CN203589835U - 一种余度供电计时切换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种余度供电计时切换电路，可实现供电电路的计时切换，从而提高了供电的精度控制。该电路包括主供电电源、备用电源、故障检测电路、复位电路、时钟计时器、开关控制电路、主开关电路、合并电路；主供电电源分别与故障检测电路和合并电路连接，备用电源通过主开关电路与合并电路连接，故障检测电路的输出端与复位电路的输入连接，复位电路的输出通过时钟计时器电路与开关控制电路连接，开关控制电路通过主开关电路与合并电路连接，合并电路的输出连接负载。本实用新型保证了开关切换速度，又确保在主供电工作时，备用供电“0”负载状态；可以根据实际需要调整电路局部参数来满足不同供电时间要求。

Description

一种余度供电计时切换电路

技术领域

本实用新型属于机载电源供电领域，具体涉及一种余度供电计时切换电路。

背景技术

机载电子产品供电均存在汇流条切换时产生的电源掉电，一般情况，掉电时间不大于50mS。传统供电设计时，采用大容量钽电容器进行储能设计，掉电时，通过储能电容为后端用电设备供电，这样大大增加电子设备的启动电流，体积重量，同时也降低了产品的可靠性。

发明内容

本实用新型的目的在于：提出一种余度供电故障处理方案，可实现供电电路的计时切换，从而提高了供电的精度控制。对机载余度供电具有非常强的普适性。

本实用新型的技术解决方案是：

一种余度供电计时切换电路，其特殊之处在于：包括主供电电源、备用电源、故障检测电路、复位电路、时钟计时器电路、开关控制电路、主开关电路以及合并电路；所述主供电电源分别与故障检测电路和合并电路连接，备用电源通过主开关电路与合并电路连接，故障检测电路的输出端与复位电路的输入连接，复位电路的输出通过时钟计时器电路与开关控制电路连接，开关控制电路通过主开关电路与合并电路连接，合并电路的输出连接负载。

上述故障检测电路包括依次串联的信号采集电路、信号比较电路、防尖峰延时电路以及连接在防尖峰延时电路输出端与信号比较电路输入端之间的防电压抖动电路，主供电电源与信号采集电路连接，防尖峰延时电路输出端连接至复位电路。

上述信号采集电路包括电阻R11、电阻R10和电容C7，主供电电源依次经过电阻R11和R10后接地，电阻R11和R10的共同节点a通过电容C7接地；

信号比较电路包括比较器U1A、电阻R9、电阻R1和电容C1，比较器U1A的负输入端通过电阻R9接基准源VDD，比较器U1A的输出端通过电阻R1接电源VCC，电阻R10和R11的共同节点a作为信号采集电路的输出端与比较器U1A的正输入端连接，U1A的正输入端通过电容C1与比较器U1A的输出连接；

防尖峰延时电路包括比较器U2B、二极管D1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、串联电阻R5、电阻R6、电阻R7和电容C2，比较器U1A的输出依次通过电阻R3和串联电阻R5与比较器U2B的负输入端连接，比较器U2B正输入端通过电阻R4接基准源VDD，比较器U2B正输入端通过电阻R6接比较器U2B的输出端，比较器U2B的输出端通过电阻R7接电源VCC，比较器U2B的输出端作为故障检测电路的输出端；电阻R3和串联电阻R5的共同节点通过电容C2接地；二极管D1的负端与比较器U1A的输出端连接，二极管D1的正端与电阻R2串联，二极管D1与电阻R2串联后并联在电阻R3的两端；

防电压抖动电路包括电阻R8和比较器U3C，比较器U3C正输入端接基准源VDD，U1A的正输入端通过电阻R8与比较器U3C的输出端连接，比较器U3C负输入端与比较器U2B的输出端连接。

上述复位电路包括反相器U4A、反相器U5B、与门U7A、电阻R12、电容C3、反相器U6C，故障检测电路的输出端作为反相器U4A的输入，反相器U4A、反相器U5B、电阻R12、反相器U6C依次顺序连接，反相器U6C的输出端作为与门U7A的一个输入，反相器U4A的输入作为与门U7A的另一个输入，电阻R12与反相器U6C的共同节点通过电容C3接地，与门U7A的输出端作为时钟计时器电路的复位端。

上述时钟计时器电路包括时钟发生器U8、计时器U9、与门电路U11A、反相器U12A、反相器U12B、电阻R16、电阻R14、电阻R15、电容C4和电容C5，时钟发生器U8的输出端与与门电路U11A的一个输入端连接，与门电路U11A的输出作为计时器U9的时钟信号，计时器U9的输出端与依次与反相器U12A、反相器U12B串联连接，与门电路U11A的另一个输入端连接至反相器U12B的输入端，反相器U12A的输出作为时钟计时器电路的输出，计时器U8的THR端依次通过电阻R15和电阻R14接电源VCC，电阻R15和电阻R14的共同连接端接至计时器U8的DIS端，计时器U8的TRI端通过电容C4接地，计时器U8的CON端通过电容C5接地，计时器U8的THR和TRI连接。

上述开关控制电路包括电平转换开关Q1、与门电路U11B、与门电路U11C、电阻R17和电阻R13，电平转换开关Q1的漏极接主开关电路的输入，电平转换开关Q1的源极接地，电平转换开关Q1的栅极通过电阻R17接地；与门电路U11B的两个输入端均通过电阻R13与VCC相连，与门电路U11B的输出端作为与门电路U11C的一个输入，时钟计时器电路的输出端与与门电路U11C的另一个输入连接，与门电路U11C的输出端与电平转换开关Q1的栅极连接。

上述主开关电路包括P沟道场效应管Q4、电阻R20、二极管D2、电阻R19、电阻R18和电容C6，开关控制电路的输出通过电阻R20与P沟道场效应管Q4的栅极连接，二极管D2和电阻R19并联后一端与P沟道场效应管Q4的栅极连接，另一端与P沟道场效应管Q4的源极连接，电阻R18与电容C6串联后跨接在与P沟道场效应管Q4的源极和漏极之间，P沟道场效应管Q4的漏极与合并电路连接，P沟道场效应管Q4的源极与备用电源连接。

上述合并电路包括二极管D3和二极管D4,主供电电源与二极管D3的正极相连，二极管D3的负极与负载连接，备用电源与二极管D4的正极相连，二极管D4的负极与负载连接。

二极管D3和二极管D4的负极均与瞬态抑制器D5的正极相连，瞬态抑制器D5的负极接地。

本实用新型的优点在于:

a.供电正常时，两路+28V供电（一路主供电，一路备用供电）非传统或门冗余关系，通过采用高速开关及动态响应dv/dt较好的开关管来控制供电关系，这样既保证了开关切换速度，又确保在主供电工作时，备用供电“0”负载状态；

b.采用精确的计时电路来控制备用供电源的供电时间，同时，根据实际需要调整电路局部参数来满足不同供电时间要求；

c.传统输入掉电保护电路采用大容量储能电容器来实现，这样导致在启动时，起动电流过大，导致系统供电异常；

d.判断主供电“假故障”；

e.可通过外部激励对电路进行自测试；

f.电路设计简单，通用性强，可靠性高，符合机载电子设备要求。

附图说明

图1为本实用新型原理框图；

图2为本实用新型更具体的原理框图；

图3为本实用新型的具体电路图。

具体实施方式

本实用新型的原理构架如图1所示。本实用新型包括主供电电源、备用电源、故障检测电路、复位电路、时钟计时器电路、开关控制电路、主开关电路以及合并电路；所述主供电电源分别与故障检测电路和合并电路连接，备用电源通过主开关电路与合并电路连接，故障检测电路的输出端与复位电路的输入连接，复位电路的输出通过时钟计时器电路与开关控制电路连接，开关控制电路通过主开关电路与合并电路连接，合并电路的输出连接负载。

本电路通过采用两路+28V供电（一路主供电电源，一路备用供电），备用供电选择蓄电池或其它供电。正常工作时，备用供电“0”负载状态，这样不会给备用电源增加负担；主供电故障时，短时间采用备用供电。

根据工程的实际需求，在主供电电压低于二次电源最低工作电压门限时，供电切换到备用供电电源，要求备用供电电源工作200mS处理重要信息。

本实用新型各部分电路具体实施图如图3所示。

主供电电源：+28VMAIN，备用电源:+28VBAK，内部供电电源VCC（+5V电源）及2.5V基准源VDD。

故障检测电路：

根据实际电路设置故障检测点，当主供电电压+28VMAIN小于最小电路供电电压VINMIN时，本电路的VINMIN为19.6V，故障检测电路会给出故障信号Fault Signal，供后级电路控制处理。

如图2，故障检测电路包括依次串联的信号采集电路、信号比较电路、防尖峰延时电路以及连接在防尖峰延时电路输出端与信号比较电路输入端之间的防电压抖动电路，主供电电源与信号采集电路连接，防尖峰延时电路输出端连接至复位电路。

信号采集电路包括电阻R11、电阻R10和电容C7，主供电电源依次经过电阻R11和R10后接地，电阻R11和R10的共同节点a通过电容C7接地；

信号比较电路包括比较器U1A、电阻R9、电阻R1和电容C1，比较器U1A的负输入端通过电阻R9接基准源VDD，比较器U1A的输出端通过电阻R1接电源VCC，电阻R10和R11的共同节点a作为信号采集电路的输出端与比较器U1A的正输入端连接，U1A的正输入端通过电容C1与比较器U1A的输出连接；

防尖峰延时电路包括比较器U2B、二极管D1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、串联电阻R5、电阻R6、电阻R7和电容C2，比较器U1A的输出依次通过电阻R3和串联电阻R5与比较器U2B的负输入端连接，比较器U2B正输入端通过电阻R4接基准源VDD，比较器U2B正输入端通过电阻R6接比较器U2B的输出端，比较器U2B的输出端通过电阻R7接电源VCC，比较器U2B的输出端作为故障检测电路的输出端；电阻R3和串联电阻R5的共同节点通过电容C2接地；二极管D1的负端与比较器U1A的输出端连接，二极管D1的正端与电阻R2串联，二极管D1与电阻R2串联后并联在电阻R3的两端；

防电压抖动电路包括电阻R8和比较器U3C，比较器U3C正输入端接基准源VDD，U1A的正输入端通过电阻R8与比较器U3C的输出端连接，比较器U3C负输入端与比较器U2B的输出端连接。

电阻R10和R11对供电进行采样分压，并与参考电压2.5V进行比较。电容C1对比较器U1A动态正反馈。同时，比较器U3C与电阻R8组成正反馈回路调节比较器U1A开关电压点，这样保证只有主供电稳定可靠时（本电路中只有主供电电压大于23V时，认为主供电稳定可靠），故障信号Fault Signal才为低，即无故障。供电正常时，比较器U1A输出为高电平，电容C2通过电阻R1和R3充电，供电故障时，电容C2通过电阻R2及二极管D1放电，电容充放电时间T=R*C*Ln（U/UO），这样一旦供电电压有尖峰，故障检测电路不会给出“假故障”。

也可通过外部给出U.V.T低电平信号，用于对故障检测电路功能测试。

复位电路

复位电路主要由差分延时系统组成，复位电路包括反相器U4A、反相器U5B、与门U7A、电阻R12、电容C3、反相器U6C，故障检测电路的输出端作为反相器U4A的输入，反相器U4A、反相器U5B、电阻R12、反相器U6C依次顺序连接，反相器U6C的输出端作为与门U7A的一个输入，反相器U4A的输入作为与门U7A的另一个输入，电阻R12与反相器U6C的共同节点通过电容C3接地，与门U7A的输出端作为时钟计时器电路的复位端。

电路正常工作时，故障信号Fault Signal为低电平，因此，此信号经过门电路处理后在与Fault Signal进行或，产生一个低电平Reset信号，当供电故障时，Fault Signal为高电平，但由于电容C3要通过电阻R12充电，电容充电时间按照公式

计算，所以门电路U6C输出保持为高电平，那么Reset信号为高，高电平时间由RC网络R12/C3决定。当供电再次稳定时，Reset信号仍然为低电平。

时钟计时器电路：

时钟计时器电路包括时钟发生器U8、计时器U9、与门电路U11A、反相器U12A、反相器U12B、电阻R16、电阻R14、电阻R15、电容C4和电容C5，时钟发生器U8的输出端与与门电路U11A的一个输入端连接，与门电路U11A的输出作为计时器U9的时钟信号，计时器U9的输出端与依次与反相器U12A、反相器U12B串联连接，与门电路U11A的另一个输入端连接至反相器U12B的输入端，反相器U12A的输出作为时钟计时器电路的输出，计时器U8的THR端依次通过电阻R15和电阻R14接电源VCC，电阻R15和电阻R14的共同连接端接至计时器U8的DIS端，计时器U8的TRI端通过电容C4接地，计时器U8的CON端通过电容C5接地，计时器U8的THR和TRI连接。

在供电故障时，计时器U9通过组合电路产生一路开关控制信号，此信号能够使开关控制电路保持闭合状态大约250ms,同时向外部提供供电掉电离散量输出信号U.V.S。复位信号RESET高电平有效后，计时器U9开始计时时钟脉冲。

时钟发生器U8保持连续工作，时钟的输出信号与计数器的最后一个状态通过门电路进行与关系。若计时器最后一个状态输出为高电平，通过门电路U12A后为低电平，再和时钟输出进行与，只要计时器输出为高，门电路U11A输出就为低。

计时器U9接收到复位脉冲信号RESET后，计时器U9的Q11输出端为低，反相器U12A输出为高。计时器U9开始根据来自时钟发生器U8的时钟开始计时，当最后一个状态Q11变换为高电平时，计时器U9的时钟信号通过与门电路U11A被锁定，此状态直到下一个RESET信号有效后才被改变。U12B作为输出缓冲器，在供电掉电故障时，提供一个250ms故障输出信号，供外部设备进行处理。

时钟发生器U8工作中保持连续振荡工作，时钟采用INTERSIL公司ICM7556MJD芯片，振荡频率由电阻R14和R15，以及电容C4控制，时钟频率f由以下公式决定：

$f=\frac{1.46}{(R14+2R15)C4}$

时钟占空比D根据以下公式计算：

$D=\frac{R14}{(R14+2R15)}$

本电路时钟频率f=8.7KHz，占空比D=33.3%。电容C5对时钟控制电压进行滤波处理。

开关控制电路

开关控制电路完成电平转换功能。开关控制电路包括电平转换开关Q1（N沟道场效应管）、与门电路U11B、与门电路U11C、电阻R17和电阻R13，电平转换开关Q1的漏极接主开关电路的输入，电平转换开关Q1的源极接地，电平转换开关Q1的栅极通过电阻R17接地；与门电路U11B的两个输入端均通过电阻R13与VCC相连，与门电路U11B的输出端作为与门电路U11C的一个输入，时钟计时器电路的输出端与与门电路U11C的另一个输入连接，与门电路U11C的输出端与电平转换开关Q1的栅极连接。

与门电路U11B和与门电路U11C为缓冲器。开关控制信号SCS通过与门电路来控制电平转换开关Q1通断，而主开关管的开关状态取决与Q1，当开关控制信号SCS为高电平时，开关管Q1导通，主开关控制信号MSCS为低电平。

主开关电路

主开关电路，在主供电掉电故障时，备用供电能够及时有效的切换进来供电。它受控于逻辑电路，并且按照计时电路预先设置的导通时间闭合导通，之后，将会打开。主开关电路包括P沟道场效应管Q4、电阻R20、二极管D2、电阻R19、电阻R18和电容C6，开关控制电路的输出通过电阻R20与P沟道场效应管Q4的栅极连接，二极管D2和电阻R19并联后一端与P沟道场效应管的栅极连接，另一端与P沟道场效应管Q4的栅极连接，电阻R18与电容C6串联后跨接在与P沟道场效应管Q4的源极和漏极之间，P沟道场效应管Q4的漏极与合并电路连接，P沟道场效应管Q4的源极与备用电源连接。

主开关管采用P沟道场效应管Q4，MSCS信号通过电阻R20控制开关管Q4，若电阻R20接地，即Q4栅极电压为低电平时，开关管Q4导通。稳压管D2将栅源极电压钳制在12V，当开关管Q4断开状态下，电阻R20为开路，栅源极电压为0V。电阻R4和电容C3组成RC网络用于去除开关开通或关断时产生的尖峰。

合并电路

合并电路包括二极管D3和二极管D4，主供电电源+28VMAIN通过一个二极管D3进行余度供电，备用电源+28VBAK通过一个二极管D4进行余度供电。主供电电源与二极管D3的正极相连，二极管D3的负极与负载连接，备用电源与二极管D4的正极相连，二极管D4的负极与负载连接。

二极管D3和二极管D4的负极均与瞬态抑制器D5的正极相连，瞬态抑制器D5的负极接地。瞬态抑制器D5抑制开关管在开关时产生的电压尖峰，电路正常工作时，主供电经过二极管D3产生后级供电+28VDC，此时，二极管D4不参与工作，D4只在主开关管闭合时才开始工作。

Claims (9)

1.一种余度供电计时切换电路，其特征在于：包括主供电电源、备用电源、故障检测电路、复位电路、时钟计时器电路、开关控制电路、主开关电路以及合并电路；所述主供电电源分别与故障检测电路和合并电路连接，备用电源通过主开关电路与合并电路连接，故障检测电路的输出端与复位电路的输入连接，复位电路的输出通过时钟计时器电路与开关控制电路连接，开关控制电路通过主开关电路与合并电路连接，合并电路的输出连接负载。

2.根据权利要求1所述的余度供电计时切换电路，其特征在于：故障检测电路包括依次串联的信号采集电路、信号比较电路、防尖峰延时电路以及连接在防尖峰延时电路输出端与信号比较电路输入端之间的防电压抖动电路，主供电电源与信号采集电路连接，防尖峰延时电路输出端连接至复位电路。

3.根据权利要求2所述的余度供电计时切换电路，其特征在于：

信号采集电路包括电阻R11、电阻R10和电容C7，主供电电源依次经过电阻R11和R10后接地，电阻R11和R10的共同节点a通过电容C7接地；

信号比较电路包括比较器U1A、电阻R9、电阻R1和电容C1，比较器U1A的负输入端通过电阻R9接基准源VDD，比较器U1A的输出端通过电阻R1接电源VCC，电阻R10和R11的共同节点a作为信号采集电路的输出端与比较器U1A的正输入端连接，U1A的正输入端通过电容C1与比较器U1A的输出连接；

防尖峰延时电路包括比较器U2B、二极管D1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、串联电阻R5、电阻R6、电阻R7和电容C2，比较器U1A的输出依次通过电阻R3和串联电阻R5与比较器U2B的负输入端连接，比较器U2B正输入端通过电阻R4接基准源VDD，比较器U2B正输入端通过电阻R6接比较器U2B的输出端，比较器U2B的输出端通过电阻R7接电源VCC，比较器U2B的输出端作为故障检测电路的输出端；电阻R3和串联电阻R5的共同节点通过电容C2接地；二极管D1的负端与比较器U1A的输出端连接，二极管D1的正端与电阻R2串联，二极管D1与电阻R2串联后并联在电阻R3的两端；

防电压抖动电路包括电阻R8和比较器U3C，比较器U3C正输入端接基准源VDD，U1A的正输入端通过电阻R8与比较器U3C的输出端连接，比较器U3C负输入端与比较器U2B的输出端连接。

4.根据权利要求1-3任一所述的余度供电计时切换电路，其特征在于：复位电路包括反相器U4A、反相器U5B、与门U7A、电阻R12、电容C3、反相器U6C，故障检测电路的输出端作为反相器U4A的输入，反相器U4A、反相器U5B、电阻R12、反相器U6C依次顺序连接，反相器U6C的输出端作为与门U7A的一个输入，反相器U4A的输入作为与门U7A的另一个输入，电阻R12与反相器U6C的共同节点通过电容C3接地，与门U7A的输出端作为时钟计时器电路的复位端。

5.根据权利要求1所述的余度供电计时切换电路，其特征在于：时钟计时器电路包括时钟发生器U8、计时器U9、与门电路U11A、反相器U12A、反相器U12B、电阻R16、电阻R14、电阻R15、电容C4和电容C5，时钟发生器U8的输出端与与门电路U11A的一个输入端连接，与门电路U11A的输出作为计时器U9的时钟信号，计时器U9的输出端与依次与反相器U12A、反相器U12B串联连接，与门电路U11A的另一个输入端连接至反相器U12B的输入端，反相器U12A的输出作为时钟计时器电路的输出，计时器U8的THR端依次通过电阻R15和电阻R14接电源VCC，电阻R15和电阻R14的共同连接端接至计时器U8的DIS端，计时器U8的TRI端通过电容C4接地，计时器U8的CON端通过电容C5接地，计时器U8的THR和TRI连接。

6.根据权利要求1所述的余度供电计时切换电路，其特征在于：所述开关控制电路包括电平转换开关Q1、与门电路U11B、与门电路U11C、电阻R17和电阻R13，电平转换开关Q1的漏极接主开关电路的输入，电平转换开关Q1的源极接地，电平转换开关Q1的栅极通过电阻R17接地；与门电路U11B的两个输入端均通过电阻R13与VCC相连，与门电路U11B的输出端作为与门电路U11C的一个输入，时钟计时器电路的输出端与与门电路U11C的另一个输入连接，与门电路U11C的输出端与电平转换开关Q1的栅极连接。

7.根据权利要求1所述的余度供电计时切换电路，其特征在于：主开关电路包括P沟道场效应管Q4、电阻R20、二极管D2、电阻R19、电阻R18和电容C6，开关控制电路的输出通过电阻R20与P沟道场效应管Q4的栅极连接，二极管D2和电阻R19并联后一端与P沟道场效应管Q4的栅极连接，另一端与P沟道场效应管Q4的源极连接，电阻R18与电容C6串联后跨接在与P沟道场效应管Q4的源极和漏极之间，P沟道场效应管Q4的漏极与合并电路连接，P沟道场效应管Q4的源极与备用电源连接。

8.根据权利要求1所述的余度供电计时切换电路，其特征在于：合并电路包括二极管D3和二极管D4,主供电电源与二极管D3的正极相连，二极管D3的负极与负载连接，备用电源与二极管D4的正极相连，二极管D4的负极与负载连接。

9.根据权利要求8所述的余度供电计时切换电路，其特征在于：二极管D3和二极管D4的负极均与瞬态抑制器D5的正极相连，瞬态抑制器D5的负极接地。

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