雙電源母線冷備份供電架構及方法
【專利摘要】本發明屬于電源應用技術發明，涉及一種雙電源母線冷備份供電架構及方法。雙電源母線冷備份供電架構，包括兩路電源轉換電路、電壓檢測電路、掉電保護電路和電源切換控制電路，通過以上功能電路實現兩路轉換電路的冷備份功能。當第一路轉換器件正常供電時，第二路轉換器件處于待機狀態，當第一路轉換器件掉電時，啟動第二路轉換器件供電。本發明可以顯著提高用電設備的任務可靠性，降低其全壽命周期內的維護成本。
【專利說明】雙電源母線冷備份供電架構及方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于電源應用技術發明，涉及一種雙電源母線冷備份供電架構及方法。
【背景技術】
[0002]對于用電設備而言，二次電源轉換系統的作用是將用電設備輸入端的電源轉換成用電設備內部電路需要的各種工作電源，在該轉換系統內，針對用電設備需要的一種工作電源的轉換路徑只有一條，當該轉換路徑故障時，該路工作電源輸出異常，用電設備則無法正常工作。
[0003]針對采用單路電源轉換系統供電的用電設備任務可靠性較差的問題，目前采用的解決方法有兩種，一是采用可靠性高的電源轉換器件，通過提高元器件可靠性的方法來提高用電設備的任務可靠性；二是采用兩路轉換器件同時供電，互為熱備份的方法提高用電設備的任務可靠性。第一種方法采用高可靠性的器件會導致成本的升高，并且受技術發展瓶頸制約，器件的可靠性難以繼續提高。第二種方法能夠明顯提高用電設備的任務可靠性，但是也會增加產品的成本，此外，由于兩路轉換器件互為熱備份，兩路同時供電，在這種情況下，單路轉換器件很難工作于最佳效率點，會導致用電設備功耗增加。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題:
[0005]為了克服用電設備二次電源供電電路任務可靠性較低的問題，提供一種新的雙電源母線冷備份供電架構，可有效提高用電設備的任務可靠性。
[0006]本發明的技術方案:
[0007]雙電源母線冷備份供電架構，包括兩路電源轉換電路、電壓檢測電路、掉電保護電路和電源切換控制電路，其中:
[0008]兩路電源轉換電路互為冷備份，用于將同一個輸入電壓轉換后對外輸出工作電源。
[0009]電壓檢測電路，用于對處于工作狀態的那一路電源轉換電路輸出的電壓進行檢測。
[0010]掉電保護電路，用于兩路電源轉換電路切換時，保證對外輸出工作電源的平穩。
[0011]電源切換控制電路，用于控制兩路電源轉換電路的切換邏輯。
[0012]所述的電壓檢測電路中，第一分壓電阻R4的第一端接電源轉換電路的輸入電壓VIN+，第二端連接到精密穩壓源N5的供電電源輸入端+IN和第二分壓電阻R6的第一端，第二分壓電阻R6的第二端連接到精密穩壓源N5的接地回路-1N。精密穩壓源N5的第7引腳和第6引腳分別連接到第一濾波電容的第I引腳和第2引腳。精密穩壓源N5的第2引腳連接到比較器N6的參考電壓輸入端。第三分壓電阻R8的第一端連接到第一路電源轉換電路的輸出端，第二端連接到比較器N6的比較電壓輸入引腳REF端和第四分壓電阻R7的第一端，第四分壓電阻R7的第二端連接到比較器N6的接地回路GND。第一限流電阻R5的第一端連接到精密穩壓源N5的第2輸出引腳，第二端連接到比較器N6的輸出端和MOS管V3的柵極。精密穩壓源N5采用ANALOG DEVICES公司的AD584。
[0013]所述的掉電保護電路中隔離器件N2的源極連接到第一路電源轉換電路的輸出端VO-F和第二濾波電容C2的第一端，第二濾波電容C2的負端連接到隔離器件N2的接地回路GND。隔離器件N2的漏極連接到第二限流電阻Rl的第一端、第一隔離二極管Vl和第二隔離二極管V2的負極以及隔離器件N3的漏極、第三濾波電容C5的正端和隔離器件N7的漏極，隔離器件N7源極連接到第二路電源轉換電路的輸出端，電阻R12第一端連接到隔離器件N7的PG引腳，第二端連接到N7的接地回路，第三濾波電容C5的負端連接到隔離器件N2的接地回路GND。隔離器件N2的PG引腳連接到電阻R2的第一端，電阻R2的第二端連接到隔離器件N2的接地回路。儲能電容C3的正端連接到第二限流電阻Rl的第二端、第一隔離二極管Vl和第二隔離二極管V2的正極、隔離器件N3的源極和第四濾波電容C4的正端，第四濾波電容C4的負端連接到隔離器件N3的接地回路。電阻R3的第一端接到隔離器件N3的PG引腳，第二端連接到隔離器件N3的接地回路。隔離器件N2和N3采用VICOR公司的 PI2127。
[0014]所述的電源切換控制電路中，MOS管V3的柵極連接到比較器N6的輸出端和第一限流電阻的R5的第二端。MOS管V3的源極連接到第二路電源轉換電路的使能端0N/0FF。MOS管V3的漏極連接到第一路電源轉換電路的接地回路VIN-。
[0015]雙電源母線冷備份供電方法，包括以下步驟:
[0016]第一步，兩路電源轉換電路將同一個輸入電壓分別轉換后對外輸出工作電源，其中第二路處于待機狀態，為第一路的冷備份。同時電壓檢測電路實時對第一路電源轉換電路的輸出電壓進行檢測，判斷該輸出電壓是否低于設定門限值，如果該輸出電壓低于設定的門限值，則進入第二步。
[0017]第二步，電壓檢測電路發出電源切換信號給電源切換控制電路，電源切換控制電路接收到該信號后，啟動處于待機狀態的第二路電源轉換電路，使之對外輸出工作電源。同時，掉電保護電路在兩路電源轉換電路切換的過程中，由儲能電容釋放能量，保證對外輸出工作電源平穩。
[0018]本發明的有益效果:
[0019]本發明電源架構，可以通過一路轉換模塊工作，另一路待機的模式降低備份電路的空載耗散。此外通過兩路轉換模塊互為備份的電源架構可以顯著提高用電設備的任務可靠性，降低用電設備全壽命周期內的維護成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為雙電源母線冷備份供電電路的原理圖。
【具體實施方式】
[0021]雙電源母線冷備份供電架構，當第一路轉換器件正常供電時，第二路轉換器件處于待機狀態，當第一路轉換器件掉電時，啟動第二路轉換器件供電，整個檢測和切換過程依靠切換控制電路實現。
[0022]下面通過具體實施例，結合附圖對本發明做進一步說明:雙電源母線冷備份供電架構，包括兩路電源轉換電路、電壓檢測電路、掉電保護電路和電源切換控制電路，其中:
[0023]兩路電源轉換電路互為冷備份,用于將同一個輸入電壓轉換后對外輸出工作電源。
[0024]電壓檢測電路，用于對處于工作狀態的那一路電源轉換電路輸出的電壓進行檢測。
[0025]掉電保護電路，用于兩路電源轉換電路切換時，對外輸出工作電源的平穩。
[0026]電源切換控制電路，用于控制兩路電源轉換電路的切換。
[0027]本發明電源開關工作過程如下:
[0028]當產品正常供電時，兩路轉換模塊同時上電，此時電壓檢測電路檢測到第一路的輸出電源電壓高于門限電壓Vtl (即比較器N6比較端的電壓高于參考電壓)，比較器輸出低電平，MOS管V3關斷，此時轉換模塊N4被關斷，停止工作。當第一路轉換模塊故障掉電時，電壓檢測電路檢測到第一路的輸出電源電壓低于門限電壓Vtl時(即比較器N6比較端的電壓低于參考電壓)，M0S管V3導通，此時轉換模塊N4被使能工作。在切換的過程中C3放電，對整個后續電路提供電源。
[0029]所述的兩路電源轉換電路有多種構建方式，電源轉換電路的一種實施方式為采用整體的電源轉換模塊和濾波器件直接構成電源轉換電路，如電路原理圖中電源轉換模塊NI和第五濾波電容Cl以及第二濾波電容C2共同組成電源轉換電路，其中電源轉換模塊NI的正輸入端連接到第五濾波電容Cl的正端，正輸出端連接到第二濾波電容的正端。第五濾波電容Cl的負端連接到電源轉換模塊NI的輸入接地回路。第二濾波電容C2的負端連接到電源轉換模塊NI的輸出接地回路。該方法簡單實用，具有較好的電磁兼容特性和散熱特性。電源轉換模塊NI采用SYNQOR公司的MC0TS-C-28VE-12-HP。
[0030]電源轉換電路的另一種實施方式為采用成熟的電源轉換芯片和外圍電路共同構建電源轉換電路，該方法優點是布局靈活。例如采用LINEAR公司的LTM8027配合分壓電阻和濾波電容同樣可以實現電源轉換電路的功能。
[0031 ] 所述的電壓檢測電路中，精密穩壓源N5為比較器N6提供精確地比較參考電壓，R4和R6構成分壓關系，用于為精密穩壓源N5提供工作電源。第一分壓電阻R4的第一端接電源轉換電路的輸入電壓VIN+，第二端連接到精密穩壓源N5的供電電源輸入端+IN和第二分壓電阻R5的第一端，第二分壓電阻R5的第二端連接到精密穩壓源N5的接地回路-1N。精密穩壓源N5的第7引腳和第6引腳分別連接到第一濾波電容的第I引腳和第2引腳。精密穩壓源N5的第2引腳連接到比較器N6的參考電壓輸入端。
[0032]電阻R7、電阻R8串聯構成分壓關系，且一端接被檢測電源正端，一端接地，分壓后的電壓送至比較器N6的比較端，用于電壓檢測。第三分壓電阻R8的第一端連接到第一路電源轉換電路的輸出端，第二端連接到比較器N6的比較電壓輸入引腳REF和第四分壓電阻R7的第一端，第四分壓電阻R7的第二端連接到比較器N6的接地回路GND。第一限流電阻R5的第一端連接到精密穩壓源N5的第2輸出引腳，第二端連接到比較器N6的輸出端和MOS管V3的柵極。精密穩壓源N5采用ANALOG DEVICES公司的AD584。
[0033]所述的掉電保護電路中隔離器件N2的源極連接到第一路電源轉換電路的輸出端VO-F和第二濾波電容C2的第一端，第二濾波電容C2的負端連接到隔離器件N2的接地回路GND。隔離器件N2的漏極連接到第二限流電阻Rl的第一端、第一隔離二極管Vl和第二隔離二極管V2的負極以及隔離器件N3的漏極、第三濾波電容C5的正端和隔離器件N7的漏極，隔離器件N7源極連接到第二路電源轉換電路的輸出端，電阻R12第一端連接到隔離器件N7的PG引腳，第二端連接到N7的接地回路，第三濾波電容C5的負端連接到隔離器件N2的接地回路GND。隔離器件N2的PG引腳連接到電阻R2的第一端，電阻R2的第二端連接到隔離器件N2的接地回路。其中N2、R2以及N7和R12共同起到了電源極性反接保護作用。
[0034]儲能電容C3的正端連接到第二限流電阻Rl的第二端、第一隔離二極管Vl和第二隔離二極管V2的正極、隔離器件N3的源極和第四濾波電容C4的正端，第四濾波電容C4的負端連接到隔離器件N3的接地回路。電阻R3的第一端接到隔離器件N3的PG引腳，第二端連接到隔離器件N3的接地回路。C3在第一路電源故障掉電時放電，對后續用電設備起到保護作用。Rl —端連接模塊輸出端，另一端串聯到C3的正端，C3的負端接地，起到對C3充電時的限流作用。V1、V2并聯使用，用于構成N3的備份電路，同N3 —起構成C3的放電通路。隔離器件N2和N3采用VICOR公司的PI2127。
[0035]所述的電源切換控制電路中，MOS管V3的柵極連接到比較器N6的輸出端和第一限流電阻的R5的第二端。MOS管V3的源極連接到第二路電源轉換電路的使能端0N/0FF。MOS管V3的漏極連接到第一路電源轉換電路的接地回路VIN-。MOS管V3構成了切換控制電路的控制器件，該器件一端接備份模塊的使能端，另一端接輸入電源地，用于接收比較器N6的輸出信號，控制電源轉換模塊N4的開關狀態。
[0036]雙電源母線冷備份供電方法，包括以下步驟:
[0037]第一步，兩路電源轉換電路將同一個輸入電壓分別轉換后對外輸出工作電源，其中第二路處于待機狀態，為第一路的冷備份。同時電壓檢測電路實時對第一路電源轉換電路的輸出電壓進行檢測，判斷該輸出電壓是否低于設定門限值，如果該輸出電壓低于設定的門限值，則進入第二步。
[0038]第二步，電壓檢測電路發出電源切換信號給電源切換控制電路，電源切換控制電路接收到該信號后，啟動處于待機狀態的第二路電源轉換電路，使之對外輸出工作電源。同時，掉電保護電路在兩路電源轉換電路切換的過程中，由儲能電容釋放能量，保證對外輸出工作電源平穩。
[0039]本實施方式中，各電氣元件的參數如下:模塊N1、N4可以靈活采用需要的轉換模塊，本實例中采用的是SYNQOR公司的MC0TS-C-28VE-12-HP。穩壓源N5的型號為AD584TH，比較器N6的型號為MAX9061。N2和N3的型號為PI2127-01-LGIZ ；電阻Rl為330歐，R2、R3為IOK歐，R4與R6參數應滿足下列條件，(R6XVIN+)/ (R4+R6)應介于5V到30V之間，單位為歐姆，R5為IM歐姆，電阻R7和R8應滿足下列公式，門限電壓VJR7XV。)/ (R7+R8)=5 ;穩壓二極管Vl和V2工作電壓是200伏，工作電流是5伏。MOS管V3的型號為IRF7834 ；電容C1、C2、C6、C7、C8的電容值為0.luF，耐壓值100V。C4、C4電容值為luF，耐壓值50V。電容C3的電容值為C = ZPAW-V22),其中At為電源切換的時間，V1為模塊的工作電壓，V2為后續用電負載工作的下限電壓，P為用電負載的額定功率。
[0040]本發明電源架構，可以顯著提高用電設備的任務可靠性，降低其全壽命周期內的維護成本。另外，通過改變分壓電阻R7和R8的阻值，可以靈活地設置第一路電源轉換電路輸出電源的門限電壓。通過合理選用C3的值，可以調節適應不同掉電切換時間的轉換模塊。
【權利要求】
1.雙電源母線冷備份供電架構，其特征是，包括兩路電源轉換電路、電壓檢測電路、掉電保護電路和電源切換控制電路，其中: 兩路電源轉換電路互為冷備份，用于將同一個輸入電壓轉換后對外輸出工作電源； 電壓檢測電路，用于對處于工作狀態的那一路電源轉換電路輸出的電壓進行檢測； 掉電保護電路，用于兩路電源轉換電路切換時，保證對外輸出工作電源的平穩； 電源切換控制電路，用于控制兩路電源轉換電路的切換邏輯。
2.如權利要求1所述的雙電源母線冷備份供電架構，其特征是，所述的電壓檢測電路中，第一分壓電阻R4的第一端接電源轉換電路的輸入電壓VIN+，第二端連接到精密穩壓源N5的供電電源輸入端+IN和第二分壓電阻R6的第一端，第二分壓電阻R6的第二端連接到精密穩壓源N5的接地回路-1N ;精密穩壓源N5的第7引腳和第6引腳分別連接到第一濾波電容的第I引腳和第2引腳；精密穩壓源N5的第2引腳連接到比較器N6的參考電壓輸入端；第三分壓電阻R8的第一端連接到第一路電源轉換電路的輸出端，第二端連接到比較器N6的比較電壓輸入引腳REF端和第四分壓電阻R7的第一端，第四分壓電阻R7的第二端連接到比較器N6的接地回路GND ;第一限流電阻R5的第一端連接到精密穩壓源N5的第2輸出引腳，第二端連接到比較器N6的輸出端和MOS管V3的柵極；精密穩壓源N5采用ANALOGDEVICES 公司的 AD584。
3.如權利要求2所述的雙電源母線冷備份供電架構，其特征是， R4與R6參數應滿足下列條件，(R6XVIN+) / (R4+R6)應介于5V到30V之間，單位為歐姆； 電阻R7和R8應滿足下列公式，門限電壓V。，(R7XV。)/ (R7+R8) =5。
4.如權利要求1所述的雙電源母線冷備份供電架構，其特征是，所述的掉電保護電路中，隔離器件N2的源極連接到第一路電源轉換電路的輸出端VO-F和第二濾波電容C2的第一端，第二濾波電容C2的負端連接到隔離器件N2的接地回路GND ;隔離器件N2的漏極連接到第二限流電阻Rl的第一端、第一隔離二極管Vl和第二隔離二極管V2的負極以及隔離器件N3的漏極、第三濾波電容C5的正端和隔離器件N7的漏極，隔離器件N7源極連接到第二路電源轉換電路的輸出端，電阻R12第一端連接到隔離器件N7的PG引腳，第二端連接到N7的接地回路，第三濾波電容C5的負端連接到隔離器件N2的接地回路GND ;隔離器件N2的PG引腳連接到電阻R2的第一端，電阻R2的第二端連接到隔離器件N2的接地回路；儲能電容C3的正端連接到第二限流電阻Rl的第二端、第一隔離二極管Vl和第二隔離二極管V2的正極、隔離器件N3的源極和第四濾波電容C4的正端，第四濾波電容C4的負端連接到隔離器件N3的接地回路；電阻R3的第一端接到隔離器件N3的PG引腳，第二端連接到隔離器件N3的接地回路；隔離器件N2和N3采用VICOR公司的PI2127。
5.如權利要求4所述的雙電源母線冷備份供電架構，其特征是， 電容C3的電容值為C = 2P At/(V/-V/)，其中At為電源切換的時間，V1為模塊的工作電壓，V2為后續用電負載工作的下限電壓，P為用電負載的額定功率。
6.如權利要求1所述的雙電源母線冷備份供電架構，其特征是，所述的電源切換控制電路中，MOS管V3的柵極連接到比較器N6的輸出端和第一限流電阻的R5的第二端；M0S管V3的源極連接到第二路電源轉換電路的使能端ON/OFF ；M0S管V3的漏極連接到第一路電源轉換電路的接地回路VIN-。
7.雙電源母線冷備份供電方法，其特征是，包括以下步驟: 第一步，兩路電源轉換電路將同一個輸入電壓分別轉換后對外輸出工作電源，其中第二路處于待機狀態，為第一路的冷備份；同時電壓檢測電路實時對第一路電源轉換電路的輸出電壓進行檢測，判斷該輸出電壓是否低于設定門限值，如果該輸出電壓低于設定的門限值，則進入第二步； 第二步，電壓檢測電路發出電源切換信號給電源切換控制電路，電源切換控制電路接收到該信號后，啟動處于待機狀態的第二路電源轉換電路，使之對外輸出工作電源；同時，掉電保護電路在兩路電源轉換電路切換的過程中，由儲能電容釋放能量，保證對外輸出工作電源平穩。
【文檔編號】H02J9/06GK103746444SQ201310626858
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2013年11月28日
【發明者】蔡逸群, 李子君, 吳振 申請人:蘇州長風航空電子有限公司