CN115864315A - 一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，该方法包括步骤S1：利用电源管理模块实现对通道的通断控制；步骤S2：利用ADC检测通道输出的电压及电流参数，实现电源功能自动监测；步骤S3：通过比较器实现通道的欠压和过压保护；在该方法中通过中控FPGA以及MOSFET管的组合电路设计，配合电源管理模块实现通道控制，选用合适的ADC及外部匹配电阻，精确测量及转换检测参数；合理选取电阻参数和设计外部电路，以设定保护临界点；通过软件流程，实现电源设备的自动控制和工作状态监测；本发明电路设计简单，便于多通道集成，使用器件通用且常见，便于集成与压缩成本，功能多样，电路集成度高，可满足多种设备使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及量子测控系统领域，尤其涉及一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法。
背景技术
量子测控系统中，具备多机箱设备联调工作情况。这时就产生了一个能支持多设备供电的同时，可以对各供电通道进行控制与监测的需求。因为在多设备系统中，引起系统工作异常的原因是复杂而难以排查的，这时就需要对各设备的工作状况（工作电压、电流）进行监测，以初步提供需排查范围。同时为了防止个别设备的工作异常或损坏导致其余设备被牵连，供电设备的各通道一者需要相互间隔离；二者需要添加过压、欠压、过流等保护措施。
现有方案测控系统中各机箱设备内置电源转换模块，将外部输入的220V交流电源转换为机箱所需供电。同时在板卡内部，通过电路设计拓展供电参数监测功能。
现有缺点对量子测控应用而言，机箱内置大功率电源模块首先会引入电磁干扰，对设备的指标参数造成很大影响；其次对于1U机箱，在结构受限的条件下，一者不利于各设备内部器件布局，二者电源的热耗也会导致机箱在狭窄的空间内散热困难，从而影响机箱整体工作。在板卡内部通过电路设计拓展供电参数监测功能，则会增加板子PCB面积与电路复杂度，不利于器件集成；同时每个机箱都增添同一功能电路也会造成资源的浪费与电路的臃肿。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法。
本发明所采用的技术方案是，该方法包括：
步骤S1：利用电源管理模块实现对通道的通断控制；
步骤S2：利用ADC检测通道输出的电压及电流参数，实现电源功能自动监测；
步骤S3：通过比较器实现通道的欠压和过压保护。
进一步地，所述利用电源管理模块实现对通道的通断控制，该步骤实现的核心功能部件为电源管理模块、隔离光耦、PNP型三极管、MOSFET管、二极管组成；
上位机发送开通指令，通过控制板向开关板传输一个高电平，该电平通过隔离光耦转换成低电平，PNP型三极管基极接收低信号导通，将电源管理模块控制管脚SHUTDOWN拉高，此时电源管理模块的GATE放大器识别IN到OUT的电流，并驱动MOSFET栅极，将正向电压调节到30mV，随着负载电流的增大，GATE被升高，直到达到MOSFET完全打开的点。
进一步地，所述电平通过隔离光耦转换成低电平，实现通道与控制板的隔离、多通道间相互的隔离，防止各机箱信号的串扰。
进一步地，所述利用ADC检测通道输出的电压及电流参数，实现电源功能自动监测，该步骤实现的核心功能部件是由一片双通道ADC芯片、电流电压转换芯片和精密采样电阻组成；
检测通道的电源输入在经过通道开断控制电路后，分别分出两个并联支路，一路通过电阻分压至ADC通道二进行电压监测，防止输入电压超出ADC采样电压范围导致器件损坏；一路通过电流电压转换芯片，将经过采样电阻R的电流转换为电压传输至ADC通道一进行电流监测，根据串联电路电流相同的原理，通过高精度电阻将需监测电流参数转换为电压参数，间接监测通道电流。
进一步地，所述ADC选用仅可采集电压，且输入范围有限的类型。
进一步地，监测通道电压，表达式为：
其中，v表示监测通道电压上的电压，v2表示ADC通道二上的电压，R1和R2均表示采样电阻；
监测通道电流，表达式为：
其中，I表示监测通道上的电流，v1表示ADC通道一上的电压，R表示采样电阻。
进一步地，所述通过比较器实现通道的欠压和过压保护，该步骤实现的核心功能部件是一片双通道电压比较器、稳压二极管和电阻组成；
通过稳压二极管将通道输入电压V稳定至二极管电压，给比较器一个基准电压，再通过电阻对输入电压进行分压，确定欠压和过压基准线VM和Vm。
有益效果：
本发明提出一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，在该方法中通过中控FPGA以及MOSFET管的组合电路设计，配合电源管理模块实现通道控制，选用合适的ADC及外部匹配电阻，精确测量及转换检测参数；合理选取电阻参数和设计外部电路，以设定保护临界点；通过软件流程，实现电源设备的自动控制和工作状态监测；本发明电路设计简单，便于多通道集成，使用器件通用且常见，便于集成与压缩成本，功能多样，电路集成度高，可满足多种设备使用需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明方法步骤流程图；
图2为本发明通道控制功能图；
图3为本发明自动监测框架图；
图4为本发明欠压和过压保护原理图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和有具体实施例对本申请作进一步详细说明。
如图1所示，一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，该方法包括：
步骤S1：利用电源管理模块实现对通道的通断控制；
步骤S2：利用ADC检测通道输出的电压及电流参数，实现电源功能自动监测；
步骤S3：通过比较器实现通道的欠压和过压保护。
实施例1：
利用电源管理模块实现对通道的通断控制；电源供电控制，可将功能集成到各机箱内部，通过物理开关手动开断，但一者不方便使用，无法远程控制；二者无法多机箱统一开断，关断过程耗时且繁琐。
设计的通道控制功能如图2所示：
该步骤的核心为电源管理模块、隔离光耦、PNP型三极管、MOSFET管、二极管组成，其原理如下。
上位机发送开通指令，通过控制板向开关板传输一个高电平，该电平通过隔离光耦转换成低电平（这一步骤主要实现通道与控制板的隔离，进而实现多通道间相互的隔离，防止各机箱信号的串扰），PNP型三极管基极接收低信号导通，将电源管理模块控制管脚SHUTDOWN拉高，此时电源管理模块的GATE放大器识别IN到OUT的电流，并驱动MOSFET栅极，将正向电压调节到30mV。随着负载电流的增大，GATE被升高，直到达到MOSFET完全打开的点。
此时，串联在电源输出路径上的二极管起一个防止电流倒灌的作用，并且若将一个MOSFET管改成双MOSFET管串联，则可以增加电源防反接功能。
当关断通道时，则由控制板输出一个低电平，其余过程与开通功能相反。
将虚线框中电路进行多通道集成，借由上位机与控制板统一控制，实现多机箱供电的统一控制。
实施例2：
利用ADC检测通道输出的电压及电流参数，实现电源功能自动监测；
步骤的核心是由一片双通道ADC芯片、电流电压转换芯片和精密采样电阻组成，其原理架构如图3所示：
在设计中，基于供电设备仅为辅助机箱，非量子系统核心功能，因此基于减少成本的目的，核心器件双通道ADC选用仅可采集电压，且输入范围有限的类型。基于ADC特性，每个通道的电源输入在经过通道开断控制电路后，分别分出两个并联支路。一路通过电阻分压至ADC通道二进行电压监测，此目的是为了防止输入电压超出ADC采样电压范围导致器件损坏；一路通过电流电压转换芯片，将经过采样电阻R的电流转换为电压传输至ADC通道一进行电流监测，根据串联电路电流相同的原理，通过高精度电阻将需监测电流参数转换为电压参数，间接监测通道电流。
此时监测通道电压为：
监测通道电流为：
实施例3：
通过比较器实现通道的欠压和过压保护。步骤核心是一片双通道电压比较器、稳压二极管和大量电阻，其原理如图4所示：
通过稳压二极管将通道输入电压V稳定至二极管电压，从而给比较器一个基准电压，再通过电阻对输入电压进行分压，确定欠压和过压基准线V。
此时欠压保护触发电压值Vm为：
过压保护触发电压值VM为
将V1、V2输入给比较器与基准电压二极管电压比较，当V1或V2=二极管电压时，可确定出通道欠压、过压保护的临界值Vm、VM，此数值可通过调节电阻阻值根据要求随意更改。
当Vm＜V＜VM时，V1＞二极管电压，V2＜二极管电压，比较器A、B通道V[A;B]1＞V[A;B]2，[A;B]out输出高电平，传送给FPGA告知上位机通道工作正常。
当V＜Vm时，V1＜二极管电压，此时比较器A通道VA1＜VA2，Aout输出低电平，传送给FPGA告知上位机通道触发欠压保护。
当V＞VM时，V2＞二极管电压，此时比较器B通道VB1＜VB2，Bout输出低电平，传送给FPGA告知上位机通道触发过压保护。
此时根据上位机警告，设备通过通道开断功能可及时、自动响应，关断该通道供电，从而保护被供电设备，防止器件或机箱由于供电超出正常供电范围而损坏。
在该方法中通过中控FPGA以及MOSFET管的组合电路设计，配合电源管理模块实现通道控制，选用合适的ADC及外部匹配电阻，精确测量及转换检测参数；合理选取电阻参数和设计外部电路，以设定保护临界点；通过软件流程，实现电源设备的自动控制和工作状态监测；本发明电路设计简单，便于多通道集成，使用器件通用且常见，便于集成与压缩成本，功能多样，电路集成度高，可满足多种设备使用需求。
在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (7)
1.一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，其特征在于，该方法包括：
步骤S1：利用电源管理模块实现对通道的通断控制；
步骤S2：利用ADC检测通道输出的电压及电流参数，实现电源功能自动监测；
步骤S3：通过比较器实现通道的欠压和过压保护。
2.如权利要求1所述的一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，其特征在于，所述利用电源管理模块实现对通道的通断控制，该步骤实现的核心功能部件为电源管理模块、隔离光耦、PNP型三极管、MOSFET管、二极管组成；
上位机发送开通指令，通过控制板向开关板传输一个高电平，该电平通过隔离光耦转换成低电平，PNP型三极管基极接收低信号导通，将电源管理模块控制管脚SHUTDOWN拉高，此时电源管理模块的GATE放大器识别IN到OUT的电流，并驱动MOSFET栅极，将正向电压调节到30mV，随着负载电流的增大，GATE被升高，直到达到MOSFET完全打开的点。
3.如权利要求2所述的一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，其特征在于，所述电平通过隔离光耦转换成低电平，实现通道与控制板的隔离、多通道间相互的隔离，防止各机箱信号的串扰。
4.如权利要求1所述的一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，其特征在于，所述利用ADC检测通道输出的电压及电流参数，实现电源功能自动监测，该步骤实现的核心功能部件是由一片双通道ADC芯片、电流电压转换芯片和精密采样电阻组成；
检测通道的电源输入在经过通道开断控制电路后，分别分出两个并联支路，一路通过电阻分压至ADC通道二进行电压监测，防止输入电压超出ADC采样电压范围导致器件损坏；一路通过电流电压转换芯片，将经过采样电阻R的电流转换为电压传输至ADC通道一进行电流监测，根据串联电路电流相同的原理，通过高精度电阻将需监测电流参数转换为电压参数，间接监测通道电流。
5.如权利要求4所述的一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，其特征在于，所述ADC选用仅可采集电压，且输入范围有限的类型。
6.如权利要求4所述的一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，其特征在于，监测通道电压，表达式为：
其中，V表示监测通道电压上的电压，V2表示ADC通道二上的电压，R1和R2均表示采样电阻；
监测通道电流，表达式为：
其中，I表示监测通道上的电流，V1表示ADC通道一上的电压，R表示采样电阻。
7.如权利要求1所述的一种具备多路隔离与参数监测的整机供电方法，其特征在于，所述通过比较器实现通道的欠压和过压保护，该步骤实现的核心功能部件是一片双通道电压比较器、稳压二极管和电阻组成；
通过稳压二极管将通道输入电压V稳定至二极管电压，给比较器一个基准电压，再通过电阻对输入电压进行分压，确定欠压和过压基准线VM和Vm.。
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