CN105024547A - 一种冗余电源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冗余电源，涉及电力电子技术领域。该冗余电源包括多个电源模块以及与多个电源模块一一对应连接的多个冗余电路，多个冗余电路的共接端为冗余电源的电压输出端，每个冗余电路包括DC-DC变换器、控制模块和NMOS开关管；DC-DC变换器的电压输入端、控制模块的第一电压输入端、参考地端和NMOS开关管的源极同时接电源模块的正极，DC-DC变换器的电压输出端连接至控制模块的供电端，DC-DC变换器的参考电位连接至电源模块的负极，控制模块的电压输出端接NMOS开关管的栅极，控制模块的第二电压输入端与NMOS开关管的漏极共接为冗余电源的电压输出端。本发明可以方便的搭建多种电源模块的冗余，而且具有较低的导通压降和功率损耗，利用能效高，散热性能好，成本较低。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种冗余电源。
背景技术
冗余电源是用于服务器中的一种电源，是由多个完全一样的电源模块组成，由芯片控制电源模块进行负载均衡，当一个电源模块出现故障时，另一个电源模块马上可以接管其工作，在更换电源模块后，又是多个电源模块协同工作。冗余电源是为了实现服务器系统的高可用性。除了服务器之外，磁盘阵列系统应用也非常广泛。
现有技术中的多电源模块冗余系统，一般均采用并联均流技术来实现，并联均流技术是指电源模块由多个相同单元组成，各单元并联在一起，由各单元同时向设备供电，这种方案在一个电源模块故障时不会影响负载供电，但负载短路时容易波及所有单元，而且其电路结构复杂，成本较高，且配对性要求很强，不同公司或者同一公司生产的不同型号的电源模块很难兼容。
现有技术中的另一种冗余电源设计方案是由两个或多个电源模块分别通过连接二极管阳极，以“或门”的方式并联输出至电源模块总线上，如图1所示。可以让一个电源模块单独工作，也可以让多个电源模块同时工作。当其中一个电源模块出现故障时，由于二极管的单向导通特性，不会影响电源模块总线的输出。但是，由于二极管的正向导通压降较大，在通过大电流时会产生相当大的热量，因此在实际的冗余电源系统中还需要加装散热片，而且其功耗和占用体积均较大。
目前的冗余电源设计方案中，也有采用大功率的PMOSFET管来代替传统电路中的二极管的，虽然其不需要加装散热片，驱动电路相对简单，但是由于PMOSFET管的导通电阻单位面积较大，导致该冗余电源的导通压降很难做的很低，进而使得该冗余电源功率损耗较大，加之产量的关系使得该冗余电源的成本较高。
综上，目前的冗余电源存在兼容性差、导通压降较大、功率损耗高、散热性能差以及成本较高等问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种冗余电源，旨在解决现有技术中冗余电源的兼容性差、导通压降较大、功率损耗高、散热性能差以及成本较高的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种冗余电源，包括多个电源模块以及与所述多个电源模块一一对应连接的多个冗余电路，所述多个冗余电路的共接端为所述冗余电源的电压输出端，其中，每个冗余电路包括DC-DC变换器控制模块和NMOS开关管；所述DC-DC变换器的电压输入端、所述控制模块的第一电压输入端、所述控制模块参考地端和所述NMOS开关管的源极同时接所述电源模块的正极，所述DC-DC变换器的电压输出端连接至所述控制模块的供电端，所述DC-DC变换器的参考电位连接至所述电源模块的负极，所述控制模块的电压输出端接所述NMOS开关管的栅极，所述控制模块的第二电压输入端与所述NMOS开关管的漏极共接为所述冗余电源的电压输出端；
其中，由所述DC-DC变换器从所述电源模块上获取第一供电电压，并对所述第一供电电压进行升压处理后输出第二供电电压；所述控制模块接收所述第二供电电压并进入工作状态，此时，所述控制模块通过比较所述电源模块输出的第一供电电压和所述冗余电源的输出电压的大小来控制所述NMOS开关管的导通与截止。
在本发明实施例所述的冗余电源中，所述控制模块通过比较所述电源模块输出的第一供电电压和所述冗余电源的输出电压的大小来控制所述NMOS开关管的导通与截止具体包括：
当所述电源模块输出的第一供电电压大于或等于所述冗余电源的输出电压时，所述控制模块输出高电平，使所述NMOS开关管处于导通状态；
当所述电源模块输出的第一供电电压小于所述冗余电源的输出电压时，所述控制模块输出低电平，使所述NMOS开关管处于截止状态。
在本发明实施例所述的冗余电源中，所述DC-DC变换器包括负压LDO集成控制器、电荷泵控制器、限流电阻、第五电容、第六电容、第一二极管以及第二二极管；
所述负压LDO集成控制器的接地端连接至所述电源模块的正极，所述负压LDO集成控制器的输入端通过所述限流电阻接地，所述负压LDO集成控制器的输出端连接至所述电荷泵控制器的接地端以及所述电荷泵控制器的输出端，所述电荷泵控制器的正极通过所述第五电容连接至所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极，所述第一二极管的阳极连接至所述电荷泵控制器的电源模块端，所述第二二极管的阴极通过所述第六电容连接至所述电荷泵控制器的接地端，所述第二二极管与所述第六电容的共接点为所述DC-DC转换器的电压输出端。
在本发明实施例所述的冗余电源中，所述DC-DC变换器还包括分别用于对所述LDO集成控制器的输入端和输出端的电压进行滤波的第一滤波电路和第二滤波电路；
所述第一滤波电路包括第一电容和第二电容，所述第二滤波电路包括第三电容和第四电容；其中，所述第一电容和所述第二电容的第一端共接后连接至所述LDO集成控制器的接地端和所述电源模块的正极，所述第一电容和所述第二电容的第二端共接后连接至所述LDO集成控制器的输入端和所述限流电阻的共接点以及所述第三电容和所述第四电容的第一端，所述第三电容和所述第四电容的第二端共接后连接至所述LDO集成控制器的输出端。
在本发明实施例所述的冗余电源中，所述DC-DC变换器采用电感式升压变换器。
在本发明实施例所述的冗余电源中，所述DC-DC变换器采用CUK变换器。
在本发明实施例所述的冗余电源中，所述DC-DC变换器采用带变压器式的隔离变换器。
在本发明实施例所述的冗余电源中，所述控制模块采用高速运算放大器；所述高速运算放大器的供电端为所述控制模块的供电端，所述高速运算放大器的参考地端为所述控制模块的参考地端，所述高速运算放大器的正相输入端为所述控制模块的第一电压输入端，所述高速运算放大器的反相输入端为所述控制模块的第二电压输入端，所述高速运算放大器的输出端为所述控制模块的电压输出端。
在本发明实施例所述的冗余电源中，所述控制模块采用比较器；所述比较器的供电端为所述控制模块的供电端，所述比较器的参考地端为所述控制模块的参考地端，所述比较器的正相输入端为所述控制模块的第一电压输入端，所述比较器的反相输入端为所述控制模块的第二电压输入端，所述比较器的输出端为所述控制模块的电压输出端。
实施本发明实施例提供的一种冗余电源具有以下有益效果：
本发明实施例设计的冗余电路可以方便的搭建多种电源模块的冗余，实现冗余电源中多个电源模块之间的相互隔离；此外，本发明实施例中的冗余电路由于采用NMOS管作为控制开关，从而使得冗余电源具有较低的导通压降和功率损耗，提高了整个冗余电源的利用能效，而且不需要使用额外的散热片，降低了冗余电源的成本；由于采用DC-DC转换器和控制模块来产生NMOS开关管的驱动电压，从而大大降低了驱动成本。
附图说明
图1是现有技术中采用二极管隔离的冗余电源的电路图；
图2是本发明实施例提供的冗余电源的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的冗余电源中冗余电路的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的冗余电源中冗余电路的工作原理图；
图5是本发明实施例提供的冗余电源中冗余电路的伏安特性曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图2示出了本发明实施例提供的冗余电源的结构示意图，为了便于说明仅仅示出了与本发明实施例相关的部分。
参见图2所示，本发明实施例提供的一种冗余电源，包括多个电源模块201以及与所述多个电源模块201一一对应连接的多个冗余电路202，所述多个冗余电路202的共接端为所述冗余电源的电压输出端，每个冗余电路包括DC-DC变换器2021、控制模块2022和NMOS开关管2023；所述DC-DC变换器2021的电压输入端、所述控制模块2022的第一电压输入端、所述控制模块2022参考地端和所述NMOS开关管2023的源极同时接所述电源模块201的正极，所述DC-DC变换器2021的电压输出端连接至所述控制模块2022的供电端，所述DC-DC变换器2021的参考电位连接至所述电源模块201的负极，所述控制模块2022的电压输出端接所述NMOS开关管2023的栅极，所述控制模块2022的第二电压输入端与所述NMOS开关管2023的漏极共接为所述冗余电源的电压输出端；
其中，由所述DC-DC变换器202从所述电源模块201上获取第一供电电压，并对所述第一供电电压进行升压处理后输出第二供电电压；所述控制模块2022接收所述第二供电电压并进入工作状态，此时，所述控制模块2022通过比较所述电源模块201输出的第一供电电压和所述冗余电源的输出电压的大小来控制所述NMOS开关管的导通与截止。
在本发明实施例中，由于电源模块201采用NMOS管2023作为控制开关，而NMOS开关管2023的源极又是接在电源模块201的正极，因此，要驱动NMOS开关管2023就需要提供一个比电源模块201正极输出的第一供电电压Vin更高的第二供电压Vc来打开NMOS开关管2023，这里就需要用一个DC-DC变换器2021来得到一个比电源模块201正极输出的第一供电电压Vin更高的第二供电压Vc。
进一步的，在本发明实施例中，所述第二供电电压Vc和所述第一供电电压Vin之间的差值高于所述NMOS开关管导通电压阈值即可，优选的，本实施例中的所述DC-DC变换器输出的第二供电电压Vc比所述电源模块输出的第一供电电压Vin高12V。
进一步的，在本发明实施例中，所述控制模块2022通过比较所述电源模块201输出的第一供电电压Vin和所述冗余电源的输出电压Vo的大小来控制所述NMOS开关管2023的导通与截止具体包括：当所述电源模块201输出的第一供电电压Vin大于或等于所述冗余模块的输出电压Vo时，所述控制模块2022输出高电平，使所述NMOS开关管2023处于导通状态；当所述电源模块201输出的第一供电电压Vin小于所述冗余电源的输出电压Vo时，所述控制模块2022输出低电平，使所述NMOS开关管2023处于截止状态。本发明实施例设计的上述冗余电路202采用NMOS开关管作为控制开关，而又由于NMOS开关管Q1具有相当低的导通电阻，从而可以减小冗余电源201的导通压降和功率损耗，提高整个冗余电源的利用能效，而且不需要使用额外的散热片，降低了冗余电源的成本。
图4是本发明实施例提供的冗余电源中冗余电路202的工作原理图。为了便于说明，仅仅示出了与本发明实施例相关的部分。
参见图4所示，在本发明实施例中，所述DC-DC变换器2021包括负压LDO集成控制器U1、电荷泵控制器U2、限流电阻R1、第五电容C5、第六电容C6、第一二极管D1以及第二二极管D2；
所述负压LDO集成控制器U1的接地端GND1连接至所述电源模块201的正极，所述负压LDO集成控制器U1的输入端Vin1通过所述限流电阻R1接地，所述负压LDO集成控制器U1的输出端Vo1连接至所述电荷泵控制器U2的接地端GND2以及所述电荷泵控制器U2的输出端Vout，所述电荷泵控制器U2的正极CAP+通过所述第五电容C5连接至所述第一二极管D1的阴极和所述第二二极管D2的阳极，所述第一二极管D1的阳极连接至所述电荷泵控制器U2的电源模块端V+，所述第二二极管D2的阴极通过所述第六电容C6连接至所述电荷泵控制器U2的接地端GND2，所述第二二极管D2与所述第六电容C6的共接点为所述DC-DC转换器的电压输出端Vc。进一步的，所述负压LDO集成控制器U1为三端稳压器，所述三端稳压器为79L12三端稳压器。所述电荷泵控制器U2为MXT7660芯片。
可选的，所述DC-DC变换器2021还包括分别用于对所述LDO集成控制器U1的输入端Vin1和输出端Vo1的电压进行滤波的第一滤波电路和第二滤波电路；
所述第一滤波电路包括第一电容C1和第二电容C2，所述第二滤波电路包括第三电容C3和第四电容C4；其中，所述第一电容C1和所述第二电容C2的第一端共接后连接至所述LDO集成控制器U1的接地端GND1和所述电源模块201的正极，所述第一电容C1和所述第二电容C2的第二端共接后连接至所述LDO集成控制器U1的输入端Vin1和所述限流电阻R1的共接点以及所述第三电容C3和所述第四电容C4的第一端，所述第三电容C3和所述第四电容C4的第二端共接后连接至所述LDO集成控制器U1的输出端Vo1。
在本发明实施例中，DC-DC变换器2021主要是通过负压LDO集成控制器U1将电源模块201输出的第一供电电压Vin降低到一个固定值，比如使用79L12三端稳压器可以使负压LDO集成控制器U1的输出端输出一个比电源模块201输出的第一供电电压Vin低12V的电压。由于是负压LDO集成控制器U1，所以对地的限流电阻R1接到负压LDO集成控制器U1的输入端，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4主要是用于滤波去耦。这样就可以在负压LDO集成控制器U1的输出端得到一个比电源模块201输出的第一供电电压Vin小的一个固定电压值，再以负压LDO集成控制器U1的输出端Vo1作为电荷泵控制器U2的参考地，而电源模块201的电压输出端作为电荷泵控制器U2的电源模块端V+，这样电荷泵控制器U2即可得到两倍电源模块201电压输出，即得到一个比电源模块201输出的第一供电电压Vin还要高的第二供电电压Vc，例如：若负压LDO集成控制器U1采用的是79L12，那么电荷泵控制器U2的输出电压Vc＝2*12V-2*VD，其中VD为第一二极管D1和第二二极管D2的导通压降，12V是负压LDO集成控制器U1的输入端Vin1与输出端V01之间的差值。第五电容C5的作用主要是用于储能，工作时首先通过第一二极管D1输入电源模块201对第五电容C5进行充电，充电完成后再将第五电容C5的负极连接到电荷泵控制器U2的正极CAP+，此时，由于第一二极管D1的反向截止作用，第二二极管D2正向导通，所以在DC-DC变换器2021的输出端Vc可以得到一个两倍电源模块201电压的输出，而又由于第一二极管D1和第二二极管D2存在一定的导通压降，所以DC-DC变换器2021的输出电压Vc要减去2倍二极管的导通压降。本发明实施例设计的上述DC-DC变换器2021由于利用负压LDO集成控制器U1在正向场合的反转应用，结合电荷泵控制器U2很方便的得到了一个高于输入电源模块201的电压，并利用此电压来驱动控制模块2022工作，使控制模块2022控制NMOS开关管Q1的导通，从而简化了NMOS管的驱动电路，大大降低了NMOS管的驱动成本。
需要说明的是，本发明实施例中的DC-DC变换器2021并不限于上述实施例中所采用的包含有电荷泵控制器U2的DC-DC变换器2021，也可以采用其它多种方式来实现，例如：电感式升压变换器、CUK变换器或者带变换器的隔离变换器，本发明实施例所使用的包含有电荷泵控制器U2的DC-DC变换器2021仅作为本发明的一种实施方式但并不是唯一的实施方式。
可选的，所述控制模块2022包括高速运算放大器；所述高速运算放大器的供电端为所述控制模块2022的供电端，所述高速运算放大器的参考地端为所述控制模块2022的参考地端，所述高速运算放大器的正相输入端为所述控制模块2022的第一电压输入端，所述高速运算放大器的反相输入端为所述控制模块2022的第二电压输入端，所述高速运算放大器的输出端为所述控制模块2022的电压输出端。
在本发明实施例中，高速运算放大器工作于开环状态，其具有较高的放大倍数，因此，可以实现快速的开关响应，避免迟滞压差所产生的功率损耗。此外，由于高速运算放大器的参考地为电源模块201的正极，因此可以避免由于电源模块201纹波造成的冗余电路202电流反向流动，更好的保护电源模块201。图5示出了本发明实施例中冗余电路202的特安特性曲线示意图，参见图5所示，NMOS开关管Q1的导通压降VQ1与通过该NMOS开关管Q1的电流Io成正比。
可选的，本发明实施例中的控制模块2022也可以采用比较器来实现，并不限于上述所采用的高速运算放大器，当所述控制模块采用比较器时，所述比较器的供电端为所述控制模块的供电端，所述比较器的参考地端为所述控制模块的参考地端，所述比较器的正相输入端为所述控制模块的第一电压输入端，所述比较器的反相输入端为所述控制模块的第二电压输入端，所述比较器的输出端为所述控制模块的电压输出端。
综上，可以看出本发明实施例提供的冗余电源不仅可以方便的搭建多种电源模块201的冗余，实现冗余电源中多个电源模块201之间的相互隔离；此外，还具有较低的导通压降和功率损耗，利用能效高，散热性能好，且成本较低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种冗余电源，包括多个电源模块以及与所述多个电源模块一一对应连接的多个冗余电路，所述多个冗余电路的共接端为所述冗余电源的电压输出端，其特征在于，每个冗余电路包括DC-DC变换器控制模块和NMOS开关管；所述DC-DC变换器的电压输入端、所述控制模块的第一电压输入端、所述控制模块参考地端和所述NMOS开关管的源极同时接所述电源模块的正极，所述DC-DC变换器的电压输出端连接至所述控制模块的供电端，所述DC-DC变换器的参考电位连接至所述电源模块的负极，所述控制模块的电压输出端接所述NMOS开关管的栅极，所述控制模块的第二电压输入端与所述NMOS开关管的漏极共接为所述冗余电源的电压输出端；
其中，由所述DC-DC变换器从所述电源模块上获取第一供电电压，并对所述第一供电电压进行升压处理后输出第二供电电压；所述控制模块接收所述第二供电电压并进入工作状态，此时，所述控制模块通过比较所述电源模块输出的第一供电电压和所述冗余电源的输出电压的大小来控制所述NMOS开关管的导通与截止。
2.如权利要求1所述的冗余电源，其特征在于，所述控制模块通过比较所述电源模块输出的第一供电电压和所述冗余电源的输出电压的大小来控制所述NMOS开关管的导通与截止具体包括：
当所述电源模块输出的第一供电电压大于或等于所述冗余电源的输出电压时，所述控制模块输出高电平，使所述NMOS开关管处于导通状态；
当所述电源模块输出的第一供电电压小于所述冗余电源的输出电压时，所述控制模块输出低电平，使所述NMOS开关管处于截止状态。
3.如权利要求1所述的冗余电源，其特征在于，所述DC-DC变换器包括负压LDO集成控制器、电荷泵控制器、限流电阻、第五电容、第六电容、第一二极管以及第二二极管；
所述负压LDO集成控制器的接地端连接至所述电源模块的正极，所述负压LDO集成控制器的输入端通过所述限流电阻接地，所述负压LDO集成控制器的输出端连接至所述电荷泵控制器的接地端以及所述电荷泵控制器的输出端，所述电荷泵控制器的正极通过所述第五电容连接至所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极，所述第一二极管的阳极连接至所述电荷泵控制器的电源模块端，所述第二二极管的阴极通过所述第六电容连接至所述电荷泵控制器的接地端，所述第二二极管与所述第六电容的共接点为所述DC-DC转换器的电压输出端。
4.如权利要求3所述的冗余电源，其特征在于，所述DC-DC变换器还包括分别用于对所述LDO集成控制器的输入端和输出端的电压进行滤波的第一滤波电路和第二滤波电路；
所述第一滤波电路包括第一电容和第二电容，所述第二滤波电路包括第三电容和第四电容；其中，所述第一电容和所述第二电容的第一端共接后连接至所述LDO集成控制器的接地端和所述电源模块的正极，所述第一电容和所述第二电容的第二端共接后连接至所述LDO集成控制器的输入端和所述限流电阻的共接点以及所述第三电容和所述第四电容的第一端，所述第三电容和所述第四电容的第二端共接后连接至所述LDO集成控制器的输出端。
5.如权利要求1所述的冗余电源，其特征在于，所述DC-DC变换器采用电感式升压变换器。
6.如权利要求1所述的冗余电源，其特征在于，所述DC-DC变换器采用CUK变换器。
7.如权利要求1所述的冗余电源，其特征在于，所述DC-DC变换器采用带变压器式的隔离变换器。
8.如权利要求1所述的冗余电源，其特征在于，所述控制模块采用高速运算放大器；所述高速运算放大器的供电端为所述控制模块的供电端，所述高速运算放大器的参考地端为所述控制模块的参考地端，所述高速运算放大器的正相输入端为所述控制模块的第一电压输入端，所述高速运算放大器的反相输入端为所述控制模块的第二电压输入端，所述高速运算放大器的输出端为所述控制模块的电压输出端。
9.如权利要求1所述的冗余电源，其特征在于，所述控制模块采用比较器；所述比较器的供电端为所述控制模块的供电端，所述比较器的参考地端为所述控制模块的参考地端，所述比较器的正相输入端为所述控制模块的第一电压输入端，所述比较器的反相输入端为所述控制模块的第二电压输入端，所述比较器的输出端为所述控制模块的电压输出端。
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