CN103683178A - 一种数据中心设备及其过流欠压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心设备及其过流欠压保护电路，该过流欠压保护电路包括：第一采样模块，用于对所述输出端口的输出电压进行采样，并将输出端口的采样电压作为基准电压；第二采样模块，用于对所述输入端口的输入电压进行采样；比较模块，用于将输入端口的采样电压与基准电压进行比较；控制模块，用于在输入端口的采样电压小于基准电压时，输出控制信号；驱动模块，用于根据所述控制信号断开所述输出端口和所述输入端口之间的连接。实施本发明的技术方案，通过改变第一采样模块和第二采样模块的采样值，可适应不同的限流范围。

Description

一种数据中心设备及其过流欠压保护电路

技术领域

本发明涉及电路保护领域，尤其涉及一种数据中心设备及其过流欠压保护电路。 

背景技术

针对客户对数据中心设备的管理要求，使数据中心设备易于实施、无工程化接线等要求，对数据中心设备接口及线序定义进行了优化。但是，当用户使用线缆将数据中心设备和数据接收设备进行非直通连接时，有可能发生接线错误的情况，例如，将数据中心设备的电源端口与数据接收设备的接地端口连接，这样将会导致数据中心设备烧坏，因此需对数据中心设备的相应接口做限流欠压保护处理。 

目前数据中心设备的接口多采用PTC（Positive Temperature Coefficient，热敏电阻）、慢溶保险管、快溶保险管、空开等进行过流欠压保护，但其限流范围受限，因此不能满足要求。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术上述限流范围受限的缺陷，提供一种数据中心设备及其过流欠压保护电路，可适应不同的限流范围。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种过流欠压保护电路， 连接在数据中心设备的输出端口和数据接收设备的输入端口之间，其特征在于，所述过流欠压保护电路包括： 

第一采样模块，用于对所述输出端口的输出电压进行采样，并将输出端口的采样电压作为基准电压； 

第二采样模块，用于对所述输入端口的输入电压进行采样； 

比较模块，用于将输入端口的采样电压与基准电压进行比较； 

控制模块，用于在输入端口的采样电压小于基准电压时，输出控制信号； 

驱动模块，用于根据所述控制信号断开所述输出端口和所述输入端口之间的连接。 

所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述第一采样模块包括第一电阻组、第二电阻组和稳压管，其中，所述第一电阻组连接在所述输出端口和所述比较模块的第一输入端之间，所述第二电阻组连接在所述比较模块的第一输入端和地之间，所述稳压管的负端连接所述比较模块的第一输入端，所述稳压管的正端接地，且所述基准电压根据下面公式来确定: 

Ufef=VCC/(Rz1+Rz2)*Rz2； 

其中，Uref为基准电压，VCC为所述输出端口的端电压，Rz1为第一电阻组的阻值，Rz2为第二电阻组的阻值。 

在本发明所述的过流欠压保护电路中，所述第一采样模块包括第一电阻组、第二电阻组和第一电容组，其中，所述第一电阻组连接在所述输出端口和所述比较模块的第一输入端之间，所述第二电阻组连接在所述比较模块的第一输入端和地之间，所述电容组连接所述输出端口和地之间，且所述基准电压根据下面公式来确定: 

Ufef=VCC/(Rz1+Rz2)*Rz2； 

其中，Uref为基准电压，VCC为输出端口的端电压，Rz1为第一电阻组的阻值，Rz2为第二电阻组的阻值。 

在本发明所述的过流欠压保护电路中，所述第二采样模块包括第三电阻组，所述第三电阻组连接在所述输出端口和所述输入端口之间，而且，所述输入端口的采样电压根据下面公式来确定： 

VCC_O=VCC-Io*Rz3； 

Rz3=（VCC-Uref）/Iref； 

其中，VCC_O为所述输入端口的采样电压，Rz3为第三电阻组的阻值，Io为第三电阻组的电流，Iref为基准电流。 

在本发明所述的过流欠压保护电路中，所述第一采样模块还包括二极管、第四电阻组和第一上拉电阻，且所述第四电阻组的第一端连接所述比较模块的输出端，所述第四电阻组的第二端连接所述二极管的正极，所述二极管的负极连接所述比较模块的第一输入端，所述第一上拉电阻的第一端连接所述输出端口，所述第一上拉电阻的第二端连接所述比较模块的第二输入端。 

在本发明所述的过流欠压保护电路中，所述输入端口和地之间连接有电容； 

所述控制模块包括第一开关管、充电电阻组、充电电容组和第二上拉电阻，所述第一开关管的控制端通过所述充电电阻组连接所述比较模块的输出端，所述第一开关管的第一端通过所述第二上拉电阻连接所述输出端口，所述第一开关管的第二端接地，所述充电电容组连接在所述第一开关管的控制端和地之间，且充电电阻组的阻值和充电电容组的容值由输入端口在上电时所述电容的充电时间来确定。 

在本发明所述的过流欠压保护电路中，所述驱动模块为继电器，其中，所述继电器线圈的两端分别连接所述输出端口和所述第一开关管的第一端，所述 继电器开关的常闭触头的第一端连接所述输出端口，所述继电器开关的常闭触头的第二端通过所述第二采样模块连接所述输入端口。 

在本发明所述的过流欠压保护电路中，所述驱动模块为第二开关管，其中，所述第二开关管的控制端连接所述第一开关管的第一端，所述第二开关管的第一端分别连接所述输入端口及通过所述第三电阻组连接所述输出端口。 

在本发明所述的过流欠压保护电路中，所述过流欠压保护电路还包括发光二极管，且所述发光二极管的正极连接所述第二上拉电阻的第一端，所述第二上拉电阻的第二端连接所述输出端口，所述发光二极管的负极连接所述第一开关管的第一端。 

在本发明所述的过流欠压保护电路中，所述过流欠压保护电路还包括TVS管和第二限流电阻，且所述第一上拉电阻的阻值至少比所述第二限流电阻的阻值大10倍，所述TVS管的第一端连接所述输入端口，所述TVS管的第二端接地，所述第二限流电阻连接在所述输入端口和所述比较模块的第二输入端之间。 

本发明还构造一种数据中心设备，与数据接收设备相连，所述数据中心设备包括以上所述的过流欠压保护电路。 

实施本发明的技术方案，由于分别对数据中心设备的输出端口的电压和数据接收设备的输入端口的电压进行采样，当数据接收设备的输入端口的采样电压过低（即低于基准电压），则可认为数据中心设备的输出端口与数据接收设备的输入端口之间的接线错误（例如，误接地），此时，数据中心设备的输出端口与数据接收设备的输入端口之间便断开连接，从而起到过流欠压的保护作用。而且，在实际应用中，可根据实际情况选择合适的第一采样模块和第二采样模块，从而可改变输出端口的采样电压和输入端口的采样电压，因此本发明的过流欠压保护电路可适应不同的限流范围。 

另外，可根据实际需要，通过调整充电电阻的阻值和充电电容的容值来调整充电时间，从而调整过流欠压保护的响应时间，避免驱动模块在输入端口刚上电时发生误动作。 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中： 

图1是本发明过流欠压保护电路实施例一的逻辑图； 

图2是本发明过流欠压保护电路优选实施例的电路图。 

具体实施方式

如图1所示的本发明过流欠压保护电路实施例一的逻辑图，该过流欠压保护电路连接在数据中心设备的输出端口和数据接收设备的输入端口之间，用于在数据中心设备的输出端口和数据接收设备的输入端口通过线缆非直通连接时，防止因接线错误而导致的数据中心设备烧坏的情况发生。该过流欠压保护电路包括：第一采样模块10、第二采样模块20、比较模块30、控制模块40和驱动模块50。其中，第一采样模块10用于对所述输出端口的输出电压（VCC）进行采样，并将输出端口的采样电压作为基准电压；第二采样模块20用于对所述输入端口的输入电压（VCC_O）进行采样；比较模块30用于将输入端口的采样电压与基准电压进行比较；控制模块40用于在输入端口的采样电压小于基准电压时，输出控制信号；驱动模块50用于根据所述控制信号断开所述输出端口和所述输入端口之间的连接。实施该技术方案，由于分别对数据中心设备的输出端口的电压和数据接收设备的输入端口的电压进行采样，当数据接收设备的输入端口的采样电压过低（即低于基准电压），则可认为数据中心设备 的输出端口与数据接收设备的输入端口之间的接线错误（例如，误接地），此时，数据中心设备的输出端口与数据接收设备的输入端口之间便断开连接，从而起到过流欠压的保护作用。而且，在实际应用中，可根据实际情况选择合适的第一采样模块和第二采样模块，从而可改变输出端口的采样电压和输入端口的采样电压，因此本发明的过流欠压保护电路可适应不同的限流范围。 

图2是本发明过流欠压保护电路实施例一的电路图，该过流欠压保护电路连接在数据中心设备的输出端口J1和数据接收设备的输入端口J2之间，而且，数据中心设备的输出端口J1的端电压为VCC，数据接收设备的输入端口J2的端电压为VCC_O。该过流欠压保护电路包括第一采样模块、第二采样模块、比较模块、控制模块和驱动模块。下面具体说明每个模块： 

比较模块为比较器U1，比较器U1由运放来实现。 

在第一采样模块中，第一电阻组包括电阻R1，第二电阻组包括电阻R2、电阻R3，第一电容组包括电容C1、电容C2、电容C3。其中，电阻R1连接在输出端口J1和比较器U1的正输入端之间，电阻R2、电阻R3串联在比较器U1的正输入端和地之间，且稳压管D1的负端连接比较器U1的正输入端，稳压管D1的正端接地。另外，电容C1、电容C2、电容C 3分别并联在输出端口J1和地之间。在此说明的是，虽然第一采样模块中既示出了稳压管D1，又示出了第一电容组，但在其它实施例中，稳压管D1与第一电容组可二选其一，例如，当该电路主要用于欠压保护时，可选择稳压管D1，不需要第一电容组；当该电路主要用于电流保护时，可选择第一电容组，而不需要稳压管D1。第一电容组的作用为当出现故障时，保证比较器U1的正输入端电压不被立即拉低，当输入电源有较大电容（例如，电容C7）时，也可不需要此处的第一电容组。在第一采样模块中，可根据下面公式来确定基准电压： 

Ufef=VCC/(Rz1+Rz2)*Rz2； 

其中，Uref为基准电压，VCC为输出端口的端电压，Rz1为第一电阻组的阻值，Rz2为第二电阻组的阻值。 

此外，第一采样模块还包括二极管D2、电阻R4和电阻R6，此处应说明的是，电阻R4也可由包含多个串联、并联、混合联的第四电阻组来构成，电阻R6在此起上拉作用。电阻R4的第一端连接比较器U1的输出端，电阻R4的第二端连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接比较器U1的正输入端，电阻R6的第一端连接输出端口J1，电阻R6的第二端连接比较器的负输入端。二极管D2、电阻R4和电阻R6主要用于在故障消失时（即由异常转为正常），该欠压保护电路恢复为初始状态。在第二采样模块中，第三电阻组包括电阻R12-R21。其中，电阻R12与电阻R13先并联，再与电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21串联，而且，输入端口的采样电压可根据下面公式来确定： 

VCC_O=VCC-Io*Rz3； 

Rz3=（VCC-Uref）/Iref； 

其中，VCC_O为输入端口J2的端电压，也即，输入端口J2的采样电压，Rz3为第三电阻组的阻值，Io为第三电阻组的电流，Iref为基准电流，在此应说明的是，在实际应用中，可根据基准电压和基准电流来确定第三电阻组的阻值。 

在控制模块中，首先说明的是，输入端口J2和地之间连接有电容（未示出）。充电电阻组包括电阻R8，充电电容组包括电容C4、C5、C6，第一开关管为三极管Q1，第二上拉电阻为电阻R11，而且，充电电阻组的阻值和充电电容组的容值由输入端口在上电时电容充电时间来确定。其中，三级管Q1的基极 通过电阻R8连接比较器U1的输出端。三极管Q1的集电极连接发光二极管D3的负极，发光二极管D3的正极通过电阻R11连接输出端口J1，三极管Q1的发射极接地。。发光二极管D3用于指示三极管Q1动作，当然，在另一个实施例中，也可省去发光二极管D3。电容C4、电容C5、电容C6的一端连接三极管Q1的基极，电容C4、电容C5、电容C6的另一端一并通过电阻R9接地，当然，在另一个实施例中，电阻R9也可省去。 

在驱动模块中，继电器RLY1线圈的两端分别连接输出端口J1和三极管Q1的集电极，继电器RLY1开关的常闭触头的第一端连接输出端口J1，继电器开关RLY1的常闭触头的第二端通过第三电阻组连接输入端口J2。 

另外，该过流欠压保护电路还包括TVS管ZD1和电阻R5，电阻R5起限流作用，而且，电阻R6的阻值至少比电阻R5的阻值大10倍。其中，TVS管ZD1的第一端连接输入端口J2，TVS管ZD1的第二端接地，电阻R5的一端连接输入端口J2，另一端通过电阻R7连接比较器U1的负输入端，当然，在另一个实施例中，也可省略电阻R7。 

下面结合一个实际应用中的具体例子来说明该过流欠压保护电路的工作原理：首先，假设输出端口的端电压VCC为24V，电阻R1、电阻R2、电阻R3的阻值分别为2.2KΩ、1.5KΩ、5.1KΩ，电阻R12-R21所组成的第三电阻组的阻值为10Ω，电阻R4的阻值为300KΩ，电阻R6的阻值远远大于电阻R5的阻值，以使得电阻R5上的电压可忽略。而且，假设正常情况下允许输出端口J1向输入端口J2输出的最大电流（即基准电流或保护电流）Iref为0.6A。在此需说明的是，这些器件的参数为举例说明，实际应用需根据具体需求计算调整。 

首先，基准电压Ufef，即比较器U1的正输入端的电压Ui1，可根据下面公式计算： 

Rz1=R1=2.2KΩ； 

Rz2=R2+R3=1.5KΩ+5.1KΩ=6.6KΩ； 

Rz3=10KΩ； 

Rz4=R4=0.3KΩ 

Ufef=Ui1=VCC/(Rz1+Rz2)*Rz2 

=24V/(2.2KΩ+6.6KΩ)*6.6KΩ=18V； 

其中，Ui1为系统正常时比较器U1正输入端的电压； 

另外，根据正常情况下允许的最大输出电流Iref，计算比较器U1的负端的最小输入电压： 

Ui2=VCC_O=VCC-Rz3*Iref=18V； 

其中，Ui2为比较器U1的负端的最小输入电压。 

初始状态下：初始上电时，输入端口J2的端电压VCC_O由继电器RLY1开关的常闭触头输出，因此，比较器U1的负输入端的电压Ui2=VCC_O=24V>Ui1=18V，比较器U1的输出端输出0V（Uo1），由于电阻R11起上拉作用，三极管Q1不动作，进而继电器RLY1不动作，输入端口J2的电压由继电器RLY1的常闭触头输出，输出电压正常； 

工作正常时：当Ui1<Ui2，即输入端口J2的端电压大于18V、输出电流小于0.6A，电压及电流均在正常工作范围内，比较器U1输出0V（Uo1），三极管Q1及继电器RLY1不动作，输入端口J2的电压由继电器RLY1的常闭触头输出，输出电压正常； 

工作由正常转到异常时：当Ui1>Ui2，即输入端口J2的电压VCC_O小于18V、输出电流大于0.6A，电压及电流在超出正常工作范围，由于电阻R6起上拉作用，则比较器U1输出24V（Uo1），进而通过电阻R8为电容C4、C5、C6 进行充电，当充电电压达到三极管Q1的导通电压时，三极管Q1导通，接着，继电器RLY1动作，继电器RLY1的常闭触头断开，无输出电压，即输入端口J2的电压VCC_O为0； 

工作由异常恢复正常时：由于比较器U1在异常模式工作时的输出电压为24V（Uo1），而且，由于电阻R4的存在，比较器U1的正输入端的电压在异常工作情况下与正常工作时不同，具体为： 

Ui11=Ui1+(Uo1-0.5)/(Rz4+Rz2)*Rz2 

=18V+(24-0.5)/(0.3KΩ+6.6KΩ)*6.6KΩ=18.506V 

Io11=(VCC-Ui11)/Rz3 

=(24V-18.506V)/10KΩ=0.549A; 

其中，Ui11为系统异常时比较器U1的正输入端电压，Uo1为比较器U1输出电压；Ioll为异常转正常时的最大输出电流。另外，还应当说明的是，在计算Ui11时，二极管D2的电压略等于0.5V。当Ui11<Ui2时，即输入端口J2的电压大于18.506V、输出电流Io11小于0.549A，电压及电流恢复正常工作范围内，比较器U1的输出电压由24V变为0V，三极管Q1及继电器RLY1断开，电压由继电器RLY1的常闭触点输出，输出电压恢复正常。 

下表是该过流欠压保护电路在各工作状态下的系统参数如下： 

另外，关于充电电阻组和充电电容组的选取，可根据数据接收设备的输入 端口在上电时的电容的充电时间来确定。具体原因如下：数据接收设备的输入端口上连接有电容，在输入端口刚刚上电时，电压较低，只有等该电容充电完成后，输入端口的电压才达到正常工作电压。而在充电过程中，由于输入端口的端电压较低，虽然这属于正常情况，是不希望继电器动作的，但是，假设没有充电电阻组、充电电容组或充电电容组的充电完成时间过短，就会造成继电器的误动作。因此，为避免输入端口的电容在充电过程中引发继电器误动作，本发明要求充电电容组的充电完成时间必须大于输入端口上的电容的充电完成时间，若输入端口上的充电电容的充电完成时间为T1（例如，10ms），则充电电容组的充电时间T必须满足： 

T=RC×Ln[V/（V-Vt）]>T1 

其中，T为充电电容组的充电完成时间，即第一开关管的导通的延时时间，R为充电电阻组的阻值，C为充电电容组的容值，V为充电电压，Vt为t时刻充电电容组的电压。在选取了合适的充电电阻组合充电电容组后，就不会发生输入端口的充电电容在充电期间而使继电器误动作的情况。 

最后，还应当说明的是，在本发明的其它一些实施例中，上述实施例中的继电器RLY1也可由MOS管、三极管或其它类型的开关管替代，此时，该开关管的控制端连接三极管Q1的集电极，该开关管的第一端连接输入端口J2及通过第二采样模块连接输出端口J1。另外，该实施例中的三极管Q1作为可控的开关管，也可用MOS管来代替，此时，MOS管栅极为控制端，MOS管的漏极为第一端，MOS管的源极为第二端。 

在该过流欠压保护的实际应用中，TVS管ZD1和电阻R5主要用于EMC的浪涌防护；发光二极管D3用于在出现过流欠压时进行发光，以进行提示。当然，电阻R8、TVS管ZD1、电阻R5、发光二极管D3在其它实施例中，也可省 略。另外，第一电容组、充电电容组在其它实施例中也可由其它数量、其它类型的并联电容组成。同样地，在其它实施例中，第一电阻组、第二电阻组、第三电阻组、第四电阻组可由任意数量的串联、并联或混合联的电阻组成。这都在本发明的保护范围内。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。 

Claims (11)

1.一种过流欠压保护电路，连接在数据中心设备的输出端口和数据接收设备的输入端口之间，其特征在于，所述过流欠压保护电路包括：

第一采样模块，用于对所述输出端口的输出电压进行采样，并将输出端口的采样电压作为基准电压；

第二采样模块，用于对所述输入端口的输入电压进行采样；

比较模块，用于将输入端口的采样电压与基准电压进行比较；

控制模块，用于在输入端口的采样电压小于基准电压时，输出控制信号；

驱动模块，用于根据所述控制信号断开所述输出端口和所述输入端口之间的连接。

2. 根据权利要求1所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述第一采样模块包括第一电阻组、第二电阻组和稳压管，其中，所述第一电阻组连接在所述输出端口和所述比较模块的第一输入端之间，所述第二电阻组连接在所述比较模块的第一输入端和地之间，所述稳压管的负端连接所述比较模块的第一输入端，所述稳压管的正端接地，且所述基准电压根据下面公式来确定:

Ufef=VCC/(Rz1+Rz2)*Rz2；

其中，Uref为基准电压，VCC为所述输出端口的端电压，Rz1为第一电阻组的阻值，Rz2为第二电阻组的阻值。

3. 根据权利要求1所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述第一采样模块包括第一电阻组、第二电阻组和第一电容组，其中，所述第一电阻组连接在所述输出端口和所述比较模块的第一输入端之间，所述第二电阻组连接在所述比较模块的第一输入端和地之间，所述电容组连接所述输出端口和地之间，且所述基准电压根据下面公式来确定:

Ufef=VCC/(Rz1+Rz2)*Rz2；

其中，Uref为基准电压，VCC为输出端口的端电压，Rz1为第一电阻组的阻值，Rz2为第二电阻组的阻值。

4. 根据权利要求2或3所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述第二采样模块包括第三电阻组，所述第三电阻组连接在所述输出端口和所述输入端口之间，而且，所述输入端口的采样电压根据下面公式来确定：

VCC_O= VCC -Io* Rz3；

Rz3=（VCC-Uref）/ Iref；

其中，VCC_O 为所述输入端口的采样电压，Rz3为第三电阻组的阻值，Io为第三电阻组的电流，Iref为基准电流。

5. 根据权利要4所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述第一采样模块还包括二极管、第四电阻组和第一上拉电阻，且所述第四电阻组的第一端连接所述比较模块的输出端，所述第四电阻组的第二端连接所述二极管的正极，所述二极管的负极连接所述比较模块的第一输入端，所述第一上拉电阻的第一端连接所述输出端口，所述第一上拉电阻的第二端连接所述比较模块的第二输入端。

6. 根据权利要求5所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述输入端口和地之间连接有电容；

所述控制模块包括第一开关管、充电电阻组、充电电容组和第二上拉电阻，所述第一开关管的控制端通过所述充电电阻组连接所述比较模块的输出端，所述第一开关管的第一端通过所述第二上拉电阻连接所述输出端口，所述第一开关管的第二端接地，所述充电电容组连接在所述第一开关管的控制端和地之间，且充电电阻组的阻值和充电电容组的容值由输入端口在上电时所述电容的充电时间来确定。

7. 根据权利要求6所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述驱动模块为继电器，其中，所述继电器线圈的两端分别连接所述输出端口和所述第一开关管的第一端，所述继电器开关的常闭触头的第一端连接所述输出端口，所述继电器开关的常闭触头的第二端通过所述第二采样模块连接所述输入端口。

8. 根据权利要求6所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述驱动模块为第二开关管，其中，所述第二开关管的控制端连接所述第一开关管的第一端，所述第二开关管的第一端分别连接所述输入端口及通过所述第三电阻组连接所述输出端口。

9. 根据权利要求6所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述过流欠压保护电路还包括发光二极管，且所述发光二极管的正极连接所述第二上拉电阻的第一端，所述第二上拉电阻的第二端连接所述输出端口，所述发光二极管的负极连接所述第一开关管的第一端。

10. 根据权利要求9所述的过流欠压保护电路，其特征在于，所述过流欠压保护电路还包括TVS管和第二限流电阻，且所述第一上拉电阻的阻值至少比所述第二限流电阻的阻值大10倍，所述TVS管的第一端连接所述输入端口，所述TVS管的第二端接地，所述第二限流电阻连接在所述输入端口和所述比较模块的第二输入端之间。

11.一种数据中心设备，与数据接收设备相连，其特征在于，所述数据中心设备包括权利要求1-10所述的过流欠压保护电路。

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