CN106300642A - 一种具有电源状态输出的双电源冗余冷备份电路 - Google Patents

一种具有电源状态输出的双电源冗余冷备份电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双电源冗余冷备份无间断切换电路，包括有检测与输出控制电路、MOS管驱动电路、故障检测与控制信号反馈电路，其中检测与输出控制电路、故障检测与控制信号反馈电路均连接到MOS管驱动电路，电压输入输出均通过MOS管驱动电路。本发明相比现有技术具有以下优点：1、本发明实现了工业中主机箱电源冗余备份，实现电源冗余单板设计，在单板上实现切换电路，满足设备在不断电的情况下替换有故障的电源模块。2、本发明采用常见且无特殊要求的被动元器件搭建而成，简单可靠，环境要求低。

Description

一种具有电源状态输出的双电源冗余冷备份电路
技术领域
本发明涉及自动化技术的技术领域，特别是用于重要设备在工作时要求设备不能重启的***中，实现电源冗余备份功能。
背景技术
对于长时间不间断操作、高可靠的***，如基站通信设备、车载设备、服务器等，往往需要高可靠的电源供应。冗余电源设计是其中的关键部分，在高可靠***中起着重要作用。冗余电源配置2个电源，当1个电源出现故障时，其他电源可以立刻投入，不中断设备的正常运行。这类似于UPS电源的工作原理：当市电断电时由电池顶替供电。冗余电源与UPS的区别主要是冗余电源是由不同的电源供电，而UPS则是一个电源供电另一个电池随时备用，需要时自动切换。
在车载PIS(乘客信息***)、监控、媒体***中，***主机电源一般使用冗余电源，实现电源冗余备份有利于提高稳定性，实现整车***高可用性。
传统冗余电源接法：
1、热备份，本方案方案常见是由2个电源通过分别连接二极管阳极，以“或门”的方式并联输出至电源总线上，当其中1个电源出现故障时，二极管的单向导通特性，不会影响电源总线的输出。缺点：热备份时，相当于容量冗余，不利于提高电源的效率。由于电源都有工作寿命，两个电源是同时对外输出工作，对提高电源的可靠性意义不大。
2、冷备份，本方案常见是由芯片控制MOSFET的导通，实现输出自动切换，确保同一时刻只有一块电源输出至电源总线上。不足之处，用芯片实现的冷备份，不能将芯片独立设计在单个电源板上，均是在负载端添加芯片实现，一旦芯片损坏，整个***将瘫痪。且成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够利于提高电源的效率、实现输出自动切换且***可靠的具有电源状态输出的双电源冗余冷备份电路。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种双电源冗余冷备份无间断切换电路，包括有检测与输出控制电路、MOS管驱动电路、故障检测与控制信号反馈电路，其中检测与输出控制电路、故障检测与控制信号反馈电路均连接到MOS管驱动电路，电压输入输出均通过MOS管驱动电路。
作为具体的技术方案，所述检测与输出控制电路包括稳压二极管ZD1和比较电路，比较电路包括比较器U1A及***电阻R1、R4、R5、电容C1、二极管D3，所述电阻R1和二极管D3串联在比较器U1A的电源端和同相端之间，其中二极管D3的负极接比较器U1A的同相端，稳压二极管ZD1的负极连接到电阻R1和二极管D3的结点之间，稳压二极管ZD1的正极接地，比较器U1A的同相端输入SW信号，比较器U1A的反相端通过电阻R4输入参考电压信号Vref，电阻R5连接在比较器U1A的电源端和输出端之间，电容C1连接在比较器U1A的电源端和地GND之间。
作为具体的技术方案，所述稳压二极管ZD1的正极和比较器U1A的同相端之间还连接一电阻R2。
作为具体的技术方案，所述MOS管驱动电路包括MOS管Q1、二极管D1、稳压二极管ZD3、电阻R3，MOS管Q1的G端与S端跨接二极管D1与稳压二极管ZD3，其中二极管D1的正极接MOS管Q1的S端，二极管D1的负极与稳压二极管ZD3的负极连接，稳压二极管ZD3的正极接MOS管Q1的G端，电阻R3一端连接MOS管Q1的G端，另一端接比较器U1A的输出端，MOS管Q1的S端接电源VCC，MOS管Q1的D端接电源VCC1，MOS管Q1的D端还连接由若干个二极管并联组成的二极管组D4的正极，二极管组D4的负极作为电源输出端VCC-OUT。
作为具体的技术方案，故障检测与控制信号反馈电路包括比较器U1B、电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R13、二极管D5、D6、D7、D8、稳压电路，比较器U1B的同相端通过串联的电阻R10和R8接地，电阻R10和R8的结点连接二极管D8的负极，二极管D8的正极连接电源VCC1，该电源VCC1由MOS管Q1的D端提供，比较器U1B的反相端通过串联的电阻R11和R13接地，电阻R11和R13的结点通过稳压电路接电源VCC，电阻R11和R13的结点处为参考电压Vref取样处，电阻R11和R13的结点通过电阻R4连接比较器U1A的反相端，该电源VCC由MOS管Q1的S端提供，比较器U1B的电源VCC输入端和比较器U1B的输出端之间连接电阻R6，二极管D7的负极接比较器U1B的输出端，二极管D7的正极接电阻R9的一端，且电阻R9的另一端同时接二极管D6的负极和电阻R7的一端，二极管D6的正极接电源VCC，电阻R7的另一端接地。二极管D7的正极作为Out信号的输出端，比较器U1A的输出端通过二极管D5接比较器U1B的同相端，且二极管D5的正极接比较器U1A的输出端。
作为具体的技术方案，该稳压电路包括电阻R12、二极管D9及稳压二极管ZD2，所述电阻R12第一端接电源VCC，第二端接电阻R11和R13的结点，二极管D9的正极接电阻R12第二端，二极管D9的负极接稳压二极管ZD2的负极，稳压二极管ZD2的正极接地。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明实现了工业中主机箱电源冗余备份，实现电源冗余单板设计，在单板上实现切换电路，满足设备在不断电的情况下替换有故障的电源模块。
2、本发明采用常见且无特殊要求的被动元器件搭建而成，简单可靠，环境要求低。
3、本发明新增了电源状输出信号，***可及时检测所有电源的状况，有利于相关人员及时更换有故障的电源，保障了设备高可靠性。
4、本发明设计无需在电源板设计时添加，在满足电压需求内，可与任何设计方式的电源搭配，可做独立设备添加到***中，设计简单、无需特殊指定电源、适用面广等特点。
5、相对其他板卡电源冗余设计电路本发明具有、成本低廉、易实现等特点。
附图说明
图1是本发明具有电源状态输出的双电源冗余冷备份电路的电路框图。
图2是本发明具有电源状态输出的双电源冗余冷备份电路的电路原理图。
图3是图1中的检测与输出控制电路图。
图4是图1中的MOS管驱动电路图。
图5是图1中的故障检测与控制信号反馈电路图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，本实施例的双电源冗余冷备份无间断切换电路包括有检测与输出控制电路、MOS管驱动电路、故障检测与控制信号反馈电路，其中检测与输出控制电路、故障检测与控制信号反馈电路均连接到MOS管驱动电路，电压输入输出均通过MOS管驱动电路。
同时参见图2和图3，所述检测与输出控制电路包括稳压二极管ZD1和比较电路，比较电路包括比较器U1A及***电阻R1、R4、R5、电容C1、二极管D3，所述电阻R1和二极管D3串联在比较器U1A的电源端和同相端之间，其中二极管D3的负极接比较器U1A的同相端，稳压二极管ZD1的负极连接到电阻R1和二极管D3的结点之间，稳压二极管ZD1的正极接地，比较器U1A的同相端输入SW信号，比较器U1A的反相端通过电阻R4输入参考电压信号Vref，电阻R5连接在比较器U1A的电源端和输出端之间，电容C1连接在比较器U1A的电源端和地GND之间。所述稳压二极管ZD1的正极和比较器U1A的同相端之间还连接一电阻R2。
通过选取不同电压的稳压二极管ZD1可实现相应的工作启动电压门限；通过二极管D3将启动门限电压送至比较器U1A同相端可有效解决与外界控制信号间的干扰问题。
同时参见图2和图4，所述MOS管驱动电路包括MOS管Q1、二极管D1、稳压二极管ZD3、电阻R3。MOS管Q1的G端与S端跨接二极管D1与稳压二极管ZD3，其中二极管D1的正极接MOS管Q1的S端，二极管D1的负极与稳压二极管ZD3的负极连接，稳压二极管ZD3的正极接MOS管Q1的G端，电阻R3一端连接MOS管Q1的G端，另一端接比较器U1A的输出端。MOS管Q1的S端接电源VCC，MOS管Q1的D端接电源VCC1，MOS管Q1的D端还连接由若干个二极管并联组成的二极管组D4的正极，二极管组D4的负极作为电源输出端VCC-OUT。
在MOS管Q1的G端与S端跨接二极管D1与稳压二极管ZD3，可有效限制MOS的Vgs的压差，在二极管D1、稳压二极管ZD3与电阻R3组成的稳压电路中由于二极管D1串联稳压二极管ZD3在一起，所以MOS管Q1的G端与S端在稳压管工作范围内会一直保持Vgs＝Vz+Vf，Vgs值的稳定使MOS管Q1的内阻保持一个稳定状态，消除了MOS管Q1的内阻与电源VCC波动成正比的变动现象，Vgs值的稳定可有效避免高压对MOS管Q1损坏，同时串接的的二极管D1又可有效抑制稳压二极管ZD3正向电流，从而达到保护稳压二极管ZD3的作用，实现整个电路工作的高保护措施。
同时参见图2和图5，故障检测与控制信号反馈电路包括比较器U1B、电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R13、二极管D5、D6、D7、D8、稳压电路。比较器U1B的同相端通过串联的电阻R10和R8接地，电阻R10和R8的结点连接二极管D8的负极，二极管D8的正极连接电源VCC1，该电源VCC1由MOS管Q1的D端提供，比较器U1B的反相端通过串联的电阻R11和R13接地，电阻R11和R13的结点通过稳压电路接电源VCC，电阻R11和R13的结点处为参考电压Vref取样处，电阻R11和R13的结点通过电阻R4连接比较器U1A的反相端，该电源VCC由MOS管Q1的S端提供，具体的，该稳压电路包括电阻R12、二极管D9及稳压二极管ZD2，所述电阻R12第一端接电源VCC，第二端接电阻R11和R13的结点，二极管D9的正极接电阻R12第二端，二极管D9的负极接稳压二极管ZD2的负极，稳压二极管ZD2的正极接地。比较器U1B的电源VCC输入端和比较器U1B的输出端之间连接电阻R6，二极管D7的负极接比较器U1B的输出端，二极管D7的正极接电阻R9的一端，且电阻R9的另一端同时接二极管D6的负极和电阻R7的一端，二极管D6的正极接电源VCC，电阻R7的另一端接地。二极管D7的正极作为Out信号的输出端。
比较器U1A的输出端通过二极管D5接比较器U1B的同相端，且二极管D5的正极接比较器U1A的输出端。
通过选取不同电压的稳压二极管ZD2可调节电源切换时总线最低电压值及电源切换时总线电压跌落时间。如图5中比较器U1B同相端的电源VCC1信号源自MOS管Q1的D端，电阻R12、二极管D9与稳压二极管ZD2组成的电路使比较器的反相端电压一直稳定在一个确定的值，比较器U1B时刻采集同相端与反相端的电压差，当MOS管Q1出现开路时，电源VCC1的电压就会小于比较器U1B的反相端电压，因此连接比较器U1B输出端的Out信号就会变成0电平，将Out信号接入备份电源的SW信号中，备份电源比较器U1A的同相端电平会被强制下拉到0电平，此时备份电源的U1B比较器输出0电平，MOS管Q1同时打开，备份电源迅速输出至电源总线上替代本地电源工作。由于MOS管导通Q1需要一定的时间，这样会出现因电源VCC超前电源VCC1造成本地电源误操作关闭了备份电源现象，通过本地电源U1A比较器的输出信号通过二极管D5接入比较器U1B的同相端，可以巧妙的解决了此种问题的出现。
参见图2，电源故障输出功能，这也是本发明的亮点之一。在双电源冗余备份实际工作中有这样的一种现象，就是主电源在工作而备用电源已经损坏了。这是如不及时发现此现象，双电源冗余备份已无任何意义了，图2的SW信号与Out信号组合可有效消除此现象。当本地电源输出正常且MOS管Q1导通时，SW信号与Out信号均为高电平；当本地电源输出正常且MOS管Q1损坏开路时，SW信号为高电平、Out信号为低电平。利用这种判断，在主电源出故障时***可准确判断出是电源无输出还是冗余备份电路有问题，从而方便维修。在主电源工作时，备份的电源Out信号会一直保持高电平，一旦备份的电源Out信号出现低电平，则可判断备份电源出现故障，电源无输出了。***可及时提示操作人更换备份电源。从而有效避免***因供电异常出现的停机，保证了整体***的高可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双电源冗余冷备份无间断切换电路，其特征在于，包括有检测与输出控制电路、MOS管驱动电路、故障检测与控制信号反馈电路，其中检测与输出控制电路、故障检测与控制信号反馈电路均连接到MOS管驱动电路，电压输入输出均通过MOS管驱动电路。
2.根据权利要求1所述的一种双电源冗余冷备份无间断切换电路，其特征在于，所述检测与输出控制电路包括稳压二极管ZD1和比较电路，比较电路包括比较器U1A及***电阻R1、R4、R5、电容C1、二极管D3，所述电阻R1和二极管D3串联在比较器U1A的电源端和同相端之间，其中二极管D3的负极接比较器U1A的同相端，稳压二极管ZD1的负极连接到电阻R1和二极管D3的结点之间，稳压二极管ZD1的正极接地，比较器U1A的同相端输入SW信号，比较器U1A的反相端通过电阻R4输入参考电压信号Vref，电阻R5连接在比较器U1A的电源端和输出端之间，电容C1连接在比较器U1A的电源端和地GND之间。
3.根据权利要求2所述的一种双电源冗余冷备份无间断切换电路，其特征在于，所述稳压二极管ZD1的正极和比较器U1A的同相端之间还连接一电阻R2。
4.根据权利要求2所述的一种双电源冗余冷备份无间断切换电路，其特征在于，所述MOS管驱动电路包括MOS管Q1、二极管D1、稳压二极管ZD3、电阻R3，MOS管Q1的G端与S端跨接二极管D1与稳压二极管ZD3，其中二极管D1的正极接MOS管Q1的S端，二极管D1的负极与稳压二极管ZD3的负极连接，稳压二极管ZD3的正极接MOS管Q1的G端，电阻R3一端连接MOS管Q1的G端，另一端接比较器U1A的输出端，MOS管Q1的S端接电源VCC，MOS管Q1的D端接电源VCC1，MOS管Q1的D端还连接由若干个二极管并联组成的二极管组D4的正极，二极管组D4的负极作为电源输出端VCC-OUT。
5.根据权利要求4所述的一种双电源冗余冷备份无间断切换电路，其特征在于，故障检测与控制信号反馈电路包括比较器U1B、电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R13、二极管D5、D6、D7、D8、稳压电路，比较器U1B的同相端通过串联的电阻R10和R8接地，电阻R10和R8的结点连接二极管D8的负极，二极管D8的正极连接电源VCC1，该电源VCC1由MOS管Q1的D端提供，比较器U1B的反相端通过串联的电阻R11和R13接地，电阻R11和R13的结点通过稳压电路接电源VCC，电阻R11和R13的结点处为参考电压Vref取样处，电阻R11和R13的结点通过电阻R4连接比较器U1A的反相端，该电源VCC由MOS管Q1的S端提供，比较器U1B的电源VCC输入端和比较器U1B的输出端之间连接电阻R6，二极管D7的负极接比较器U1B的输出端，二极管D7的正极接电阻R9的一端，且电阻R9的另一端同时接二极管D6的负极和电阻R7的一端，二极管D6的正极接电源VCC，电阻R7的另一端接地。二极管D7的正极作为Out信号的输出端，比较器U1A的输出端通过二极管D5接比较器U1B的同相端，且二极管D5的正极接比较器U1A的输出端。
6.根据权利要求5所述的一种双电源冗余冷备份无间断切换电路，其特征在于，该稳压电路包括电阻R12、二极管D9及稳压二极管ZD2，所述电阻R12第一端接电源VCC，第二端接电阻R11和R13的结点，二极管D9的正极接电阻R12第二端，二极管D9的负极接稳压二极管ZD2的负极，稳压二极管ZD2的正极接地。
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