插拔时出现的瞬间打火现象，防止了热插拔瞬间冲击电流对接插件和其他电路的损伤，保证了电源变换模块与工作系统的可靠接触，提高了工作系统的可靠性。

以下介绍上述步骤300的一种可选实现方式，如图4所示，包括如下步骤：

步骤311，将所述电源变换模块侧的电压值与预设的上限电压值进行比较，将所述工作系统侧的电压值与预设的下限电压值进行比较。

其中，所述上限电压值是指电源变换模块预计要达到的输出电压值，当检测到的电源变换模块侧的电压值达到该上限电压值时，表明该电源变换模块已经做好了供电的准备；所述下限电压值是用于判断工作系统是否处于工作状态的电压值，当检测到的所述工作系统侧的电压值小于所述下限电压值时，表明该工作系统的输入电压值很低，并没有处于工作状态。

步骤312，当所述电源变换模块侧的电压值大于所述上限电压值且所述工作系统侧的电压值小于所述下限电压值时，接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路。

其中，当所述电源变换模块侧的电压值大于所述上限电压值且所述工作系统侧的电压值小于所述下限电压值时表明所述工作系统此时没有任何能量存在，来自于外部电源总线的能量输出到工作系统时，没有能量冲突，不会发生瞬间打火现象，因此通过本步骤接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路，使得外部电源总线为工作系统的电源总线供电。

图4所示方法可以使用在两种情况下：一是在插入第一个热插拔电源时，二是整个系统就是由一个热插拔电源供电，热插拔电源期间，电源转换模块输出端的电压下降曲线与工作系统输入端的电压下降曲线不一致，存在的压差较大。

以下介绍上述步骤300的另一种可选实现方式，如图5所示，包括如下步骤：

步骤321，计算所述电源变换模块侧的电压值与所述工作系统侧的电压值之间的电压差值。

其中，有关所述电源变换模块侧的电压值及所述工作系统侧的电压值可参见上述方法实施例的相关说明。

步骤322，将所述电压差值的绝对值与预设的接通门限值进行比较。

其中，所述接通门限值是预设的允许接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路的门限值。

步骤323，当所述电压差值的绝对值小于所述接通门限值时，接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路。

图5所述方法通过当电源变换模块侧的电压值与工作系统侧的电压值之间的电压差值的绝对值足够小时才接通电源变换模块与电源总线之间的供电通路，从而防止了电源在热插拔的瞬间打火。

图6为本发明电源热插拔控制电路的连接示意图，如图所示每个电源热插拔控制电路均与一个接插件并联，该接插件用于连接电源变换模块与工作系统的电源总线，电源变换模块连接外部电源总线。如图7所示，每个所述电源热插拔控制电路至少包括：第一开关11和第二开关12、第一电压实时检测电路21和第二电压实时检测电路22、以及电源输出控制电路30，其中：

所述第一开关11连接所述电源变换模块与所述接插件，所述第二开关12连接所述工作系统的电源总线与所述接插件，当所述电源变换模块通过所述接插件与所述工作系统的电源总线接触时，所述第一开关11及所述第二关12保持断开；此时，外部电源总线暂时不能通过该接插件向工作系统供电。

所述第一电压实时检测电路21检测所述电源变换模块侧的电压值，所述第二电压实时检测电路22检测所述工作系统侧的电压值，有关这两种电压值的相关说明，可参见上述各方法实施例的相关内容。

此后，由电源输出控制电路30根据所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值，控制所述第一开关11接通所述电源变换模块与所述接插件之间的供电通路，并控制所述第二开关12接通所述接插件与所述电源总线之间的供电通路，使得外部电源总线通过该接插件向工作系统供电。

本实施例所述电路通过实时检测电源变换模块侧的电压值与工作系统侧的电压值，进而根据检测到的电压值控制电源的接通，可以有效解决热插拔电源在插拔瞬间的打火现象，反应迅速、判断准确，避免了热插拔电源在多次热插拔或快速热插拔时出现的瞬间打火现象，防止了热插拔瞬间冲击电流对接插件和其他电路的损伤，保证了电源变换模块与工作系统的可靠接触，提高了工作系统的可靠性。

另外，如图7所示，该电源热插拔控制电路还可以进一步包括电压比较控制电路50，用于将第一电压实时检测电路21检测到的所述电源变换模块侧的电压值与预设的上限电压值进行比较，将第二电压实时检测电路22检测到的所述工作系统侧的电压值与预设的下限电压值进行比较，有关所述上限电压值和下限电压值的介绍，可参见上述方法实施例的相关内容。

此后，所述电源输出控制电路30可以当电压比较控制电路50比较出所述电源变换模块侧的电压值大于所述上限电压值且所述工作系统侧的电压值小于所述下限电压值时，控制所述第一开关11接通所述电源变换模块与所述接插件之间的供电通路，并控制所述第二开关12接通所述接插件与所述电源总线之间的供电通路，从而使得外部电源总线通过该接插件向工作系统供电。

另外，如图7所示，该电源热插拔控制电路还可以进一步包括压差实时检测控制电路60，用于计算第一电压实时检测电路21检测到的所述电源变换模块侧的电压值与第二电压实时检测电路22检测到的所述工作系统侧的电压值之间的电压差值，并将所述电压差值的绝对值与预设的接通门限值进行比较，有关所述接通门限值的介绍，可参见上述方法实施例的相关内容。

此后，所述电源输出控制电路30可以当压差实时检测控制电路60比较出所述电压差值的绝对值小于所述接通门限值时，控制所述第一开关11接通所述电源变换模块与所述接插件之间的供电通路，并控制所述第二开关12接通所述接插件与所述电源总线之间的供电通路，从而使得外部电源总线通过该接插件向工作系统供电。

通过当电源变换模块侧的电压值与工作系统侧的电压值之间的电压差值的绝对值足够小时才接通电源变换模块与电源总线之间的供电通路，从而防止了电源在热插拔的瞬间打火。

图8为本发明电源热插拔控制电路的可选电路图，如图8所示，电源VOUT是指电源转换模块的输出电压，VIN是指输入给工作系统的电压，晶体管Q4相当于第一开关，晶体管Q5相当于第二开关，Q4和Q5在导通前将电源转换模块、接插件、工作系统三者隔离，防止了插拔瞬间电源转换模块、工作系统对接插件的冲击影响，起到了很好的保护作用。其中：

比较器U1-A和U1-D构成压差实时检测控制电路中的一条支路，具体可以选用型号为LM324的运算放大器实现，用于当VIN＞VOUT时，根据压差进行热插拔控制。具体地，如图5所示，U1-A用于检测VIN与VOUT之间的压差，U1-D就VIN和VOUT之间的压差与设定参考值VREF比较，VREF的大小可以依据实际情况设定，如果VOUT为48V，可以设定VREF为5V左右，如果VOUT为12V，可以设定VREF为2V。当然，VREF设定的值越小越好，但是会导致上电的时间加长。就防止电源热插拔瞬间打火来说，没必要将此值设定的太小。当VIN-VOUT＞VREF时，三极管Q1导通，此时二极管D1正极接地，没有电压控制信号输出给Q4和Q5，此时工作系统电源总线就不会与电源转换模块的输出端连通；当VIN-VOUT＜VREF时，三极管Q1不导通，此时VCC通过二极管D1输出电压控制Q4和Q5的栅极，使其导通供电，由于导通时VIN和VOUT之间的压差小于VREF，所以不会出现热插拔打火现象。

比较器U1-B和U1-C构成压差实时检测控制电路中的另一条支路，具体可以选用型号为LM358的运算放大器实现，用于当VOUT＞VIN时，根据压差进行热插拔控制。具体地，如图5所示，U1-B用于检测VIN、VOUT之间的压差，U1-C就VIN和VOUT之间的压差与设定参考值VREF比较。当VOUT-VIN＞VREF时，三极管Q2导通，此时二极管D2正极接地，没有电压控制信号输出给Q4和Q5，此时工作系统电源总线就不会与电源转换模块的输出端连通；当VOUT-VIN＜VREF时，三极管Q2不导通，此时VCC通过二极管D2输出电压控制Q4和Q5的栅极，使其导通供电，由于导通时两边的压差小于VREF，所以不会出现热插拔打火现象。

比较器U2-A和U2-B构成电压比较控制电路，其应用在两种情况下：一是在插入第一个热插拔电源时，二是整个系统就是由一个热插拔电源供电，热插拔电源期间，电源转换模块输出端的电压下降曲线与工作系统输入端的电压下降曲线不一致，存在的压差大于VREF。U2-A比较VOUT和VOUT(REF)的大小，U2-B比较VIN和VIN(REF)的大小，其中VOUT(REF)的设定值可以为VOUT的90％。当VOUT＞VOUT(REF)，并且VIN＜VIN(REF)时，三极管Q6导通，则Q3基极接地，Q3截止，此时VCC通过D3输出电压控制Q4和Q5的栅极，使其导通供电。由于导通时VOUT达到VOUT(REF)(例如：正常输出电压的90％)以上，说明电源转换模块输出电压正常，可以给工作系统供电；而工作系统的电压小于VIN(REF)，说明工作系统是初次上电或者热插拔电源后电压已经降到VIN(REF)以下，即工作系统已经没有能量，此时热插拔电源不会打火。

此处需要说明的是：上述集成运算放大器也可以改用微控制单元(简称：MCU)、复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，简称：CPLD)、进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine，简称：ARM)或CPU等实现，同样能够实现防止热插拔电源在插拔瞬间打火，保障工作系统的可靠运行。因此，采用其他形式的电压检测手段判断电压状态，或采用其他的控制芯片进行接通开关的控制也属于本专利的扩展范围。

并且，本发明上述各实施例不仅可以应用于所述冗余供电系统中，还可以扩展到单板热插拔防打火电路以及其他电路插拔瞬间防止打火电路，均能够有效解决热插拔瞬间打火的问题。

另外，上述电源热插拔控制电路还可以与接插件共同构成电源热插拔控制设备，该电源热插拔控制电路与接插件并联，该接插件用于连接电源变换模块与工作系统的电源总线。该电源热插拔控制设备也可以同样实现上述技术效果。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电源热插拔控制方法，其特征在于包括：

当电源变换模块通过接插件与工作系统的电源总线接触时，断开所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路；

检测所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值；

根据所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述根据所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路包括：

将所述电源变换模块侧的电压值与预设的上限电压值进行比较，将所述工作系统侧的电压值与预设的下限电压值进行比较；

当所述电源变换模块侧的电压值大于所述上限电压值且所述工作系统侧的电压值小于所述下限电压值时，接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述根据所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路包括：

计算所述电源变换模块侧的电压值与所述工作系统侧的电压值之间的电压差值；

将所述电压差值的绝对值与预设的接通门限值进行比较；

当所述电压差值的绝对值小于所述接通门限值时，接通所述电源变换模块与所述电源总线之间的供电通路。

4.一种电源热插拔控制电路，与接插件并联，该接插件用于连接电源变换模块与工作系统的电源总线，其特征在于包括：

第一开关，用于连接所述电源变换模块与所述接插件；

第二开关，用于连接所述工作系统的电源总线与所述接插件，当所述电源变换模块通过所述接插件与所述工作系统的电源总线接触时，所述第一开关及所述第二关保持断开；

第一电压实时检测电路，用于检测所述电源变换模块侧的电压值；

第二电压实时检测电路，用于检测所述工作系统侧的电压值；

电源输出控制电路，用于根据所述电源变换模块侧的电压值和所述工作系统侧的电压值，控制所述第一开关接通所述电源变换模块与所述接插件之间的供电通路，并控制所述第二开关接通所述接插件与所述电源总线之间的供电通路。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于还包括电压比较控制电路，用于将第一电压实时检测电路检测到的所述电源变换模块侧的电压值与预设的上限电压值进行比较，将第二电压实时检测电路检测到的所述工作系统侧的电压值与预设的下限电压值进行比较；

所述电源输出控制电路用于当电压比较控制电路比较出所述电源变换模块侧的电压值大于所述上限电压值且所述工作系统侧的电压值小于所述下限电压值时，控制所述第一开关接通所述电源变换模块与所述接插件之间的供电通路，并控制所述第二开关接通所述接插件与所述电源总线之间的供电通路。

6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于还包括压差实时检测控制电路，用于计算第一电压实时检测电路检测到的所述电源变换模块侧的电压值与第二电压实时检测电路检测到的所述工作系统侧的电压值之间的电压差值，并将所述电压差值的绝对值与预设的接通门限值进行比较；

所述电源输出控制电路用于当压差实时检测控制电路比较出所述电压差值的绝对值小于所述接通门限值时，控制所述第一开关接通所述电源变换模块与所述接插件之间的供电通路，并控制所述第二开关接通所述接插件与所述电源总线之间的供电通路。

7.一种电源热插拔控制设备，其特征在于包括：权利要求4～6中任一所述的电源热插拔控制电路及接插件，所述电源热插拔控制电路与所述接插件并联，该接插件用于连接电源变换模块与工作系统的电源总线。

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