CN106532917B - 一种主备份电源高可靠输出隔离控制电路 - Google Patents

Abstract

一种主备份电源高可靠输出隔离控制电路，包括模块电源主份与模块电源备份，模块电源主份和模块电源备份并联，在模块电源主份和模块电源备份的输出端均级联一个电路结构完全相同的隔离单元，隔离单元采用场效应管进行隔离，其驱动电压由输出差模电感器的辅助绕组产生，其导通关断由隔离控制电路进行控制。本发明隔离电路采用场效应管进行隔离，适用于大电流输出的场合，可以有效降低隔离损耗，降低了热设计难度，同时由于场效应管在导通时呈低阻特性，动态特性比较好；实现了热备份冗余方式，减小了主备切换时输出电压跌落值，保证了负载用电的安全性；实现了模块电源主份与模块电源备份之间的故障隔离，提高了整星用电的可靠性。

Description

一种主备份电源高可靠输出隔离控制电路

技术领域

本发明属于航天总体技术领域，涉及一种应用于航天电子产品所需要的高可靠输出隔离控制电路，其方法也可以广泛应用于地面电子设备中。

背景技术

航天器是一个由多种不同功能单元组成的庞大系统，所有功能单元都需要电源才能工作，对电源而言，这些功能单元都是有着不同功率和用电需求的负载，必须设计高可靠、高性能、适配性强的电源，才能保证航天器在设计寿命内可靠安全运行甚至可以延长航天器的使用寿命。

为了解决模块电源的可靠性问题，现有多种方法，保证器件电压、电流应力等的Ⅰ级降额，对部分关键元器件进行并联使用，保证功率器件的散热措施等。这些方法在工程实际中均有一定的应用范围，按照可靠性的相关理论，保证元器件Ⅰ级降额或者再进一步的降额并不能确保产品不发生系统级的失效，因此第一种方法有一定的局限性。并联使用元器件后，并联中的单个元器件的失效会带来模块电源的输出或者保护性能下降或者失效。

另一种是采用模块电源并联冗余的方式，正常工作时，模块电源主份和模块电源备份同时工作(热备份方式)；或者是模块电源主份带载工作，模块电源备份处于空载或轻载工作(温备份方式)；再或者是模块电源主份带载工作，模块电源备份不工作(冷备份方式)，当模块电源主份发生故障后，自动转为备份输出。为了避免元器件和系统级的失效，模块电源的冗余设计变得非常重要，在长寿命、高可靠设计的应用场合，多个模块电源并联冗余是首选的方案。

为了保证模块电源并联冗余的可靠性，模块电源输出需要加隔离电路，进行故障隔离。传统的隔离电路一般采用二级管来实现，但是这种方式在大电流的应用场合，会导致损耗增大，使系统效率变低，并且在主备切换过程输出电压值的跌落较大，降低了负载的用电安全。

经检索国内外相关文献，未见有关本发明的模块电源主份与备份输出隔离电路。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供了一种新的模块电源主份与备份输出隔离电路，克服现有技术的不足，可以降低损耗，提高效率，减小主份与备份电源切换时输出电压的跌落值，保证了负载的用电安全，并且对主份电源与备份电源的故障进行了有效隔离。

本发明解决的技术方案为：一种主备份电源高可靠输出隔离控制电路，包括：输入母线(1)，模块电源主份(2)，模块电源备份(3)，模块电源主份输出滤波电路(4)，模块电源备份输出滤波电路(5)，模块电源主份与备份输出隔离电路(6)；

模块电源主份输出滤波电路(4)包括：差模电感L1、二极管D1、电容C1、电容C2；

模块电源备份输出滤波电路(5)包括：差模电感L2、二极管D2、电容C7、电容C8；

模块电源主份与备份输出隔离电路(6)，包括模块电源主份隔离电路和模块电源备份隔离电路；

模块电源主份隔离电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R9、电阻R11、电容C3、电容C4、比较器IC1、二级管D3、场效应管M1；

模块电源备份隔离电路，包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R12、电容C5、电容C6、比较器IC2、二级管D4、场效应管M2；

模块电源主份(2)的输入正端和模块电源备份(3)的输入正端连接输入母线(1)的正端，模块电源主份(2)的输入负端和模块电源备份(3)的输入负端连接输入母线(1)的负端；

模块电源主份(2)的输出正端连接差模电感L1的原边输入端；差模电感L1的原边输出端V1连接电容C1的一端、差模电感L1的副边输入端、电容C2的一端、电阻R11的一端、电阻R11的一端和场效应管M1的源级，差模电感L1的副边输出端连接二极管D1的正极，二极管的负极和电容C1的另一端连接供电端VC1；场效应管M1的栅极连接电阻R11的另一端、电阻R9的一端、二极管D3的负极和比较器IC1的输出端；场效应管M1的漏极作为主备份电源高可靠输出隔离控制电路的输出Vo；

比较器IC1的供电端连接供电端VC3；

模块电源主份(2)的输出负端、电容C2的另一端接地GND；

电阻R1的另一端连接电阻R2的一端、电容C3的一端和比较器IC1的输入正端；电阻R2的另一端连接二极管D3的正极，电容C3的另一端和比较器IC1的接地端连接地GND；比较器IC1的输入负端连接电阻R3的一端、电阻R4的一端和电容C4的一端；电阻R4的另一端和电容C4的另一端接地GND；电阻R3的另一端连接输出端Vo；

模块电源备份(3)的输出负端连接电容C8的一端和地GND；模块电源备份(3)的输出正端连接差模电感L2的原边输入端，差模电感L2的原边输出端V2连接差模电感L2的副边输入端、电容C7的一端、电容C8的另一端、电阻R6的一端、电阻R12的一端和场效应管M2的源极；

差模电感L2的副边输出端连接二极管D2的正极，二极管D2的负极第一路连接电容C7的另一端，二极管D2的负极第二路连接外部供电VC2；

电阻R6的另一端连接电阻R5的一端、电容C5的一端、比较器IC2的输入正端；电容C5的另一端和比较器IC2的接地端接地GND；电阻R5的另一端连接二极管D4的正极，二极管D4的负极连接比较器IC2的输出端、电阻R10的一端、场效应管M2的栅极、电阻R12的另一端，电阻R10的另一端连接供电端VC2；场效应管M2的漏极连接Vo；

比较器IC2的输入负端连接电容C6的一端、电阻R8的一端和电阻R7的一端；电阻R8的另一端和电容C6的另一端接地GND；电阻R7的另一端连接Vo。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用场效应管进行隔离，比传统的二极管隔离具有更低的导通压降，更适用于大电流输出的场合，可以有效降低隔离损耗，降低了热设计难度；由于场效应管在导通时呈低阻特性，而非二极管特性，仍然能够使模块电源快速响应辅助变化，动态特性比较好。

(2)本发明实现了热备份冗余方式，减小了主备切换时输出电压跌落值，保证了负载用电的安全性。

(3)本发明采用输出差模电感的辅助绕组作用隔离场效应管的驱动电压，可以保证对场效应管的可靠控制。

(4)本发明采用比较场效应管隔离前后的电压控制隔离管的开通与关断，实现了模块电源主份与模块电源备份之间的故障隔离，提高了整星用电的可靠性。

附图说明

图1本发明的电路原理图；

图2主份或备份电源故障关机时输出电压波形；

图3主份发生过压故障试验波形；

具体实施方式

本发明的基本思路为：一种主备份电源高可靠输出隔离控制电路，包括模块电源主份与模块电源备份，模块电源主份和模块电源备份并联，在模块电源主份和模块电源备份的输出端均级联一个电路结构完全相同的隔离单元，隔离单元采用场效应管进行隔离，其驱动电压由输出差模电感器的辅助绕组产生，其导通关断由隔离控制电路进行控制。本发明隔离电路采用场效应管进行隔离，比传统的二极管隔离具有更低的导通压降，适用于大电流输出的场合，可以有效降低隔离损耗，降低了热设计难度，同时由于场效应管在导通时呈低阻特性，动态特性比较好；实现了热备份冗余方式，减小了主备切换时输出电压跌落值，保证了负载用电的安全性；实现了模块电源主份与模块电源备份之间的故障隔离，提高了整星用电的可靠性。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明提出的一种主备份电源高可靠输出隔离控制电路结合附图及实施例详细说明如下。

本发明提出的一种主备份电源高可靠输出隔离控制电路包括：输入母线(1)，模块电源主份(2)，模块电源备份(3)，模块电源主份输出滤波电路(4)，模块电源备份输出滤波电路(5)，模块电源主份与备份输出隔离电路(6)，原理图如图1所示；

由于本发明涉及一种主备份电源高可靠输出隔离控制电路，因此在模块电源主份(2)与模块电源备份(3)的主功率的拓扑结构上可以选用任何拓扑。

本发明当模块电源正常工作时，模块电源主份输出滤波电路(4)的差模电感器L1和电容C1把输出脉动的电压滤波成直流稳定的输出电压，脉动电压通过了差模电感器L1主绕组后，根据电磁感应定律，会在差模电感器L1副边绕组上产生一个脉动电压，经二极管D1和电容C1滤波，形成一个稳定的直流电压VC1，其电压值与输出电压成正比，与差模电感器L1原边绕组和副边绕组的匝数比成反比。利用差模电感器L1辅助绕组产生的电压作为场效应管M1的驱动电压VC1，为保证场效应管的供电安全推荐VC1的电压范围优选在9～13V。模块电源主份与备份输出隔离电路(6)电阻R1采集场效应管M1前端的电压V1，作为比较器IC1的输入正端电压，电阻R3采集场效应管M1后端的电压Vo，作为比较器IC1的输入负端电压，正常工作时场效应管M1前端的电压V1场效应管M1后端的电压Vo，本发明设计时优选使得电阻R2阻值远大于R1阻值，电阻R4阻值远大于R3阻值，并且R1＝R3,R2＝R4，推荐优选电阻值R1＝R3＝1kΩ；R2＝R4＝200kΩ，比较器IC1的输入正端电压高于比较器IC1的输入负端电压，使得比较器输出为高，驱动电压VC1控制场效应管M1处于导通状态；

模块电源备份与模块电源主份工作模式相同，模块电源备份输出滤波电路(5)的差模电感器L2和电容C7把输出脉动的电压滤波成直流稳定的输出电压，脉动电压通过了差模电感器L2主绕组后，根据电磁感应定律，会在差模电感器L2副边绕组上产生一个脉动电压，经二极管D2和电容C7滤波，形成一个稳定的直流电压VC2，其电压值与输出电压成正比，与差模电感器L2原边绕组和副边绕组的匝数比成反比。利用差模电感器L2副边绕组产生的电压作为场效应管M2的驱动电压VC2，为保证场效应管的供电安全推荐VC2的电压范围设计在9～13V。模块电源主份与备份输出隔离电路(6)电阻R6采集场效应管M2前端的电压V2，作为比较器IC2的输入正端电压，电阻R7采集场效应管M2后端的电压Vo，作为比较器IC2的输入负端电压，正常工作时场效应管M2前端的电压V2场效应管M2后端的电压Vo，本发明设计时使得电阻R5阻值远大于R6阻值，电阻R8阻值远大于R7阻值，并且R5＝R8,R6＝R7，推荐优选电阻值R6＝R7＝1kΩ；R5＝R8＝200kΩ，比较器IC2的输入正端电压高于比较器IC2的输入负端电压，使得比较器输出为高，驱动电压VC2控制场效应管M2处于导通状态；

正常工作时场效应管M1与场效应管M2均同时导通，此时模块电源主份与模块电源备份同时带载输出，由于此时模块电源的主备份都带载工作，此时任意一路电源故障关机，都不会拉低输出电压，保证了负载的用电安全。本发明的电路在+5V电源上进行了试验验证，试验波形如图2所示。正常工作时，主份备份同时带载，输出电压Vo为5V。当有一路故障关机时，输出电压会有很小的跌落，此时输出电压Vo最小值为4.82V，保证负载用电的安全性。

若模块电源工作时发生主份或备份过压故障时，由于本发明采用比较场效应管隔离前后的电压控制隔离管的开通与关断，并且设计时电容C3与电容C4容值之间的关系为C3远大于C4，比较器IC1的输入负端的时间常数τ1＝R3*C4，远小于IC1输入正端的时间常数τ2＝R1*C3；电容C5与电容C6容值之间关系为C5远大于C6，比较器IC2的输入负端的时间常数τ1＝R7*C6，远小于IC2输入正端的时间常数τ2＝R6*C5,本电路推荐最优参数：C4＝0.1uF,C3＝2.2nF；C5＝0.1uF,C6＝2.2nF保证了隔离控制电路对故障的迅速检测隔离，有效地实现了模块电源主份与模块电源备份之间的故障隔离，保证了整星用电的可靠性。由于本发明电路主备份输出隔离模式相同，以主份发生过压故障进行介绍。

当模块电源正常工作模块电源主份(2)发生过压故障时，电阻R7采集的场效应管M1后端的电压Vo将高于分压电阻R6采集场效应管M1前端的电压V2，使得比较器IC2输出为低，将驱动电压VC2拉低，使得场效应管M2处于关闭状态，隔离了模块电源主份的故障，当模块电源主份内部设置的过压保护电路将模块电源主份关机后，输出电压Vo低于场效应管M2前端的电压V2，场效应管M2恢复导通状态。

本发明的电路在+5V电源上进行了试验验证，试验波形如图3所示为主份过压故障时的测试波形，图形中1通道为+5V输出电压波形，2通道为场效应管M2的驱动电压VC2波形，当主份输出发生过压故障时，由图中可以看出，此时输出电压迅速上升，当T0时刻时，输出电压Vo高于场效应管M2前端的电压V2，此时驱动信号变为低电平，备份输出断开，当输出电压达到过压保护点时，主份电源关闭，输出电压迅速回落，当到达T1时刻时，输出电压Vo低于场效应管M2前端的电压V2，备份隔离管的驱动信号变为高电平，备份电路恢复输出。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种主备份电源高可靠输出隔离控制电路，其特征在于包括：输入母线(1)，模块电源主份(2)，模块电源备份(3)，模块电源主份输出滤波电路(4)，模块电源备份输出滤波电路(5)，模块电源主份与备份输出隔离电路(6)；

模块电源主份输出滤波电路(4)包括：差模电感L1、二极管D1、电容C1、电容C2；

模块电源备份输出滤波电路(5)包括：差模电感L2、二极管D2、电容C7、电容C8；

模块电源主份与备份输出隔离电路(6)，包括模块电源主份隔离电路和模块电源备份隔离电路；

模块电源主份隔离电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R9、电阻R11、电容C3、电容C4、比较器IC1、二级管D3、场效应管M1；

模块电源备份隔离电路，包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R12、电容C5、电容C6、比较器IC2、二级管D4、场效应管M2；

模块电源主份(2)的输入正端和模块电源备份(3)的输入正端连接输入母线(1)的正端，模块电源主份(2)的输入负端和模块电源备份(3)的输入负端连接输入母线(1)的负端；

模块电源主份(2)的输出正端连接差模电感L1的原边输入端；差模电感L1的原边输出端V1连接电容C1的一端、差模电感L1的副边输入端、电容C2的一端、电阻R11的一端、电阻R1的一端和场效应管M1的源级，差模电感L1的副边输出端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极和电容C1的另一端连接供电端VC1；场效应管M1的栅极连接电阻R11的另一端、电阻R9的一端、二极管D3的负极和比较器IC1的输出端；场效应管M1的漏极作为主备份电源高可靠输出隔离控制电路的输出端Vo；

比较器IC1的供电端连接供电端VC3；

模块电源主份(2)的输出负端、电容C2的另一端接地GND；

电阻R1的另一端连接电阻R2的一端、电容C3的一端和比较器IC1的输入正端；电阻R2的另一端连接二极管D3的正极，电容C3的另一端和比较器IC1的接地端连接地GND；比较器IC1的输入负端连接电阻R3的一端、电阻R4的一端和电容C4的一端；电阻R4的另一端和电容C4的另一端接地GND；电阻R3的另一端连接输出端Vo；

模块电源备份(3)的输出负端连接电容C8的一端和地GND；模块电源备份(3)的输出正端连接差模电感L2的原边输入端，差模电感L2的原边输出端V2连接差模电感L2的副边输入端、电容C7的一端、电容C8的另一端、电阻R6的一端、电阻R12的一端和场效应管M2的源极；

差模电感L2的副边输出端连接二极管D2的正极，二极管D2的负极第一路连接电容C7的另一端，二极管D2的负极第二路连接外部供电端VC2；

电阻R6的另一端连接电阻R5的一端、电容C5的一端、比较器IC2的输入正端；电容C5的另一端和比较器IC2的接地端接地GND；电阻R5的另一端连接二极管D4的正极，二极管D4的负极连接比较器IC2的输出端、电阻R10的一端、场效应管M2的栅极、电阻R12的另一端，电阻R10的另一端连接外部供电端VC2；场效应管M2的漏极连接输出端Vo；

比较器IC2的输入负端连接电容C6的一端、电阻R8的一端和电阻R7的一端；电阻R8的另一端和电容C6的另一端接地GND；电阻R7的另一端连接输出端Vo。