CN114744586A - 一种电源短路防护和备份电源自动切换系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子设备电源供电技术领域，具体涉及一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，包括正常工作时主备电源电路控制机制，发生故障时故障处理机制，发生故障时功能恢复机制，发生故障后的告警机制，所述系统利用可控硅，场效应管，三极管等零件控制两路电源电路工作。正常情况下由主电路正常工作，备用电路不工作。当发生故障时，能快速切换到备用电源电路，并通过控制信号同时快速切断原故障电路的输入及输出端，确保整体电路的安全。本系统结构简单，成本优势明显，在防止由电源故障产生安全问题的同时还能恢复系统正常工作对电源部分的需求，特别适用于一些对电源稳定性要求高的应用场合。

Description

一种电源短路防护和备份电源自动切换系统

技术领域

本发明涉及电子设备电源供电技术领域，具体是一种电源短路防护和备份电源自动切换系统。

背景技术

在电子设备中，电源转换是不可缺少的一部分。一般在同一电子设备中，往往存在着多路电源转换电路，它们将输入电压转换成各个元器件正常工作需要的电压。在这些电源转换电路中，使用着型号种类众多的元器件和芯片，如果其中的某一个元器件失效，则该部分电源转换电路就会出现故障。

在所有故障中，以短路的危害最大，如果不及时终止，不但会使后端输出出现异常，损坏后端受电的主功能芯片，还会发出大量的热量，严重的会使电路出现烟雾和明火，可能会引起使用环境发生火灾，对生命财产造成不可估量的损失。所以电源电路在设计之初，就应该充分考虑到这一点，当电路产生短路时，需要及时断开电源电路的前后级，以免故障进一步恶化，产生严重后果。除了这一点，在一些特殊应用场合使用的特殊电子设备中，不但要求考虑到电源部分的故障不能造成安全事故，还需要考虑到设备必须在极短时间内恢复正常工作，这就需要在原有的电源电路之外增加一组电源电路作为备份，一旦发生故障实现快速切换。而两组电源电路之间的配合使用，也需要做到安全有效。

针对上述存在的问题，需要有一种方式既可以防止电源电路短路故障的问题，防止其进一步造成灾难性危害，又可以使设备快速跳过原有故障，在极端的时间内恢复正常工作。特别对于一些需要被使用在安全性要求极高，短时间内维护人员又无法到达的场合的设备，这是一个不得不面对和解决的问题。

发明内容

针对现有的问题，本发明提供了一种电路连接方式，既解决了电源电路短路造成危害的问题，又解决了备用电源电路快速切换到工作状态的问题，同时还实现了电路切断，故障报告等连带问题。该系统结构简单，安全性更强，性价比极高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，包括正常工作时主备电源电路控制机制，发生故障时故障处理机制，发生故障时功能恢复机制，发生故障后的告警机制，所述系统利用可控硅，场效应管，三极管等零件控制两路电源电路工作。正常情况下由主电路正常工作，备用电路不工作。当发生故障时，能快速切换到备用电源电路，并通过控制信号同时快速切断原故障电路的输入及输出端，确保整体电路的安全。

当输入电压正常接入时，主电源电路和备用电源电路同时上电。此时只有主电源电路能正常输入输出电压，备用电源电路由于信号控制，输入端和输出端都断开。

当主电源电路输入输出端发生短路故障时，首先会切断主电源电路的输出电压，然后发出控制信号打开备用电源电路的输入端和输出端使其正常工作。在备用电源电路开始正常供电的同时，备用电源电路会向主电源电路发出控制信号，将主电源电路的输入端也断开，防止输入电压对主电源电路继续造成破坏。当输出电压再次恢复时，告警电路也会工作，用灯光或者其他方式提示相关人员主电源电路部分已经出现故障，目前正由备用电源电路负责供电，方便维护人员判断。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能有效的针对解决上述存在的问题，既可以防止电源电路短路故障的问题，防止其进一步造成灾难性危害，又可以使设备快速跳过原有故障，在极端的时间内恢复正常工作。特别对于一些需要被使用在安全性要求极高，短时间内维护人员又无法到达的场合的设备，具有极高的应用价值。

附图说明

图1是本发明的技术方案示意图；

图2是本发明具体实施时的主备双路电源电路连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

实施例1：请参阅图1所示，一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，包括电源输入、电源输出、主电路部分和备用电路部分，电源输入分别连接主电路部分的输入端和备用电路部分的输入端，电源输出分别连接主电路部分的输出端和备用电路部分的输出端；

其中，主电路部分，用于在没有短路故障时，给负载正常供电，并且实时检测短路信号，当主电路部分输入输出端发生短路故障时，切断主电路部分的输出电压，发出控制信号打开备用电路部分的输入端和输出端使其正常工作；

备用电路部分，用于在主电路部分发生短路故障时，给负载正常供电，并且向主电路部分发出控制信号，将主电路部分的输入端断开，同时在输出电压再次恢复时，控制告警电路发出报警信号。

实施例2，在实施例1的基础上，本设计的主电路部分包括输入端通断控制电路A、电源转换电路A、短路保护电路A、输出端通断控制电路A和告警电路，输入端通断控制电路A的输入端连接电源输入，输入端通断控制电路A的输出端连接电源转换电路A的输入端,电源转换电路A的输出端连接短路保护电路A的输入端，短路保护电路A的输出端连接输出端通断控制电路A，短路保护电路A还连接告警电路，输出端通断控制电路A还连接告警电路和电源输出。

实施例3，在实施例2的基础上，本设计的备用电路部分包括输入端通断控制电路B、电源转换电路B、短路保护电路B、输出端通断控制电路B和输入端通断控制电路的控制电路。输入端通断控制电路B的输入端连接电源输入，输入端通断控制电路B的输出端连接电源转换电路B的输入端,电源转换电路B的输出端连接短路保护电路B的输入端，短路保护电路B的输出端连接输出端通断控制电路B，输出端通断控制电路B还连接告警电路和电源输出,短路保护电路A还连接输出端通断控制电路B和输入端通断控制电路的控制电路，短路保护电路B还连接输入端通断控制电路A。

实施例4，在实施例3的基础上，参考图2，本设计的输入端通断控制电路A包括电容C2、MOS管Q1、电阻R5、电阻R6、电阻R10、电阻R13和三极管Q3，电源转换电路A包括芯片U1、电感L1、电阻R3、电阻R4和电容C3，短路保护电路A包括二极管D1、可控硅D2、电阻R9、电阻R11和电容C6，输出端通断控制电路A包括模式管Q2、电容C4、电阻R8和三极管Q4，输入端通断控制电路的控制电路包括可控硅D5、三极管Q8、电阻R25、电阻R26、电阻R27和电容C13；

所述电容C2的一端连接MOS管Q1的源极、电容C1、电阻R5和电源VI N，电容C2的另一端连接电阻R6和MOS管Q1的栅极，电阻R5的另一端连接电阻R6的另一端和三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极连接电阻R10和电阻R13，电阻R13的另一端连接电容C1的另一端、芯片U1的GND脚、三极管Q3的发射极和接地端，MOS管Q1的漏极连接电阻R2和芯片U1的VI N脚，电阻R2的另一端连接芯片U1的EN脚，芯片U1的SW脚连接电容C3和电感L1，芯片U1的BST脚连接电容C3的另一端，芯片U1的FB脚连接电阻R3和电阻R4，电阻R3的另一端连接电感L1的另一端、二极管D1的阴极、电压VOUT_EN2、可控硅D2的阳极、电阻R12、电容C4和MOS管Q2的源极，二极管D1的阳极连接电阻R9和电阻R11，电阻R9的另一端连接电容C6和可控硅D2的控制极，电阻R11的另一端连接电容C6的另一端、可控硅D2的阴极、电阻R14、三极管Q4的发射极、电容C5和接地端，电阻R12的另一端连接电阻R14的另一端和三极管Q14的基极，电容C4的另一端连接电阻R8和MOS管Q2的栅极，电阻R8的另一端连接电阻R7和三极管Q4的集电极，电阻R7的另一端连接电源VI N，MOS管Q2的漏极连接电容C5的另一端和输出端VOUT。

输入端通断控制电路B包括电容C7、MOS管Q5、电阻R20、电阻R21、电阻R23、电阻R24和三极管Q7，电源转换电路B包括芯片U2、电感L2、电阻R16、电阻R17和电容C8，短路保护电路B包括二极管D3、可控硅D4、电阻R19、电阻R22和电容C12，输出端通断控制电路B包括模式管Q6、电容C10和电阻R18；

所述电容C7的一端连接MOS管Q5的源极、电容C9、电阻R20和电源VI N，电容C7的另一端连接电阻R21和MOS管Q5的栅极，电阻R21的另一端连接电阻R20的另一端和三极管Q7的集电极，三极管Q7的基极连接电阻R23和电阻R24，电阻R24的另一端连接电容C9的另一端、芯片U2的GND脚、三极管Q7的发射极和接地端，MOS管Q5的漏极连接电阻R15和芯片U2的VI N脚，电阻R15的另一端连接芯片U2的EN脚，芯片U2的SW脚连接电容C8和电感L2，芯片U2的BST脚连接电容C8的另一端，芯片U2的FB脚连接电阻R16和电阻R17，电阻R16的另一端连接电感L2的另一端、二极管D3的阴极、可控硅D4的阳极、电容C10和MOS管Q6的源极，二极管D3的阳极连接电阻R19和电阻R22，电阻R22的另一端连接电容C12和可控硅D4的控制极，电阻R19的另一端连接电容C12的另一端、可控硅D4的阴极、电容C11和接地端，电容C10的另一端连接电阻R18和MOS管Q6的栅极，电阻R18的另一端连接电压VOUT_EN2，MOS管Q6的漏极连接电容C11的另一端和输出端VOUT，电阻R23的另一端连接电阻R25和可控硅D5的阳极，电阻R25的另一端连接电源VIN，可控硅D5的阴极连接三极管Q8的集电极和电容C13，可控硅D5的控制极连接电阻R26，电阻R26的另一端连接电阻R27和电压VOUT_EN2，电阻R27的另一端连接三极管Q8的基极和电阻R28，电阻R28的另一端连接三极管Q8的发射极和接地端，电容C13的另一端接地，其中，芯片U1和芯片U2的型号相同，均为6脚电源芯片。

告警电路包括指示灯LED1和电阻R1，电阻R1的一端连接输出端VOUT，电阻R1的另一端连接指示灯LED1，指示灯LED1的另一端连接电压VOUT_EN2。

工作原理如下：

当电路正常上电时：

SCH1主电路部分：SCH1_1的MOS管Q3受到VOUT_EN1低电平的影响从而使MOS管Q3的C,E两级导通，从而使得MOS管Q1的G级对地拉低，MOS管Q1的S级和G级导通。SCH1_2中的芯片U1接收到输入的VIN电压后正常工作，芯片U1的引脚2输出电压预先配置好的电压。SCH1_3保护电路未监测到异常状态，未启动保护并输出高电平的VOUT_EN2信号。SCH1_4中，MOS管Q4的B级由原来的低电平变为高电平从而使MOS管Q4的C,E两级导通，从而使MOS管Q2的G级由原来的高电平变为低电平，从而使MOS管Q2的S级和D级导通，导通后端的VOUT便可以输出SCH1_2中芯片U1转换后的电压。SCH1_5中由于VOUT_EN2电平与VOUT一致，所以未发出告警信息。至此SCH1主体电路正常工作。

SCH2备用电路部分：SCH2_5中VOUT_EN2低电平，D5截止，使得SCH2_1中MOS管Q7的B级为高电平。VOUT_EN2变为高电平时，可控硅D5打开，MOS管Q8截止，使得SCH2_1中MOS管Q7的B级仍然为高电平。SCH2_1中MOS管Q7的B级为高电平，致使MOS管Q7的C,E无法导通，MOS管Q5的G级维持高电平，从而MOS管Q5的S,D两级无法导通，后端的电路无法工作。至此SCH2备用电路处于静默状态，未工作。

当主电源电路前后级发生短路时：

SCH1主电路部分：SCH1_3检测到输出电压升高，稳压管D1击穿，可控硅D2导通，VOUT_EN2变为低电平。SCH1_4中，MOS管Q4的B级由原来的高电平变为低电平从而使MOS管Q4的C,E两级截止，从而使MOS管Q2的G级由原来的低电平变为高电平，从而使MOS管Q2的S级和D级截止，导通后端的VOUT无输出电压。至此SCH1主体电路输出部分停止工作，待SCH2备用电路启动后，VOUT_EN1电平从低变高，SCH1_1的MOS管Q3和MOS管Q1会从导通状态变为截止状态，SCH1主体电路的输入部分也停止工作。待SCH2备用电路启动后，VOUT重新输出，SCH1_5显示出告警信号。

SCH2备用电路部分：SCH2_5中VOUT_EN2由高电平变为低电平，MOS管Q8从截止变为导通，可控硅D5维持导通状态。使得SCH2_1中MOS管Q7的B级由高电平变为低电平，致使MOS管Q7的C,E导通，MOS管Q5的G级由高电平变为低电平，从而MOS管Q5的S,D两级导通，SCH2_2中的芯片U2接收到输入的VIN电压后正常工作，芯片U2的引脚2输出电压预先配置好的电压。SCH2_3中VOUT_EN1电平从低变高，使得SCH1主电路输入端切段。SCH2_4中由于VOUT_EN2已经由高电平变为低电平，MOS管Q6的G级也变为低电平，从而MOS管Q6的S,D两级导通，VOUT得以重新输出。至此SCH2备用电路正常工作。

实施例5，在实施例4的基础上，发生短路故障时，主电路部分切换到备用电路部分的响应时间小于50ms。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，包括电源输入、电源输出、主电路部分和备用电路部分，电源输入分别连接主电路部分的输入端和备用电路部分的输入端，电源输出分别连接主电路部分的输出端和备用电路部分的输出端；

所述主电路部分，用于在没有短路故障时，给负载正常供电，并且实时检测短路信号，当主电路部分输入输出端发生短路故障时，切断主电路部分的输出电压，发出控制信号打开备用电路部分的输入端和输出端使其正常工作；

所述备用电路部分，用于在主电路部分发生短路故障时，给负载正常供电，并且向主电路部分发出控制信号，将主电路部分的输入端断开，同时在输出电压再次恢复时，控制告警电路发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，所述主电路部分包括输入端通断控制电路A、电源转换电路A、短路保护电路A、输出端通断控制电路A和告警电路。

3.根据权利要求2所述的一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，所述输入端通断控制电路A的输入端连接电源输入，输入端通断控制电路A的输出端连接电源转换电路A的输入端,电源转换电路A的输出端连接短路保护电路A的输入端，短路保护电路A的输出端连接输出端通断控制电路A，短路保护电路A还连接告警电路，输出端通断控制电路A还连接告警电路和电源输出。

4.根据权利要求3所述的一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，所述备用电路部分包括输入端通断控制电路B、电源转换电路B、短路保护电路B、输出端通断控制电路B和输入端通断控制电路的控制电路。

5.根据权利要求4所述的一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，所述输入端通断控制电路B的输入端连接电源输入，输入端通断控制电路B的输出端连接电源转换电路B的输入端,电源转换电路B的输出端连接短路保护电路B的输入端，短路保护电路B的输出端连接输出端通断控制电路B，输出端通断控制电路B还连接告警电路和电源输出,短路保护电路A还连接输出端通断控制电路B和输入端通断控制电路的控制电路，短路保护电路B还连接输入端通断控制电路A。

6.根据权利要求5所述的一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，所述输入端通断控制电路A包括电容C2、MOS管Q1、电阻R5、电阻R6、电阻R10、电阻R13和三极管Q3，电源转换电路A包括芯片U1、电感L1、电阻R3、电阻R4和电容C3，短路保护电路A包括二极管D1、可控硅D2、电阻R9、电阻R11和电容C6，输出端通断控制电路A包括模式管Q2、电容C4、电阻R8和三极管Q4，输入端通断控制电路的控制电路包括可控硅D5、三极管Q8、电阻R25、电阻R26、电阻R27和电容C13；

所述电容C2的一端连接MOS管Q1的源极、电容C1、电阻R5和电源VIN，电容C2的另一端连接电阻R6和MOS管Q1的栅极，电阻R5的另一端连接电阻R6的另一端和三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极连接电阻R10和电阻R13，电阻R13的另一端连接电容C1的另一端、芯片U1的GND脚、三极管Q3的发射极和接地端，MOS管Q1的漏极连接电阻R2和芯片U1的VIN脚，电阻R2的另一端连接芯片U1的EN脚，芯片U1的SW脚连接电容C3和电感L1，芯片U1的BST脚连接电容C3的另一端，芯片U1的FB脚连接电阻R3和电阻R4，电阻R3的另一端连接电感L1的另一端、二极管D1的阴极、电压VOUT_EN2、可控硅D2的阳极、电阻R12、电容C4和MOS管Q2的源极，二极管D1的阳极连接电阻R9和电阻R11，电阻R9的另一端连接电容C6和可控硅D2的控制极，电阻R11的另一端连接电容C6的另一端、可控硅D2的阴极、电阻R14、三极管Q4的发射极、电容C5和接地端，电阻R12的另一端连接电阻R14的另一端和三极管Q14的基极，电容C4的另一端连接电阻R8和MOS管Q2的栅极，电阻R8的另一端连接电阻R7和三极管Q4的集电极，电阻R7的另一端连接电源VIN，MOS管Q2的漏极连接电容C5的另一端和输出端VOUT。

7.根据权利要求1所述的一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，所述输入端通断控制电路B包括电容C7、MOS管Q5、电阻R20、电阻R21、电阻R23、电阻R24和三极管Q7，电源转换电路B包括芯片U2、电感L2、电阻R16、电阻R17和电容C8，短路保护电路B包括二极管D3、可控硅D4、电阻R19、电阻R22和电容C12，输出端通断控制电路B包括模式管Q6、电容C10和电阻R18；

所述电容C7的一端连接MOS管Q5的源极、电容C9、电阻R20和电源VIN，电容C7的另一端连接电阻R21和MOS管Q5的栅极，电阻R21的另一端连接电阻R20的另一端和三极管Q7的集电极，三极管Q7的基极连接电阻R23和电阻R24，电阻R24的另一端连接电容C9的另一端、芯片U2的GND脚、三极管Q7的发射极和接地端，MOS管Q5的漏极连接电阻R15和芯片U2的VIN脚，电阻R15的另一端连接芯片U2的EN脚，芯片U2的SW脚连接电容C8和电感L2，芯片U2的BST脚连接电容C8的另一端，芯片U2的FB脚连接电阻R16和电阻R17，电阻R16的另一端连接电感L2的另一端、二极管D3的阴极、可控硅D4的阳极、电容C10和MOS管Q6的源极，二极管D3的阳极连接电阻R19和电阻R22，电阻R22的另一端连接电容C12和可控硅D4的控制极，电阻R19的另一端连接电容C12的另一端、可控硅D4的阴极、电容C11和接地端，电容C10的另一端连接电阻R18和MOS管Q6的栅极，电阻R18的另一端连接电压VOUT_EN2，MOS管Q6的漏极连接电容C11的另一端和输出端VOUT，电阻R23的另一端连接电阻R25和可控硅D5的阳极，电阻R25的另一端连接电源VIN，可控硅D5的阴极连接三极管Q8的集电极和电容C13，可控硅D5的控制极连接电阻R26，电阻R26的另一端连接电阻R27和电压VOUT_EN2，电阻R27的另一端连接三极管Q8的基极和电阻R28，电阻R28的另一端连接三极管Q8的发射极和接地端，电容C13的另一端接地。

8.根据权利要求7所述的一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，所述告警电路包括指示灯LED1和电阻R1，电阻R1的一端连接输出端VOUT，电阻R1的另一端连接指示灯LED1，指示灯LED1的另一端连接电压VOUT_EN2。

9.根据权利要求1所述的一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，发生短路故障时，主电路部分切换到备用电路部分的响应时间小于50ms。

10.根据权利要求7所述的一种电源短路防护和备份电源自动切换系统，其特征在于，所述芯片U1和芯片U2的型号相同，均为6脚电源芯片。

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