CN115528799A - 一种电源冗余保护电路 - Google Patents

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CN115528799A CN202211241467.6A CN202211241467A CN115528799A CN 115528799 A CN115528799 A CN 115528799A CN 202211241467 A CN202211241467 A CN 202211241467A CN 115528799 A CN115528799 A CN 115528799A
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Abstract

本发明提供一种电源冗余保护电路，包括电源状态检测单元、电源开关控制单元、电源冗余保护单元、第一供电单元和第二供电单元；所述电源状态检测单元的输入端接入第一电源信号和第二电源信号，用于基于所述第一电源信号和所述第二电源信号输出电源状态检测信号；所述电源开关控制单元与所述电源状态检测单元相连，用于输出电源开关控制信号；所述电源冗余保护单元与所述电源开关控制单元相连，用于选择所述第一供电单元或所述第二供电单元供电。本发明利用较少的元器件实现了电源冗余保护功能；支持电源热插拔，实现了电源系统的高可用性和连续性；支持电源过压保护和欠压保护，保证了系统运行的稳定性和可靠性；实施方案简单，成本低。

Description

一种电源冗余保护电路
技术领域
本发明涉及电源设计技术领域，特别是涉及一种电源冗余保护电路。
背景技术
在冗余热备控制系统中，整个PLC控制系统包括2套配置完全相同的PLC主机、电源和冗余处理模块，且2个控制器子单元使用相同的用户程序并行工作，其中一个控制器是主控制器，另一个是备用控制器。当主控制器出现故障时，系统会自动地切换到备用控制器，以实现PLC控制系统的稳定、可靠和连续运行。除了PLC主机需要冗余双机功能，电源也需要冗余保护，电源的冗余保护能够为实现PLC控制系统中电源的长时间稳定工作，以及高可靠自动化控制提供保障。现有的电源冗余保护方案利用检测模块检测电压输入端的状态信息，并将所述状态信息输出给监控模块；监控模块根据输入的状态信息控制开关模块中的开关闭合或断开；开关模块通过开关的闭合或断开控制电源分配模块分配的电源电压，以及电源模块的接通或断开，以此实现电源冗余功能。现有电源冗余保护方案实现过程复杂、实施难度大和成本高。
热插拔即带电插拔，指的是在不关闭系统电源的情况下，将模块、板卡插入或拔出系统而不影响系统的正常工作，从而提高了系统的可靠性、快速维修性、冗余性和对灾难的及时恢复能力等。对于大功率模块化电源系统而言，热插拔技术可在维持整个电源系统电压的情况下，更换发生故障的电源模块，并保证模块化电源系统中其他电源模块正常运作。现阶段，热插拔技术还不够完善，传统的热插拔操作依然会对系统中的电源系统中其它组成部分造成不良影响，从而降低整个电源系统的工作效果。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电源冗余保护电路，用于解决现有电源冗余保护方案实现过程复杂、实施难度大和成本高的技术问题。相比于现有的电源冗余保护方法，本发明利用较少的元器件实现了需要靠ADC电压检测、CPU运算判断和CPU输出才能实现的电源冗余保护功能，且实施方案简单，成本低。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电源冗余保护电路，包括电源状态检测单元、电源开关控制单元、电源冗余保护单元、第一供电单元和第二供电单元；所述电源状态检测单元的输入端接入第一电源信号和第二电源信号，用于基于所述第一电源信号和所述第二电源信号输出电源状态检测信号；所述电源开关控制单元与所述电源状态检测单元相连，用于基于所述电源状态检测信号输出电源开关控制信号；所述电源冗余保护单元与所述电源开关控制单元相连，用于基于所述电源开关控制信号选择所述第一供电单元或所述第二供电单元供电，以实现电源冗余保护。本发明利用较少的元器件实现了需要靠ADC电压检测、CPU运算判断和CPU输出才能实现的电源冗余保护功能。
于本发明一实施例中，所述电源状态检测单元包括电压检测单元、参考电路单元和窗口比较器；
所述电压检测单元的输入端接入所述第一电源信号，用于基于所述第一电源信号确定电源过压保护和欠压保护的电压阈值；
所述参考电路单元的输入端接入所述第二电源信号，用于基于所述第二电源信号生成电源过压保护参考电压和欠压保护参考电压；
所述窗口比较器与所述电压检测单元和所述参考电路单元相连，通过比较所述过压保护参考电压和所述电压阈值的大小关系、所述欠压保护参考电压和所述电压阈值的大小关系输出电源状态检测信号；所述电源状态检测信号包括高电平信号和低电平信号。
于本发明一实施例中，所述过压保护参考电压大于所述欠压保护参考电压。
于本发明一实施例中，所述窗口比较器包括过压保护单元和欠压保护单元；
所述过压保护单元的正向端接入所述电压阈值，反向端接入所述过压保护参考电压，用于在所述电压阈值大于所述过压保护参考电压时输出所述高电平信号；
所述欠压保护单元的正向端接入所述欠压保护参考电压，反向端接入所述电压阈值，用于在所述电压阈值小于所述欠压保护参考电压时输出所述高电平信号。
于本发明一实施例中，所述窗口比较器用于在所述电压阈值大于所述欠压保护参考电压且小于所述过压保护参考电压时输出所述低电平信号，保证了系统运行的稳定性和可靠性。
于本发明一实施例中，所述电源开关控制单元包括三极管和第一PMOS管；所述三极管和所述第一PMOS管用于基于所述电源状态检测信号切换打开或关闭状态，以输出所述电源开关控制信号。
于本发明一实施例中，所述电源冗余保护单元包括滤波单元和电源冗余热备单元；
所述滤波单元包括滤波电容和位浪涌保护器，用于对所述电源开关控制信号进行滤波，以生成电源开关滤波信号；
所述电源冗余热备单元与所述滤波单元相连，用于基于所述电源开关滤波信号选择所述第一供电单元或所述第二供电单元供电。
于本发明一实施例中，所述第一供电单元包括第二PMOS管和电阻，所述第二PMOS管的漏极接入所述电源开关滤波信号，栅极与所述电阻串联后接地，源极与负载相连；所述第二供电单元包括复合三极管和所述电阻；所述复合三极管的第一输入端与所述第二PMOS管的漏极相连，第二输入端与所述第二PMOS管的源极相连，输出端与所述电阻串联后接地。
于本发明一实施例中，所述第二供电单元是所述第一供电单元的镜像电流源，用于在所述第一供电单元出现故障时接替所述第一供电单元工作，实现了电源系统的高可用性和连续性。
于本发明一实施例中，所述第一供电单元支持热插拔功能。
如上所述，本发明的电源冗余保护电路具有以下有益效果：
(1)利用较少的元器件实现了需要靠ADC电压检测、CPU运算判断和CPU输出才能实现的电源冗余保护功能；
(2)支持电源热插拔，实现了电源系统的高可用性和连续性；
(3)支持电源过压保护和欠压保护，保证了系统运行的稳定性和可靠性；
(4)实施方案简单，成本低。
附图说明
图1显示为本发明的电源冗余保护电路于一实施例中的模块示意图。
图2显示为本发明的电源冗余保护电路于一实施例中的窗口比较器原理图。
图3显示为本发明的电源冗余保护电路于一实施例中的原理图。
元件标号说明
1 电源状态检测单元
11 电压检测单元
12 参考电路单元
13 窗口比较器
131 过压保护单元
132 欠压保护单元
2 电源开关控制单元
3 电源冗余保护单元
31 滤波单元
32 电源冗余热备单元
4 第一供电单元
5 第二供电单元
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
如图1所示，于本实施例中，本发明的电源冗余保护电路包括电源状态检测单元1、电源开关控制单元2、电源冗余保护单元3、第一供电单元4和第二供电单元5。
所述电源状态检测单元1的输入端接入第一电源信号和第二电源信号，用于基于所述第一电源信号和所述第二电源信号输出电源状态检测信号。
具体地，所述电源状态检测单元1包括电压检测单元11、参考电路单元12和窗口比较器13。所述电压检测单元11的输入端接入所述第一电源信号，用于基于所述第一电源信号确定电源过压保护和欠压保护的电压阈值。所述参考电路单元12的输入端接入所述第二电源信号，用于基于所述第二电源信号生成电源过压保护参考电压和欠压保护参考电压。所述窗口比较器13与所述电压检测单元11和所述参考电路单元12相连，通过比较所述过压保护参考电压和所述电压阈值的大小关系、所述欠压保护参考电压和所述电压阈值的大小关系输出电源状态检测信号。所述电源状态检测信号包括高电平信号和低电平信号。所述过压保护参考电压大于所述欠压保护参考电压。
如图2所示，所述窗口比较器13包括过压保护单元131和欠压保护单元132。所述过压保护单元131的正向端接入所述电压阈值，反向端接入所述过压保护参考电压，用于在所述电压阈值大于所述过压保护参考电压时输出所述高电平信号。所述欠压保护单元132的正向端接入所述欠压保护参考电压，反向端接入所述电压阈值，用于在所述电压阈值小于所述欠压保护参考电压时输出所述高电平信号。所述窗口比较器13用于在所述电压阈值大于所述欠压保护参考电压且小于所述过压保护参考电压时输出所述低电平信号。所述窗口比较器13保证了系统运行的稳定性和可靠性。
所述电源开关控制单元2与所述电源状态检测单元1相连，用于基于所述电源状态检测信号输出电源开关控制信号。
具体地，所述电源开关控制单元2包括三极管和第一PMOS管；所述三极管和所述第一PMOS管用于基于所述电源状态检测信号切换打开或关闭状态，以输出所述电源开关控制信号。
所述电源冗余保护单元3与所述电源开关控制单元2相连，用于基于所述电源开关控制信号选择所述第一供电单元4或所述第二供电单元5供电，以实现电源冗余保护。
具体地，所述电源冗余保护单元包括滤波单元31和电源冗余热备单元32。所述滤波单元31包括滤波电容和位浪涌保护器，用于对所述电源开关控制信号进行滤波，以生成电源开关滤波信号。所述电源冗余热备单元32与所述滤波单元31相连，用于基于所述电源开关滤波信号选择所述第一供电单元4或所述第二供电单元5供电。其中，所述第一供电单元4支持热插拔功能。
所述第一供电单元4包括第二PMOS管和电阻，所述第二PMOS管的漏极接入所述电源开关滤波信号，栅极与所述电阻串联后接地，源极与负载相连；所述第二供电单元5包括复合三极管和所述电阻；所述复合三极管的第一输入端与所述第二PMOS管的漏极相连，第二输入端与所述第二PMOS管的源极相连，输出端与所述电阻串联后接地。
所述第二供电单元5是所述第一供电单元4的镜像电流源，用于在所述第一供电单元4出现故障时接替所述第一供电单元4工作，从而实现了电源系统的高可用性和连续性。
实施例2
如图3所示，本发明的电源冗余保护电路包括电源状态检测单元、电源开关控制单元、电源冗余保护单元、第一供电单元和第二供电单元。
所述电源状态检测单元包括电压检测单元、参考电路单元和窗口比较器。电压检测单元包括R9、R14和C9，其中R9的一端为电压检测单元的一输入端，用于接入+5V的第一电源信号，另一端与R14串联后接地；C9为滤波电容，并联在R14的两端。通过为R9和R14设置合适的阻值可以确定电源过压保护和欠压保护的电压阈值。本实施例中的电源过压保护电压阈值与欠压保护电压阈值相等。
参考电路单元包括串联分压电阻R5、R8和R15，其中R5的第一端为电压检测单元的另一输入端，用于接入+3V的第二电源信号，R5第二端与R8第一端相连；R15第一端与R8第二端相连，R15第二端接地。通过为R5、R8和R15设置合适的阻值可以同时输出电源过压保护参考电压和欠压保护参考电压。本实施例中的过压保护参考电压大于所述欠压保护参考电压。
窗口比较器包括过压保护单元和欠压保护单元，通过比较所述过压保护参考电压和所述电压阈值的大小关系、所述欠压保护参考电压和所述电压阈值的大小关系输出电源状态检测信号；所述电源状态检测信号包括高电平信号和低电平信号。所述窗口比较器保证了系统运行的稳定性和可靠性。
过压保护单元包括U1A、R1、R13、R14和D2，具有滞回(斯密特)比较器的功能，用于防止因电压抖动而造成过压保护单元误动作，且滞回电压△V＝Vcc*(R13+R14)/R1，其中Vcc为U1A正电源端输入的+3V电压信号。R13的第一端与电源检测单元的输出端相连，第二端与窗口比较器的输入端相连。具体地，所述过压保护单元的正向端接入R13的第二端，用于接入所述电压阈值，反向端与R5的第二端相连，用于接入所述过压保护参考电压。D2与过压保护单元的输出端相连，用于对过压保护单元进行反向保护，防止过压保护单元被损坏。
欠压保护单元包括U1B、R10、R15和D3，具有滞回(斯密特)比较器的功能，用于防止因电压抖动而造成欠压保护单元误动作，且滞回电压△V＝Vcc*R15/R10，其中Vcc为U1B正电源端输入的+3V电压信号。所述欠压保护单元的正向端接入R15的第一端，用于接入所述欠压保护参考电压，反向端接入R13的第二端，用于接入所述电压阈值。D3与欠压保护单元的输出端相连，用于对欠压保护单元进行反向保护，防止欠压保护单元被损坏。
当所述电压阈值大于所述过压保护参考电压时，即过压保护单元U1A的正向端电压大于反向端的电压，此时过压保护单元U1A导通，欠压保护单元U1B截止，窗口比较器输出高电平信号，所述高电平信号表征输入的电源电压不在正常的工作范围；当所述电压阈值小于所述欠压保护参考电压时，即欠压保护单元U1B的正向端电压大于反向端的电压，此时欠压保护单元U1B导通，过压保护单元U1A截止，窗口比较器输出高电平信号，所述高电平信号同样表征输入的电源电压不在正常的工作范围；当所述电压阈值大于所述欠压保护参考电压且小于所述过压保护参考电压时，即过压保护单元U1A的正向端电压小于反向端的电压，且欠压保护单元U1B的正向端电压小于反向端的电压，此时过压保护单元U1A和欠压保护单元U1B均截止，窗口比较器输出低电平信号，所述低电平信号表征输入的电源电压处于正常的工作范围。
电源开关控制单元包括第一PMOS管Q1、三极管Q4和Q5、电阻R2、R3、R4、R11、R12和R16，电容C1、C8和C4，二极管D1，其中R2和D1组成稳压电路，用于向参考电路单元和窗口比较器提供稳定的第二电源信号；C4为滤波电容；R4为假负载，用于防止虚电压的产生；所述三极管Q4和Q5以及所述第一PMOS管Q1用于基于所述电源状态检测信号切换打开或关闭状态，以输出所述电源开关控制信号。例如，当窗口比较器因电源过压保护或欠压保护输出高电平信号时，Q4导通，Q5截止，Q1截止，同时Q1输出电源关闭控制信号，以关闭电源输出，保护后端电路；当窗口比较器检测到电源电压处于正常的工作范围而输出低电平信号时，Q4截止，Q5导通，Q1导通，同时Q1输出电源打开控制信号，以保证正常的电源输出。
电源冗余保护单元与所述电源开关控制单元相连，包括滤波单元和电源冗余热备单元，用于基于所述电源开关控制信号选择所述第一供电单元或所述第二供电单元供电，以实现电源冗余保护。
所述滤波单元包括电容C2、C5和C6，位浪涌保护器TVS1，其中C6为输入滤波电容，用于对所述电源开关控制信号进行滤波，以生成电源开关滤波信号；C2、C5和TVS1组成输出滤波电路，用于对第一供电单元和第二供电单元的输出信号进行滤波。
所述电源冗余热备单元与所述滤波单元相连，用于基于所述电源开关滤波信号选择所述第一供电单元或所述第二供电单元供电。
所述第一供电单元包括第二PMOS管Q2和电阻R7，所述第二PMOS管Q2的漏极接入所述电源开关滤波信号，栅极与所述电阻R7串联后接地，源极与负载相连；所述第二供电单元包括复合三极管Q3和电阻R6、R7；所述复合三极管Q3包括两个共基极的PNP型三极管，其发射极分别为复合三极管Q3的第一输入端和第二输入端，且所述第一输入端与所述第二PMOS管Q2的漏极相连，第二输入端与所述第二PMOS管Q2的源极相连；其中一个PNP型三极管的集电极与基极相连，再与电阻R6串联后接地；另一个PNP型三极管的集电极反馈控制Q2的栅极，并与所述电阻R7串联后接地。
当+5V的输入电源电压大于外部+5VD的负载电压时，Q3的第一输入端导通，同时电流通过第二PMOS管Q2的续流二极管流入Q3的第二输入端，接着流入电阻R7，并反馈控制Q2的栅极，与Q2组成一个电流源控制。随着外部负载的变化，调节电阻R7上的电流，达到控制Q2的导通电流；当+5V的输入电源电压小于外部+5VD的负载电压时，Q2截止，防止外部电流倒灌入，实现电源冗余功能。
所述第一供电单元支持热插拔功能。所述第二供电单元是所述第一供电单元的镜像电流源，用于在所述第一供电单元出现故障时接替所述第一供电单元工作，从而实现了电源系统的高可用性和连续性。在更换电源后，所述第一供电单元和第二供电单元协同工作。
综上所述，本发明的电源冗余保护电路利用较少的元器件实现了需要靠ADC电压检测、CPU运算判断和CPU输出才能实现的电源冗余保护功能；支持电源热插拔，实现了电源系统的高可用性和连续性；支持电源过压保护和欠压保护，保证了系统运行的稳定性和可靠性；实施方案简单，成本低。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电源冗余保护电路，其特征在于，包括电源状态检测单元、电源开关控制单元、电源冗余保护单元、第一供电单元和第二供电单元；
所述电源状态检测单元的输入端接入第一电源信号和第二电源信号，用于基于所述第一电源信号和所述第二电源信号输出电源状态检测信号；
所述电源开关控制单元与所述电源状态检测单元相连，用于基于所述电源状态检测信号输出电源开关控制信号；
所述电源冗余保护单元与所述电源开关控制单元相连，用于基于所述电源开关控制信号选择所述第一供电单元或所述第二供电单元供电，以实现电源冗余保护。
2.根据权利要求1所述的电源冗余保护电路，其特征在于，所述电源状态检测单元包括电压检测单元、参考电路单元和窗口比较器；
所述电压检测单元的输入端接入所述第一电源信号，用于基于所述第一电源信号确定电源过压保护和欠压保护的电压阈值；
所述参考电路单元的输入端接入所述第二电源信号，用于基于所述第二电源信号生成电源过压保护参考电压和欠压保护参考电压；
所述窗口比较器与所述电压检测单元和所述参考电路单元相连，通过比较所述过压保护参考电压和所述电压阈值的大小关系、所述欠压保护参考电压和所述电压阈值的大小关系输出电源状态检测信号；所述电源状态检测信号包括高电平信号和低电平信号。
3.根据权利要求2所述的电源冗余保护电路，其特征在于，所述过压保护参考电压大于所述欠压保护参考电压。
4.根据权利要求2所述的电源冗余保护电路，其特征在于，所述窗口比较器包括过压保护单元和欠压保护单元；
所述过压保护单元的正向端接入所述电压阈值，反向端接入所述过压保护参考电压，用于在所述电压阈值大于所述过压保护参考电压时输出所述高电平信号；
所述欠压保护单元的正向端接入所述欠压保护参考电压，反向端接入所述电压阈值，用于在所述电压阈值小于所述欠压保护参考电压时输出所述高电平信号。
5.根据权利要求2所述的电源冗余保护电路，其特征在于，所述窗口比较器用于在所述电压阈值大于所述欠压保护参考电压且小于所述过压保护参考电压时输出所述低电平信号。
6.根据权利要求1所述的电源冗余保护电路，其特征在于，所述电源开关控制单元包括三极管和第一PMOS管；所述三极管和所述第一PMOS管用于基于所述电源状态检测信号切换打开或关闭状态，以输出所述电源开关控制信号。
7.根据权利要求1所述的电源冗余保护电路，其特征在于，所述电源冗余保护单元包括滤波单元和电源冗余热备单元；
所述滤波单元包括滤波电容和位浪涌保护器，用于对所述电源开关控制信号进行滤波，以生成电源开关滤波信号；
所述电源冗余热备单元与所述滤波单元相连，用于基于所述电源开关滤波信号选择所述第一供电单元或所述第二供电单元供电。
8.根据权利要求7所述的电源冗余保护电路，其特征在于，所述第一供电单元包括第二PMOS管和电阻，所述第二PMOS管的漏极接入所述电源开关滤波信号，栅极与所述电阻串联后接地，源极与负载相连；所述第二供电单元包括复合三极管和所述电阻；所述复合三极管的第一输入端与所述第二PMOS管的漏极相连，第二输入端与所述第二PMOS管的源极相连，输出端与所述电阻串联后接地。
9.根据权利要求1所述的电源冗余保护电路，其特征在于，所述第二供电单元是所述第一供电单元的镜像电流源，用于在所述第一供电单元出现故障时接替所述第一供电单元工作。
10.根据权利要求1所述的电源冗余保护电路，其特征在于，所述第一供电单元支持热插拔功能。
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