CN113555947A - 冗余电源的并联电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冗余电源的并联电路，该电路包括：多个电源板和电源轨，多个电源板之间并联；其中，每个电源板包括电源模块、PMOS管组件和控制芯片；PMOS管组件包括两个PMOS管，两个PMOS管之间反向串联；电源模块与PMOS管组件之间串联，PMOS管组件接入电源轨；控制芯片的VIN引脚与电源模块的输出端连接；控制芯片的SENSE引脚与PMOS管组件的输出端连接；控制芯片的GATE引脚与两个PMOS管的栅极连接；控制芯片用于在SENSE引脚上的电压减去VIN引脚上的电压的差值大于第一预设值的情况下，控制GATE引脚拉高，以使两个PMOS管关断。本发明功耗低，降低线路损耗，无需加装散热器。

Description

冗余电源的并联电路
技术领域
本发明涉及冗余电源技术领域，尤其涉及一种冗余电源的并联电路。
背景技术
在轨道交通领域存在大量需要长时间不间断操作的高可靠性系统，如车载控制系统、地面控制系统等。这些系统都需要高可靠的电源供应。冗余电源设计是其中的关键部分。冗余电源是指在系统中存在多路电源同时为系统供电，当其中一路电源发生故障时，其他电源仍正常工作，以保证控制系统的供电不受故障电源的影响。
传统的冗余电源方案有电源冷备和并联冗余等。冷备冗余指的是当其中一个电源故障时，备份电源立刻启动。这种方式电源切换存在切换间隔，系统电源轨容易有豁口，所以并不适用于车载控制系统。并联冗余方式是指电源系统由多个相同的电源模块输出并联在一起，当其中一个电源故障时，并不会对供电系统造成影响。
一般的并联冗余方案是由两个或多个电源经二极管后以并联的方式连接在一起，如图1所示。这种方式各个电源均可独立工作，而且当其中一个电源故障时，由于二极管反向截至的特性，使得其中一个电源出现故障时并不会影响整个电源系统。这种方案具有经济、结构简单的优点。
然而二极管在工作中存在管压降，使得其在车载控制系统这类电流动辄数十安的场合仅单个二极管的自身功耗都可达到数瓦甚至十多瓦，如此大的功耗又给系统的热设计增加了难度。因此这种传统的方案更适用于小电流，高电压的应用场合，并不适合车载控制系统。
发明内容
本发明提供一种冗余电源的并联电路，用以解决现有技术中冗余电源的并联电路中二极管的功率损耗过大，散热困难，不适用于车载控制系统的缺陷，实现低功耗的冗余电源并联电路。
本发明提供一种冗余电源的并联电路，包括：
多个电源板和电源轨，所述多个电源板之间并联；
其中，每个电源板包括电源模块、PMOS管组件和控制芯片；
所述PMOS管组件包括两个PMOS管，所述两个PMOS管之间反向串联；
所述电源模块与所述PMOS管组件之间串联，PMOS管组件接入所述电源轨；
所述控制芯片的VIN引脚与所述电源模块的输出端连接；
所述控制芯片的SENSE引脚与所述PMOS管组件的输出端连接；
所述控制芯片的GATE引脚与所述两个PMOS管的栅极连接；
所述控制芯片用于在所述SENSE引脚上的电压减去所述VIN引脚上的电压的差值大于第一预设值的情况下，控制所述GATE引脚拉高，以使所述两个PMOS管关断。
根据本发明提供的一种冗余电源的并联电路，每个电源板还包括MCU，所述控制芯片的CTL引脚与所述MCU连接。
根据本发明提供的一种冗余电源的并联电路，每个电源板还包括监控电路；
所述监控电路用于监测所述电源模块的输出电压，在所述输出电压不在所述电源轨的预设电压范围内的情况下，将所述输出电压发送给所述MCU；
所述MCU用于根据所述输出电压向所述CTL引脚发送高电平信号；
所述控制芯片用于根据所述高电平信号控制所述GATE引脚拉高，以使所述两个PMOS管关断。
根据本发明提供的一种冗余电源的并联电路，还包括运行管理板；
所述控制芯片的STATUS引脚与所述MCU连接；
所述控制芯片用于在控制所述GATE引脚拉高后，通过所述STATUS引脚向所述MCU发送第二低电平信号；
所述MCU用于将所述第二低电平信号对应的电源板的状态发送给所述运行管理板进行存储，以供用户根据所述运行管理板中电源板的状态对所述电源板进行故障分析。
根据本发明提供的一种冗余电源的并联电路，所述MCU用于向所述CTL引脚发送第一低电平信号；
所述控制芯片用于根据所述第一低电平信号控制所述电源板开始工作。
根据本发明提供的一种冗余电源的并联电路，所述控制芯片用于在所述电源板开始工作后，在所述SENSE引脚上的电压减去所述VIN引脚上的电压的差值小于第二预设值的情况下，控制所述GATE引脚拉低，以使所述两个PMOS管导通。
根据本发明提供的一种冗余电源的并联电路，所述控制芯片用于在所述控制芯片的VIN引脚上的电压小于其他任一电源板中控制芯片的VIN引脚上的电压的部分大于0且小于第三阈值的情况下，通过所述控制芯片的GATE引脚调节与所述GATE引脚连接的两个PMOS管的栅极的电压，使得所述控制芯片的VIN引脚上的电压与所述其他任一电源板中控制芯片的VIN引脚上的电压相同。
根据本发明提供的一种冗余电源的并联电路，所述控制芯片用于在所述控制芯片的VIN引脚上的电压小于其他任一电源板中控制芯片的VIN引脚上的电压的部分大于所述第三阈值的情况下，控制所述GATE引脚拉高，以使所述两个PMOS管关断。
本发明提供的冗余电源的并联电路，通过采用PMOS管替代传统方案的二极管，PMOS管的导通电阻较小，仅几mΩ，极大降低管子的损耗，使得在电路设计中无需加装散热器，简化了热设计，同时对于大电流的应用也很大程度上提高了电路的效率；通过控制芯片控制PMOS管达到二极管的电源切换效果，从而实现多个电源模块高效的线或操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术提供的冗余电源的并联电路图；
图2是本发明提供的冗余电源的并联电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图2描述本发明的一种冗余电源的并联电路，包括多个电源板和电源轨，所述多个电源板之间并联；
图2中包括两个电源板，即电源板I和电源板II，两个电源板共同为电源轨供电。本实施例不限于电源板的数量。
多个电源板并联接入电源轨，以并联连接的方式，组成线或逻辑，共同为负载进行供电。
其中，每个电源板包括电源模块、PMOS管组件和控制芯片；
电源模块为用于供电的模块。PMOS管组件为包含P型MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金氧半场效晶体管)管的组件。
可选地，控制芯片采用LTC4414芯片。
所述PMOS管组件包括两个PMOS管，所述两个PMOS管之间反向串联；
对于PMOS管，电流是从源级流向漏极，栅极拉低，管子导通。由于寄生二极管的存在，如果采用单MOS管，LTC4414无法通过MOS管关断电源的输出，所以需要采取两个MOS管以背靠背的方式连接，即反向串联，如图2所示。
所述电源模块与所述PMOS管组件之间串联，PMOS管组件接入所述电源轨；
每个电源板中的电源模块与PMOS管组件之间串联，电源模块提供的电能经该PMOS管组件进入电源轨。
所述控制芯片的VIN(Voltage Input，电压输入)引脚与所述电源模块的输出端连接；
控制芯片的VIN用于监测本电源板中电源模块的输出电压。
所述控制芯片的SENSE引脚与所述PMOS管组件的输出端连接；
控制芯片的SENSE引脚用于监测本电源板中PMOS管组件连接的电源轨的电压。
所述控制芯片的GATE引脚与所述两个PMOS管的栅极连接；
所述控制芯片用于在所述SENSE引脚上的电压减去所述VIN引脚上的电压的差值大于第一预设值的情况下，控制所述GATE引脚拉高，以使所述两个PMOS管关断。
由于制作工艺的限制，电源模块的特性和参数不可能完全相同，导致电源模块的输出特性不同。多个输出特性不同的电源模块并联输出就会存在电流环流，某些电源甚至会成为其他电源的负载。
控制芯片将本电源板中电源模块的输出电压与本电源板中PMOS管组件连接的电源轨的电压进行比较，当电源轨的电压比电源模块的输出电压高出的值较大时，该控制芯片的GATE引脚将自动被该控制芯片拉高，进而彻底关断本电源板的电源输出路径，防止出现电流环流现象。
本实施例通过采用PMOS管替代传统方案的二极管，PMOS管的导通电阻较小，仅几mΩ，极大降低管子的损耗，使得在电路设计中无需加装散热器，简化了热设计，同时对于大电流的应用也很大程度上提高了电路的效率；通过控制芯片控制PMOS管达到二极管的电源切换效果，从而实现多个电源模块高效的线或操作。
在上述实施例的基础上，本实施例中每个电源板还包括MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)，所述控制芯片的CTL引脚与所述MCU连接。
具体地，每个电源板中的MCU通过本电源板中的控制芯片的CTL引脚向本电源板中的控制芯片发送电平信号。
在上述实施例的基础上，本实施例中每个电源板还包括监控电路；所述监控电路用于监测所述电源模块的输出电压，在所述输出电压不在所述电源轨的预设电压范围内的情况下，将所述输出电压发送给所述MCU；
电源板中的监控电路监测本电源板中电源模块的输出电压是否在预设电压范围内，即正常电压范围内。
所述MCU用于根据所述输出电压向所述CTL引脚发送高电平信号；
当电源模块的输出电压不在正常电压范围内时，电源模块很可能发生短路，MCU向本电源板中控制芯片的CTL引脚发送高电平信号。
所述控制芯片用于根据所述高电平信号控制所述GATE引脚拉高，以使所述两个PMOS管关断。
控制芯片通过拉高GATE引脚将本电源板中每个PMOS管的源极和漏极之间切断，进而切断本电源板的电源输出，以保证电源轨的正常。
例如，当电源板I中的电源模块发生短路时，由于其内部具有短路保护电路，所以会直接导致该电源模块无输出。电源板II仍正常工作，所以电源系统仍保持正常。尽管电源板I发生短路，但由于双PMOS背靠背连接，使得电源板I与电源轨形成断路，所以并不会影响整个电源系统的对外供电。
在上述实施例的基础上，本实施例中还包括运行管理板；所述控制芯片的STATUS引脚与所述MCU连接；
所述控制芯片用于在控制所述GATE引脚拉高后，通过所述STATUS引脚向所述MCU发送第二低电平信号；
控制芯片在通过控制自身的GATE引脚拉高切断本电源板的输出路径的情况下，通过自身的STATUS引脚向MCU发送一个低电平信号。
所述MCU用于将所述第二低电平信号对应的电源板的状态发送给所述运行管理板进行存储，以供用户根据所述运行管理板中电源板的状态对所述电源板进行故障分析。
电源板的状态为输出路径切断。
本实施例中的控制部分可以实时监测电源板的输出状态，且可根据应用去控制电源的输出，适用于对系统电源可靠性要求高的场合。
在各上述实施例的基础上，本实施例中所述MCU用于向所述CTL引脚发送第一低电平信号；所述控制芯片用于根据所述第一低电平信号控制所述电源板开始工作。
具体地，在电源系统中的所有电源板上电后，每个电源板上的MCU会给控制芯片的CTL引脚发送一个低电平信号，每个电源板开始工作。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述控制芯片用于在所述电源板开始工作后，在所述SENSE引脚上的电压减去所述VIN引脚上的电压的差值小于第二预设值的情况下，控制所述GATE引脚拉低，以使所述两个PMOS管导通。
具体地，在所有电源板开始工作后，如果每个电源板上控制芯片的SENSE引脚上的电压减去VIN引脚上的电压的差值小于第二预设值，如-20mV，则该控制芯片的GATE引脚将会拉低，进而外部背靠背的每个PMOS管的源极和漏极之间导通，电源模块将对外输出电源。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述控制芯片用于在所述控制芯片的VIN引脚上的电压小于其他任一电源板中控制芯片的VIN引脚上的电压的部分大于0且小于第三阈值情况下，通过所述控制芯片的GATE引脚调节与所述GATE引脚连接的两个PMOS管的栅极的电压，使得所述控制芯片的VIN引脚上的电压与所述其他任一电源板中控制芯片的VIN引脚上的电压相同。
本实施例中的控制芯片实时监测本电源板中电源模块的输出电压，在任意两个电源板中电源模块的输出电压不相同，且两者之间的差值较小的情况下，两个电源板中输出电压较低的电源板上的控制芯片会通过调节自身VIN引脚上的电压，来调节与自身VIN引脚连接的PMOS管的导通状态，使其导通阻抗变小，进而使得自身输出的电压保持与另一电源板一致，从而实现多个电源板的一致性输出。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述控制芯片用于在所述控制芯片的VIN引脚上的电压小于其他任一电源板中控制芯片的VIN引脚上的电压的部分大于所述第三阈值的情况下，控制所述GATE引脚拉高，以使所述两个PMOS管关断。
具体地，在任意两个电源板中电源模块的输出电压不相同，且两者之间的差值较大的情况下，控制芯片通过控制GATE引脚拉高自动切断本电源板的电源输出路径。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种冗余电源的并联电路，其特征在于，包括多个电源板和电源轨，所述多个电源板之间并联；
其中，每个电源板包括电源模块、PMOS管组件和控制芯片；
所述PMOS管组件包括两个PMOS管，所述两个PMOS管之间反向串联；
所述电源模块与所述PMOS管组件之间串联，PMOS管组件接入所述电源轨；
所述控制芯片的VIN引脚与所述电源模块的输出端连接；
所述控制芯片的SENSE引脚与所述PMOS管组件的输出端连接；
所述控制芯片的GATE引脚与所述两个PMOS管的栅极连接；
所述控制芯片用于在所述SENSE引脚上的电压减去所述VIN引脚上的电压的差值大于第一预设值的情况下，控制所述GATE引脚拉高，以使所述两个PMOS管关断。
2.根据权利要求1所述的冗余电源的并联电路，其特征在于，每个电源板还包括MCU，所述控制芯片的CTL引脚与所述MCU连接。
3.根据权利要求2所述的冗余电源的并联电路，其特征在于，每个电源板还包括监控电路；
所述监控电路用于监测所述电源模块的输出电压，在所述输出电压不在所述电源轨的预设电压范围内的情况下，将所述输出电压发送给所述MCU；
所述MCU用于根据所述输出电压向所述CTL引脚发送高电平信号；
所述控制芯片用于根据所述高电平信号控制所述GATE引脚拉高，以使所述两个PMOS管关断。
4.根据权利要求3所述的冗余电源的并联电路，其特征在于，还包括运行管理板；
所述控制芯片的STATUS引脚与所述MCU连接；
所述控制芯片用于在控制所述GATE引脚拉高后，通过所述STATUS引脚向所述MCU发送第二低电平信号；
所述MCU用于将所述第二低电平信号对应的电源板的状态发送给所述运行管理板进行存储，以供用户根据所述运行管理板中电源板的状态对所述电源板进行故障分析。
5.根据权利要求2-4任一所述的冗余电源的并联电路，其特征在于，所述MCU用于向所述CTL引脚发送第一低电平信号；
所述控制芯片用于根据所述第一低电平信号控制所述电源板开始工作。
6.根据权利要求5所述的冗余电源的并联电路，其特征在于，所述控制芯片用于在所述电源板开始工作后，在所述SENSE引脚上的电压减去所述VIN引脚上的电压的差值小于第二预设值的情况下，控制所述GATE引脚拉低，以使所述两个PMOS管导通。
7.根据权利要求1-4任一所述的冗余电源的并联电路，其特征在于，所述控制芯片用于在所述控制芯片的VIN引脚上的电压小于其他任一电源板中控制芯片的VIN引脚上的电压的部分大于0且小于第三阈值的情况下，通过所述控制芯片的GATE引脚调节与所述GATE引脚连接的两个PMOS管的栅极的电压，使得所述控制芯片的VIN引脚上的电压与所述其他任一电源板中控制芯片的VIN引脚上的电压相同。
8.根据权利要求7所述的冗余电源的并联电路，其特征在于，所述控制芯片用于在所述控制芯片的VIN引脚上的电压小于其他任一电源板中控制芯片的VIN引脚上的电压的部分大于所述第三阈值的情况下，控制所述GATE引脚拉高，以使所述两个PMOS管关断。
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