CN104656435A - 动态冗余控制的供电电路 - Google Patents

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魏志鹏
何健
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Abstract

本发明涉及一种动态冗余输出实施供电控制与安全性设计的技术。其包括若干个正常执行模块，开关控制模块，一个冗余执行模块和监测模块；每个正常执行模块包括继电器；所述的冗余执行模块包括继电器；监测模块包括相互连接的电路参数检测装置和检测信号分析判断装置，所述的电路参数检测装置监测正常执行模块工作时电路的参数并将检测结果传输给检测信号分析装置，检测信号分析装置对信号进行分析判断，生成指令，将指令传送给开关控制模块，开关控制模块根据指令开关；所述的开关控制模块包括开关器件，它分别与所述的冗余执行模块，所述的检测信号分析判断装置连接。本发明可以有效降低成本，缩小电路板体积，并保证一定的可靠性与安全性。

Description

动态冗余控制的供电电路
技术领域
本发明涉及一种动态冗余输出实施供电控制与安全性设计的技术，特别用于对可靠性较高而PCB面积小、对成本敏感的场合。
背景技术
目前，常用的供电控制方案是：首先从处理器或者可编程器件的不同输出口输出高低电平，通过光耦隔离、驱动增强后，驱动不同的继电器动作。由于继电器的结构特点，在使用中最易出现故障，因此，公知方法中一般采用静态冗余输出实现供电控制。即采用继电器作为控制执行元件，两个继电器共同完成一路供电输出控制，形成冗余设计。具体地说，就是把两个或多个输出口控制的继电器的输出端并联在一起，然后和负载串联，实现对负载的供电。
其供电控制方式如下图1所示。从处理器的输出口IO1、IO2、IO3…IOn输出高低电平驱动光耦，由光耦经过电气隔离后再输出到驱动器1、驱动器2…驱动器m，再由驱动器控制继电器控制电源Vcc经继电器输出。图1中，IO1的输出经过光耦1、驱动器1、继电器J1后控制Vcc-out 1输出，IOn的输出经过光耦n、驱动器m、继电器Jn后控制Vcc-out n输出，Vcc-out 1和Vcc-out n并联后接到负载上，形成双冗余回路。在工作时，只要IO1通道和IOn通道中有一个正常，负载1就可正常得电。当回路中有多个负载时，供电控制方法类似。当需要进一步提高安全性时，可把多个IO的输出Vcc-out并联，实现三冗余、四冗余。
这种方法中，每个回路中供电可靠性与继电器个数成正比；当控制回路中有多路供电输出时，需用到多个继电器，占用PCB空间大、成本高，不适合于PCB面积有限、成本敏感而有需要保证供电可靠性的场合。
此外该方法对每一个通道的冗余都是固定的，一旦接好，无法更改。即使某一通道的继电器都故障，另一通道的继电器全正常，正常的继电器也无法分出自己的备份继电器接替故障继电器的工作，不能充分发挥冗余的作用。另外，在其中一个通道故障或者负载出现短路开路时，无法识别和记录，也不能进行故障诊断。
发明内容
为了解决PCB面积小、对成本敏感的产品实现对外设的供电控制与安全性问题，本专利提出了一种新的动态冗余控制的供电电路，它可以在有限的PCB面积内完成供电要求，不但可以有效保证供电可靠性安全性，还可以实时监控供电状态便于故障记录、事后分析，进一步提高可靠性安全性。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种动态冗余控制的供电电路，其包括若干个正常执行模块，开关控制模块，一个冗余执行模块和监测模块；其中，
每个正常执行模块包括继电器；
所述的冗余执行模块包括继电器；
监测模块包括相互连接的电路参数检测装置和检测信号分析判断装置，所述的电路参数检测装置监测正常执行模块工作时电路的参数并将检测结果传输给检测信号分析装置，检测信号分析装置对信号进行分析判断，生成指令，将指令传送给开关控制模块，开关控制模块根据指令开关；
所述的开关控制模块包括开关器件，它分别与所述的冗余执行模块，所述的检测信号分析判断装置连接。
优选地，所述的电路参数检测装置为传感器。
更优选地，所述的传感器为电流或电压传感器。
或者优选地，每个正常执行模块均连接有一个隔离模块。
进一步优选地，所述的供电电路还包括相互连接的处理器和隔离驱动模块；所述的检测信号分析判断装置设置在处理器中；所述的隔离驱动模块包括相互连接的光耦，驱动器和交叉矩阵开关，该隔离驱动模块与开关控制模块，正常执行模块和冗余执行模块均连接。
更进一步优选地，所述的开关控制模块设有若干个，它们与正常执行模块一一对应。
最优选地，每个开关控制模块还连接有隔离模块。
本发明的电路，采用监测电流或电压等电路参数变化判断通道故障以控制冗余继电器动作完成动态冗余的方法进行智能供电控制和安全性设计。这种动态冗余备份的方法实现冗余控制，不同于常见的静态冗余设计。一个冗余执行模块可以在不同的时刻为所有故障工作，且互不影响。因此可以有效降低成本，缩小电路板体积，并保证一定的可靠性与安全性。
此外，在优选的实施例中，本发明采用交叉矩阵开关，可以通过处理器控制避开易出故障的光耦，提高供电可靠性。下面以8路输入开关量驱动8路输出为例说明，原理框图如图3所示。8路开关量输入经光耦隔离后接到交叉矩阵开关的输入端，再由交叉矩阵开关的输出端接到驱动模块的输入端。交叉矩阵开关由处理器或可编程逻辑器件的IO管脚经光耦隔离后进行控制。正常工作时，光耦1到光耦8的输出对应驱动模块的IN1到IN8输入，但当某一光耦所在通道故障时，通过改变交叉矩阵开关的配置，就可以避开出现故障的通道，改由其它通道进行控制，不影响正常工作。只有当所有光耦全部故障时，才会失去全部功能。
附图说明
图1为现有的供电控制原理示意图。
图2为实施例一的供电控制原理示意图。
图3为隔离驱动模块原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步详细举例说明本发明的技术方案。
实施例一
如图2所示，本实施例以4路负载为例，虚线框内为4路负载，表明了负载在本发明中电路的位置，不属于电路本身。
本实施例中，所述的动态冗余控制的供电电路由处理器，隔离驱动模块，4个正常执行模块，4个负载，4个隔离模块，4个开关控制模块，冗余执行模块和监测模块组成。
其中处理器分别和隔离驱动模块，监测模块连接。
隔离驱动模块分别和每个正常执行模块，开关控制模块和冗余执行模块连接。
每个正常执行模块和一个负载连接。
每个负载还和一个隔离模块，一个开关控制模块和冗余执行模块依次连接。
其中：
（1）隔离驱动模块
由光耦、驱动器、交叉矩阵开关组成。其作用是完成与处理器的隔离，接收来自处理器的信号，输出开关信号以驱动开关控制模块、正常执行模块和冗余执行模块工作。
（2）监测模块，在本实施例中选用电流监测模块，也可以选用其它可监测电路参数，从而判断出电路是否正常的其它参数监测模块。
由电流传感器、信号调理电路、模数转换器组成。其作用是监测输出的总供电电流，并把电流传感器输出的电压信号转换数字信号，输出给处理器。处理器根据此信号，判断当前供电控制通道的状态。
（3）开关控制模块
由开关器件及其信号调理器件组成。其作用是控制负载供电正端的通断。
（4）隔离模块
由二极管、电阻等组成。其作用是防止在冗余模块动作时，负载间相互有电流流过，保持负载间相互独立。
（5）正常执行模块
由继电器、电阻等组成。其作用是正常控制供电输出。
（6）冗余执行模块
由继电器、电阻等组成。其作用是在正常控制模块故障时启动工作，替代有故障的正常模块，进行供电输出。由隔离模块、切换执行模块组成。隔离模块串联在每路输出回路中，其公共端接在一起接到切换执行模块。
本实施例工作时的具体过程是：
（1）根据供电电流大小选择合适的电流传感器、ADC。一般的电流传感器和ADC即可，只要可以分出每路供电电流大小即可，不需要高精度、高分辨率、高速等。
（2）根据供电电流大小和供电电压，选择正常执行模块和冗余执行模块中所需的继电器，应留有至少30%余量。
（3）根据供电电压、电流选择开关控制模块中的场效应管，应留有至少30%余量。
（4）根据输出供电通道数量的多少选择隔离驱动模块中的光耦、交叉开关等。
（5）利用处理器编程分时控制正常执行模块中的继电器的动作，监测电流变化，在异常时控制冗余执行模块中的继电器动作，完成后切断以备下一路故障时使用。
（6）工作时，供电输出线上串联一个电流传感器监测总供电电流，把该电流传感器的电压输出信号转换成数字信号送给处理器。处理器在工作时不断监测电流变化情况，以此来判断供电是否正常，并采取相应的动作。
若供电正常，则开关控制模块中的开关关闭，隔离驱动模块与正常执行模块的回路连通，电流通过正常执行模块中的断电器传输给负载。
若供电不正常，则隔离驱动模块与正常执行模块的回路处于断开状态。而开关控制模块中的开关打开，隔离驱动模块与冗余执行模块的回路连通，电流通过冗余执行模块中的断电器传输给负载。
从而实现了一个冗余执行模块可以在不同的时刻为所有故障工作，且互不影响。

Claims (7)

1.动态冗余控制的供电电路，其特征在于包括若干个正常执行模块，开关控制模块，一个冗余执行模块和监测模块；其中，
每个正常执行模块包括继电器；
所述的冗余执行模块包括继电器；
监测模块包括相互连接的电路参数检测装置和检测信号分析判断装置，所述的电路参数检测装置监测正常执行模块工作时电路的参数并将检测结果传输给检测信号分析装置，检测信号分析装置对信号进行分析判断，生成指令，将指令传送给开关控制模块，开关控制模块根据指令开关；
所述的开关控制模块包括开关器件，它分别与所述的冗余执行模块，所述的检测信号分析判断装置连接。
2.如权利要求1所述的动态冗余控制的供电电路，其特征在于：所述的电路参数检测装置为传感器。
3.如权利要求2所述的动态冗余控制的供电电路，其特征在于：所述的传感器为电流或电压传感器。
4.如权利要求1所述的动态冗余控制的供电电路，其特征在于：每个正常执行模块均连接有一个隔离模块。
5.如权利要求1或2或4所述的动态冗余控制的供电电路，其特征在于：所述的供电电路还包括相互连接的处理器和隔离驱动模块；所述的检测信号分析判断装置设置在处理器中；所述的隔离驱动模块包括相互连接的光耦，驱动器和交叉矩阵开关，该隔离驱动模块与开关控制模块，正常执行模块和冗余执行模块均连接。
6.如权利要求5所述的动态冗余控制的供电电路，其特征在于：所述的开关控制模块设有若干个，它们与正常执行模块一一对应。
7.如权利要求6所述的动态冗余控制的供电电路，其特征在于：每个开关控制模块还连接有隔离模块。
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