CN104319870B - 一种支持冗余备份及热插拔的供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，包括至少两个电源供电系统，所述电源供电系统包括：电源供电单元、第一控制开关、第二控制开关、第一可控制开关驱动单元、第二控制开关驱动单元、电压比较单元、第一取样单元、第二取样单元。本发明在供电系统没有均流的情况下，可自动进行供电切换，实现冗余备份功能；并且在热插拔时，不打火、不断电，电源供电系统之间除了两输出电压连在一起之外，不需要其它任何辅助连接线。另外，本发明电源供电系统的切换是电源系统本身主动实现的，无需外加监控系统，实现真正的冗余和备份功能。本发明可广泛应用于冗余电源领域。

Description

一种支持冗余备份及热插拔的供电系统

技术领域

本发明涉及冗余电源，尤其涉及一种支持冗余备份及热插拔的供电系统。

背景技术

目前，在MT(MicroTCA：微型电信运算架构)平台或者AT(ATCA:先进的电信计算平台)平台中，在军用品市场上的产品，都用双电源供电系统来实现冗余备份，从而达到提高产品的可靠性的目的，但是，目前常用的方法是用均流的方法来实现，图1为现有技术中双电源供电系统结构示意图，如图1所示，背板上连接有多个业务板，背板由电源供电1和电源供电2两个电源供电系统来实现冗余备份，此种方法的主要缺陷是，每一个电源供电系统必须有均流功能，但是，目前市场上，有相当多的电源系统，都没有均流功能；没有此功能的，就无法实现冗余备份；还有，均流功能的结果是，两个模块都在带负荷的工作，这样的结果只能实现冗余功能，但是，不能实现备份功能；还有，此种实现方式，如果实现热插拨，容易产生打火现象，因为，目前MT和AT装备，工作电流都比较大，一般直流48V供电部分，一般都能达到5A以上；如果在工作中，突然之间拨插，很容易产生打火现象。

再有一种技术是，外加一监控系统，此种方法的缺陷是系统实现复杂，双电源系统供电切换不是电源系统本身主动实现，而是通过监控系统被动地切换来实现。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种支持冗余备份及热插拔的供电系统。

本发明所采用的技术方案是：一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，包括至少两个电源供电系统，所述电源供电系统包括：

电源供电单元：其用于产生工作电压；

第一控制开关：其用于控制电源供电单元工作电压的输出；

第二控制开关：其位于第一控制开关与负载线路之间，用于将负载线路上的电压与电源供电单元电压隔开；

第一可控制开关驱动单元：其用于控制第一控制开关的启闭状态；

第二控制开关驱动单元：其用于控制第二控制开关的启闭；

电压比较单元：其用于对电源供电单元产生的电压与负载电压进行比较以输出开关启闭控制电压到第一控制开关驱动单元，驱动第一控制开关驱动单元输出信号控制第一控制开关的启闭状态；

第一取样单元：其用于在电源供电单元有电压输出时，从电源供电单元的输出电压中取样电压输出到第一控制开关驱动单元，驱动第一控制开关驱动单元发送信号锁住第一控制开关的接通状态；

第二取样单元：其用于从电源供电单元的输出电压中取样电压输出到第二控制开关驱动单元，驱动第二控制开关驱动单元发送信号控制第二控制开关的导通状态。

优选的，所述第一控制开关驱动单元包括：或门电路和驱动电路，所述或门电路用于对所述电压比较单元输出的第一控制开关的启闭控制电压和所述第一取样单元输出的取样电压进行或运算；所述驱动电路根据所述或运算结果输出信号到第一控制开关，控制第一控制开关的启闭状态。

优选的，所述电压比较单元包括比较器；所述比较器的同相输入端通过一电阻与电源供电单元连接，并通过一电阻与接地电位连接；所述比较器的反相输入端通过一电阻与负载连接，并通过一电阻与接地电位连接。

优选的，所述第一取样单元为一取样电阻。

优选的，所述第一控制开关驱动单元的或门电路包括共阴二极管；所述第一控制开关驱动单元的驱动电路包括NPN三极管；所述共阴二极管的两个基极分别与所述电压比较单元、第一取样单元连接；所述双二极管的发射极与所述NPN三极管的基极连接；所述NPN三极管的发射极连接接地电位；所述NPN三极管的集电极通过一电阻与所述第一控制开关连接。

优选的，所述第一控制开关单元包括：PMOS开关管；所述PMOS开关管的源极与栅极之间通过一电阻连接；所述PMOS开关管的栅极与所述第一控制开关驱动单元连接；所述PMOS开关管的源极连接所述电源供电单元，所述PMOS开关管的漏极连接负载。

优选的，所述第二取样单元为一取样电阻。

优选的，所述第二控制开关驱动单元包括NPN三极管；所述NPN三极管的基极连接所述第二取样单元；所述NPN三极管的集电极通过一电阻连接所述第二控制开关单元；所述NPN三极管的基极与发射极通过一电阻连接；所述NPN三极管的发射极连接接地电位。

优选的，所述第二控制开关单元包括：PMOS开关管，所述PMOS开关管的源极连接负载，PMOS开关管的漏极连接所述第一控制开关单元；

所述PMOS开关管的栅极与所述第二控制开关驱动单元连接；所述PMOS开关管的源极与栅极之间通过一电阻连接；所述PMOS开关管的漏极和栅极之间串联有一二极管；所述二极管的正极连接PMOS开关管的漏极，其负极通过电阻与所述PMOS开关管的栅极连接。

本发明的有益效果是：本发明的一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，包括至少两个电源供电系统，在供电系统没有均流的情况下，电源供电系统可自动进行供电切换，实现冗余备份功能；并且在热插拔时，不打火、不断电，电源供电系统之间除了两输出电压连在一起之外，不需要其它任何辅助连接线。另外，本发明是在相关直流供电系统和负载之间，加有冗余备份和热插拔电路，电源供电系统的切换是电源系统本身主动实现的，无需外加监控系统，实现真正的冗余和备份功能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1为现有技术中双电源供电系统结构示意图；

图2为本发明所述电源供电系统的结构示意图；

图3为本发明所述电源供电系统的具体实施例电路结构示意图；

图4为本发明一种支持冗余备份及热插拔的供电系统具体实施例结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，包括至少两个电源供电系统，图2为一种支持冗余备份及热插拔的供电系统结构框图，如图2所示，电源供电模块包括：电源供电单元1、第一控制开关2、第二控制开关3、第一可控制开关驱动单元5、第二控制开关驱动单元8、电压比较单元4、第一取样单元6、第二取样单元7。

其中，电源供电单元1用于产生工作电压；

第一控制开关2是主电压控制电路，主要是控制电源供电单元工作电压的输出；

第二控制开关3位于第一控制开关3与负载线路之间，用于将负载线路上的电压与电源供电单元电压隔开，以便进行相关的冗余备份以及热插拨功能处理；

第一控制开关驱动单元5用于控制第一控制开关的启闭状态；

第二控制开关驱动单元8用于控制第二控制开关的启闭；

电压比较单元4用于将负载线路电压与本电源供电单元电压进行比较，然后将比较后的结果输出到第一控制开关驱动单元5去控制第一控制开关2的启闭状态；

第一取样单元6其用于取样本电源供电单元1是否有电压输出，在电源供电单元1有电压输出时，从电源供电单元1的输出电压中取样电压输出到第一控制开关驱动单元5，驱动第一控制开关驱动单元5发送信号锁住第一控制开关2，使它一直处于的接通状态。

第一控制开关驱动单元5用于控制第一控制开关2的启闭状态，其包括：或门电路501和驱动电路502；或门电路501用于对电压比较单元4输出的第一控制开关的启闭控制电压和第一取样单元6输出的取样电压进行或运算；驱动电路502根据或运算结果输出信号第一控制开关2，控制第一控制开关2的启闭状态。。

第二取样单元7用于取样本电源供电单元1是否有电压输出，在电源供电单元1有电压输出时，从电源供电单元1的输出电压中取样电压输出到第二控制开关驱动单元8，驱动第二控制开关驱动单元8发送信号控制第二控制开关3的导通状态。

图3为本发明所述电源供电系统的具体实施例电路结构示意图，如图3所示：在本实施例中电压比较单元4采用比较器U1实现；或门电路501采用共阴极二极管D1实现；驱动电路502采用NPN三极管Q3实现驱动；第一取样单元6采用一取样电阻R7实现电压取样；第二取样单元采用一取样电阻R8实现电压取样；第二驱动单元8采用NPN三极管Q4实现驱动；第一控制开关2采用一PMOS开关管Q1实现控制开关；第二控制开关3采用一PMOS开关管Q2实现控制开关。

以下结合图3对本发明中的电源供电系统的具体电路结构连接关系进行描述：

本实施例中以直流48V的电源为例说明，其它的电压与本发明原理相同，在这里不做进一步的说明。

比较器U1的反相输入端通过一电阻R1连接负载线路，即+48VOUT网络，同时，通过一电阻R4与接地电位连接；比较器U1的同相输入端通过一电阻R3连接电源供电单元1(即+48V)，同时通过一电阻R4与接地电位连接。

共阴二极管D1的两个阳极分别与比较器U1输出端、取样电阻R7的一端连接，共阴二极管D1的输出端与NPN三极管Q3的基极连接；

NPN三极管Q3的发射极连接地电位，NPN三极管Q3的集电极通过一电阻R6与第一控制开关2中的PMOS开关管Q1的栅极连接。

PMOS开关管Q1的源极与电源供电系统1连接，PMOS开关管的源极和栅极之间通过一电阻R5连接，PMOS开关管Q1的漏极连接第二控制开关3中的PMOS开关管Q2的漏极，同时与第一取样单元6中的电阻R7的另一端连接。

第二控制开关3中的PMOS开关管Q2的源极与负载连接；PMOS开关管Q2的源极和栅极之间通过一电阻R10连接，PMOS开关管Q2的漏极和栅极之间串联有一二极管D5；二极管D5的正极连接PMOS开关管Q2的漏极，二极管D5的负极通过一电阻R9与PMOS开关管Q3的栅极连接。

取样电阻R8的一端连接PMOS开关管Q2的漏极，另一端连接第二驱动单元8中的NPN三极管Q3的基极，NPN三极管Q4的基极与发射极通过一电阻R11连接；NPN三极管Q4的发射极连接接地电位；NPN三极管Q4的集电极通过一电阻R12与PMOS开关管Q2的栅极连接。

在本实施例中，假定正常输出的电压范围为42-54V，电压比较器U1的阀值电压为44V，即低于44V时，表示负载欠压；假设44*R2/(R1+R2)＝48*R4/(R3+R4)，那么，根据电压比较器的原理，当负载线路的电压低于44V时，比较器U1输出高电平，高于44v时，比较器U1输出低电平。因为，本领域的普通技术人员都知道：PMOS开关管是G极为低电平时，PMOS开关管导通，G极为高电平时，PMOS开关管断开，共阴极二极管是只要有一个阳极有高电平，那么输出就是高电平,NPN型三极管是，高电平导通，低电平绝止；所以以上电路的实现原理，在这里不一一说明。

目前在AT或者MT平台中，都要求电源供电系统有冗余备份及热插拨的功能，即一个电源供电系统在工作时，另外一个电源供电系统处于待机状态，一旦工作电源供电系统出现故障时，冗余电源能及时的供电；还有，在一个电源供电系统出现故障时，在不断电的情况下，要能够将出现故障的那个电源供电系统从AT或者MT平台中，拨插出来，更换好的，此时，不能有断电情况，这就是所说的热插拨功能。

图4为本发明一种支持冗余备份及热插拔的供电系统具体实施例结构示意图，下面结合附图4，对本发明的冗余备份及热插拔功能的具体实现过程进行说明。如图4所示，本实施例中供电系统采用两个电源供电系统对设备进行供电，实际上也可以采用两个以上的电压供电模块对设备进行供电，其原理与本实施例是一样的，不再赘述，下面对采用两个电源供电系统的实现冗余备份和热插拔的具体实现过程进行说明。

在本实施例中假定电源供电系统1先给负载上电，电源供电系统2后上电。

当电源供电系统1上电时，电源供电系统1的比较器U1检查到负载电压没有，或者低于正常的工作电压，此时，比较器U1输出一高电平，此高电平通过或门电路501,或门电路501输出高电平，高电平加到驱动电路502时，驱动电路502将输出一高电平到第一控制开关1，将第一控制开关2导通，使电路处于接通状态；一旦第一控制开关2处于接通状态，第一取样单元6就会输出一高电平，此高电平输入到或门电路501，锁住第一控制开关2一直处于接通状态；此时，第二取样单元7也会输出一高电平到第二驱动单元8，第二驱动单元8将输出一高电平到第二控制开关3，将第二控制开关3导通，并锁住第二控制开关3的接通状态，从于达到本电源供电系统向外供电的目的。

当电源供电系统2上电时，首先电源供电系统2的比较器U1将本电源供电单元1产生的电压与负载线路上的电压进行比较，如果负载电压在正常的工作电压范围内，那么比较器U1输出一低电平，因为或门电路501另一路输出端口在初始化状态，也为低电平，即或门电路501输出一低电平给驱动电路502,从而控制第一控制开关2处于断开状态，这样，供电系统2就与负载处于断开状态。

假设在工作的过程中，当处于工作状态的电源供电系统1出现故障，没有电压输出，此时，待机的一方，电源供电系统2即刻检测到线路电压低于正常的工作电压，电源供电系统2的比较器U1输出一高电平，此高电平通过或门电路501,因为或门电路501只要有一路是高电平，即输出高电平，所以高电平加到驱动电路502时，驱动电路502将输出一高电平到第一控制开关2，将第一控制开关2导通，使电路处于接通状态；一旦第一控制开关2处于接通状态，第一取样单元6就会输出一高电平，此高电平输入到或门电路501，锁住第一控制开关2的一直处于接通状态；此时，第二取样单元7也会输出一高电平到第二驱动单元8，第二驱动单元8将输出一高电平到第二控制开关3，将第二控制开关3导通，并锁住第二控制开关3的接通状态，从而达到冗余备份、自动切换的目的。

下面结合附图4以电源供电系统1的热拔过程为例对本发明的具体实现过程做进一步说明。

假如电源供电系统1和电源供电系统2插在设备中，并且上电，

1)当电源供电系统1正在工作，如果电源供电系统1被拨出：因为，电源供电系统1在拨出的时候，不会立即断开，同时，电源供电系统内部都会有储能滤波装置，一般常用的是电容进行储能和滤波；那么在供电设备断开的瞬间，因为负载线路上的储能装置的电压不会立即降到0V，而是慢慢的往下降，一旦负载线路上的电压降到工作电压范围之外，此时，电源供电系统2的比较器U1会立即检测到线路电压低于正常的工作电压，马上输出一高电平，从而接通第一控制开关2、第二控制开关3,因为，电源供电系统2检测到电压降到工作电压范围之外，到接通第一控制开关2、第二控制开关3的时间远远短于电容放电到正常的工作电压之外的时间，所以，线路不会有断电情况，同时，储能电路上的电压没有降到产生火花的电压之下，就已经恢复了供电，所以在拨的过程中，不会有火花出现。

2)当电源供电系统1处于待机状态，电源供电系统2在工作，此时将电源供电系统1从平台中拨出，因为，电源供电1本身是处于待机状态，那么根据冗余备份里所说的原理，此时负载线路同电源供电系统1本身的电源供电单元是隔离的，所以此时将电源供电系统1从平台设备中拨出来，对线路不会有任何影响。

因为电源供电系统2的电路和电源供电系统1的电路完全相同，实现原理也相同，所以，电源供电系统2的热拨的过程和电源供电模块1也是相同的,即也不会断电和产生火花。

下面结合图4对电源供电系统的热插过程进行进一步说明。

假设平台设备中已经插上了电源供电系统1，并且在工作，说明负载线路上有电源；此时，如果插上电源供电系统2，因为电源供电系统2在给负载供电时，会先检查负载线路上的电压，如果负载线路上有正常的工作电压，电源供电系统2不会有任何电压输出，本身处于待机状态，所以在热插的过程中，不会对负载电源有任何影响。

同理，如果平台设备中插上的是电源供电系统2，再插上电源供电系统1，因为，两个电源供电装置的实现原理和电路完全相同，所以在插电源供电系统1时，不会对负载电源产生任何影响。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，其特征在于：包括至少两个电源供电系统，所述电源供电系统包括：

电源供电单元：其用于产生工作电压；

第一控制开关：其用于控制电源供电单元工作电压的输出；

第二控制开关：其位于第一控制开关与负载线路之间，用于将负载线路上的电压与电源供电单元电压隔开；

第一控制开关驱动单元：其用于控制第一控制开关的启闭状态；

第二控制开关驱动单元：其用于控制第二控制开关的启闭；

电压比较单元：其用于对电源供电单元产生的电压与负载电压进行比较以输出开关启闭控制电压到第一控制开关驱动单元，

驱动第一控制开关驱动单元输出信号控制第一控制开关的启闭状态；

第一取样单元：其用于在电源供电单元有电压输出时，从电源供电单元的输出电压中取样电压输出到第一控制开关驱动单元，驱动第一控制开关驱动单元发送信号锁住第一控制开关的接通状态；

第二取样单元：其用于从电源供电单元的输出电压中取样电压输出到第二控制开关驱动单元，驱动第二控制开关驱动单元发送信号控制第二控制开关的导通状态；

所述第一控制开关驱动单元包括：或门电路和驱动电路，所述或门电路用于对所述电压比较单元输出的第一控制开关的启闭控制电压和所述第一取样单元输出的取样电压进行或运算；

所述驱动电路根据所述或运算结果输出信号到第一控制开关，控制第一控制开关的启闭状态。

2.根据权利要求1所述一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，

其特征在于：所述电压比较单元包括比较器；

所述比较器的同相输入端通过第三电阻与电源供电单元连接，并通过第四电阻与接地电位连接；

所述比较器的反相输入端通过第一电阻与负载连接，并通过第二电阻与接地电位连接。

3.根据权利要求1所述一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，

其特征在于：所述第一取样单元为一取样电阻。

4.根据权利要求2所述一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，

其特征在于：

所述第一控制开关驱动单元的或门电路包括共阴二极管；

所述第一控制开关驱动单元的驱动电路包括NPN三极管；

所述共阴二极管的两个基极分别与所述电压比较单元、第一取样单元连接；

所述共阴二极管的发射极与所述NPN三极管的基极连接；

所述NPN三极管的发射极连接接地电位；

所述NPN三极管的集电极通过一电阻与所述第一控制开关连接。

5.根据权利要求1所述一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，

其特征在于：所述第一控制开关单元包括：PMOS开关管；

所述PMOS开关管的源极与栅极之间通过一电阻连接；

所述PMOS开关管的栅极与所述第一控制开关驱动单元连接；

所述PMOS开关管的源极连接所述电源供电单元，所述PMOS开关管的漏极连接负载。

6.根据权利要求1所述一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，

其特征在于：所述第二取样单元为一取样电阻。

7.根据权利要求1所述一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，

其特征在于：所述第二控制开关驱动单元包括NPN三极管；

所述NPN三极管的基极连接所述第二取样单元；

所述NPN三极管的集电极通过第十二电阻连接所述第二控制开关单元；

所述NPN三极管的基极与发射极通过第十一电阻连接；

所述NPN三极管的发射极连接接地电位。

8.根据权利要求1所述一种支持冗余备份及热插拔的供电系统，

其特征在于：所述第二控制开关单元包括：PMOS开关管，

所述PMOS开关管的源极连接负载，PMOS开关管的漏极连接所述第一控制开关单元；

所述PMOS开关管的栅极与所述第二控制开关驱动单元连接；

所述PMOS开关管的源极与栅极之间通过第十电阻连接；

所述PMOS开关管的漏极和栅极之间串联有一二极管；

所述二极管的正极连接PMOS开关管的漏极，其负极通过第九电阻与所述PMOS开关管的栅极连接。