CN206684527U - 一种高可靠异构式双冗余开关电路 - Google Patents
一种高可靠异构式双冗余开关电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种高可靠异构式双冗余开关电路，包括双冗余的两个开关电路，每个开关电路均包括数字隔离芯片、RC滤波电路、继电器及外围保护电路。两个开关电路采用不同类型的继电器：固态继电器与电磁继电器，两个开关电路并联，输出最终的开关信号。其中一路开通时即可保证设备的开启。本实用新型通过由数字隔离芯片与继电器组成的两级电平放大电路提高了信号的驱动能力，实现以弱电信号控制强电信号开关的作用；通过多重隔离设计，保证后端发生的任何类型的故障均不会影响信号前端以及相关电源输入端正常工作；通过异构式双冗余的两个电路同步工作，保证受控设备的可靠开通和关断。
Description
技术领域
本实用新型属于一种开关控制电路，具体涉及一种高可靠异构式双冗余开关电路，适用于在可靠性要求较高的场合通过控制芯片控制后端设备开通与关断的场合。
背景技术
在汽车、轮船、飞行器等载人领域，产品可靠性的高低直接影响生命和财产安全。为提高产品可靠性，需要加大关键部件的安全系数，而作为系统核心的电气控制系统，其电路设计是否具有足够的可靠性至关重要。
在由DSP、MCU等主控芯片发出开关电平信号，控制后端驱动电路、仪器仪表、电机锁、照明系统等相关电路或设备可靠开通或关断的场合，需要设计一个开关电路将主控芯片输出的数字控制信号转换为开关电平信号。传统设计方案中，设计一路开关电路实现上述功能，一旦开关电路故障，则导致系统无法工作。随着可靠性需求的提升，开始设计冗余的开关电路实现上述功能，但是现有设计中对每一路开关电路的隔离度设计不足，当电路中某些部件失效时，容易产生大电流导致其他器件损坏；同时给主控芯片以及与该电路共用电源的其他电路引入噪声。由于主控芯片同时肩负着其他大量的控制任务，一旦引入噪声，则会影响主控芯片正常工作，从而降低整个电气控制系统的可靠性。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高可靠异构式双冗余开关电路，将来自主控芯片的+3.3V数字控制信号变换为与原信号完全隔离的+28V数字信号，且在其中一路发生故障时能够保证系统的可靠开通与关断，同时将故障进行有效隔离，避免对其他电路或主控芯片造成影响，提高了整个电气控制系统的可靠性。
本实用新型的技术解决方案是：一种高可靠异构式双冗余开关电路，包括第一开关电路和第二开关电路，第一开关电路和第二开关电路互为冗余；
第一开关电路包括数字隔离芯片U1、电阻R1、电阻R2、电容C1、继电器U2、熔断器Fuse1以及续流二极管D1；
数字隔离芯片U1的管脚VDD1与外部+3.3V供电电源连接，管脚VDD2与外部+5V供电电源连接，管脚A1与主控芯片输出的控制信号连接，管脚GND1接+3.3V供电电源对应的地，管脚GND2接+5V供电电源对应的地，管脚B1与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端、电容C1的一端以及继电器U2的管脚IN+连接，电阻R2的另一端、电容C1的另一端以及固态继电器U2的管脚IN-均与+5V供电电源对应的地连接，继电器U2的管脚IN1和IN2同时与熔断器Fuse1的一端连接，熔断器Fuse1的另一端与外部+28V供电电源连接，继电器U2的管脚OUT1和OUT2相连后，一方面作为输出端O1，另一方面与续流二极管D1的阴极连接，续流二极管D1的阳极与+28V供电电源对应的地连接；
第二开关电路包括数字隔离芯片U3、电阻R3、电阻R4、电容C2、继电器U4、熔断器Fuse2以及续流二极管D2；
数字隔离芯片U3的管脚VDD1与外部+3.3V供电电源连接，管脚VDD2与外部+5V供电电源连接，管脚A1与主控芯片输出的控制信号连接，管脚GND1接+3.3V供电电源对应的地，管脚GND2接+5V供电电源对应的地，管脚B1与电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端同时与电阻R4的一端、电容C2的一端以及继电器U4的管脚IN+连接，电阻R4的另一端、电容C2的另一端以及继电器U4的管脚IN-均与+5V供电电源对应的地连接，继电器U4的管脚IN1和IN2同时与熔断器Fuse2的一端连接，熔断器Fuse2的另一端与外部+28V供电电源连接，继电器U4的管脚OUT1和OUT2相连后，一方面作为输出端O2，另一方面与续流二极管D2的阴极连接，续流二极管D2的阳极与+28V供电电源对应的地连接；
第一开关电路的输出端O1和第二开关电路的输出端O2连接后，作为双冗余开关电路的输出端Ctrl。
所述第一开关电路的继电器U2和第二开关电路的继电器U4的类型不同，第一开关电路的继电器U2为固态继电器或电磁继电器，第二开关电路的继电器U4为电磁继电器或固态继电器。
所述第一开关电路连接的外部+5V供电电源与第二开关电路连接的外部+5V供电电源相互隔离。
所述第一开关电路和第二开关电路的数字隔离芯片均采用射频型数字隔离芯片。
本实用新型与现有电路相比，具有以下优点：
(1)通过两级电平放大电路(3.3V到5V，5V到28V)提高了信号的驱动能力，实现以弱电信号控制强电信号开关的作用。
(2)通过数字隔离芯片和继电器的双重隔离设计，将电路中的故障进行有效隔离，保证开关电路中发生任何类型的故障均不会对其他电路或主控芯片造成影响，同时继电器的外围保护电路在电流过大时通过烧断熔断器切断电源与继电器内部放大电路的联系，在电路故障时为故障电流提供一个放电回路，防止大电流造成器件损坏，提高了整个电气控制部分的可靠性。
(3)两个开关电路的继电器类型不同，构成异构式双冗余的两个电路，降低了两个开关电路同时失效的可能性；两个开关电路输入的+5V供电电源相互隔离，保证两个电路相互独立，同步工作，从而有效确保了受控设备的可靠开通和关断。
附图说明
图1为信号变换过程实现框图；
图2为本实用新型电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行说明。
本实用新型提供一种高度隔离的、异构式双冗余的开关电路，将控制芯片发出的+3.3V的数字控制信号变换为与原信号完全隔离的+28V数字信号，用于后端需要高电平开关信号的设备的开关控制。两个余度开关电路互相冗余，并采用不同类型的继电器，在其中一路发生故障时能够保证系统的可靠开通与关断。
如图1所示，本实用新型包括互为冗余的第一开关电路和第二开关电路。两路开关电路均包括数字隔离芯片、RC滤波电路、继电器及其外围保护电路。数字隔离芯片的输入端接入主控芯片输出的+3.3V数字控制信号，输出端向RC滤波电路的输入端输出+5V数字信号，RC滤波电路的输出端接入继电器的信号输入端，继电器的电源输入端及信号输出端分别接外围保护电路。两个开关电路的继电器输出端连接后，向后端电路或设备输出+28V数字驱动信号。
其中数字隔离芯片的源端采用+3.3V电源进行供电，输出端采用+5V进行供电，继电器隔离开关电路采用+28V供电。
具体电路图如图2所示。
第一开关电路包括数字隔离芯片U1、电阻R1、电阻R2、电容C1、继电器U2、熔断器Fuse1以及续流二极管D1。其中电阻R1、电阻R2、电容C1构成RC滤波电路，熔断器Fuse1以及续流二极管D1为继电器外围保护电路。
数字隔离芯片U1的管脚VDD1与外部+3.3V供电电源连接，管脚VDD2与外部+5V供电电源连接，管脚A1与主控芯片输出的控制信号连接，管脚GND1接+3.3V供电电源对应的地，管脚GND2接+5V供电电源对应的地，管脚B1与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端、电容C1的一端以及继电器U2的管脚IN+连接，电阻R2的另一端、电容C1的另一端以及固态继电器U2的管脚IN-均与+5V供电电源对应的地连接，继电器U2的管脚IN1和IN2同时与熔断器Fuse1的一端连接，熔断器Fuse1的另一端与外部+28V供电电源连接，继电器U2的管脚OUT1和OUT2相连后，一方面作为输出端O1，另一方面与续流二极管D1的阴极连接，续流二极管D1的阳极与+28V供电电源对应的地连接。
第二开关电路包括数字隔离芯片U3、电阻R3、电阻R4、电容C2、继电器U4、熔断器Fuse2以及续流二极管D2。其中电阻R3、电阻R4、电容C2构成RC滤波电路，熔断器Fuse2以及续流二极管D2为继电器外围保护电路。
数字隔离芯片U3的管脚VDD1与外部+3.3V供电电源连接，管脚VDD2与外部+5V供电电源连接，管脚A1与主控芯片输出的控制信号连接，管脚GND1接+3.3V供电电源对应的地，管脚GND2接+5V供电电源对应的地，管脚B1与电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端同时与电阻R4的一端、电容C2的一端以及继电器U4的管脚IN+连接，电阻R4的另一端、电容C2的另一端以及继电器U4的管脚IN-均与+5V供电电源对应的地连接，继电器U4的管脚IN1和IN2同时与熔断器Fuse2的一端连接，熔断器Fuse2的另一端与外部+28V供电电源连接，继电器U4的管脚OUT1和OUT2相连后，一方面作为输出端O2，另一方面与续流二极管D2的阴极连接，续流二极管D2的阳极与+28V供电电源对应的地连接。
第一开关电路的输出端O1和第二开关电路的输出端O2连接后，作为双冗余开关电路的输出端Ctrl。
第一开关电路连接的外部+5V供电电源与第二开关电路连接的外部+5V供电电源相互隔离。
本实用新型的主要设计思路如下：
1)射频型数字隔离芯片与继电器串联，实现信号的两级放大及双重隔离
本实用新型中使用的数字隔离芯片选用射频型数字隔离芯片，该芯片通过射频隔离技术传递无线信号，信号的转换和传递速度很快，尺寸通常能做得很小，功耗低，传播速度快，且具有很高的共模瞬态抗扰度。在恶劣条件下能够保护系统免受各种原因造成的电压、电流突变的影响。加之本实用新型对数字隔离芯片的输入输出端进行完全独立供电，避免了隔离放大得到的数字信号与原边信号及系统中的其他信号相互干扰。
通过射频型数字隔离芯片的隔离作用以及RC滤波电路，成功建立了驱动信号与原控制信号的非直接导线连接，实现了以下三个方面的功能：
信号的快速传输及电平从+3.3V到+5V的放大；
输出信号与主控芯片输出的原控制信号间的故障隔离；
屏蔽大部分的噪声干扰。
而继电器是一种具有隔离功能的自动开关元件，能够实现小电流对大电流的开关控制。以射频型数字隔离芯片输出的+5V信号控制继电器的开通和关断，加以+28V的供电电源，即可得到+28V电平的开关控制信号。
本实用新型中采用射频型数字隔离芯片与继电器组合，实现数字信号的两步放大，同时通过两种不同隔离器件的优缺点互补实现原控制信号与最终输出的驱动信号的高度隔离。
2)设置继电器外围保护电路，提供故障隔离作用
本实用新型在继电器的电源输入端和信号输出端分别设置了熔断器和续流二极管，组成了继电器的外围保护电路，如图2所示。在电流过大时通过烧断熔断器从而切断电源与继电器内部放大电路的联系，而在输出端设置续流二极管能在电路故障时为故障电流提供一个放电回路，防止大电流造成器件损坏。
3)两路冗余开关电路采用不同类型的继电器，实现异构式冗余
以上每一路开关电路，其失效模式包括芯片失效、电阻电容失效、电源失效等，结合电路组成分析各种失效模式造成的结果，得到如下结论：主控芯片输出的数字控制信号为高电平信号而开关电路最终输出低电平信号的可能性远大于主控芯片输出的数字控制信号为低电平信号而开关电路最终输出高电平信号的可能性。
本实用新型采用两路冗余的开关电路并联，由于继电器的开关性质，只要其中一个电路输出高电平信号，最终输出则为高电平的开启信号，因此，本实用新型能够在其中一个余度电路因电容短路、芯片失效等原因出现误关断时保证后端设备的安全开通。
本实用新型中其中一路开关电路的继电器采用固态继电器，另一路开关电路的继电器采用电磁继电器。固态继电器采用大功率晶体管作为开关元件，开关时间快，信号单相传输，能有效抑制尖峰脉冲及噪声干扰。而电磁继电器利用电磁感应原理工作，具有转换深度高、物理隔离性能好等优点，耐压能力强于固态继电器。降低了两个开关电路同时失效的可能性。
本实用新型通过上述三个方面的设计实现了高度隔离的、高可靠的数据传输，既保证信号的有效传输，又能够防止信号间相互干扰，尤其是后端出现故障情况下将故障隔离，避免对信号前端的主控芯片以及供电电源造成影响。
本实用新型的工作过程为：每路开关电路中，数字隔离芯片对+3.3V数字控制信号进行隔离放大，得到+5V数字信号；RC滤波电路对+5V数字信号进行滤波，起到噪声过滤、信号平滑的作用；滤波后的信号进入继电器，用以控制继电器的通断，+28V供电通过熔断器接入继电器进行供电，在电流过大时熔断器烧断，从而切断电源与本电路的联系，28VGND通过续流二极管接入继电器的接地端，在电路故障时续流二极管为故障电流提供一个放电回路，防止大电流造成器件损坏。两个同样结构的余度开关电路并联，输入端可以是同一个信号接入，也可是由DSP的两个管脚发出的两个相同信号，输出端并联。当其中一个余度开关电路发生失效导致原本高电平的开启信号最终输出为低电平时，只要另一个电路输出高电平，输出就为高电平。当其中一个余度开关电路断路导致输出为高阻态时，输出与另一个电路的输出相同。由此，最终得到与+3.3V数字控制信号高度隔离的+28V开关信号，用于控制后端电路或设备的开通和关断。
本实用新型通过上述设计，实现了数字信号变换、信号隔离、噪声屏蔽(通过数字隔离芯片和继电器实现)、抗电磁干扰(通过RC滤波电路和继电器实现)四个方面的功能，可用于由DSP、MCU等主流控制芯片(在后续描述中统称DSP)发出开关电平信号，控制后端驱动电路、仪器仪表、电机锁、照明系统等相关电路或设备可靠开通或关断的场合。
本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种高可靠异构式双冗余开关电路，其特征在于：包括第一开关电路和第二开关电路，第一开关电路和第二开关电路互为冗余；
第一开关电路包括数字隔离芯片U1、电阻R1、电阻R2、电容C1、继电器U2、熔断器Fuse1以及续流二极管D1；
数字隔离芯片U1的管脚VDD1与外部+3.3V供电电源连接，管脚VDD2与外部+5V供电电源连接，管脚A1与主控芯片输出的控制信号连接，管脚GND1接+3.3V供电电源对应的地，管脚GND2接+5V供电电源对应的地，管脚B1与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端、电容C1的一端以及继电器U2的管脚IN+连接，电阻R2的另一端、电容C1的另一端以及固态继电器U2的管脚IN-均与+5V供电电源对应的地连接，继电器U2的管脚IN1和IN2同时与熔断器Fuse1的一端连接，熔断器Fuse1的另一端与外部+28V供电电源连接，继电器U2的管脚OUT1和OUT2相连后，一方面作为输出端O1，另一方面与续流二极管D1的阴极连接，续流二极管D1的阳极与+28V供电电源对应的地连接；
第二开关电路包括数字隔离芯片U3、电阻R3、电阻R4、电容C2、继电器U4、熔断器Fuse2以及续流二极管D2；
数字隔离芯片U3的管脚VDD1与外部+3.3V供电电源连接，管脚VDD2与外部+5V供电电源连接，管脚A1与主控芯片输出的控制信号连接，管脚GND1接+3.3V供电电源对应的地，管脚GND2接+5V供电电源对应的地，管脚B1与电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端同时与电阻R4的一端、电容C2的一端以及继电器U4的管脚IN+连接，电阻R4的另一端、电容C2的另一端以及继电器U4的管脚IN-均与+5V供电电源对应的地连接，继电器U4的管脚IN1和IN2同时与熔断器Fuse2的一端连接，熔断器Fuse2的另一端与外部+28V供电电源连接，继电器U4的管脚OUT1和OUT2相连后，一方面作为输出端O2，另一方面与续流二极管D2的阴极连接，续流二极管D2的阳极与+28V供电电源对应的地连接；
第一开关电路的输出端O1和第二开关电路的输出端O2连接后，作为双冗余开关电路的输出端Ctrl。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠异构式双冗余开关电路，其特征在于：所述第一开关电路的继电器U2和第二开关电路的继电器U4的类型不同，第一开关电路的继电器U2为固态继电器或电磁继电器，第二开关电路的继电器U4为电磁继电器或固态继电器。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠异构式双冗余开关电路，其特征在于：所述第一开关电路连接的外部+5V供电电源与第二开关电路连接的外部+5V供电电源相互隔离。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠异构式双冗余开关电路，其特征在于：所述第一开关电路和第二开关电路的数字隔离芯片均采用射频型数字隔离芯片。
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| CN201720371067.5U CN206684527U (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 一种高可靠异构式双冗余开关电路 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109766226A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-17 | 上海微阱电子科技有限公司 | 一种多层次设计实现多模冗余投票功能的数字电路 |
| CN110456688A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-11-15 | 北京交大微联科技有限公司 | 信号的输出控制系统、方法、设备和车辆 |
| CN112211814A (zh) * | 2020-10-22 | 2021-01-12 | 泽尼特泵业(中国)有限公司 | 一体化污水泵站电气控制系统模块化冗余控制装置 |
| CN114115055A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-01 | 重庆川仪自动化股份有限公司 | 用于符合电动执行机构功能安全的冗余控制系统及方法 |
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