CN103746444A - 双电源母线冷备份供电架构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电源应用技术发明，涉及一种双电源母线冷备份供电架构及方法。双电源母线冷备份供电架构，包括两路电源转换电路、电压检测电路、掉电保护电路和电源切换控制电路，通过以上功能电路实现两路转换电路的冷备份功能。当第一路转换器件正常供电时，第二路转换器件处于待机状态，当第一路转换器件掉电时，启动第二路转换器件供电。本发明可以显著提高用电设备的任务可靠性，降低其全寿命周期内的维护成本。
Description
技术领域
本发明属于电源应用技术发明，涉及一种双电源母线冷备份供电架构及方法。
背景技术
对于用电设备而言，二次电源转换系统的作用是将用电设备输入端的电源转换成用电设备内部电路需要的各种工作电源，在该转换系统内，针对用电设备需要的一种工作电源的转换路径只有一条，当该转换路径故障时，该路工作电源输出异常，用电设备则无法正常工作。
针对采用单路电源转换系统供电的用电设备任务可靠性较差的问题，目前采用的解决方法有两种，一是采用可靠性高的电源转换器件，通过提高元器件可靠性的方法来提高用电设备的任务可靠性；二是采用两路转换器件同时供电，互为热备份的方法提高用电设备的任务可靠性。第一种方法采用高可靠性的器件会导致成本的升高，并且受技术发展瓶颈制约，器件的可靠性难以继续提高。第二种方法能够明显提高用电设备的任务可靠性，但是也会增加产品的成本，此外，由于两路转换器件互为热备份，两路同时供电，在这种情况下，单路转换器件很难工作于最佳效率点，会导致用电设备功耗增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题：
为了克服用电设备二次电源供电电路任务可靠性较低的问题，提供一种新的双电源母线冷备份供电架构，可有效提高用电设备的任务可靠性。
本发明的技术方案：
双电源母线冷备份供电架构，包括两路电源转换电路、电压检测电路、掉电保护电路和电源切换控制电路，其中：
两路电源转换电路互为冷备份，用于将同一个输入电压转换后对外输出工作电源。
电压检测电路，用于对处于工作状态的那一路电源转换电路输出的电压进行检测。
掉电保护电路，用于两路电源转换电路切换时，保证对外输出工作电源的平稳。
电源切换控制电路，用于控制两路电源转换电路的切换逻辑。
所述的电压检测电路中，第一分压电阻R4的第一端接电源转换电路的输入电压VIN+，第二端连接到精密稳压源N5的供电电源输入端+IN和第二分压电阻R6的第一端，第二分压电阻R6的第二端连接到精密稳压源N5的接地回路-IN。精密稳压源N5的第7引脚和第6引脚分别连接到第一滤波电容的第1引脚和第2引脚。精密稳压源N5的第2引脚连接到比较器N6的参考电压输入端。第三分压电阻R8的第一端连接到第一路电源转换电路的输出端，第二端连接到比较器N6的比较电压输入引脚REF端和第四分压电阻R7的第一端，第四分压电阻R7的第二端连接到比较器N6的接地回路GND。第一限流电阻R5的第一端连接到精密稳压源N5的第2输出引脚，第二端连接到比较器N6的输出端和MOS管V3的栅极。精密稳压源N5采用ANALOG DEVICES公司的AD584。
所述的掉电保护电路中隔离器件N2的源极连接到第一路电源转换电路的输出端VO-F和第二滤波电容C2的第一端，第二滤波电容C2的负端连接到隔离器件N2的接地回路GND。隔离器件N2的漏极连接到第二限流电阻R1的第一端、第一隔离二极管V1和第二隔离二极管V2的负极以及隔离器件N3的漏极、第三滤波电容C5的正端和隔离器件N7的漏极，隔离器件N7源极连接到第二路电源转换电路的输出端，电阻R12第一端连接到隔离器件N7的PG引脚，第二端连接到N7的接地回路，第三滤波电容C5的负端连接到隔离器件N2的接地回路GND。隔离器件N2的PG引脚连接到电阻R2的第一端，电阻R2的第二端连接到隔离器件N2的接地回路。储能电容C3的正端连接到第二限流电阻R1的第二端、第一隔离二极管V1和第二隔离二极管V2的正极、隔离器件N3的源极和第四滤波电容C4的正端，第四滤波电容C4的负端连接到隔离器件N3的接地回路。电阻R3的第一端接到隔离器件N3的PG引脚，第二端连接到隔离器件N3的接地回路。隔离器件N2和N3采用VICOR公司的PI2127。
所述的电源切换控制电路中，MOS管V3的栅极连接到比较器N6的输出端和第一限流电阻的R5的第二端。MOS管V3的源极连接到第二路电源转换电路的使能端ON/OFF。MOS管V3的漏极连接到第一路电源转换电路的接地回路VIN-。
双电源母线冷备份供电方法，包括以下步骤：
第一步，两路电源转换电路将同一个输入电压分别转换后对外输出工作电源，其中第二路处于待机状态，为第一路的冷备份。同时电压检测电路实时对第一路电源转换电路的输出电压进行检测，判断该输出电压是否低于设定门限值，如果该输出电压低于设定的门限值，则进入第二步。
第二步，电压检测电路发出电源切换信号给电源切换控制电路，电源切换控制电路接收到该信号后，启动处于待机状态的第二路电源转换电路，使之对外输出工作电源。同时，掉电保护电路在两路电源转换电路切换的过程中，由储能电容释放能量，保证对外输出工作电源平稳。
本发明的有益效果：
本发明电源架构，可以通过一路转换模块工作，另一路待机的模式降低备份电路的空载耗散。此外通过两路转换模块互为备份的电源架构可以显著提高用电设备的任务可靠性，降低用电设备全寿命周期内的维护成本。
附图说明
图1为双电源母线冷备份供电电路的原理图。
具体实施方式
双电源母线冷备份供电架构，当第一路转换器件正常供电时，第二路转换器件处于待机状态，当第一路转换器件掉电时，启动第二路转换器件供电，整个检测和切换过程依靠切换控制电路实现。
下面通过具体实施例，结合附图对本发明做进一步说明：双电源母线冷备份供电架构，包括两路电源转换电路、电压检测电路、掉电保护电路和电源切换控制电路，其中：
两路电源转换电路互为冷备份，用于将同一个输入电压转换后对外输出工作电源。
电压检测电路，用于对处于工作状态的那一路电源转换电路输出的电压进行检测。
掉电保护电路，用于两路电源转换电路切换时，对外输出工作电源的平稳。
电源切换控制电路，用于控制两路电源转换电路的切换。
本发明电源开关工作过程如下：
当产品正常供电时，两路转换模块同时上电，此时电压检测电路检测到第一路的输出电源电压高于门限电压V0（即比较器N6比较端的电压高于参考电压），比较器输出低电平，MOS管V3关断，此时转换模块N4被关断，停止工作。当第一路转换模块故障掉电时，电压检测电路检测到第一路的输出电源电压低于门限电压V0时（即比较器N6比较端的电压低于参考电压），MOS管V3导通，此时转换模块N4被使能工作。在切换的过程中C3放电，对整个后续电路提供电源。
所述的两路电源转换电路有多种构建方式，电源转换电路的一种实施方式为采用整体的电源转换模块和滤波器件直接构成电源转换电路，如电路原理图中电源转换模块N1和第五滤波电容C1以及第二滤波电容C2共同组成电源转换电路，其中电源转换模块N1的正输入端连接到第五滤波电容C1的正端，正输出端连接到第二滤波电容的正端。第五滤波电容C1的负端连接到电源转换模块N1的输入接地回路。第二滤波电容C2的负端连接到电源转换模块N1的输出接地回路。该方法简单实用，具有较好的电磁兼容特性和散热特性。电源转换模块N1采用SYNQOR公司的MCOTS-C-28VE-12-HP。
电源转换电路的另一种实施方式为采用成熟的电源转换芯片和外围电路共同构建电源转换电路，该方法优点是布局灵活。例如采用LINEAR公司的LTM8027配合分压电阻和滤波电容同样可以实现电源转换电路的功能。
所述的电压检测电路中，精密稳压源N5为比较器N6提供精确地比较参考电压，R4和R6构成分压关系，用于为精密稳压源N5提供工作电源。第一分压电阻R4的第一端接电源转换电路的输入电压VIN+，第二端连接到精密稳压源N5的供电电源输入端+IN和第二分压电阻R5的第一端，第二分压电阻R5的第二端连接到精密稳压源N5的接地回路-IN。精密稳压源N5的第7引脚和第6引脚分别连接到第一滤波电容的第1引脚和第2引脚。精密稳压源N5的第2引脚连接到比较器N6的参考电压输入端。
电阻R7、电阻R8串联构成分压关系，且一端接被检测电源正端，一端接地，分压后的电压送至比较器N6的比较端，用于电压检测。第三分压电阻R8的第一端连接到第一路电源转换电路的输出端，第二端连接到比较器N6的比较电压输入引脚REF和第四分压电阻R7的第一端，第四分压电阻R7的第二端连接到比较器N6的接地回路GND。第一限流电阻R5的第一端连接到精密稳压源N5的第2输出引脚，第二端连接到比较器N6的输出端和MOS管V3的栅极。精密稳压源N5采用ANALOG DEVICES公司的AD584。
所述的掉电保护电路中隔离器件N2的源极连接到第一路电源转换电路的输出端VO-F和第二滤波电容C2的第一端，第二滤波电容C2的负端连接到隔离器件N2的接地回路GND。隔离器件N2的漏极连接到第二限流电阻R1的第一端、第一隔离二极管V1和第二隔离二极管V2的负极以及隔离器件N3的漏极、第三滤波电容C5的正端和隔离器件N7的漏极，隔离器件N7源极连接到第二路电源转换电路的输出端，电阻R12第一端连接到隔离器件N7的PG引脚，第二端连接到N7的接地回路，第三滤波电容C5的负端连接到隔离器件N2的接地回路GND。隔离器件N2的PG引脚连接到电阻R2的第一端，电阻R2的第二端连接到隔离器件N2的接地回路。其中N2、R2以及N7和R12共同起到了电源极性反接保护作用。
储能电容C3的正端连接到第二限流电阻R1的第二端、第一隔离二极管V1和第二隔离二极管V2的正极、隔离器件N3的源极和第四滤波电容C4的正端，第四滤波电容C4的负端连接到隔离器件N3的接地回路。电阻R3的第一端接到隔离器件N3的PG引脚，第二端连接到隔离器件N3的接地回路。C3在第一路电源故障掉电时放电，对后续用电设备起到保护作用。R1一端连接模块输出端，另一端串联到C3的正端，C3的负端接地，起到对C3充电时的限流作用。V1、V2并联使用，用于构成N3的备份电路，同N3一起构成C3的放电通路。隔离器件N2和N3采用VICOR公司的PI2127。
所述的电源切换控制电路中，MOS管V3的栅极连接到比较器N6的输出端和第一限流电阻的R5的第二端。MOS管V3的源极连接到第二路电源转换电路的使能端ON/OFF。MOS管V3的漏极连接到第一路电源转换电路的接地回路VIN-。MOS管V3构成了切换控制电路的控制器件，该器件一端接备份模块的使能端，另一端接输入电源地，用于接收比较器N6的输出信号，控制电源转换模块N4的开关状态。
双电源母线冷备份供电方法，包括以下步骤：
第一步，两路电源转换电路将同一个输入电压分别转换后对外输出工作电源，其中第二路处于待机状态，为第一路的冷备份。同时电压检测电路实时对第一路电源转换电路的输出电压进行检测，判断该输出电压是否低于设定门限值，如果该输出电压低于设定的门限值，则进入第二步。
第二步，电压检测电路发出电源切换信号给电源切换控制电路，电源切换控制电路接收到该信号后，启动处于待机状态的第二路电源转换电路，使之对外输出工作电源。同时，掉电保护电路在两路电源转换电路切换的过程中，由储能电容释放能量，保证对外输出工作电源平稳。
本实施方式中，各电气元件的参数如下：模块N1、N4可以灵活采用需要的转换模块，本实例中采用的是SYNQOR公司的MCOTS-C-28VE-12-HP。稳压源N5的型号为AD584TH，比较器N6的型号为MAX9061。N2和N3的型号为PI2127-01-LGIZ；电阻R1为330欧，R2、R3为10K欧，R4与R6参数应满足下列条件，（R6×VIN+）/（R4+R6）应介于5V到30V之间，单位为欧姆，R5为1M欧姆，电阻R7和R8应满足下列公式，门限电压V0，（R7×V0）/（R7+R8）=5；稳压二极管V1和V2工作电压是200伏，工作电流是5伏。MOS管V3的型号为IRF7834；电容C1、C2、C6、C7、C8的电容值为0.1uF，耐压值100V。C4、C4电容值为1uF，耐压值50V。电容C3的电容值为C＝2PΔt/(V1 2-V2 2)，其中Δt为电源切换的时间，V1为模块的工作电压，V2为后续用电负载工作的下限电压，P为用电负载的额定功率。
本发明电源架构，可以显著提高用电设备的任务可靠性，降低其全寿命周期内的维护成本。另外，通过改变分压电阻R7和R8的阻值，可以灵活地设置第一路电源转换电路输出电源的门限电压。通过合理选用C3的值，可以调节适应不同掉电切换时间的转换模块。
Claims (7)
1.双电源母线冷备份供电架构，其特征是，包括两路电源转换电路、电压检测电路、掉电保护电路和电源切换控制电路，其中：
两路电源转换电路互为冷备份，用于将同一个输入电压转换后对外输出工作电源；
电压检测电路，用于对处于工作状态的那一路电源转换电路输出的电压进行检测；
掉电保护电路，用于两路电源转换电路切换时，保证对外输出工作电源的平稳；
电源切换控制电路，用于控制两路电源转换电路的切换逻辑。
2.如权利要求1所述的双电源母线冷备份供电架构，其特征是，所述的电压检测电路中，第一分压电阻R4的第一端接电源转换电路的输入电压VIN+，第二端连接到精密稳压源N5的供电电源输入端+IN和第二分压电阻R6的第一端，第二分压电阻R6的第二端连接到精密稳压源N5的接地回路-IN；精密稳压源N5的第7引脚和第6引脚分别连接到第一滤波电容的第1引脚和第2引脚；精密稳压源N5的第2引脚连接到比较器N6的参考电压输入端；第三分压电阻R8的第一端连接到第一路电源转换电路的输出端，第二端连接到比较器N6的比较电压输入引脚REF端和第四分压电阻R7的第一端，第四分压电阻R7的第二端连接到比较器N6的接地回路GND；第一限流电阻R5的第一端连接到精密稳压源N5的第2输出引脚，第二端连接到比较器N6的输出端和MOS管V3的栅极；精密稳压源N5采用ANALOG DEVICES公司的AD584。
3.如权利要求2所述的双电源母线冷备份供电架构，其特征是，
R4与R6参数应满足下列条件，（R6×VIN+）/（R4+R6）应介于5V到30V之间，单位为欧姆；
电阻R7和R8应满足下列公式，门限电压V0，（R7×V0）/（R7+R8）=5。
4.如权利要求1所述的双电源母线冷备份供电架构，其特征是，所述的掉电保护电路中,隔离器件N2的源极连接到第一路电源转换电路的输出端VO-F和第二滤波电容C2的第一端，第二滤波电容C2的负端连接到隔离器件N2的接地回路GND；隔离器件N2的漏极连接到第二限流电阻R1的第一端、第一隔离二极管V1和第二隔离二极管V2的负极以及隔离器件N3的漏极、第三滤波电容C5的正端和隔离器件N7的漏极，隔离器件N7源极连接到第二路电源转换电路的输出端，电阻R12第一端连接到隔离器件N7的PG引脚，第二端连接到N7的接地回路，第三滤波电容C5的负端连接到隔离器件N2的接地回路GND；隔离器件N2的PG引脚连接到电阻R2的第一端，电阻R2的第二端连接到隔离器件N2的接地回路；储能电容C3的正端连接到第二限流电阻R1的第二端、第一隔离二极管V1和第二隔离二极管V2的正极、隔离器件N3的源极和第四滤波电容C4的正端，第四滤波电容C4的负端连接到隔离器件N3的接地回路；电阻R3的第一端接到隔离器件N3的PG引脚，第二端连接到隔离器件N3的接地回路；隔离器件N2和N3采用VICOR公司的PI2127。
5.如权利要求4所述的双电源母线冷备份供电架构，其特征是，
电容C3的电容值为C＝2PΔt/(V1 2-V2 2)，其中Δt为电源切换的时间，V1为模块的工作电压，V2为后续用电负载工作的下限电压，P为用电负载的额定功率。
6.如权利要求1所述的双电源母线冷备份供电架构，其特征是，所述的电源切换控制电路中，MOS管V3的栅极连接到比较器N6的输出端和第一限流电阻的R5的第二端；MOS管V3的源极连接到第二路电源转换电路的使能端ON/OFF；MOS管V3的漏极连接到第一路电源转换电路的接地回路VIN-。
7.双电源母线冷备份供电方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步，两路电源转换电路将同一个输入电压分别转换后对外输出工作电源，其中第二路处于待机状态，为第一路的冷备份；同时电压检测电路实时对第一路电源转换电路的输出电压进行检测，判断该输出电压是否低于设定门限值，如果该输出电压低于设定的门限值，则进入第二步；
第二步，电压检测电路发出电源切换信号给电源切换控制电路，电源切换控制电路接收到该信号后，启动处于待机状态的第二路电源转换电路，使之对外输出工作电源；同时，掉电保护电路在两路电源转换电路切换的过程中，由储能电容释放能量，保证对外输出工作电源平稳。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |