CN107845998A - 一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，包括输入防反接单元、输入过流短路保护单元和输入过压保护单元；输入防反接单元包括电阻R18、电阻R19和N型MOS管Q2；输入过压保护单元包括电阻R4、电阻R11、PNP三极管V3和N型MOS管Q1；输入过流短路保护单元包括供电电路、电阻R8、电阻R16、霍尔电流传感器U1、电容C4、比较器U2、二极管D1和二极管D2。本发明结构简单，器件独立，设计合理，能够同时实现过流短路保护、过压保护和防反接保护。

Description

一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路
技术领域
本发明涉及电源并联冗余系统的电源输入端保护，具体为一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路。
背景技术
为确保系统的正常运行，一些关键设备如服务器、交换机的供电系统常采用冗余结构来消除电源系统单点故障。在电源并联冗余供电系统中，当其中一块电源板出现故障，系统需要自动剔除该电源板，而由其它电源板共同承担多出来的系统负荷，从而确保系统中其它设备正常运行。而如果在输入源出现异常时，为了保护电源板后级电路不受损伤，需要在电源输入端采取如防过压、防反接等保护措施。
目前，大多数电源输入供电健康检测及管理电路包括过流短路保护、过压保护、防反接保护。现有技术实现这几种保护的方式有：①输入过流短路保护：采用在电源输入端接入熔断器进行电源的输入过流、短路保护，实现冗余供电系统中的输入冗余要求；而在一些输入电流比较大的情况下，对熔断器额定电流参数进行降额后，需要选择电流规格比较大的熔断器，选型较难，并且这种保护方式不可恢复。②输入过压保护电路：在输入为高压的场合下，一般选用压敏电阻实现输入过压保护；而在输入为低压场合下没有合适规格的压敏电阻供选用，而且这种保护方式也不可恢复。③输入防反接电路：电源输入防反接保护采用在输入母线上接入防反接二极管实现，而在输入电流比较大的情况下，普通二极管由于自身的管压降比较大，所以其在电源正常工作时的功耗比较大，这样就会降低电源的工作效率，并且还需要对该二极管采取散热措施，增加了工程设计的难度。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，结构简单，器件独立，设计合理，能够同时实现过流短路保护、过压保护和防反接保护。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，包括输入防反接单元、输入过流短路保护单元和输入过压保护单元；
所述的输入防反接单元包括电阻R18、电阻R19和N型MOS管Q2；所述的输入过压保护单元包括电阻R4、电阻R11、PNP三极管V3和N型MOS管Q1；N型MOS管Q2的漏极连接输入源地线，栅极经电阻R19和电阻R18连接输入源母线，源极连接N型MOS管Q1的源极；N型MOS管Q1的漏极连接输出源地线，栅极经电阻R11和电阻R4连接输出源母线；
所述的输入过流短路保护单元包括供电电路、电阻R8、电阻R16、霍尔电流传感器U1、电容C4、比较器U2、二极管D1和二极管D2；电阻R8和电阻R16依次连接在供电电路输出端和N型MOS管Q2的源极之间；
供电电路的输入端分别连接输入源母线和N型MOS管Q2的源极，输出端分别连接霍尔电流传感器U1和比较器U2的供电端；
霍尔电流传感器U1的电流输入端IP+连接输入源母线，电流输出端IP-连接输出源母线，过滤器输出端经电容C1连接N型MOS管Q2的源极，电压输出端经电阻R5和电阻R17连接N型MOS管Q2的源极；
比较器U2的同相端连接在电阻R5和电阻R17之间，且经电容C4连接N型MOS管Q2的源极，比较器U2的反相端连接在电阻R8和电阻R16之间，比较器U2的输出端分别连接二极管D1和二极管D2的阳极；二极管D1的阴极连接比较器U2的同相端；二极管D2的阴极经电阻R13连接三极管V3的基极，三极管V3的发射极连接在N型MOS管Q1的源极，集电极连接在电阻R4和电阻R11之间。
优选的，所述的输入防反接单元还包括电阻R20、稳压管ZD4和电容C5；稳压管ZD4的阴极、电阻R20的一端和电容C5的一端均连接在电阻R18和电阻R19之间，稳压管ZD4的阳极、电阻R20的另一端和电容C5的另一端均连接输入源地线。
优选的，所述的输入过压保护单元还包括电阻R3、电阻R7、电阻R9、电阻R10、电阻R15、稳压管ZD1和PNP三极管V1；电阻R3的一端连接输出源母线，另一端经电阻R7连接N型MOS管Q1的源极；稳压管ZD1的阴极连接输出源母线，阳极经电阻R9连接N型MOS管Q1的源极；PNP三极管V1的基极连接在电阻R3和电阻R7之间，发射极连接稳压管ZD1的阳极，集电极经电阻R10和电阻R15连接N型MOS管Q1的源极；电阻R10和电阻R15之间连接三极管V3的基极。
优选的，所述的输入过压保护单元还包括电阻R14、稳压管ZD2和电容C3；稳压管ZD2的阳极、电阻R14的一端和电容C3的一端均连接在电阻R4和电阻R11之间，稳压管ZD2的阴极、电阻R14的另一端和电容C3的另一端均连接N型MOS管Q1的源极。
优选的，所述的供电电路包括电阻R1、电阻R2、稳压管ZD3、NPN三极管V2和电容C2；电阻R1的一端连接输入源母线，另一端连接稳压管ZD3的阴极，稳压管ZD3的阳极连接N型MOS管Q2的源极；NPN三极管V2的基极连接稳压管ZD3的阴极，发射极经电容C2连接N型MOS管Q2的源极，集电极经电阻R2连接输入源母线；NPN三极管V2的发射极分别连接霍尔电流传感器U1和比较器U2的供电端。
优选的，所述的霍尔电流传感器U1采用ACS712芯片。
优选的，比较器U2的输出端经电阻R6连接供电电路输出端。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，采用常用分立器件实现电源输入过流短路保护、输入过压保护及输入防反接保护，电路简单易实现。当供电系统中的单块电源板出现过流、短路故障时，切断该电源板后级故障电路与输入源的连接，保护输入源不受影响，输入源可正常向系统中其它电源板供电，确保供电系统正常运行，实现了电源冗余供电系统中的输入冗余设计；电路可附加少量元器件实现输入抗浪涌功能；而且在输入源出现过压、反接时切断输入源与电源板的连接，对电源的后级电路进行保护。
本发明不仅电路结构简单，调试方便，元器件为常用器件，易选型，且过流保护点可调，能够根据过流保护点设置R5或R17即可；解决了输入大电流情况下熔断器选型难，且用二极管实现该保护功能时电源效率低、工程实现复杂的问题；
而且当发生后级电路短路时，电路锁死保护，排除后级故障后，输入源重新上电电路可正常工作，无需更换器件；而当发生输入过压时，Q1关断，切断电源输入回路，当输入电压恢复正常后，Q1开启，电源正常工作，实现保护电路可恢复；解决选用熔断器时保护不可恢复的问题；
还能够通过加大后级电路输出负载至电路的过流保护点，输入关断；增大输入电压至过压保护点，输入关断；将输入正负反接时，电源无输出；实现电路保护功能的可测试。
附图说明
图1为本发明实例中所述电路的电路图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，由以下元件组成，具体电原理图见图1，同时对元件实现的功能进行说明：
电阻R18、R19、R20，电容C5，稳压管ZD4和N型MOS管Q2实现输入回路的开启、关断；ZD4为了保证Q2的GS间电压不超过ZD4的稳压值，以保护输入源电压过高时GS电压过高对Q2造成损伤；
电阻R1、R2，稳压管ZD3，NPN三极管V2和电容C2以输入源母线为输入组成线形源，得到稳定的电压，为霍尔电流传感器U1和比较器U2供电；
霍尔电流传感器U1将输入源母线电流以一定的线性关系转化为电压，并通过电阻R5和R17分压后送至比较器U2的比较端，电容C1为U1的耦合电容；
电容C4是为了避免电源启动时，输入浪涌过大引起比较器翻转而关断输入源；
比较器U2的比较基准由线形源稳压后的电压经过电阻R8和R16分压后得到；
接入二极管D1是为了输入过流、短路时实现锁死保护；
接入二极管D2是为了提高NPN三极管V3的导通阈值电压，避免比较器U2输出低电平时三极管V3误导通；
电阻R3、R7、R9、R10、R15，稳压管ZD1和PNP三极管V1为过压保护电路；当R9上的电压高于R7上的电压时，PNP三极管V1导通，三极管V3导通；
电阻R4、R11、R14，电容C3，稳压管ZD2和N型MOS管Q1实现输入回路的开启、关断；ZD2为了保证Q1的GS间电压不超过ZD2的稳压值，以保护输入源电压过高时GS电压过高对Q1造成损伤；
三极管V3由比较器U2输出高低电平控制其开通与截止，从而控制Q1的开通、关断，实现输入回路的开启、关断。
具体的工作原理如图1所示，本发明所述电路从左到右依次为输入防反接-输入过流短路保护-输入过压保护，其具体的工作原理详细说明如下：
当输入源正负接反时，N型MOS管Q2的GS为负压，Q2不导通，且其体二极管也不导通，所以反接时输入回路关断。
当输入源正负正常接入时，N型MOS管Q2的GS为正压，Q2导通，输入源经输入滤波后得到Vin+，输入电流经霍尔电流传感器U1流向Vin1+向后级电路供电，然后经过Gnd1、Q1和Q2流回输入源地Gnd；
R1、R2、稳压管ZD3、三极管V2和电容C2以输入母线为输入组成线形源，得到稳定的电压，为霍尔电流传感器U1和比较器U2提供供电电压VCC；同时该线形源电压经过电阻R8、R16分压后为比较器U2的反相端提供一个基准电压，该基准电压根据过流保护点来设置；
输入电流流经U1时，在U1的7脚产生一个与该电流大小成线性相关的电压；该电压经R5和R17分压后送至比较器U2的同相端；
电源正常工作时，即输入电流正常，小于预先设置好的过流保护点阈值；输入电流经霍尔电流传感器后在U1的7脚产生的电压经R5和R17分压后作为比较器同相端输入的电压值小于比较器的反相端的基准电压值，此时比较器U2输出为低电平，三极管V3截止；
电路正常工作时，Q1的GS的驱动电压为输入电压经R4与R14分压并通过ZD2的稳压值，V3不通时，GS间电压正常，Q1导通，输入回路正常，输入源为电源后级电路正常供电；
当电源后级电路出现过流、短路时，输入电流超过预先设置的过流保护阈值，经霍尔电流传感器感应的电压经R5和R17分压后的电压高于基准电压，即比较器U2同相端电压高于反相端电压，比较器U2输出为高电平，三极管V3导通，Q1的GS间电压被拉低，Q1关断，切断输入源向电源后级电路供电；并且比较器U1的供电电压通过R6、D1将比较器的4脚拉高，使得比较器的输出一直为高，实现锁死保护；
三极管V1的基极电压Vb为输入电压经R3和R7分压后的值，V1的射极电压Ve为输入电压减去ZD1的稳压值；根据过压保护阈值点的设置，计算得到R3、R7、ZD1的取值；当输入电压在正常范围内时，Vb＞Ve，此时三极管V1不通，V3不通；当输入电压超过所设置的过压保护阈点时，V1的Vb＜Ve，此时V1导通，V3导通，Q1的GS电压被拉低，Q1关断，从而切断输入源向后级电路的供电，保护后级电路不被输入源高电压损伤。
下面结合图1对本发明的具体实施方式做进一步描述：
对照附图1，本发明包括：所选霍尔电流传感器U1的供电电压范围为4.9V～5.1V，比较器U2的供电电压范围为3V～36V；所以选择线形源的稳压管ZD3为5.6V；R1、R2、V2根据输入电压范围进行选择，确保在输入电压最低情况下，ZD3能正常工作，并且流过V2的电流能够满足U1、U2正常工作及V3的饱和导通时所需的工作电流；同时确保在输入电压最高时，R1、R2、ZD3、V2的功耗及V2的Vce(集电极发射极)耐压满足要求；
所述霍尔电流传感器U1可根据输入电流的大小选择适当电流规格的型号；
所述N型MOS管Q1、Q2的DS耐压降额后应满足输入电压的要求；
所述稳压管ZD2、ZD4的稳压电压值应在Q1、Q2的GS正常工作范围内；
所述R4、R18的取值应在输入电压最低时，保证稳压管ZD2、ZD4能够正常工作；并且在输入电压最高时R4、R8、ZD2、ZD4的功耗应满足要求。
本发明应用于电源并联冗余供电系统中，当检测到单个电源板后级电路出现过流或短路故障时切断该电源板与输入源的连接，而不影响输入源为系统中的其它电源板供电，从而保证系统正常运行；当输入源过压、反接时自动切断电源板与输入源的连接，保护电源板后级电路不受损伤。

Claims (7)

1.一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，其特征在于，包括输入防反接单元、输入过流短路保护单元和输入过压保护单元；
所述的输入防反接单元包括电阻R18、电阻R19和N型MOS管Q2；所述的输入过压保护单元包括电阻R4、电阻R11、PNP三极管V3和N型MOS管Q1；N型MOS管Q2的漏极连接输入源地线，栅极经电阻R19和电阻R18连接输入源母线，源极连接N型MOS管Q1的源极；N型MOS管Q1的漏极连接输出源地线，栅极经电阻R11和电阻R4连接输出源母线；
所述的输入过流短路保护单元包括供电电路、电阻R8、电阻R16、霍尔电流传感器U1、电容C4、比较器U2、二极管D1和二极管D2；电阻R8和电阻R16依次连接在供电电路输出端和N型MOS管Q2的源极之间；
供电电路的输入端分别连接输入源母线和N型MOS管Q2的源极，输出端分别连接霍尔电流传感器U1和比较器U2的供电端；
霍尔电流传感器U1的电流输入端IP+连接输入源母线，电流输出端IP-连接输出源母线，过滤器输出端经电容C1连接N型MOS管Q2的源极，电压输出端经电阻R5和电阻R17连接N型MOS管Q2的源极；
比较器U2的同相端连接在电阻R5和电阻R17之间，且经电容C4连接N型MOS管Q2的源极，比较器U2的反相端连接在电阻R8和电阻R16之间，比较器U2的输出端分别连接二极管D1和二极管D2的阳极；二极管D1的阴极连接比较器U2的同相端；二极管D2的阴极经电阻R13连接三极管V3的基极，三极管V3的发射极连接在N型MOS管Q1的源极，集电极连接在电阻R4和电阻R11之间。
2.根据权利要求1所述的一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，其特征在于，所述的输入防反接单元还包括电阻R20、稳压管ZD4和电容C5；稳压管ZD4的阴极、电阻R20的一端和电容C5的一端均连接在电阻R18和电阻R19之间，稳压管ZD4的阳极、电阻R20的另一端和电容C5的另一端均连接输入源地线。
3.根据权利要求1所述的一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，其特征在于，所述的输入过压保护单元还包括电阻R3、电阻R7、电阻R9、电阻R10、电阻R15、稳压管ZD1和PNP三极管V1；电阻R3的一端连接输出源母线，另一端经电阻R7连接N型MOS管Q1的源极；稳压管ZD1的阴极连接输出源母线，阳极经电阻R9连接N型MOS管Q1的源极；PNP三极管V1的基极连接在电阻R3和电阻R7之间，发射极连接稳压管ZD1的阳极，集电极经电阻R10和电阻R15连接N型MOS管Q1的源极；电阻R10和电阻R15之间连接三极管V3的基极。
4.根据权利要求1所述的一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，其特征在于，所述的输入过压保护单元还包括电阻R14、稳压管ZD2和电容C3；稳压管ZD2的阳极、电阻R14的一端和电容C3的一端均连接在电阻R4和电阻R11之间，稳压管ZD2的阴极、电阻R14的另一端和电容C3的另一端均连接N型MOS管Q1的源极。
5.根据权利要求1所述的一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，其特征在于，所述的供电电路包括电阻R1、电阻R2、稳压管ZD3、NPN三极管V2和电容C2；电阻R1的一端连接输入源母线，另一端连接稳压管ZD3的阴极，稳压管ZD3的阳极连接N型MOS管Q2的源极；NPN三极管V2的基极连接稳压管ZD3的阴极，发射极经电容C2连接N型MOS管Q2的源极，集电极经电阻R2连接输入源母线；NPN三极管V2的发射极分别连接霍尔电流传感器U1和比较器U2的供电端。
6.根据权利要求1所述的一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，其特征在于，所述的霍尔电流传感器U1采用ACS712芯片。
7.根据权利要求1所述的一种电源并联冗余系统中输入供电健康检测及管理电路，其特征在于，比较器U2的输出端经电阻R6连接供电电路输出端。
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