CN117707315A - 用电设备的供电路径的保护电路、供电电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，提供一种用电设备的供电路径的保护电路、供电电路及控制方法，该保护电路包括：压差获取模块，用于基于供电路径中的电流确定压差；电压比较模块，用于根据压差和预设的电压阈值进行比较，根据比较结果确定供电路径中的电流状况；保护单元，用于根据电流状况确定供电路径中的电流异常持续时长，根据电流异常持续时长控制供电单元的电流输出。本发明提供的一种用电设备的供电路径的保护电路、供电电路及控制方法，能够实时监测供电路径中的电流状况，在根据电流状况确定供电路径中的电流异常持续时长，并在电流异常持续时长过长时，及时控制供电单元的电流不再输出，保证供电路径及时止损，也进一步保证设备不受到影响。

Description

用电设备的供电路径的保护电路、供电电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用电设备的供电路径的保护电路、供电电路及控制方法。

背景技术

随着服务器被应用到越来越多的领域，服务器需要实现的功能也越来多。为了实现这些功能，服务器需要支持的设备越来越多，需要进行管理控制的设备也越来越多。由于各个设备的供电需求是有差异的，为了保证所有的设备都能正常工作，前端的供电单元(即电流转换芯片)必须要满足后端设备中最大规格的需求。同时，为了实现整个电路的保护功能，前端电源的转换芯片需要设置合适的过流保护点。

后端设备供电需求可分为额定供电需求和瞬时峰值供电需求。瞬时峰值供电需求会比较大，过流保护点需要能覆盖此需求，避免误触发过流保护。

这样的设计在一般工作场景下，线路可以正常工作，发生异常时，也会触发保护功能。但在某些场景中，这样的设计不会触发保护功能，不能及时切断电源，阻止更严重的异常发生。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用电设备的供电路径的保护电路、供电电路及控制方法。

本发明提供一种用电设备的供电路径的保护电路，包括压差获取模块、电压比较模块和保护单元，其中：

压差获取模块，用于基于供电路径中的电流确定压差；

电压比较模块，用于根据所述压差和预设的电压阈值进行比较，根据比较结果确定所述供电路径中的电流状况；

保护单元，用于根据所述电流状况确定所述供电路径中的电流异常持续时长，根据所述电流异常持续时长控制供电单元的电流输出；

其中，所述供电单元用于向供电路径传输电流。

在一个实施例中，所述保护单元包括计时模块和控制模块，其中：

计时模块，用于根据所述电流状况确定所述供电路径中的电流异常持续时长；

控制模块，用于根据所述电流异常持续时长控制供电单元的电流输出。

在一个实施例中，当监测第一数目的供电路径时，所述压差获取模块，还用于：

基于各个供电路径中的电流确定压差，当压差为0时，记录压差为0的供电路径标识及对应的无电流持续时长；

相应地，所述保护单元，还用于：

基于压差为0的供电路径标识及对应的无电流持续时长，确定无电流持续时长大于第一时长的供电路径的第二数目，确定第二数目与第二数目的比值高于预设比值时，控制供电单元暂停电流输出。

在一个实施例中，所述压差获取模块包括放大器，所述放大器的第一输入端和第二输入端分别连接所述供电路径上的第一电压位置点和第二电压位置点；所述放大器的输出端连接所述电压比较模块的输入端。

在一个实施例中，所述电压比较模块包括比较器、第一电阻和第二电阻，其中：

所述比较器的第一输入端连接所述放大器的输出端，所述比较器的第二输入端连接第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的另一端接地，所述第二电阻的另一端接第一接入电压；所述比较器的输出端连接所述保护单元的输入端。

在一个实施例中，所述计时模块包括第一MOS管、第三电阻、第一电容、第二MOS管和第一二极管，其中：

所述第一MOS管的栅极接所述比较器的输出端，所述第一MOS管的源极接第二接入电压，所述第一MOS管的漏极接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端分别接所述第一电容的一端、所述第一二极管的一端，所述第一二极管的另一端接第二MOS管的栅极，所述第一电容的另一端接地；

所述第二MOS管的源极分别接第三接入电压、所述控制模块的输入端；所述第二MOS管的漏极接地。

在一个实施例中，所述控制模块包括复杂可编程逻辑器件CPLD，所述复杂可编程逻辑器件CPLD的接入端接第二MOS管的源极，所述复杂可编程逻辑器件CPLD的输出端接所述供电单元。

在一个实施例中，所述计时模块还包括第二二极管，所述第二二极管连接在所述第一二极管和所述第二MOS管的栅极之间。

本发明还提供一种供电电路，包括供电单元、供电路径和上述的保护电路。

本发明还提供应用于保护电路的控制方法，包括：

基于供电路径中的电流确定压差；

根据所述压差和预设的电压阈值进行比较，根据比较结果确定所述供电路径中的电流状况；

根据所述电流状况确定所述供电路径中的电流异常持续时长，根据所述电流异常持续时长控制供电单元的电流输出。

本发明提供的一种用电设备的供电路径的保护电路、供电电路及控制方法，能够实时监测供电路径中的电流状况，在电流状况表示供电路径上的电流异常时，及时控制供电单元的电流不再输出，保证供电路径及时止损，也进一步保证设备不受到影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的用电设备的供电路径的保护电路的结构示意图之一；

图2是本发明提供的用电设备的供电路径的保护电路的结构示意图之二；

图3是本发明提供的用电设备的供电路径的保护电路的使用示意图；

图4是本发明提供的保护电路的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图4描述本发明的一种用电设备的供电路径的保护电路、供电电路及控制方法。

图1示出了本发明提供的一种用电设备的供电路径的保护电路的结构示意图，参见图1，可以看出该供电路径的保护电路包括压差获取模块11、电压比较模块12和保护单元13，其中：

压差获取模块11，用于基于供电路径中的电流确定压差；

电压比较模块12，用于根据压差和预设的电压阈值进行比较，根据比较结果确定供电路径中的电流状况；

保护单元13，用于根据电流状况确定供电路径中的电流异常持续时长，根据电流异常持续时长控制供电单元的电流输出；

其中，供电单元用于向供电路径传输电流。

对此，需要说明的是，随着服务器被应用到越来越多的领域，服务器需要实现的功能也越来多。为了实现这些功能，服务器需要支持的设备越来越多，需要进行管理控制的设备也越来越多。由于各个设备的供电需求是有差异的，为了保证所有的设备都能正常工作，前端的供电单元(即电流转换芯片)必须要满足后端设备中最大规格的需求。同时，为了实现整个电路的保护功能，前端电源的转换芯片需要设置合适的过流保护点。

后端设备供电需求可分为额定供电需求和瞬时峰值供电需求。瞬时峰值供电需求会比较大，过流保护点需要能覆盖此需求，避免误触发过流保护。

前端电源的转换芯片将前端电源的电流进行转换后，输出合适的电流流经供电路径，然后再提供给后端的设备。供电路径包含不止一条，正常情况下，每条供电路径都会承担一部分电流，而且每条路径能承担的电流大小根据设计的情况有上限值。由此可知，该供电路径采用板卡形式设计。为了避免正常工作的供电路径承担远大于设计规格的电流负载，使整个路径会因为负载过大而迅速发热，引起烧板，故需要对供电路径中的电流状况进行实时监控。在本发明中，压差获取模块11和电压比较模块12，该压差获取模块能够与供电路径进行电连接，从而对供电路径中的电流进行监控，基于供电路径中的电流确定压差，并将压差告知电压比较模块，电压比较模块根据压差和预设的电压阈值进行比较，根据比较结果确定供电路径中的电流状况。

在本发明中，采用电压方式表征供电路径上的电流状况，设置一压差获取模块，通过该压差获取模块在供电路径两端量取电压。当供电路径中有电流流过时，两端必有压差产生。

在本发明中，压差获取模块采集到的是供电路径上的压差，其代表的是供电路径的实际电流情况，要想得知该实际电流情况是正常或是异常，需要将获得到的压差与电压阈值进行比较，为此，设置一电压比较模块，通过该电压比较模块将压差和预设的电压阈值进行比较，然后根据比较结果判断供电路径中的电流是异常还是正常，即判断供电路径中的电流状况。

在本发明中，当监控到供电路径中存在异常电流时，需要对供电单元进行控制，以停止电流输出。故在本发明中，设置一保护单元，该保护单元与监测单元、供电单元连接，获取到电流状况，然后根据电流状况作出对应的控制指令，然后控制指令发送给供电单元，供电单元作出相应的控制电流的操作。

在本发明中，电流状况是流经供电路径上的电流正常或异常的状况。能够表征该电流状况的可以是电流或电压大小，也可以是电流异常的持续时长，因为供电路径上可以允许短时的瞬时峰值供电需求，故只有过长的异常持续时长，才能判断为供电路径上的电流异常，才会有做出对电流输出进行控制的措施。

本发明提供的用电设备的供电路径的保护电路，能够实时监测供电路径中的电流状况，在根据电流状况确定供电路径中的电流异常持续时长，并在电流异常持续时长过长时，及时控制供电单元的电流不再输出，保证供电路径及时止损，也进一步保证设备不受到影响。

在上述保护电路的进一步电路中，主要是保护单元的具体结构的进一步解释说明，参见图2，具体如下：

保护单元包括计时模块131和控制模块132，其中：

计时模块131，用于根据电流状况确定供电路径中的电流异常持续时长；

控制模块132，用于根据电流异常持续时长控制供电单元的电流输出。

对此，需要说明的是，在本发明中，因为供电路径上可以允许短时的瞬时峰值供电需求，故只有过长的异常持续时长，才能判断为供电路径上的电流异常，才会有做出对电流输出进行控制的措施。故设置一计时模块，该计时模块根据电流状况确定供电路径中的电流异常持续时长。然后，再设置一控制模块，该控制模块根据电流异常持续时长控制供电单元的电流输出。

在上述保护电路的进一步电路中，主要是采用多条供电路径对后端设备进行输送电流的情况进行说明，当供电路径中一条甚至几条发生异常，中断供电时，后端所有的电流负载都会通过剩余的供电路径去承担，但正常工作的供电路径承担了远大于设计规格的电流负载，整个路径会因为负载过大而迅速发热，引起烧板。为此，当多条供电路径被配置向后端设备输送电流时，当一定数量的供电路径中断供电后，需要及时断电，才能够避免剩余的正常工作的供电路径承担过大的电流负载。故需要对第一数目的供电路径进行监测，压差获取模块，需基于各个供电路径中的电流确定压差，当压差为0时，记录压差为0的供电路径标识及对应的无电流持续时长，然后将压差为0的供电路径标识及对应的无电流持续时长告知给保护单元，此时，保护单元基于压差为0的供电路径标识及对应的无电流持续时长，确定无电流持续时长大于第一时长的供电路径的第二数目，确定第二数目与第二数目的比值高于预设比值时，控制供电单元暂停电流输出。

参见图3，图3展示用电设备的供电路径的保护电路在使用时更为具体的结构示意图，具体如下：

压差获取模块包括放大器U1。

电压比较模块包括比较器U2、第一电阻R1和第二电阻R2。

计时模块包括第一MOS管Q1、第三电阻R3、第一电容C1、第二MOS管Q2和第一二极管D1。计时模块还包括第二二极管D2。

控制模块包括复杂可编程逻辑器件CPLD。

上述各个部件之间的连接关系如下：

放大器U1的第一输入端和第二输入端分别连接供电路径上的第一电压位置点和第二电压位置点；放大器U1的输出端连接比较器U2的第一输入端。

比较器U2的第二输入端连接第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的另一端接地，第二电阻R2的另一端接第一接入电压VCC1；比较器U2的输出端连接第一MOS管Q1的栅极。

第一MOS管Q1的源极接第二接入电压，第一MOS管Q1的漏极接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端分别接第一电容C1的一端、第一二极管D1的一端，第一二极管D1的另一端接第二MOS管Q2的栅极，第一电容C1的另一端接地；

第二MOS管Q2的源极分别接第三接入电压VCC3、控制模块的输入端；第二MOS管Q2的漏极接地。

复杂可编程逻辑器件CPLD的接入端接第二MOS管Q2的源极，复杂可编程逻辑器件CPLD的输出端接供电单元。

第二二极管D2连接在第一二极管D1和第二MOS管Q2的栅极之间。

在本发明中，在供电路径两端量取电压。当供电路径中有电流流过时，两端必有压差产生。由于供电路径上的电阻较小，故原始压差信号也会比较小，所以先将其引入放大器U1放大，然后再将其输入比较器U2的一端。比较器U2的另一端，会预设置一分压信号，此分压信号大小是根据供电路径流过额定电流时计算所得。参见图3，该分压信号由第一电阻R1和第二电阻R2对第一接入电压VCC1进行分压调节控制。

当供电路径上流过的电流不超过额定电流时，量取的压差信号会比预设定的值小，此时比较器U2会保持低电平。当供电路径上流过的电流超过额定电流时，量取的压差信号会比预设定的值大，此时比较器U2会保持高电平。此时，也可以基于低电平变为高电平作为依据开启对供电路径的保护措施。

但如前面所述，设备使用时，会有瞬时峰值电流。此电流会超过额定电流，但一般持续时间都会比较短，不会对供电路径造成危险。所以如果是设备的瞬时峰值电流造成供电路径上电流超过额定电流，则不需要有保护动作。故当监测到供电路径上的电流比额定电流值大时，并不能马上有保护动作，还需要获取接下来的判断依据，如下：

由于异常造成的供电路径上电流比额定电流值大，一般是持续的，时间很长。此时需要有保护动作。

参见图3，当供电路径上的电流超过额定电流时，比较器U2会输出高电平，此时，第一MOS管Q1打开，第二接入电压VCC2给电容C1充电，当达到设定的时间后，第二MOS管Q2会打开。这里电容充电设定的时间，就是允许的供电路径上可以超过额定电流的最大时间，即电流异常持续时长。超过此时间，设定此时为异常情况，立刻进行保护动作。也即当第二MOS管Q2会打开之时，即为电流异常持续时长超出预设时长。

由于第二MOS管Q2的打开，会是第三接入电压VCC3发生电平的高低变化，将此信号输入CPLD。当此信号又高变低时，CPLD会将前端转换芯片的使能信号关闭，进而将输出关闭。此时供电路径上将不再有电流流过，避免危险发生。

下面结合图3，以具体实例进行解释说明，如下：

假设供电路径1为保护目标，则在供电路径1两端量取压差信号，并将压差信号引入放大器U1处理。具体实施举例：供电路径1设计的额定电流为20安培，路径两端压差为5毫伏，U1放大倍数为100倍。

计算供电路径1在额定电流负载情况下两端的压差，然后参考VCC1电压，设定R1，R2使其分压等于供电路径1在额定电流负载情况下两端的压差。具体实施举例：额定电流情况下，供电路径1两端压差经放大器U1后为500毫伏，假设VCC1为5伏，R2为10K欧姆，则可计算出R3为90K欧姆。

首先查询后端设备规格书，明确其瞬间峰值电流的持续时间。然后，可以根据供电路径具体的设计情况和保护等级要求的高低，在此时间基础上设定计时时间。要求严格时，设定时间比规格时间稍长一点；要求宽松时，可以多长一些。但总的原则是，设定计时时间一定要大于查询的规格时间。然后，选取合适的R3，C1。具体实施举例：假设查询设备瞬时超过额定电流的时间为400微秒，为了避免误触发，将计时时间目标设置稍微放长一些，大约700微秒左右。将C1设置为常用的0.1微法拉，两个二极管用硅管。这样当C1两端电压升高至1.5伏左右时，Q2会被打开。RC延时计算公式为t＝-R1C1*ln[(U1-U2)/U1]，其中U1为VCC1电压，U2位C1两端电压。通过计算可得，R1为20K欧姆时，时间t约为713微秒。

当供电路径1上的电流超过额定值时，比较器U2会输出高平，进而启动计时电路。当供电路径1上的电流只是短时间超过额定值时，计时电路没有超过设定时间，不会开启Q2。此时，控制线路没有动作。当供电路径1上的电流持续超过额定值时，计时电路超过设定时间，开启Q2。此时，VCC3会被拉低，CPLD监测到此信号变化后，会将转换芯片的使能信号拉低，切断转换电路的输出，防止供电路径1被烧坏，并设定只有整机重新上电后，使能信号才能重新拉高。具体实施举例：按如上设定，当路径1上的电流超过20A时，路径两端的压差信号会超过500毫伏，U2输出高电平将Q1打开，VCC1给C1充电，并开始计时。当路径1上的电流超过额定电流持续时间超过713微秒时，Q2被打开，VCC3由原来的3.3伏被拉低，CPLD动作，将转换芯片的使能信号拉低，切断转换电路的输出，防止供电路径1被烧坏。

本发明还提供的一种供电电路，包括供电单元、供电路径和上述的保护电路。具体结构图可参见图3。

基于上述图3的结构图，对控制电路的具体工作原理进行详细说明，如下：

在本发明中，在供电路径两端量取电压。当供电路径中有电流流过时，两端必有压差产生。先将其引入放大器U1放大，然后再将其输入比较器U2的一端。比较器U2的另一端，会预设置一分压信号，此分压信号大小是根据供电路径流过额定电流时计算所得。参见图3，该分压信号由第一电阻R1和第二电阻R2对第一接入电压VCC1进行分压调节控制。

当供电路径上流过的电流不超过额定电流时，量取的压差信号会比预设定的值小，此时比较器U2会保持低电平。当供电路径上流过的电流超过额定电流时，量取的压差信号会比预设定的值大，此时比较器U2会保持高电平。

参见图3，当供电路径上的电流超过额定电流时，比较器U2会输出高电平，此时，第一MOS管Q1打开，第二接入电压VCC2给电容C1充电，当达到设定的时间后，第二MOS管Q2会打开。这里电容充电设定的时间，就是允许的供电路径上可以超过额定电流的最大时间，即电流异常持续时长。超过此时间，设定此时为异常情况，立刻进行保护动作。也即当第二MOS管Q2会打开之时，即为电流异常持续时长超出预设时长。

由于第二MOS管Q2的打开，会是第三接入电压VCC3发生电平的高低变化，将此信号输入CPLD。当此信号又高变低时，CPLD会将前端转换芯片的使能信号关闭，进而将输出关闭。此时供电路径上将不再有电流流过，避免危险发生。

参见图4，本发明还提供的一种应用于上述保护电路的控制方法，包括：

41、基于供电路径中的电流确定压差；

42、根据压差和预设的电压阈值进行比较，根据比较结果确定供电路径中的电流状况；

43、根据电流状况确定供电路径中的电流异常持续时长，根据电流异常持续时长控制供电单元的电流输出。

在上述方法的进一步方法中，当监测第一数目的供电路径时，基于各个供电路径中的电流确定压差，当压差为0时，记录压差为0的供电路径标识及对应的无电流持续时长；

基于压差为0的供电路径标识及对应的无电流持续时长，确定无电流持续时长大于第一时长的供电路径的第二数目，确定第二数目与第二数目的比值高于预设比值时，控制供电单元暂停电流输出。

本发明实施例提供的保护电路的控制方法，能够实时监测供电路径中的电流状况，在根据电流状况确定供电路径中的电流异常持续时长，并在电流异常持续时长过长时，及时控制供电单元的电流不再输出，保证供电路径及时止损，也进一步保证设备不受到影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用电设备的供电路径的保护电路，其特征在于，包括压差获取模块、电压比较模块和保护单元，其中：

压差获取模块，用于基于供电路径中的电流确定压差；

电压比较模块，用于根据所述压差和预设的电压阈值进行比较，根据比较结果确定所述供电路径中的电流状况；

保护单元，用于根据所述电流状况确定所述供电路径中的电流异常持续时长，根据所述电流异常持续时长控制供电单元的电流输出；

其中，所述供电单元用于向供电路径传输电流。

2.根据权利要求1所述的用电设备的供电路径的保护电路，其特征在于，所述保护单元包括计时模块和控制模块，其中：

计时模块，用于根据所述电流状况确定所述供电路径中的电流异常持续时长；

控制模块，用于根据所述电流异常持续时长控制供电单元的电流输出。

3.根据权利要求1或2所述的用电设备的供电路径的保护电路，其特征在于，当监测第一数目的供电路径时，所述压差获取模块，还用于：

基于各个供电路径中的电流确定压差，当压差为0时，记录压差为0的供电路径标识及对应的无电流持续时长；

相应地，所述保护单元，还用于：

基于压差为0的供电路径标识及对应的无电流持续时长，确定无电流持续时长大于第一时长的供电路径的第二数目，确定第二数目与第二数目的比值高于预设比值时，控制供电单元暂停电流输出。

4.根据权利要求2所述的用电设备的供电路径的保护电路，其特征在于，所述压差获取模块包括放大器，所述放大器的第一输入端和第二输入端分别连接所述供电路径上的第一电压位置点和第二电压位置点；所述放大器的输出端连接所述电压比较模块的输入端。

5.根据权利要求4所述的用电设备的供电路径的保护电路，其特征在于，所述电压比较模块包括比较器、第一电阻和第二电阻，其中：

所述比较器的第一输入端连接所述放大器的输出端，所述比较器的第二输入端连接第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的另一端接地，所述第二电阻的另一端接第一接入电压；所述比较器的输出端连接所述保护单元的输入端。

6.根据权利要求5所述的用电设备的供电路径的保护电路，其特征在于，所述计时模块包括第一MOS管、第三电阻、第一电容、第二MOS管和第一二极管，其中：

所述第一MOS管的栅极接所述比较器的输出端，所述第一MOS管的源极接第二接入电压，所述第一MOS管的漏极接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端分别接所述第一电容的一端、所述第一二极管的一端，所述第一二极管的另一端接第二MOS管的栅极，所述第一电容的另一端接地；

所述第二MOS管的源极分别接第三接入电压、所述控制模块的输入端；所述第二MOS管的漏极接地。

7.根据权利要求5所述的用电设备的供电路径的保护电路，其特征在于，所述控制模块包括复杂可编程逻辑器件CPLD，所述复杂可编程逻辑器件CPLD的接入端接第二MOS管的源极，所述复杂可编程逻辑器件CPLD的输出端接所述供电单元。

8.根据权利要求5所述的用电设备的供电路径的保护电路，其特征在于，所述计时模块还包括第二二极管，所述第二二极管连接在所述第一二极管和所述第二MOS管的栅极之间。

9.一种供电电路，其特征在于，包括供电单元、供电路径和上述权利要求1-8中任一权项所述的保护电路。

10.一种基于上述权利要求1-8中任一权项所述的保护电路的控制方法，其特征在于，包括：

基于供电路径中的电流确定压差；

根据所述压差和预设的电压阈值进行比较，根据比较结果确定所述供电路径中的电流状况；

根据所述电流状况确定所述供电路径中的电流异常持续时长，根据所述电流异常持续时长控制供电单元的电流输出。