CN217445080U - 基于硬件模块控制的互为备份电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于硬件模块控制的互为备份电源：包括第一开关电源模块、第二开关电源模块、第一负载和第二负载。所述的第一开关电源模块和第二开关电源模块相电路连接，所述的第一开关电源模块与第一负载相电路连接，为第一负载供电，所述的第二开关电源模块与第二负载相电路连接，为第二负载供电。采用了本实用新型的基于硬件模块控制的互为备份电源，具有真正意义的备份电源功能，可靠性高、每个电源都工作在半功率状态下，可以大大延长电源的工作寿命。内部开关电源模块切换时间和切换电压波动接近为零，减少对负载设备的电压波动冲击，可延长外部负载设备的工作寿命。二个开关电源模块平时都独立工作，减去了传统意义上的备份电源，构成的电源系统体积小、成本低。

Description

基于硬件模块控制的互为备份电源

技术领域

本实用新型涉及低压直流供电电源领域，尤其涉及备份电源领域，具体是指一种基于硬件模块控制的互为备份电源。

背景技术

目前国内有许多厂家生产低压直流供电电源，用于监控、网络等弱电系统的集中供电，但内部均采用一个或二个开关电源，每个开关电源分别给不同的负载供电，全部属于无备份功能的电源。当其中一个电源故障时，其所带的负载设备即会失电，停止工作。在重要场所，就只能采用外加备份电源来解决。这既增加了成本(备份电源绝大部分时间是不工作的)、体积，而且备份电源切换时还带有切换时间(继电器切换时间约10～15ms)和切换电压的波动，会对后端的负载设备带来冲击。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足可靠性好、稳定性好、适用范围较为广泛的基于硬件模块控制的互为备份电源。

为了实现上述目的，本实用新型的基于硬件模块控制的互为备份电源如下：

该基于硬件模块控制的互为备份电源，其主要特点是，所述的电源包括第一开关电源模块、第二开关电源模块、第一负载和第二负载，所述的第一开关电源模块和第二开关电源模块相电路连接，所述的第一开关电源模块与第一负载相电路连接并为第一负载供电，所述的第二开关电源模块与第二负载相电路连接并为第二负载供电。

较佳地，所述的第一开关电源模块发生故障时，所述的第二开关电源模块切换至第一负载并为第一负载供电；所述的第二开关电源模块发生故障时，所述的第一开关电源模块切换至第二负载并为第二负载供电。

较佳地，所述的电源还包括第一MOSFET场效应管和第二MOSFET场效应管，所述的第一MOSFET场效应管的栅极与第二开关电源模块相电路连接，第一MOSFET场效应管的漏极与源极与第一负载相电路连接，所述的第二MOSFET场效应管的栅极与第一开关电源模块相电路连接，第二MOSFET场效应管的漏极与源极与第二负载相电路连接。

较佳地，所述的第一开关电源模块发生故障时，第二MOSFET场效应管的栅极电压下降，使第二MOSFET场效应管导通，所述的第二开关电源模块通过第二MOSFET场效应管给第一负载供电；所述的第二开关电源模块发生故障时，第一MOSFET场效应管的栅极电压下降，使第一MOSFET场效应管导通，所述的第一开关电源模块通过第一MOSFET场效应管给第二负载供电。

较佳地，所述的电源还包括报警模块，所述的报警模块与第一电源及第二电源相电路连接，用于在第一电源或第二电源发生故障时发出故障报警信号。

较佳地，所述的第一开关电源模块和第二开关电源模块的性能、功率指标一致；在正常工作时，第一开关电源模块和第二开关电源模块的输出功率需均小于等于额定功率的50％。

较佳地，所述的第一开关电源模块和第二开关电源模块所供电的负载的功率大小相同或接近，并且二路负载功率之和小于其中任一个开关电源模块的额定功率。

采用了本实用新型的基于硬件模块控制的互为备份电源，具有真正意义的备份电源功能，可靠性高、每个电源都工作在半功率状态下，可以大大延长电源的工作寿命。内部开关电源切换时间和切换电压波动可接近为零，减少了对设备的电压波动冲击，可延长外部设备的工作寿命。二个开关电源平时都独立工作，减去了传统意义上的备份电源。因此，构成的电源系统体积小、成本低。

附图说明

图1为本实用新型的基于硬件模块控制的互为备份电源的整体结构示意图。

图2为本实用新型的基于硬件模块控制的互为备份电源的实施例的电路结构示意图。

附图标记：

1 第一开关电源模块

2 第二开关电源模块

3 电源切换控制板

4 第一开关电源模块电压输出插座

5 第一开关电源模块故障报警输出插座

6 第二开关电源模块故障报警输出插座

7 第二开关电源模块电压输出插座

8 220V输入插座

9 标准机箱

10 电源总开关

11 电压表

12 第一开关电源模块输出控制开关

13 第二开关电源模块输出控制开关

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

请参阅图1和图2所示，本实用新型的该基于硬件模块控制的互为备份电源，其中包括第一开关电源模块1、第二开关电源模块2、第一负载和第二负载，所述的第一开关电源模块1和第二开关电源模块2相电路连接，所述的第一开关电源模块1与第一负载相电路连接，为第一负载供电，所述的第二开关电源模块2与第二负载相电路连接，为第二负载供电。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的第一开关电源模块1发生故障时，所述的第二开关电源模块2切换至第一负载并为第一负载供电；所述的第二开关电源模块2发生故障时，所述的第一开关电源模块1切换至第二负载并为第二负载供电。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的电源还包括第一MOSFET场效应管和第二MOSFET场效应管，所述的第一MOSFET场效应管的栅极与第二开关电源模块2相电路连接，第一MOSFET场效应管的漏极与源极与第一负载相电路连接，所述的第二MOSFET场效应管的栅极与第一开关电源模块1相电路连接，第二MOSFET场效应管的漏极与源极与第二负载相电路连接。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的第一开关电源模块1发生故障时，第二MOSFET场效应管的栅极电压下降，使第二MOSFET场效应管导通，所述的第二开关电源模块2通过第二MOSFET场效应管给第一负载供电；所述的第二开关电源模块2发生故障时，第一MOSFET场效应管的栅极电压下降，使第一MOSFET场效应管导通，所述的第一开关电源模块1通过第一MOSFET场效应管给第二负载供电。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的电源还包括报警模块，所述的报警模块与第一电源及第二电源相电路连接，用于在第一电源或第二电源发生故障时发出故障报警信号。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的第一开关电源模块1和第二开关电源模块2的性能、功率指标一致；在正常工作时，第一开关电源模块1和第二开关电源模块2的输出功率需均小于等于额定功率的50％。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的第一开关电源模块1和第二开关电源模块2所供电的负载的功率大小相同或接近，并且二路负载功率之和小于其中任一个开关电源模块的额定功率。

本实用新型的具体实施方式中，电源内部采用了二个电源既能正常工作，又在其中一个电源故障时能及时切换，给故障电源所带的负载供电。并且切换时采用双MOSFET场效应管进行电压切换，使得切换电压波动小于10％、切换时间为零，不会对负载设备带来电压冲击。具备真正意义上的相互备份功能。

基于硬件模块控制的互为备份电源的设计思想是：电源供应器正常工作时，内部二路开关电源给各自的负载供电(每个电源负载率为≤50％)。当二路中的任意一路故障时，另一路零时间切换给故障电源的负载供电(切换时间为零，切换电压波动小于10％)，这时该路电源的负载率将达到≤100％，同时发出故障报警信号，提醒设备运行人员及时报修(让负担全功率工作的电源工作时间不会太长)、更换故障电源，达到真正意义上的对负载不间断供电。

电源切换控制线路：用第一MOS场效应管Q1、第二MOSFET场效应管Q2二个MOSFET场效应管交叉控制二个开关电源的输出电压，当第二开关电源故障时，第一MOSFET场效应管Q1的栅极电源下降并使第一MOSFET场效应管Q1导通，则第一开关电源通过第一MOS场效应管Q1给第二负载供电；而当第一开关电源故障时，第二MOSFET场效应管Q2的栅极电压下降并使第二MOSFET场效应管Q2导通，则第二开关电源通过第二MOSFET场效应管Q2给第一负载供电。这样达到既相互隔离，又相互备份的功能。可以保证供电系统的可靠、稳定工作。

本技术方案是设置了二个完全独立的直流电源(同时分别对各自的负载供电)，通过检测二个直流电源的输出端的电压，当检测到有某一路直流电源故障时，则立即通过功率MOS场效应晶体管实行电压切换(由正常工作的直流电源给发生故障的直流电源所带的负载供电)，从而实现互为备份电源的功能。

如图2所示为本申请实施例的一种基于硬件模块控制的互为备份电源的电路示意图，该电路具有以下电路结构：

开关电源模块的输出状态检测电路：由图2可知，电阻R1、R2串接在第一开关电源模块1的输出端+V1、-V1，电阻R3、R4串接在第二电源模块的输出端+V2、-V2，组成分压电路，并通过计算电阻值，使图2所示的a点和b点的电压值高于MOS场效应晶体管栅极的导通阈值5％左右。

开关电源模块的切换电路：由图2可知，当第一开关电源模块1故障时，+V1电压值会瞬间下降，当+V1电压值下降到正常额定值的5％以下时，通过R1、R2分压后的a点电压值Va也同时下降5％以下，当Va电压值低于MOS场效应晶体管Q2栅极的导通阈值电压值时，功率MOS场效应晶体管Q2的源极S与漏极D导通，第二电源模块的电流通过Q2流向第一电源的负载，向第一电源负载供电。同理，当第二电源模块故障时，+V2电压值会瞬间下降，当+V2值下降到正常额定值的5％以下时，通过R3、R4分压后的b点电压值Vb也同时下降5％以下，当Vb电压值低于MOS场效应晶体管Q1栅极的导通阈值电压值时，功率MOS场效应晶体管Q1的源极S与漏极D导通，第一开关电源模块1的电流通过Q1流向第二开关电源模块2的负载，向第二开关电源负载供电。

在此模块切换的过程中，本申请设计通过二个功率MOS场效应晶体管导通、切换来实现第一开关电源模块1与第二开关电源模块2之间的相互的无缝快速切换供电，上述功率MOS场效应晶体管的导通阈值根据实际情况可任意设定，通常可以是一个大于额定阈值电压5％左右的值，当某一个电源模块出现故障，其输出直流电压降低5％导致功率MOSFET的栅极电压下降至导通阈值电压以下的瞬间，在电源模块还未完全丧失对外有效供电能力时，利用功率MOSFET能够被微秒级甚至是纳秒级驱动导通，使另一直流开关电源模块无缝接替故障的开关电源模块，来同时对二个负载设备连续供电。此时，负载设备上的供电电压的下降幅度也在小于10％的范围，故不会造成内部双直流电源互为备份电源对外供电的短暂中断，也就不会引起负载设备的电压断电冲击、重起等现象。

由上可知，通过检测二个开关电源模块的输出电压，并在检测到某一故障电源模块的输出电压下降，导致功率MOSFET的栅极电压下降至阈值电压以下的瞬间，使得功率MOS场效应晶体管导通，达到让正常工作的电源模块向故障电源模块的负载供电，从而实现了提高内部双直流电源互为备份电源的供电可靠性的技术效果，进而解决了市场上现有备份电源中普遍存在的备份电源平时不工作(即不带负载工作)，只有在主电源故障时才切换至带负载状态的技术问题，大大减小了电源系统的体积和成本，同时二个开关电源模块长时间工作在50％的输出功率状态下，可大幅度提高开关电源的使用寿命。

要注意的是：考虑到二个开关电源模块既要在正常工作状态时，向各自的负载设备供电，又需要在另一个开关电源模块故障时，负担全部的负载设备供电，因此在确定开关电源模块的额定功率和所携带的负载功率大小时，需注意二个开关电源模块的额定输出功率必须一样大，并且各自携带的负载功率不得大于单一电源模块额定输出功率的50％；并且需注意二个开关电源模块供电的负载功率尽可能相同或接近。

电源故障报警电路：考虑到一个开关电源故障后，另外一个开关电源将在接近满负载的状态下工作，而承担切换的功率MOSFET在连续工作时也会产生一定的热量，若长期工作，会影响上述开关电源和MOSFET的寿命。故我们设计了二个继电器J1、J2，继电器J1接在第一开关电源模块1的输出+V1、-V1两端，继电器J2接在第二电源模块的输出+V2、-V2两端，来检测二个开关电源模块的输出状态。当二个开关电源模块都正常工作时，则输出电压+V1、+V2均为正常值，继电器J1、J2处于通电吸合状态，对应的触点1-1与触点1-2断开、触点2-1与触点2-2断开，对外输出的故障报警状态呈现开路状态(系统设置的报警信号是短路报警，所以开路信号代表电源无故障)；若当二个开关电源模块中的第一开关电源模块1故障时，其输出电压+V1从正常值下降为零，继电器J1为不通电吸合的状态，对应的触点1-1与触点1-2闭合(常闭端)，对外输出的报警状态呈现短路状态，系统平台接受到短路信号后，即刻发出声音报警；同理，当第二开关电源模块2故障时，其输出电压+V2从正常值下降为零，继电器J2为不通电吸合的状态，对应的触点2-1与触点2-2闭合(常闭端)，对外输出的报警状态呈现短路状态，系统平台接受到短路信号后，即刻发出声音报警；提醒工作人员及时处理、更换故障的电源模块。

电源隔离电路：电路设置了二个肖特基二极管D1、D2，起到有一个电源发生故障，切换电路工作时，隔离二个开关电源的作用。

如图1所示，基于硬件模块控制的互为备份电源的电路可应用在如图1所示的装置中，其中包括第一开关电源模块1、第二开关电源模块2和电源切换控制板3，还包括分别与第一开关电源模块1和第二开关电源模块2相连的电压输出插座、故障报警输出插座和输出控制开关，装置的上述各结构都按照在标准机箱9内部，标准机箱9上还安装有220V输入插座8、电源总开关10和电压表11。

本实施例的具体实现方案可以参见上述实施例中的相关说明，此处不再赘述。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

采用了本实用新型的基于硬件模块控制的互为备份电源，具有真正意义的备份电源功能，可靠性高。每个电源都工作在半功率状态下，可以大大延长电源的工作寿命。内部开关电源切换时间和切换电压波动可接近为零，减少了对设备的电压波动冲击，可延长外部设备的工作寿命。二个开关电源平时都独立工作，减去了传统意义上的备份电源。因此，构成的电源系统体积小、成本低。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种基于硬件模块控制的互为备份电源，其特征在于，所述的电源包括第一开关电源模块、第二开关电源模块、第一负载和第二负载，所述的第一开关电源模块和第二开关电源模块相电路连接，所述的第一开关电源模块与第一负载相电路连接并为第一负载供电，所述的第二开关电源模块与第二负载相电路连接并为第二负载供电。

2.根据权利要求1所述的基于硬件模块控制的互为备份电源，其特征在于，所述的第一开关电源模块发生故障时，所述的第二开关电源模块切换至第一负载并为第一负载供电；所述的第二开关电源模块发生故障时，所述的第一开关电源模块切换至第二负载并为第二负载供电。

3.根据权利要求1所述的基于硬件模块控制的互为备份电源，其特征在于，所述的电源还包括第一MOSFET场效应管和第二MOSFET场效应管，所述的第一MOSFET场效应管的栅极与第二开关电源模块相电路连接，第一MOSFET场效应管的漏极与源极与第一负载相电路连接，所述的第二MOSFET场效应管的栅极与第一开关电源模块相电路连接，第二MOSFET场效应管的漏极与源极与第二负载相电路连接。

4.根据权利要求3所述的基于硬件模块控制的互为备份电源，其特征在于，所述的第一开关电源模块发生故障时，第二MOSFET场效应管的栅极电压下降，使第二MOSFET场效应管导通，所述的第二开关电源模块通过第二MOSFET场效应管给第一负载供电；所述的第二开关电源模块发生故障时，第一MOSFET场效应管的栅极电压下降，使第一MOSFET场效应管导通，所述的第一开关电源模块通过第一MOSFET场效应管给第二负载供电。

5.根据权利要求1所述的基于硬件模块控制的互为备份电源，其特征在于，所述的电源还包括报警模块，所述的报警模块与第一电源及第二电源相电路连接，用于在第一电源或第二电源发生故障时发出故障报警信号。

6.根据权利要求1所述的基于硬件模块控制的互为备份电源，其特征在于，所述的第一开关电源模块和第二开关电源模块的性能、功率指标一致；在正常工作时，第一开关电源模块和第二开关电源模块的输出功率需均小于等于额定功率的50％。

7.根据权利要求1所述的基于硬件模块控制的互为备份电源，其特征在于，所述的第一开关电源模块和第二开关电源模块所供电的负载的功率大小相同或接近，并且二路负载功率之和小于其中任一个开关电源模块的额定功率。

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