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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf geschaltete
Leistungsversorgungen, die mit einer gemeinsamen Last parallel geschaltet sind,
und spezieller auf eine Schutzlogik, die den Schalt-Schaltungsaufbau
schützt
und verhindert, daß die
momentan aktive Leistungsversorgung eines geschalteten Leistungsversorgungssystems
entweder einen Stromgrenzzustand erreicht oder eine große Spannungsabweichung
an der Last bewirkt.
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Bei
vielen elektronischen Schaltungsanwendungen sind mehrere Leistungsversorgungen
parallel geschaltet, um eine gemeinsame Last während unterschiedlicher Betriebszeiten
zu treiben. Ein Anwendungsbeispiel ist eine Vorrichtung, die einen Standby-
oder „Schlaf"-Modus implementiert.
Während
des Standby-Modus könnte
eine solche Vorrichtung eine Niederleistungs-Gleichstromversorgung, wie
z. B. eine Batterie oder einen Gleichstrom-Gleichstromwandler verwenden,
um den minimalen Schaltungsaufbau, der zum „Aufwecken" der Vorrichtung erforderlich ist, mit
Leistung zu versorgen, und um beim Aufwachen auf eine Gleichstromversorgung
einer höheren
Leistung zu schalten, die die Stromanforderungen des funktionellen
Schaltungsaufbaus unterstützt.
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Bei
geschalteten Leistungsversorgungssystemen werden Schaltungsvorrichtungen
verwendet, um unterschiedliche Leistungsversorgungen zu schalten,
um eine Leistung einer gemeinsamen Last aktiv zuzuführen. Diese
Schaltungsvorrichtungen werden unter Verwendung einer reservierten
Steuerlogik gesteuert, die nur einer Spannungsquelle erlaubt, der
gemeinsamen Last Leistung zuzuführen. Bei
vielen Anwendungen reagiert die Last sensible auf große Spannungsabweichungen.
Folglich ist es wichtig, die Spannungsabweichung, die an der Last beobachtet
wird, einzuschränken,
auch wenn die Quelle der Leistung von einer Leistungsversorgung auf
eine andere geschaltet wird.
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Bei
spannungsabweichungssensiblen Lasten wird die Wahl der Implementierung
der Schaltvorrichtungen zu einer wichtigen Angelegenheit. Schaltrelais
schalten zu langsam, um strikte Einschränkungsanforderungen an die
Spannungsabweichung zu erfüllen,
wenn sie alleine verwendet werden. Die Schaltungsleistung kann durch
Verwendung von sehr großen
Kondensatoren verbessert werden. Dies erhöht jedoch die Ausgaben und
Größe des Gesamtsystems.
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Analogschalter
sind ebenfalls eine schlechte Wahl für spannungsabweichungssensible
Lasten. Analogschalter sind durch einen hohen internen Widerstand
gekennzeichnet, der einen Spannungsabfall an der Last erzeugen kann,
der größer als
die zulässige
Spannungsabweichung während
eines Normalbetriebs ist.
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Seit
kurzem werden N-Kanal-MOSFETs verwendet, um zwischen mehreren unterschiedlichen Leistungsversorgungen
zu schalten, um eine gemeinsame Last aktiv mit Leistung zu versorgen.
Bei einer solchen Schaltanordnung sind die MOSFETs verbunden, wobei
ihre Drain-Anschlüsse
an der Last miteinander verbunden sind und ihre jeweiligen Sourcen
mit dem Ausgang ihrer jeweiligen Leistungsversorgungen verbunden
sind.
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Gemäß der hierin
verwendeten Terminologie wird, wenn ein MOSFET-Schalter, der einer
speziellen Leistungsversorgung zugeordnet ist, AUS geschaltet wird,
um seine jeweilige Leistungsversorgung von der Last zu isolieren,
die jeweiligen Leistungsversorgung als eine „isolierte Leistungsversorgung" bezeichnet. Wenn
der MOSFET-Schalter EIN geschaltet wird, um seine jeweilige Leistungsversorgung
mit der Last zu verbinden, wird die jeweilige Leistungsversorgung
hierin als eine „aktive
Leistungsversorgung" bezeichnet.
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Fachleute
werden darauf hingewiesen, daß bei
einem geschalteten Leistungsversorgungssystem alle Leistungsversorgungen,
die mit der Last schaltbar verbunden sind, weiterhin im EIN-Zustand mit
Leistung versorgt bleiben. Folglich kann sie, obwohl eine isolierte
Leistungsversorgung von der Last isoliert ist, an ihrem Ausgang
immer noch Leistung liefern.
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Aufgrund
seiner Konstruktion ist ein N-Kanal-MOSFET durch eine Intrinsic-Body-Diode über der
Source und dem Drain gekennzeichnet. Spezieller ist die Anode der
Intrinsic-Body-Diode
am Source-Knoten verbunden, und die Kathode ist am Drain-Knoten
verbunden. Bei der soeben beschriebenen MOSFET-Anordnung, bei der
die Drains von jedem Schalt-MOSFET miteinander verbunden sind, sind
die Kathoden der Intrinsic-Body-Dioden in den MOSFETs miteinander
verbunden. Diese Entwurfskonfiguration erzeugt das Auftreten einer
Verwendung von ODER-Verknüpfungs-Dioden.
Die Spannungsquellen-Ausgangssignale
müssen
sich innerhalb eines Diodenabfalls (annäherungsweise 0,6 Volt) voneinander
befinden, weil, wenn die Ausgangsspannung einer isolierten Leistungsversorgung größer als
ein Diodenabfall einer aktiven Leistungsversorgung ist, diesselbe
die Intrinsic-Body-Diode im zugeordneten MOSFET-Schalter der isolierten
Leistungsversorgung in Durchlaßrichtung
vorspannen und auch an die Last Leistung liefern wird. Folglich, wenn
die Ausgangsspannungen von jeder der Leistungsversorgungen sich
nicht innerhalb eines Diodenabfalls voneinander befinden, werden
ihr zugeordneten MOSFET-Schalter keine Trennung liefern, selbst
wenn ein MOSFET-Schalter ein- und der andere ausgeschaltet ist.
Spezieller wird die Leistungsversorgung mit einer Ausgangsspannung,
die größer als ein
Diodenabfall einer anderen Leistungsversorgung ist, Strom an die
Last liefern, selbst wenn ihr MOSFET-Schalter durch die Durchlaßvorspannung,
die durch die Spannungsdifferenz über der Intrinsic-Body-Diode ihres
Schalters erzeugt wird, ausgeschaltet ist.
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Selbst
wenn sich die Ausgangsspannungen von jeder geschalteten Leistungsversorgung
innerhalb eines Diodenabfalls voneinander befinden, bewirkt ein
Ausfall der aktiven Leistungsversorgung eine Durchlaßvorspannung
der Intrinsic-Body-Diode des
Isolationsschalters der isolierten Leistungsversorgung, wodurch
bewirkt wird, daß die
isolierte Leistungsversorgung direkt an die ausgefallene Leistungsversorgung
die Leistung liefert. Die aktive Leistungsversorgung kann dann in
die Stromgrenze gehen. Wenn die aktive Leistungsversorgung weiterhin in
der Stromgrenze arbeiten darf, kann sie schließlich den MOSFET-Schalter der
isolierten Leistungsversorgung aufgrund der exzessiven Verlustleistung
in ihrer Intrinsic-Body-Diode beschädigen.
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Daher
besteht ein Bedarf, die MOSFET-Isolationsschalter in einem MOSFET-geschalteten
Leistungsversorgungssystem zu schützen, wenn in einer der Leistungsversorgungen
ein Ausfall auftritt. Es besteht ebenfalls ein Bedarf, die verbleibenden,
nicht fehlerhaften Leistungsversorgungen zu schützen, um sicherzustellen, daß die verbleibenden
Leistungsversorgungen und daher die Last, sich weiterhin innerhalb
der spezifizierten Toleranzgrenzen befinden.
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Aus
der
EP 0 954 081 A2 sind
eine aktive Schutzschaltung und ein Verfahren zum Schutz eines MOSFET-isolierten
geschalteten Leistungsversorgungssystems bekannt. Das System hat
zwei Leistungsversorgungen. Eine erste Leistungsversorgung ist mit
einem Knoten über
einen ersten Isolationsschalter verbunden. Eine zweite Leistungsversorgung
ist mit dem Knoten über
einen zweiten Isolationsschalter verbunden. Das System umfasst eine Überwachungsschaltung
für eine
Ausgangsspannung der ersten Leistungsversorgung, welche anspricht,
wenn diese von einem vorausgewählten Spannungspegel
um einen bestimmten Betrag abweicht. Das System umfasst ferner eine
Steuerschaltung, die bei Abweichung des ersten Spannungspegels um
den vorgegebenen Betrag die Isolationsschalter ansteuert, um den
ersten Isolationsschalter auszuschalten und um den zweiten Isolationsschalter
einzuschalten.
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Aus
der
US 5,654,859 A sowie
aus der
US 5,945,816
A sind Isolationsschalter für Leistungsversorgungssysteme
bekannt, die bei der Detektion eines Rückstroms abschalten.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und
Verfahren zu schaffen, die einen zuverlässigen Schutz von MOSFET-Isolations-Schaltern
und Leistungsversorgungen in einem MOSFET-geschalteten Leistungsversorgungssystem
gegen Überschreiten
der Toleranzgrenzen und gegen Rückströme ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung löst
die Probleme des Stands der Technik, indem sie verhindert, daß die aktive
Leistungsversorgung eines geschalteten Leistungsversorgungssystems
einen Stromgrenzezustand erreicht oder eine große Spannungsabweichung an ihrem
Ausgang und an der Last bewirkt. Die Erfindung schützt die
Schalt-Schaltungskomponente davor, beschädigt zu werden. Die Erfindung
stellt ebenfalls sicher, daß das
System weiterhin ohne Unterbrechung läuft, selbst wenn in der aktiven
Leistungsversorgung, die momentan die Last mit Leistung versorgt,
ein Ausfall auftritt.
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Gemäß der Erfindung
arbeitet eine aktive Schutzschaltung, um das Schalten der MOSFET-Isolationsschalter
zu steuern. Eine Überwachungsschaltung
arbeitet, um den Isolationsschalter der momentan aktiven Leistungsversorgung
abzutasten und abzuschalten, wenn sie einen Rückwärtsstrom, der durch den Schalter
fließt,
erfaßt.
Gleichzeitig empfängt
eine Steuerung einen Hinweis, daß sich die aktive Leistungsversorgung
außerhalb
der Spezifikation befindet und verschaltet die Systemspannungsquelle
aktiv mit der anderen Leistungsversorgung. Die Steuerung stellt
aktiv sicher, daß der
Isolationsschalter der fehlerhaften Leistungsversorgung ausgeschaltet
bleibt, bis sie anderes bestimmt.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen.
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1 ein
schematisches Blockdiagramm eines geschalteten Leistungsversorgungssystems,
das eine aktive Schutzschaltung gemäß der Erfindung umfaßt;
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2 ein
Betriebsflußdiagramm
eines exemplarischen Ausführungsbeispiels
des Verfahrens der Erfindung;
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3 ein
schematisches Blockdiagramm, das ein alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt.
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines dualen Leistungsversorgungssystems 100,
das eine Schaltsteuerlogik, die gemäß der Erfindung implementiert
ist, aufweist. Das System 100 umfaßt eine erste und eine zweite
Leistungsversorgung 112 und 114, die wirksam mit
einer gemeinsamen Last 110 parallel geschaltet ist, die
elektronische Bauteile aufweist. Die erste Leistungsversorgung 112 liefert an
einem Ausgang 120 Leistung. In ähnlicher Weise liefert die
zweite Leistungsversorgung 114 an einem Ausgang 170 Leistung.
Ein Paar von Isolationsschaltern 124 und 174 ist
wirksam zwischen den jeweiligen Leistungsversorgungen 112 und 114 geschaltet,
wobei beide mit Ausgängen
versehen sind, die mit der gemeinsamen Last 110 am Knoten 130 verbunden sind.
Wie nachstehend ausführlicher
beschrieben ist, sind die Ausgänge
der ersten Leistungsversorgung 112 und der zweiten Leistungsversorgung 114 wirksam
miteinander parallel geschaltet, jedoch können sie durch Betrieb der
Isolationsschalter 124 und 174 voneinander isoliert
werden.
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Speziell
der erste Isolationsschalter 124 (der manchmal als der
erste Isolations-MOSFET bezeichnet wird) weist einen Eingang (Source
S), der mit dem Ausgang 120 der ersten Leistungsversorgung 112 verbunden
ist, einen Ausgang (Drain D) der mit der gemeinsamen Last 110 am
Knoten 130 verbunden ist, und eine Steuerung (Gate G) auf,
die die wirksame Verbindung der ersten Leistungsversorgung 112 mit
dem Knoten 130 ermöglicht
oder nicht ermöglicht.
In ähnlicher
Weise weist der zweite Isolationsschalter 174 (der manchmal
als der zweite Isolations-MOSFET bezeichnet wird) einen Eingang (Source
S), der mit dem Ausgang 170 der zweiten Leistungsversorgung 114 verbunden
ist, einen Ausgang (Drain D), der mit der gemeinsamen Last 110 am
Knoten 130 verbunden ist, und eine Steuerung (Gate G) auf,
die die wirksame Verbindung der zweiten Leistungsversorgung 114 mit
dem Knoten 130 ermöglicht
oder nicht ermöglicht.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
der erste und der zweite Isolationsschalter 124, 174 jeweils
mit einem N-Kanal-MOSFET
implementiert, der eine Intrinsic-Body-Diode aufweist. Durch Verbinden
der Drains des ersten und des zweiten Isolations-MOSFETs 124, 174 liefert
die Intrinsic-Diode in
jedem MOSFET die Funktionalität
einer Dioden-ODER-Verknüpfungs-Anordnung,
um eine Isolation zu den Ausgängen zu
liefern, wie nachstehend ausführlich
beschrieben ist. Speziell die Source S des ersten Isolations-MOSFET 124 ist
mit dem Ausgang 120 der ersten Leistungsversorgung 112 elektrisch
verbunden, und sein Drain D ist mit der Last am Knoten 130 verbunden.
Der Drain-zu-Source-Strom IDS im ersten
Isolations-MOSFET 124 ist zwischen einem EIN-Modus und
einem AUS-Modus durch Anwendung einer Vorspannung am Gate schaltbar.
Im EIN-Modus fließt
der Strom von der Source zum Drain, und eine Spannung, die dem Stromfluß entspricht,
wird zwischen der Source S und dem Drain D erzeugt. Wie nachstehend
ausführlich
beschrieben ist, wird diese Spannung verwendet, um den Stromfluß einschließlich der
Richtung des Stromflusses durch den ersten Isolations-MOSFET 124 zu
bestimmen. Wie im Hintergrundabschnitt beschrieben ist, weist ein
N-Kanal-MOSFET eine Intrinsic-Body-Diode auf, die zwischen der Source
und dem Drain arbeitet, wobei die Anode der Diode mit der Source
verbunden ist, und die Kathode mit dem Drain verbunden ist. Die
Intrinsic-Body-Diode
des ersten Isolations-MOSFETs 124 dient dazu, die erste
Leistungsversorgung 112 vom Knoten 130 zu isolieren,
wenn die Spannung am Ausgang 120 weniger als einen Diodenabfall
beträgt,
der größer als
die am Knoten 130 anliegende Spannung ist.
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Der
Betrieb des zweiten Isolationsschalters 174 ist ähnlich dem
des ersten Isolationsschalters 124, jedoch isoliert er
die zweite Leistungsversorgung 114 vom Knoten 130,
wenn die Spannung am Ausgang 170 weniger als einen Diodenabfall
beträgt, der
größer als
die am Knoten 130 anliegende Spannung ist.
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Eine
erste Überwachungsschaltung 116 ist wirksam
zwischen dem Eingang S und dem Ausgang D des ersten Isolationsschalters 124 geschaltet,
um die Steuerung des ersten Isolationsschalters 124 zu liefern,
und daher die wirksame Verbindung der ersten Leistungsversorgung 112 mit
dem Knoten 130.
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Die
erste Überwachungsschaltung 116 umfaßt einen
ersten Differenzverstärker 140 und
einen ersten Spannungskomparator 150. Der nicht invertierende
Eingang 142 des ersten Differenzverstärkers 140 ist mit
der Source S des ersten Isolations-MOSFET 124 elektrisch
verbunden, und der invertierende Eingang 144 ist mit dem
Drain D des ersten Isolations-MOSFET 124 elektrisch verbunden.
Es wird darauf hingewiesen, daß andere
Bauteile, die in 1 nicht gezeigt sind, dem ersten
Differenzverstärker 140 zugeordnet
sein können.
Der erste Differenzverstärker 140 dient
dazu, den Spannungsabfall zwischen der Source S und dem Drain D
des ersten Isolations-MOSFET 124 zu messen. Es wird darauf
hingewiesen, daß die
Verwendung eines Differenzverstärker,
um eine Spannung zu messen, ausschließlich veranschaulichenden Zwecken
dient, und daß andere
Spannungsmeßvorrichtungen
verwendet werden können,
um den Spannungsabfall zwischen der Source und dem Drain des ersten
Isolations-MOSFET 124 zu messen. Der Ausgang des ersten
Differenzverstärkers 140 ist
mit dem nicht invertierenden Eingang 151 eines ersten Spannungskomparators 150 über eine
Leitung 152 elektrisch verbunden. Eine vorausgewählte Spannung
VREF wird in den invertierenden Eingang 153 des
ersten Spannungskomparators 150 eingegeben. Der erste Spannungskomparator 150 vergleicht
das Ausgangssignal des ersten Differenzverstärkers 140 mit der
vorausgewählten
Spannung VREF. Der Ausgang des ersten Spannungskomparators 150 ist
mit dem Gate des ersten Isolations-MOSFET 124 über eine
Leitung 154 elektrisch verbunden. Es wird darauf hingewiesen,
daß andere
elektronische Bauteile, die in 1 nicht
gezeigt sind, dem ersten Spannungskomparator 150 zugeordnet
sein können.
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Bei
der Beschreibung der Verbindungen mit der zweiten Leistungsversorgung 114,
die nun folgt, ist eine zweite Überwachungsschaltung 118 wirksam zwischen
den Eingang S und den Ausgang D des zweiten Isolationsschalters 174 geschaltet,
um die Steuerung des zweiten Isolationsschalters 174 zu
liefern, und daher die wirksame Verbindung der zweiten Leistungsversorgung 114 mit
dem Knoten 130.
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Die
zweite Überwachungsschaltung 118 umfaßt einen
zweiten Differenzverstärker 180 und
einen zweiten Spannungskomparator 190. Der nicht invertierende
Eingang 182 des zweiten Differenzverstärkers 180 ist mit
der Source S des zweiten Isolations-MOSFETs 174 elektrisch
verbunden, und der invertierende Eingang 184 ist mit dem
Drain D des zweiten Isolations-MOSFETs 174 elektrisch verbunden.
Der zweite Differenzverstärker 180 dient
dazu, den Spannungsabfall zwischen der Source und dem Drain des
zweiten Isolations-MOSFETs 174 zu messen. Es wird darauf
hingewiesen, daß die
Verwendung des zweiten Differenzverstärkers 180 ausschließlich zu
veranschaulichenden Zwecken dient und daß andere Spannungsmeßvorrichtungen
verwendet werden können,
um den Spannungsabfall zwischen der Source und dem Drain des zweiten
Isolations-MOSFETs 174 zu messen. Es wird ebenfalls darauf
hingewiesen, daß andere
Bauteile, die nicht gezeigt sind, dem zweiten Differenzverstärker 180 zugeordnet
sein können.
Der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers 180 ist mit
dem nicht invertierenden Eingang 191 des zweiten Spannungskomparators 190 mittels
einer Leitung 192 elektrisch verbunden. Die vorausgewählte Spannung
VREF wird in den invertierenden Eingang 193 des
zweiten Spannungskomparators 190 eingegeben. Der zweite
Spannungskomparator 190 vergleicht das Ausgangssignal des
zweiten Differenzverstärkers 180 mit
der vorausgewählten
Spannung VREF. Der Ausgang des ersten Spannungskomparators 190 ist
mit dem Gate des zweiten Isolations-MOSFETs 174 über eine
Leitung 194 elektrisch verbunden. Es wird darauf hingewiesen,
daß andere
elektronische Bauteile, die in 1 nicht
gezeigt sind, dem zweiten Spannungskomparator 190 zugeordnet
sein können.
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Bei
einem geschalteten Leistungsversorgungssystem ist es normalerweise
wünschenswert, daß nur die
eine oder die andere der Leistungsversorgungen 112, 114 die
Last zu einem beliebigen Zeitpunkt bei Normalbetrieb mit Leistung
versorgt. Angenommen, daß z.
B. die Last 110 eine Vorrichtung ist, die einen Standby-
oder „Schlaf-Modus" umfaßt, der
ei ne Niederleistungs-Batterie oder einen Gleichstrom-Gleichstromwandler
als die erste Leistungsversorgung 112 nutzt, um +3,3 Volt
an den Schaltungsaufbau (in der Last 110, die jedoch nicht gezeigt
ist) zu liefern, der überwacht,
wann die Vorrichtung aufzuwecken ist, und der die Aufweckfunktionen
ausführt.
Bei diesem Beispiel ist eine der Funktionen, die durch die Aufweckfunktion
ausgeführt wird,
daß die
aktive Leistungsquelle von der ersten Niederleistungs-Leistungsversorgung 112 zu
einer zweiten Hochleistungs-Leistungsversorgung 114 geschaltet
wird, um die Leistungsanforderungen der voll funktionierenden Last 110 zu
erfüllen.
Folglich ist es während
des ordnungsgemäßen Normalbetriebs wünschenswert,
daß nur
die eine oder die andere der Leistungsversorgungen 112, 114 die
Last 110 zu einem beliebigen Zeitpunkt mit Leistung versorgt. Wenn
jedoch bei der momentan aktiven Leistungsversorgung ein Fehler auftritt,
dann schaltet die aktive Schutzschaltung der Erfindung, die nachstehend beschrieben
ist, die momentane aktive Versorgung von der fehlerhaften Leistungsversorgung
auf die verbleibende gute Leistungsversorgung.
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2 ist
ein Flußdiagramm,
daß ein
exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Verfahren der Erfindung darstellt. Wie dargestellt ist, ist
beim Einschalten, wie in Schritt 202 gezeigt ist, eine
der Leistungsversorgungen mit der Last wirksam verbunden, um die
Last 110 aktiv mit Leistung zu versorgen, und die anderen
Leistungsversorgungen sind von der Last isoliert oder ausgeschaltet.
Der Systemstatus wird dann überwacht 204,
wobei die Überwachung der
Ausgangsspannung der aktivierten Leistungsversorgung (Schritt 204A),
die Überwachung
des Rückwärtsstroms
im Isolationsschalter der aktiven Leistungsversorgung (Schritt 204B)
und die Überwachung
des anderen Systemsstatus, wie z. B. des Systemmodus („Sleep" gegenüber Aufwachen) (Schritt 204C),
eingeschlossen ist. Wenn eine Statusveränderung im Systemmodus erfaßt wird
(z. B., daß das
System aufwachen soll), wie sie in Schritt 206C erfaßt wird,
wird die momentan aktive Leistungsversorgung von der Last durch
AUS-Schalten 208 des Isolationsschalters der aktiven Leistungsversorgung isoliert,
und eine der verbleibenden guten Leistungsversorgungen wird mit
der Last wirksam verbunden, um die Last aktiv mit Leistung zu versorgen,
indem der Isolationsschalter einer ausgewählten verbleibenden guten Leistungsversorgung
EIN-geschaltet wird 210.
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Wenn
bei der Ausgangsspannung der aktiven Leistungsversorgung ein Ausfall
auftritt, wie er bei Schritt (206A) erfaßt wird,
oder wenn ein Rückwärtsstrom
im Isolationsschalter 174 der aktiven Leistungsversorgung 114 erfaßt wird,
wie er bei Schritt (206B) erfaßt wird, wird der Isolationsschalter der
aktiven Leistungsversorgung AUS-geschaltet, um den Rückwärtsstrom
zu blockieren, daß dieser nicht
zur aktiven Leistungsversorgung fließt, und der Isolationsschalter
einer ausgewählten
verbleibenden guten Leistungsversorgung wird EIN-geschaltet um der
ausgewählten
Leistungsversorgung zu ermöglichen,
die Last aktiv mit Leistung zu versorgen.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 1 wird nun die aktive Schutzschaltung
der Erfindung, die bei 160 gezeigt ist, ausführlich beschrieben.
Speziell bei dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel ist die aktive
Schutzschaltung 160 mit den Steuerleitungen 154 und 194 verbunden,
und daher mit den Gates G der ersten und zweiten Isolations-MOSFETs 124 und 174.
Bei dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel
weist die aktive Schutzschaltung 160 eine Steuerung 162 auf,
die als eine Zustandsmaschine (nicht gezeigt) in einem frei programmierbaren
Gatter-Array (FPGA; FPGA = Field Programmable Gate Array) implementiert
ist. Eine Leistungsversorgungs-Überwachungsschaltung 161 überwacht die
Spannungen an den Ausgängen 120 und 170 und gibt
(ein) Statussignal(e) 163 aus, das anzeigt/die anzeigen,
ob sich die eine oder die andere der Spannungen an den Ausgängen 120, 170 der
Leistungsversorgungen 112, 114 außerhalb
der Spezifikation befindet. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel steht
die Spezifikation für
+3,3 Volt plus oder minus einen vorausgewählten Toleranzbetrag. Die Steuerung 162 empfängt die
Statussignale 163. Die Steuerung 162 kann auch
andere Systemstatus-Informationssignale, wie z. B. ein Aufwachsignal 164,
daß verwendet
werden kann, um zu bestimmen, wann die Leistungsversorgungsquellen
während
des Normalbetriebs geschaltet werden sollen, empfangen. Es wird
darauf hingewiesen, daß andere
Systemstatussignale, die in 1 nicht
gezeigt sind, in die Steuerung 162 eingegeben werden können, um
dadurch zum Steuern der Isolationsschalter 124, 174 verwendet
werden zu können.
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Bei
dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel
erzeugt die Steuerung 162 ein Ausgangssignal auf der Leitung 165,
das verwendet wird, um eine erste Steuerschaltvorrichtung 156 zu
steuern. Die erste Steuerschaltvorrichtung 156 weist einen
Eingang (Source S), der mit einer Niederspannungs-Quelle (z. B. Masse)
verbunden ist, einen Ausgang (Drain D), der mit dem Ausgang des
Komparators 150 und einem Steuereingang G des ersten Isolations-MOSFETs 124 verbunden
ist, und einen Steuereingang (Gate G) die durch die Steuerung 162 auf der
Leitung 165 gesteuert wird, auf. Wie nachstehend ausführlich beschrieben
wird, liefert die erste Steuerschaltvorrichtung 156 einen
Mechanismus für
die Steuerung 162, um die Isolationsschalter 124, 174 von
der Steuerung 162 EIN- oder AUS auszuschalten.
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Die
aktive Schutzschaltung 160 kann ferner eine zweite Steuerschaltvorrichtung 196 aufweisen. Bei
der zweiten Steuerschaltvorrichtung 196 ist die Source
S mit einer Niedrig-Spannungs-Quelle (z. B. Masse) verbunden, und
ihr Drain D ist mit der Leitung 194 verbunden (und daher
mit dem Gate G des zweiten Isolations-MOSFETs 174). Das
Gate G der zweiten Steuerschaltvorrichtung 196 ist mit
dem Drain D der ersten Steuerschaltvorrichtung 156 verbunden, die
wiederum durch die Steuerung 162 auf der Leitung 165 gesteuert
wird. Die erste Steuerschaltvorrichtung 156 und eine zweite
Steuerschaltvorrichtung 196 steuern den ersten und den
zweiten Isolations-MOSFET 124 und 174 derart,
daß beide Schalt-Isolations-MOSFETs 124, 174 nicht
gleichzeitig EIN- geschaltet
werden.
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Bei
der Erläuterung
des Betriebs der aktiven Schutzschaltung geht man von folgenden
Annahmen aus: (1) Beim Einschalten des Systems werden beide Leistungsversorgungen 112, 114 anfänglich eingeschaltet.
(2) Während
des Normalbetriebs liefert nur eine Leistungsversorgung 112, 114 auf
einmal aktiv Leistung an die Last. (3) Das System wird beim Einschalten
zuerst in einen Standby-Modus versetzt, der die erste Leistungsversorgung 112 nutzt
und später auf
die Verwendung der zweiten Leistungsversorgung 114 schaltet,
wenn eine volle Funktionsfähigkeit erforderlich
ist. Beim Betrieb, beim Einschalten des Systems gibt die Steuerung 162 auf
der Leitung 165 eine Niedrig-Spannung aus. Während der
ersten Momente des Einschaltverfahrens, stellt ein Pull-Down-Widerstand 155 sicher,
daß die
Leitung 165 auf einen tiefen Zustand gezogen wird. Folglich wird
die erste Steuerschaltvorrichtung 156 AUS-geschaltet, was
die Leitung 154 von der Source S (Masse) der ersten Steuerschaltvorrichtung 154 isoliert. Die
Leitung 154 wird durch den Pull-Up-Widerstand 164 auf
einen hohen Zustand gezogen, der den ersten Isolations-MOSFET 124 EIN-schaltet.
Beim Einschalten des Systems wird die zweite Steuerschaltvorrichtung 196 ebenfalls
EIN-geschaltet, da die Leitung 154 durch den Pull-Up-Widerstand 164 auf
VCC gezogen wird, wodurch die Leitung 194 auf
einen tiefen Zustand gezogen wird und sichergestellt wird, daß der zweite
MOSFET-Isolationsschalter 174 AUS-geschaltet
ist.
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Folglich
liefert die erste Leistungsversorgung 112 beim Einschalten
des Systems aktiv Leistung an die Last 110, während die
zweite Leistungsversorgung 114 von der Last isoliert ist.
Während
dieses Zustands weist die Source des ersten Isolations-MOSFETs 124 eine
Spannung von +3,3 Volt auf, die am nicht invertierenden Eingang 142 des
ersten Differenzverstärkers 140 anliegt.
Die Spannung an der Source S ist etwas höher als die Spannung an der
Drain D, was bedeutet, daß der
Strom von der ersten Leistungsversorgung 112 zu Last 110 fließt. Folglich
liegen näherungsweise
+3,3 Volt am nicht invertierenden Eingang 142 des Differenzverstärkers 140 an
und eine etwas geringere Spannung liegt am invertierenden Eingang 144 des
Differenzverstärkers 140 an.
Die Verstärkung
des ersten Differenzverstärkers 140 wird
vorausgewählt,
so daß er
in der Lage ist, die kleine Spannungsdifferenz zwischen der Source
S und dem Drain D des ersten Isolations-MOSFETs 124 zu
messen. Die Verstärkung
des ersten Differenzverstärkers 140 ist
ebenfalls hoch genug, um zu bewirken, daß das Ausgangssignal des ersten
Differenzverstärkers 140 höher als
die Spannung VREF ist, wenn eine leichte
Spannungsdifferenz zwischen der Source S und dem Drain D des ersten Isolations-MOSFETs 124 gemessen
wird. Folglich behält
der erste Spannungskomparator 150 eine hohe Spannung auf
der Leitung 154 bei und daher am Gate G des ersten Isolations-MOSFETs 124,
was den ersten Isolations-MOSFET 124 EIN-geschaltet hält.
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Während des
Zeitraums, in dem die erste Leistungsversorgung 112 das
System aktiv mit Leistung versorgt, ist die zweite Leistungsversorgung 114 von
der Last isoliert. Weil jedoch die zweite Leistungsversorgung 114 eingeschaltet
ist, liegen näherungsweise
+3,3 Volt am nicht invertierenden Eingang 182 des Differenzverstärkers 180 an.
Wie vorstehend erläutert
wurde, steht am Knoten 130 eine leicht geringere Spannung
an, die durch die erste Leistungsversorgung 112 geliefert
wurde, und diese leicht geringere Spannung liegt am invertierenden Eingang 184 des
Differenzverstärkers 180 an.
Infolge dessen gibt der zweite Differenzverstärker 180 eine hohe
Spannung auf der Leitung 192 aus. Die hohe Spannung, die
durch den Differenzverstärker 180 ausgegeben
wird, wird mit der positiven Referenzspannung VREF durch
den zweiten Spannungskomparator 190 verglichen, was bewirkt,
daß auf
die Leitung 194 eine hohe Spannung ausgegeben wird. Weil
sich jedoch die zweite Steuerschaltvorrichtung 196 im EIN-Zustand
befindet, wird die Leitung 194 auf eine niedrige Spannung
gezogen. Die niedrige Spannung auf der Leitung 194 liegt
am Gate G des zweiten Isolationsschalters 174 an, wodurch
sichergestellt wird, daß sie
im AUS-Zustand verbleibt, und daß die zweite Leistungsversorgung 114 von
der Last 110 isoliert ist. Die Intrinsic-Body-Diode des
zweiten Isolations-MOSFETs 174 blockiert den Strom von
der ersten Leistungsversorgung 112 und verhindert, daß dieser
in die zweite Leistungsversorgung 114 fließt, um die
Isolation zu erzeugen.
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Wenn
aus irgend einem Grund (z. B. wenn die Vorrichtung aus einem Standby-Modus
in einen vollen Funktionsfähigkeitsmodus
schaltet) die Source der Leistung von der ersten Leistungsversorgung 112 zur
zweiten Leistungsversorgung 114 geschaltet werden soll,
legt die Steuerung 162 eine hohe Spannung auf die Leitung 165,
die am Gate G der ersten Steuerschaltvorrichtung 156 anliegt.
Folglich wird die erste Steuerschaltvorrichtung 156 EIN-geschaltet, wodurch
dem Strom ermöglicht
wird, durch dieselbe zu fließen.
Da sich die Source S auf einem niedrigen Spannungspegel (z. B. Masse)
befindet, wird die Leitung 154 in den L-Zustand gezogen,
wodurch der erste Isolations-MOSFET 124 AUS- geschaltet wird.
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Wenn
die Leitung 154 durch Einschalten der ersten Steuerschaltvorrichtung 156 in
den L-Zustand gezogen wird, liegt die niedrige Spannung am Gate
G der zweiten Steuerschaltvorrichtung 196 an, wodurch bewirkt
wird, daß sich
die Vorrichtung 196 AUS-schaltet. Der Pull-up-Widerstand 166 zieht
die Leitung 194 in den H-Zustand, was den zweiten Isolations-MOSFET 174 EIN-schaltet,
um der zweiten Leistungsversorgung 114 zu ermöglichen,
die Last 110 aktiv mit Leistung zu versorgen.
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Wenn
der zweite Isolations-MOSFET 174 EIN-geschaltet ist, wird
die Spannung an der Source S etwas höher als die Spannung am Drain
D sein, wenn der Strom durch die zweite Leistungsversorgung 114 fließt. Die
Verstärkung
des zweiten Differenzverstärkers 180 wird
vorausgewählt,
so daß er
in der Lage ist, die kleine Spannungsdifferenz zwischen der Source
und dem Drain des zweiten Isolations-MOSFETs 174 zu messen.
Die Verstärkung
des zweiten Differenzverstärkers 180 ist
ebenfalls hoch genug, um zu bewirken, daß das Ausgangssignal des zweiten
Differenzverstärkers 180 größer als
die Spannung VREF ist, wenn die leichte Spannungsdifferenz zwischen
der Source und dem Drain des zweiten Isolations-MOSFETs 174 gemessen wird.
Folglich gibt der zweite Spannungskomparator 190 eine hohe
Spannung an das Gate des zweiten Isolations-MOSFETs 174 aus,
was den zweiten Isolations-MOSFET 174 EIN-geschaltet läßt, wann
immer die zweite Leistungsversorgung 114 als die aktive Leistungsversorgung
durch die Steuerung ausgewählt
wird (in dem die zweite Steuerschaltvorrichtung 196 AUS-geschaltet
wird).
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Teilweise
aufgrund der niedrigen Ausgangswiderstände von herkömmlichen
Leistungsversorgungen, wenn eine Leistungsversorgung in einem geschalteten
Leistungsversorgungssystem ausfällt, kann
ihre Ausgangsspannung die Spezifikation unterschreiten, wodurch
bewirkt wird, daß sie
Strom von den verbleibenden Leistungsversorgungen verbraucht. Wenn
während
des Normalbetriebs ein Fehler in der zweiten Leistungsversorgung 114 derart, daß die Spannung
an der Source S des zweiten Isolations-MOSFETs 174 tief
genug abfällt,
daß die
erste Leistungsversorgung 112 beginnt, Strom an die zweite
Leistungsversorgung 114 zu liefern, wird die Spannung an
der Drain D des zweiten Isolations-MOSFETs 174 größer sein
als die Spannung an der Source S des zweiten Isolations-MOSFETs 174.
Folglich fließt
Strom von der ersten Leistungsversorgung 112 durch die
Intrinsic-Body-Diode des ersten Isolations-MOSFETs 124,
durch den zweite Isolations-MOSFET 174 und
in die zweite Leistungsversorgung 114. Die Spannung an
der Source S des zweiten Isolations-MOSFETs 174 wird unter
die Spannung an der Drain D abfallen, und der Differenzverstärker 180 wird
die negative Differenz erfassen und einen Niedrig-Spannungspegel
auf der Leitung 192 ausgeben. Der Niedrig-Spannungspegel,
der auf der Leitung 192 ausgegeben wurde, wird die Differenzspannung
VREF unter schreiten, was bewirkt, daß der zweite
Spannungskomparator 190 einen Niedrig-Spannungspegel auf
Leitung 192 ausgibt, wodurch der zweite Isolationsschalter 174 AUS-geschaltet
wird. Wenn der Isolationsschalter 174 ausgeschaltet ist,
blockiert die Intrinsic-Body-Diode den Rückwärtsstrom und verhindert, daß er durch
den Schalter zur ausgefallenen zweiten Leistungsversorgung 114 fließt. Dies
schützt
die verbleibende erste Leistungsversorgung 112 davor, in
die Stromgrenze zu gehen, und verhindert eine ziemlich große Spannungsabweichung
an ihrem Ausgang 120, was einen Ausfall in der Last 110 bewirken
könnte.
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Jedoch
war zum Zeitpunkt des Ausfalls der Leistungsversorgung 114 der
erste Isolations-MOSFET 124 immer noch AUS-geschaltet. Wenn
dem ersten Isolations-MOSFET 124 ermöglicht wird, AUS-geschaltet
zu bleiben, nachdem der zweite Isolations-MOSFET 114 ansprechend
auf einen Ausfall der zweiten Leistungsversorgung 114 AUS-geschaltet
worden ist, wird der gesamte Strom in der Last 110 durch
die erste Leistungsversorgung 112 ausgegeben und fließt durch
die Intrinsic-Body-Diode des ersten Isolations-MOSFET 124 und
erzeugt Wärme, was
den ersten Isolations-MOSFET 124 beschädigen könnte. Folglich arbeitet die
aktive Schutzschaltung, um den ersten Isolations-MOSFET 124 nach dem
Erfassen eines Ausfalls in der zweiten Leistungsversorgung 114 EIN-zuschalten. Speziell überwacht
eine Versorgungsüberwachungsschaltung 161,
die vorzugsweise durch einen Spannungskomparator (nicht gezeigt)
implementiert ist, die Ausgangsspannungen 120, 170 der
ersten und der zweiten Leistungsversorgung 112, 114,
erfaßt,
wann die Ausgangsspannungen 120, 170 die Spezifikation
unterschreiten (z.B. +3,3 Volt +/– einen vorbestimmten Toleranzbetrag)
und gibt das (die) Statussignal(e) 163 aus. Die Steuerung 162 empfängt das
(die) Statussignal(e) 163 und bestimmt, ob die aktive Schutzschaltung 160 zu
aktivieren ist oder nicht und zu welchem Zeitpunkt (indem auf die
Leitung 165 ein Niedrig-Spannungspegel
plaziert wird, der am Gate G der ersten Steuerschaltvorrichtung 156 anliegt).
Wenn in der zweiten Leistungsversorgung 114 ein Ausfallzustand
entdeckt wird, gibt die Steuerung 162 auf der Leitung 165 einen
Niedrig-Spannungspegel
aus, der am Gate G der ersten Steuerschaltvorrichtung 156 anliegt,
um den Schalter 156 AUS-zuschalten. Folglich wird die Leitung 154,
die sowohl mit dem Gate G des ersten Isolations-MOSFETs 124 als
auch dem Gate G der zweiten Steuerschaltvorrichtung 196 verbunden
ist, über
den Pull-Up-Widerstand 164 auf einen hohen Spannungspegel
gezogen. Der erste Isolations-MOSFET 124 schaltet sich
dann EIN, um der ersten Leistungsversorgung 112 zu ermöglichen,
die Last 110 aktiv mit Leistung zu versorgen. Durch AUS-schalten
der ersten Steuerschaltvorrichtung 156 wird auch bewirkt,
daß sich
die zweite Steuerschaltvorrichtung 196 EIN-schaltet, was
die Leitung 194 in einen Niedrig-Spannungspegel (z.B. Masse) zieht
und dadurch sicherstellt, daß der
zweite Isolations-MOSFET 174 ungeachtet
der Spannungsdifferenz, die durch die Überwachungsschaltung 118 erfaßt wurde,
AUS-geschaltet bleibt. Der zweite Isolations-MOSFET 174 bleibt
AUS-geschaltet,
bis die Steuerung 162 ihm ermöglicht, sich einzuschalten
(z. B. wenn er erfaßt,
daß sich
die zweite Leistungsversorgung 114 wieder innerhalb der
Spezifikation befindet (z. B. +3,3 Volt +/– Toleranz)).
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Anhand
der vorstehenden Beschreibung wird darauf hingewiesen, daß die aktive
Schutzschaltung 160 die MOSFET-Isolationsschalter 124 und 174 aktiv
davor schützt,
aufgrund eines Ausfalls in einer der Leistungsversorgungen 112, 114 beschädigt zu
werden, und auch sicherstellt, daß die an die Last 110 gelieferte
Leistung nicht unterbrochen wird.
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Die
aktive Schutzschaltung 160 liefert einen weiteren Schutz.
In dem Fall, daß die
Last 110 übermäßig Strom
zieht und die zweite Leistungsversorgung 114 zur gemeinsamen
Last 110 geschaltet wird und die zweite Leistungsversorgung
strombegrenzt ist, beginnt die erste Leistungsversorgung 112,
Strom durch die Intrinsic-Body-Diode des ersten Isolations-MOSFETs 124 derart
auszugeben, daß beide Leistungs versorgungen 112 und 114 Strom
an die Last 110 ausgeben. Da die zweite Leistungsversorgung 114 als
die aktive Leistungsversorgung ausgewählt wird, wird ihr Isolations-MOSFET 174 EIN-geschaltet
sein, und daher ist der Drain-zu-Source-Widerstand
RDS der Intrinsic-Body-Diode des zweiten Isolations-MOSFETs 174 niedriger
sein als der Drain-zu-Source-Widerstand
RDS der Intrinsic-Body-Diode des ersten
Isolations-MOSFETs 124. Folglich erreicht die zweite Leistungsversorgung 114 eine Stromgrenze
und unterschreitet die Spezifikation vor der ersten Leistungsversorgung 112.
Wenn die zweite Leistungsversorgung 114 die Spezifikation
unterschreitet, erfaßt
die Versorgungsüberwachungsschaltung 161 diesen
Zustand und informiert die Steuerung 162 über die
Statusleitung(en) 163. Die Steuerung 162 schaltet
dann die erste Steuerschaltvorrichtung 156 durch Plazieren
einer Niedrig-Spannung am Gate G der Vorrichtung 156 AUS,
was der Leitung 154 ermöglicht,
durch den Pull-up-Widerstand 164 in den H-Zustand gezogen
zu werden, um den ersten Isolations-MOSFET 124 EIN zu schalten, um
dem Strom zu ermöglichen,
durch den MOSFET 124 an sich zu fließen und nicht durch die Intrinsic-Body-Diode.
Die stellt sicher, daß der
MOSFET 124 aufgrund einer exzessiven Verlustleistung nicht beschädigt wird.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß eine
beliebige Anzahl von Leistungsversorgungen mit zugeordnetem Überwachungsschaltungsaufbau
und Schaltsteuerungs-Schaltungsaufbau parallel geschaltet werden
kann. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, daß nur Leistungsversorgungen,
die von anderen Bauteilen der Leistungsversorgungsschaltung 110 isoliert
sein müssen, Überwachungsschaltungen sowie
eine Schaltsteuerlogik, die ihnen zugeordnet ist, aufweisen müssen.
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3 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
des ersten Isolationsschalters 124. Wie gezeigt ist, ersetzt
ein Paar von Rücken-an-Rücken-N-Kanal-MOSFETs 124a, 124b den
ersten Isolations-MOSFET 124 von 1. Wie dargestellt
ist, sind die N-Kanal-MOSFETs 124a und 124b miteinander verbunden, wobei
ihre Drains D miteinander verbunden sind. Die Source des MOSFETs 124a ist
mit dem Ausgang 120 der ersten Leistungsversorgung 112 elektrisch
verbunden, und die Source des MOSFETs 124b ist mit dem
Knoten 130 elektrisch verbunden. Die Gates G von beiden
MOSFETs 124a und 124b sind miteinander verbunden
und mit der Leitung 154 elektrisch verbunden. Während des
Betriebs, wenn die zweite Leistungsversorgung 114 ausgewählt worden
ist, um die Last 110 aktiv mit Leistung zu versorgen, ist
der zweite Isolations-MOSFET 174 EIN-geschaltet, und die
Leitung 154 befindet sich in einer niedrigen Spannung,
um beide MOSFETs 124a und 124b abzuschalten, um
die erste Leistungsversorgung 112 von der Last 110 zu
isolieren. Wenn ein Ausfall an der Last 110 auftritt, kann
der Strom aufgrund der Sperrvorspannung auf der Intrinsic-Diode des
MOSFETs 124b nicht durch den MOSFET 124a fließen. In
der Zwischenzeit bleibt, wie vorstehend beschrieben, der Schalt-Isolations-MOSFET 174 eingeschaltet,
bis die Steuerung 162 erfaßt, daß die zweite Leistungsversorgung 114 die
Spezifikation unterschritten hat, und folglich den zweiten Isolations-MOSFET 174 AUS-schaltet
und gleichzeitig beide MOSFETs 124a und 124b AUS-schaltet,
wodurch dem Strom ermöglicht
wird von der Leistungsversorgung 112 zu fließen.
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Anhand
der obigen ausführlichen
Beschreibung wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung
mehrere Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik liefert. Bei der aktiven Schutzsteuerschaltung
der Erfindung wird der Ausfall der aktiven Leistungsversorgung oder
das Erfassen eines Kurzschlusses innerhalb der Last sofort entdeckt,
was der aktiven Schutzsteuerschaltung ermöglicht, die momentan aktiven
Leistungsversorgungen zu schalten. Dieses Verfahren schützt die
Isolations-MOSFETs und verhindert, daß die verbleibende gute Leistungsversorgung
weder einen Stromgrenzzustand erreicht noch eine große Spannungsabweichung
an ihrem Ausgang bewirkt.