CN102510122A - 一种多电源供电控制装置及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电源供电控制系统，包括：n个电源以及对应连接的n个负载，还包括：所述的n个多电源供电控制装置；每个所述多电源供电控制装置对应连接于每个电源与其主负载之间；并且，每个所述多电源供电控制装置包含至少一条连接其他次负载的第二支路；当该系统中的电源正常工作时，每个电源通过所述第一支路给对应的主负载供电；当该系统中存在有故障电源时，所述故障电源的对应连接的主负载通过所述第二支路连接的无故障电源给所述故障电源对应的主负载供电。本发明使用简易的硬件电路，解决了多电源对多负载供电过程中，某一电源突然故障，其他电源由于瞬间过载造成所有负载下电的问题。

Description

一种多电源供电控制装置及其系统

技术领域

本发明涉及多电源供电技术领域，具体为一种多电源供电控制装置及其系统。

背景技术

目前，在当今的大型交换设备中，特别是在数据中心领域，大多采用模块化设计，用户可以根据不同的应用需求配置不同的模块板卡，并且为了保证设备供电效率的最大化，对于这种模块化的数据中心设备，其供电系统也采用多电源供电的方式，使用户可以根据当前配置的不同模块板卡数量来选配不同数量和类型的电源用于系统供电。以此提高电源设备的供电效率，节约设备成本。然而数据中心功耗也非常大，通常情况下，需要配置的电源数量比较多，同时数据中心作为核心网络，对可靠性的要求也非常高，基本是不允许出现致命性业务中断。

由于这种灵活多电源选配的特性，导致了系统存在一个严重的问题：由于现有技术中，多个供电电源是共享式的为各负载提供电能，当所配置的多个供电电源满载工作时，如果突然有一个或多个电源发生故障，此时剩余的电源将无法承载所有的负载，而出现瞬间过载，导致整机下电，而这种情况对于数据中心来说，是严重的致命性业务中断。

现有技术在处理多电源系统时，通常采用均流的方式，如图1所示，负载模块12上包括功率大小相同的三个模块板卡第一模块板卡121、第二模块板卡122、第三模块板卡123，它们共同由供电电源11上的三个具有相等额定功率电源第一电源111、第二电源112、第三电源113共享式供电，假定每个电源具有额定功率为200W，负载模块上的每个模块卡板的功耗为100W，这三个电源是按照均流设计平分负载的，如果使用过程中，某一个供电电源损坏，其余两个电源将直接替代故障电源，重新平均分配负载，以达到无缝切换的冗余效果。

但是，当负载系统运作时，多电源系统的整体电源使用率并非一直处于满负荷工作状态，通常多电源设计时都会考虑到一点冗余效果，比如：通常会用3个200W电源给为300W的负载进行供电，也就是用600W的电源能力提供给最大300W的负载，这样可以保证当两个电源坏掉一个时，系统仍然正常运作，并且这个300W负载也不是固定的，负载大多数情况下是在小于300W的范围内变换，所以采用均流方式后，每个电源将承担相同的小于100W的某个值，从而使每个电源按照小于50％的利用率来使用，造成了极大的能源浪费。

现有技术中的另一种多电源设计为主备冗余供电设计，其由软件控制，将多电源系统中的电源，一部分设置为主用电源，一部分设置为备用电源，主用电源正常供电，备用电源进入待机状态不供电，当软件发现主用电源故障时，再将备用电源开启，以便接替故障电源继续工作。这种设计，需要特殊的可通过通信总线进行控制和访问的电源，并且由软件来控制，稳定性不高，容易受软件影响，实现条件受限，局限性太强。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多电源供电控制装置及其系统，解决了由于部分电源突然断电而导致整机供电系统瞬间过载，从而导致整个系统断电的问题，并且提高了整机供电效率，稳定性高，不受实现条件的限制。

本发明提供了一种多电源供电控制装置，应用于多电源供电系统中，所述多电源供电系统中至少包含两个电源，还包括：电压检测电路和过流保护电路；

所述电压检测电路，包括：

一第一支路，所述第一支路连接于所述多电源供电系统中一个第一供电电源的输出端及其对应负载之间，所述第一支路包含电源电阻；

至少一条第二支路，连接于所述过流保护电路的输出端与所述多电源供电系统中除所述第一供电电源之外的至少一个其他电源与其他负载相连的其他支路上的电源电阻之间，所述第二支路包含串接的电流通断控制单元和负载电阻；

所述过流保护电路，其输入端连接所述第一供电电源的输出端，其输出端连接所述第二支路的输入端；所述过流保护电路包括至少两组电压获取端口，其一组电压获取端口连接到所述第一支路上的电源电阻的两端，用于获取所述电源电阻两端的电压，其他各组电压获取端口分别连接到一条所述第二支路上的负载电阻的两端，用于获取对应负载电阻两端的电压，并根据各组电压获取端口获得电压控制所述第二支路接通或断开。

本发明还提供了一种多电源供电控制系统，包括：n个电源以及对应连接的n个负载，所述n为大于等于2的自然数，还包括：所述n个多电源供电控制装置；

每个所述多电源供电控制装置对应连接于每个电源与其主负载之间；并且，

每个所述多电源供电控制装置包含至少一条连接其他次负载的第二支路；

当该系统中的电源正常工作时，每个电源通过所述第一支路给对应的主负载供电；

当该系统中存在有故障电源时，所述故障电源的对应连接的主负载通过所述第二支路连接的无故障电源给所述故障电源对应的主负载供电。

本发明实施例有益效果如下：

本发明通过一种硬件设计，将传统的数据中心的多电源供电系统的共享供电方式更改为分布式供电，即：不同的电源主供电供给不同的负载，并且当对应负载的供电主电源未插入时，可以由其余电源作为次供电给其供电，保证多电源系统本身的供电特性；并且，在此分布式供电架构中，增加了分布式电流保护设计，避免了因部分电源故障导致的剩余电源瞬间过载而整机下电的致命性业务中断；在本发明中，当部分电源故障时，只会使其对应主供电区域的负载被下电，而不会影响整机其他负载的运行，并且整个过程由硬件实现，无需软件参与，提高了数据中心电源系统供电稳定性与可靠性。

附图说明

图1为现有技术多电源供电的结构示意图；

图2为本发明系统实施例一的电路图；

图3为本发明系统中调节电路的可选电路图；

图4为本发明系统中二极管隔离作用的说明示意图；

图5为本发明装置中过流保护单元的电路图。

具体实施方式

本发明提供了一种多电源供电控制装置及其系统，解决了由于部分电源突然断电而导致整机供电系统瞬间过载，从而导致整个系统断电的问题，并且提高了整机供电效率，稳定性高，不受实现条件的限制。

本发明提供了一种多电源供电控制装置，应用于多电源供电系统中，所述多电源供电系统中至少包含两个电源，还包括：电压检测电路和过流保护电路；

所述电压检测电路，包括：

一第一支路，所述第一支路连接于所述多电源供电系统中一个第一供电电源的输出端及其对应负载之间，所述第一支路包含电源电阻；

至少一条第二支路，连接于所述过流保护电路的输出端与所述多电源供电系统中除所述第一供电电源之外的至少一个其他电源与其他负载相连的其他支路上的电源电阻之间，所述第二支路包含串接的电流通断控制单元和负载电阻；

所述过流保护电路，其输入端连接所述第一供电电源的输出端，其输出端连接所述第二支路的输入端；所述过流保护电路包括至少两组电压获取端口，其一组电压获取端口连接到所述第一支路上的电源电阻的两端，用于获取所述电源电阻两端的电压，其他各组电压获取端口分别连接到一条所述第二支路上的负载电阻的两端，用于获取对应负载电阻两端的电压，并根据各组电压获取端口获得电压控制所述第二支路接通或断开。

较佳的，所述电流通断控制单元具体为二极管，连接于所述过流保护电路的输出端与所述负载电阻之间。

较佳的，所述电源电阻和负载电阻为大功率电阻。

进一步，所述过流保护电路中具体还包括：计算器件及电流通断器件；

所述计算器件与所述至少两组电压获取端口连接，用于根据所述每组电压获取端口获取的电压，计算每组电压获取端口获得电压差值，再对各电压差值进行求和运算，根据所述运算结果与所述供电电源额定功率设定的电压值的大小关系，控制所述电流通断器件；

所述电流通断器件用于接通或断开所述第二支路。

进一步，所述计算器件具体包括：对应每组电压获取端口的减法器，至少一个加法器，一运算放大器；

所述减法器连接每组电压获取端口的两个端口，用于计算每组电压获取端口获得电压差值；所述至少两个减法器的输出端连接到所述加法器上，用于将计算出的电压差值输入到加法器；

所述加法器计算各电压差值的和值，并发送到运算放大器；

所述运算放大器将所述和值与所述供电电源额定功率设定的电压值进行比较，并根据比较结果发出相应控制信号给所述电流通断器件。

较佳的，所述电流通断器件具体为MOS管。

本发明还提供了一种多电源供电控制系统，包括：n个电源以及对应连接的n个负载，所述n为大于等于2的自然数，还包括：所述的n个多电源供电控制装置；

每个所述多电源供电控制装置对应连接于每个电源与其主负载之间；并且，

每个所述多电源供电控制装置包含至少一条连接其他次负载的第二支路；

当该系统中的电源正常工作时，每个电源通过所述第一支路给对应的主负载供电；

当该系统中存在有故障电源时，所述故障电源的对应连接的主负载通过所述第二支路连接的无故障电源给所述故障电源对应的主负载供电。

进一步，所述每个多电源供电控制装置中的电压检测电路包含有相同数量的第二支路，或不同数量的第二支路。

较佳的，所述每个多电源供电控制装置中电压检测电路包含有相同数量的第二支路；具体为：

包含有与除每个多电源供电控制装置连接的电源对应的主负载之外的n-1个次负载连接的第二支路。

以下结合附图及具体实施方式对本发明的进行详细说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，为本发明系统实施例一的电路图，包括：供电电源61上三个电源第一电源611、第二电源612、第三电源613分别独立连接负载模块63上的第一模块线卡631、第二模块线卡632、第三模块线卡633；并且包括有过流保护电路，过流保护电路621连接于第一电源611与第一模块线卡631之间，过流保护电路621具有三组输入端，每组输入端连接电源与负载之间电路上的一电阻，用于监测电阻两端的电压差，从而确定出负载的总功耗与该电源的额定功率的大小，电阻R1连接于第一电源611与第一模块线卡631之间的电路中，并且连接于过流保护电路621的第一组输入端A、B的两端口，电阻R2连接于第一电源611与第二模块线卡632之间的电路中，并且连接于过流保护电路621的第二组输入端C、D的两端口，电阻R3连接于第一电源611与第三模块线卡633之间的电路中，并且连接于过流保护电路621的第三组输入端E、F的两端口，将AB间的电压差U_ab，CD间的电压差U_cd以及EF间的电压差U_ef求和，并与一设定值(该设定值对应电源所能输出的额定功率)进行比较，当求和结果大于或等于该设定值时，过流保护电路621的输入端G、输出端H断开，当求和结果小于该设定值时，过流保护电路621的输入端G、输出端H导通，在过流保护电路621的输出端H与负载第二模块线卡632及第三模块线卡633连接的两个支路之间分别连接有一个二极管D1、二极管D2，作为断路通断单元，并根据二极管的通断电路的特性，控制所在支路的通断；同理在第二电源612与负载模块63之间也连接有过流保护电路622，以及第一模块线卡631通过二极管D3、二极管第三模块线卡633通过D4与过流保护电路622相连接；第三电源613与负载模块63之间也连接有过流保护电路623，以及第二模块线卡632通过二极管D5、第一模块线卡631通过二极管D6与过流保护电路623相连接。

正常情况下，假设每个电源提供100W的供电能力，而每个模块线卡的功耗也是100W，所以当插入三个模块线卡时，对应的至少需要插入三个电源，如图2所示，作为主供电电源的第一电源611给连接第一模块线卡631供电，其直接输出电压V1M给第一模块线卡631；而第二电源612的输出电压通过过流保护电路后输入给二极管D3的电压V2S作为次电源供电，由于三个电源类型相同其输出电压也相同，即V1M＝V2M＝V3M，如果此时过流保护电路是连通的，则V2S＝V2M，如果是关闭，则V2S＝0(表示无电压输入)，所以V1M＞＝V2S，也就意味着二极管D3两端的电压小于或等于0V，当然也就小于二极管的导通电压0.7V，所以二极管D3处于关断状态，第一模块线卡631只能由第一电源611提供供电；同理，二极管D6也是处于关断状态，第一电源613也不对第一模块线卡631进行供电。按照如上分析方法，三个电源均满载给对应的三个模块分别供电。

但是，如果电源1突然损坏，按照二极管特性，第一模块线卡631的供电将由第二电源612输出的V2S与第三电源613输出的V3S经过D3和D6压降0.7V后对其供电；但是上述正常环境下，第二电源612和第三电源613额定功率100W供电能力已经分别全部分配给负载模块中的第二模块线卡632和第三模块线卡633，由于原来第二电源612已经满负载供电，并且正常时二极管D3和二极管D4是关断的，R5和R6上也就没有电流经过，所以其对应的过流保护电路中输入的电压差U_cd和U_ef为0V，而U_ab刚好为30mV(等效为100W的负载功耗)，所以U_ab+U_cd+U_ef＝30mV；而当第一电源611坏掉后，D3瞬间导通，R5将流过电流，此时过流保护开关的输入U_cd将大于0V，即U_ab+U_cd+U_ef大于30mV，则第二电源612对应的过流保护电路关断，同理第三电源613对应的过流保护电路也关断，所以第一模块线卡631将因为没有电源供电而被下电，但是第二模块线卡632、第三模块线卡633继续由第二电源612、第三电源613分别供电工作。

如果第二电源612和第三电源613没有满载，并且满足第二电源612加上第三电源613的额定功率大于负载模块的功耗和，则在第一电源611故障后，负载模块的第一模块线卡631将由第二电源612和第三电源613继续给予供电，保证三个负载均正常工作。

如图3所示，为本发明实施例中功耗检测电路的可选电路图，过流保护电路的电流输入端分别连接多个电源的供电输出端，电流输出端连接负载模块，用于检测负载功耗与电源额定功率的关系；如图3所示，为其工作原理，该检测电路可以包括电阻，阻值可以为1欧姆，其满足伏安定律的特性，将电流等效为电压，并且电源的输出电压是固定值，而功耗就等于电压与电流之积，所以此等效电压就代表负载所消耗的功率，并将此等效电压输给过流保护电路的各输入端口，由过流保护电路进行判断电流的通断。

如图4所示，为本发明二极管隔离作用的说明示意图，二极管包含一种固有特性，当其正向压降大于等于0.7V时，便会导通(即呈现左右连通的短路状态)，当其正向压降低于0.7V时，则表现为断路。本发明正是利用这一特性，来控制各电源的供电优先级。直接相连且独立为负载供电的为主电源，其他通过过流保护电路相连的电源为次电源，当某模块线卡存在与其对应的主、次电源同时为其供电时，主电源的输出电压和次电源的输出电压同时存在于二极管的两端，即二极管正向压降为0V，二极管将处于断路状态，次电源将不会向此模块线卡输出供电，如图中所示，假设第一个电源的输出电压为VIS1＝10V；第二个电源的输出电压为VIS2＝11V，总的输出电压为VOUT＝10.3V。由于VIS2-VOUT＝0.7V，所以第二个二极管D2导通，输出电流，而VIS1＜VOUT，所以第一个二极管D1将处于断路状态，无法输出电流，这样就做到了各个电源供电状态的自由控制。

如图5所示，为本发明装置中过流保护单元的电路图，将其两组输入电压差值U(A-B)和U(C-D)求和，当此和值达到一定值(此值等效于对应电源所能输出的最大功耗)时，将GH两端关断，本发明不限于任何实现方式。下面结合附图具体说明，包括：运算放大器，是一种具有比较其正极和负极输入电压大小的设备，当其输入正电压大于其输入负电压时，运算放大器将输出固定高电平；反之，输出0V；减法器，直接将其正极输入端输入值减去其负极输入端输入的电压得到的差值从out端输出；同理，加法器，则是将其a、b两个输入电压相加后输出到c；当((A-B)+(C-D))的电压大于稳压器(即固定输出一个参考电压的设备，图3中举例为30mV等效对应于单个电源所能输出的最大功耗100w)输出的30mV时，运算放大器将输出0V电压，使MOS管的DS关断，即G、H处于断开状态。反之，则G、H处于连通状态。

综上所述，本发明通过一种硬件设计，将传统的数据中心的多电源供电系统的共享供电方式更改为分布式供电，即：不同的电源主供电供给不同的负载，并且当对应负载的供电主电源未插入时，可以由其余电源作为次供电给其供电，保证多电源系统本身的供电特性；并且，在此分布式供电架构中，增加了分布式电流保护设计，避免了因部分电源故障导致的剩余电源瞬间过载而整机下电的致命性业务中断；在本发明中，当部分电源故障时，只会使其对应主供电区域的负载被下电，而不会影响整机其他负载的运行，并且整个过程由硬件实现，无需软件参与，提高了数据中心电源系统供电稳定性与可靠性。

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 (9)

1.一种多电源供电控制装置，应用于多电源供电系统中，所述多电源供电系统中至少包含两个电源，其特征在于，还包括：电压检测电路和过流保护电路；

所述电压检测电路，包括：

一第一支路，所述第一支路连接于所述多电源供电系统中一个第一供电电源的输出端及其对应负载之间，所述第一支路包含电源电阻；

至少一条第二支路，连接于所述过流保护电路的输出端与所述多电源供电系统中除所述第一供电电源之外的至少一个其他电源与其他负载相连的其他支路上的电源电阻之间，所述第二支路包含串接的电流通断控制单元和负载电阻；

所述过流保护电路，其输入端连接所述第一供电电源的输出端，其输出端连接所述第二支路的输入端；所述过流保护电路包括至少两组电压获取端口，其一组电压获取端口连接到所述第一支路上的电源电阻的两端，用于获取所述电源电阻两端的电压，其他各组电压获取端口分别连接到一条所述第二支路上的负载电阻的两端，用于获取对应负载电阻两端的电压，并根据各组电压获取端口获得电压控制所述第二支路接通或断开。

2.根据权利要求1所述的多电源供电控制装置，其特征在于，所述电流通断控制单元具体为二极管，连接于所述过流保护电路的输出端与所述负载电阻之间。

3.根据权利要求1所述的多电源供电控制装置，其特征在于，所述电源电阻和负载电阻为大功率电阻。

4.根据权利要求1所述的多电源供电控制装置，其特征在于，所述过流保护电路中具体还包括：计算器件及电流通断器件；

所述计算器件与所述至少两组电压获取端口连接，用于根据所述每组电压获取端口获取的电压，计算每组电压获取端口获得的电压差值，再对各电压差值进行求和运算，根据所述运算结果与所述供电电源额定功率设定的电压值的大小关系，控制所述电流通断器件；

所述电流通断器件用于接通或断开所述第二支路。

5.根据权利要求4所述的多电源供电控制装置，其特征在于，所述计算器件具体包括：对应每组电压获取端口的减法器，至少一个加法器，一运算放大器；

所述减法器连接每组电压获取端口的两个端口，用于计算每组电压获取端口获得的电压差值；所述至少两个减法器的输出端连接到所述加法器上，用于将计算出的电压差值输入到加法器；

所述加法器计算各电压差值的和值，并发送到运算放大器；

所述运算放大器将所述和值与所述供电电源额定功率设定的电压值进行比较，并根据比较结果发出相应控制信号给所述电流通断器件。

6.根据权利要求5所述的多电源供电控制装置，其特征在于，所述电流通断器件具体为MOS管。

7.一种多电源供电控制系统，包括：n个电源以及对应连接的n个负载，所述n为大于等于2的自然数，其特征在于，还包括：如权利要求1所述的n个多电源供电控制装置；

每个所述多电源供电控制装置对应连接于每个电源与其主负载之间；并且，

每个所述多电源供电控制装置包含至少一条连接其他次负载的第二支路；

当该系统中的电源正常工作时，每个电源通过所述第一支路给对应的主负载供电；

当该系统中存在有故障电源时，所述故障电源的对应连接的主负载通过所述第二支路连接的无故障电源给所述故障电源对应的主负载供电。

8.根据权利要求7所述的多电源供电控制系统，其特征在于，所述每个多电源供电控制装置中的电压检测电路包含有相同数量的第二支路，或不同数量的第二支路。

9.根据权利要求8所述的多电源供电控制系统，其特征在于，所述每个多电源供电控制装置中电压检测电路包含有相同数量的第二支路；具体为：

包含有与除每个多电源供电控制装置连接的电源对应的主负载之外的n-1个次负载连接的第二支路。

Images