專利名稱：使負載能夠抵御瞬時電源故障的保護電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使負載能夠抵御瞬時電源故障的保護電路。
背景技術(shù)：
以上種類的電路特別可用于如下電信切換設(shè)備中，該電信切換設(shè)備需要的電源電壓總是高于一個設(shè)置的最小值。這種電信設(shè)備包括插入到底板上的連接器中的電子卡，該底板通常以48V DC電壓向多個卡供應(yīng)電能。
所有卡是并聯(lián)連接以便向它們供應(yīng)電能。如果卡上的短路使得該卡的電源輸入短路，則專用于該卡的保險絲燒斷。這會使該卡在數(shù)毫秒級的時間延遲之后從電源斷開。由于該短路，電源的電壓可能在該時間延遲期間幾乎為零。都是并聯(lián)地向卡供應(yīng)電能，因此在該時間延遲期間這些卡不能正確操作，除非保護它們免受這種瞬時電源故障。
卡通常包括并聯(lián)連接到卡的電源輸入的多個濾波電容器以及一個DC-DC轉(zhuǎn)換器，該DC-DC轉(zhuǎn)換器用于將48V電壓轉(zhuǎn)換成一個或多個較低DC電壓例如5V和3.3V。該轉(zhuǎn)換器僅能在例如從36V到72V的精確限定的輸入電壓范圍中正確地工作。
通過通常包括二極管的切換系統(tǒng)，卡的電源輸入連接到電源，從而使得濾波電容器能夠在電源正確操作時充電，并且在電源短路時不能放電。為了克服電源故障，通常有通過二極管并聯(lián)連接的兩個電源。
為了防止在瞬時電源故障期間轉(zhuǎn)換器的輸入處的電壓降到允許的最小值以下，可以增加濾波電容器的電容量以便于它們存儲充足的電荷，以在整個故障持續(xù)時間將轉(zhuǎn)換器的輸入電壓保持在最小值以上。這在本領(lǐng)域中是已知的。
分接于每個卡的電源輸入的濾波電容器具有很高的總電容量，例如在消耗200瓦(W)的卡的情況下是10000微法拉(μf)。因此這些電容器所占據(jù)的體積很大，并且電容器顯著地增加了卡的成本。
美國專利號5 973 547描述了一種電壓調(diào)節(jié)器，該電壓調(diào)節(jié)器具有連接到電源的多個輸入、連接到負載的多個輸出、兩個存儲電容器、切換裝置和用于該切換裝置的控制裝置。這兩個存儲電容器·當(dāng)至少一個電源正常操作時并聯(lián)連接到至少一個電源；以及·當(dāng)沒有電源正常操作時與任一電源隔離而且串聯(lián)連接到調(diào)節(jié)器的輸出。
該調(diào)節(jié)器保護負載免受電壓下降的影響，因為兩個存儲電容器的串聯(lián)連接臨時地建立了一個電源，該電源的起始電壓理論上等于兩個電容器所充電得到的電壓之和。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改進上述現(xiàn)有技術(shù)的電路。
根據(jù)本發(fā)明，一種使負載能夠抵御瞬時電源故障的保護電路包括·連接到至少一個電源的多個輸入和連接到該負載的多個輸出；以及·至少兩個存儲電容器，第一切換裝置，以及用于該第一切換裝置的控制裝置，使得該兩個存儲電容器·在至少一個電源正常操作時并聯(lián)連接到至少一個電源；以及·在沒有電源正常工作時與任一電源隔離而且串聯(lián)連接到該電路的多個輸出；所述保護電路的特征在于·第一存儲電容器具有連接到該電路的正輸出的第一端子和通過第一電阻器連接到該電路的負輸出的第二端子；·第二存儲電容器具有連接到該電路的負輸出的第一端子和通過第二電阻器連接到該電路的正輸出的第二端子；以及·電子開關(guān)將該第一存儲電容器的第二端子連接到該第二存儲電容器的第二端子；以及其特征在于該第一控制裝置包括開關(guān)控制裝置，該開關(guān)控制裝置使得該開關(guān)在沒有電源正常操作時閉合，并且該開關(guān)在至少一個電源正常操作時斷開。
特征如上的該電路具有僅包括一個電子開關(guān)的優(yōu)點，它取代了美國專利號5 973 547中公開的現(xiàn)有技術(shù)電路的三個開關(guān)，同時保持了防范電壓下降的相同保護。


按照如下描述和附圖，能夠更好地理解本發(fā)明，并且它的其它特征將變得明顯·圖1是當(dāng)電源正常工作時現(xiàn)有技術(shù)保護電路的一個實施例所呈現(xiàn)出的狀態(tài)的框圖。
·圖2是在電源故障情況下現(xiàn)有技術(shù)電路的同一實施例所呈現(xiàn)出的狀態(tài)的框圖。
·圖3是包括不同控制單元的現(xiàn)有技術(shù)電路的以上實施例的變形的框圖。
·圖4是在電源正常工作時本發(fā)明的保護電路的一個實施例所呈現(xiàn)出的狀態(tài)的框圖。
·圖5是在電源故障情況下本發(fā)明的保護電路的同一實施例所呈現(xiàn)出的狀態(tài)的框圖。
·圖6是本發(fā)明的保護電路的以上實施例的一個變形的框圖。
具體實施例方式
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的電路PD1的一個實施例，該電路PD1具有·兩個正輸入，分別連接到兩個電源B1和B2的正端子；·兩個負輸入，分別連接到兩個電源B1和B2的負端子；·兩個二極管D1和D3，其陽極分別經(jīng)由保險絲F1和保險絲F3連接到各個正輸入；·兩個二極管D2和D4，其陰極分別經(jīng)由保險絲F2和保險絲F4連接到各個負輸入；·正輸出和負輸出，分別連接到負載L的正輸入和負輸入，該正輸出連接到二極管D1和D3的陰極；·慢啟動電路SSC，具有分別連接到電路PD1的正輸出、連接到電路PD1的負輸出和連接到二極管D2和D4的陽極的三個端口；·存儲電容器SC1，具有連接到電路PD1的正輸出的第一端子和通過電子開關(guān)SW1連接到電路PD1的負輸出的第二端子；·存儲電容器SC2，具有連接到電路PD1的負輸出的第一端子和通過電子開關(guān)SW2連接到電路PD1的正輸出的第二端子；·第三電子開關(guān)SW3，將電容器SC1的第二端子連接到存儲電容器SC2的第二端子；以及·控制單元CU1，具有·多個輸出連接到電子開關(guān)SW1、SW2、SW3的各個控制輸入；·兩對輸入，分別連接到電源B1的端子和電源B2的端子；以及·第三對輸入，連接到二極管D1和D3的陰極以及二極管D2和D4的陽極。
負載L是電子卡，該電子卡例如具有全部并聯(lián)連接到負載L的兩個輸入的一連串濾波電容器C1至Cn以及DC/DC轉(zhuǎn)換器CV。
慢啟動電路SSC是標(biāo)準(zhǔn)的電子電路，其功能是在將卡插入底板中時或者在底板上切換時，限制由下游電容器特別是電容器SC1、SC2、C1至Cn中的電荷造成的電涌。
電源B1和B2包括通過充電器(未示出)來持續(xù)充電的兩個48V電池，這些充電器具有來自總電源的電能。它們并聯(lián)地向多個負載供電，就像僅示出的一個負載那樣。需要保護以免受瞬時電源故障的每個負載通過類似于電路PD1的電路而連接到兩個電源B1、B2。二極管D1至D4在影響第一電源的永久故障情況下借助于其它電源(B2)來支援第一電源(例如B1)。另一方面，如果并聯(lián)連接到兩個電源的其它負載之一短路，則這些二極管不能防止電源故障。短路可以造成兩個電源B1和B2的電壓同時下降?？刂茊卧狢U正是在此時進行干預(yù)，該單元持續(xù)地測量·電源B1的端子電壓V1；·電源B2的端子電壓V2；以及·就在二極管D1至D4和保險絲F1至F4下游的電路PD1的輸入處的電壓Ve。
圖1表現(xiàn)出這些開關(guān)在每個電源B1、B2正常工作時呈現(xiàn)出的狀態(tài)?？刂茊卧狢U1檢測到Ve具有低于V1和V2(約48V)的值(約47V)，即二極管D1至D4導(dǎo)通。它閉合開關(guān)SW1和SW2并且斷開開關(guān)SW3，以便于電容器SC1和SC2二者并聯(lián)連接到電路PD1的輸出。經(jīng)由二極管D1至D4將電容器SC1和SC2充電達到電源B1和B2的電壓(約47V)。在該正常操作期間，它們?yōu)殡娙萜鰿1至Cn的作用添加了一定的濾波作用。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)電路的同一實施例的圖，示出了當(dāng)每個電源B1、B2由于負載L之外的負載之一上短路而暫時發(fā)生故障時開關(guān)SW1、SW2、SW3的狀態(tài)。在保護電路PD1中，電壓V1和V2突然降到電壓Ve以下，而且二極管D1、D2、D3、D4停止導(dǎo)通并且將電路PD1與短路的電源B1和B2隔離。它們防止該短路使電容器SC1和SC2放電。電容器SC1、SC2、C1至Cn的端子處的電壓由于它們放電以向轉(zhuǎn)換器CV供電而開始逐步地下降。
二極管對D1-D2當(dāng)電壓Ve(約47V)升到V1以上時停止導(dǎo)通。當(dāng)電壓Ve升到V2以上時，二極管對D3-D4停止導(dǎo)通。當(dāng)Ve升到V1和V2以上時，控制單元CU1推斷電源B1和B2有故障從而斷開開關(guān)SW1和SW2。在用于這些開關(guān)斷開所需要的延遲(例如10微秒(μs))之后，它閉合開關(guān)SW3以串聯(lián)連接電容器SC1和SC2。接著該組合分接電路PD1的輸出，并且理論上(如果沒有濾波電容器C1至Cn)供應(yīng)的電壓等于在切換之時電容器SC1所充電達到的電壓和電容器SC2所充電達到的電壓之和，該電壓和約為94V。該電壓實際上由濾波電容器C1至Cn衰減。在一個實施例中這些電容器C1至Cn的滿(top-up)充電產(chǎn)生了82V的起始電壓。該電壓接著下降，但是以大于36V的電壓向負載L供電至少5毫秒(ms)(該延遲由高級電信計算架構(gòu)(ATCA)設(shè)置)，36V在本例中是轉(zhuǎn)換器CV的正確操作所需要的最小值。
時間常數(shù)選擇為使得組成開關(guān)SW1、SW2、SW3的三個晶體管不能同時導(dǎo)通。
當(dāng)不再存在短路時，控制單元CU1檢測到電壓Ve在大于固定閾值的持續(xù)時間(例如5ms)再次保持為高于V1和V2的值(約47V)。它首先斷開開關(guān)SW3。在該斷開所需要的延遲(例如100μs)之后，它閉合開關(guān)SW1和SW2，使得電容器SC1和SC2均并聯(lián)連接到電路PD1的輸出。經(jīng)由二極管D1至D4將它們充電達到電源電壓V1和V2(約47V)。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)電路的以上實施例的變形PD1’的框圖?？刂茊卧狢U1由僅具有一對輸入的控制電路CU1’取代，這一對輸入連接到二極管D1和D3的陰極以及二極管D2和D4的陽極。如果電壓Ve降到固定的閾值41V以下，則控制單元CU1’斷開開關(guān)SW1和SW2。在該斷開所需要的延遲(例如10μs)之后，它閉合開關(guān)SW3以串聯(lián)連接電容器SC1和SC2。接著該組合分接電路PD1’的輸出，并且供應(yīng)的電壓等于電容器SC1和SC2在切換的瞬間所充電達到的電壓之和，起始約為82V。
當(dāng)不再存在短路時，控制單元CU1’檢測到電壓Ve在大于固定閾值的持續(xù)時間(例如5ms)再次保持為高于閾值(41V)的值(約47V)。它首先斷開開關(guān)SW3。在該斷開所需要的延遲(例如100μs)之后，它閉合開關(guān)SW1和SW2以將電容器SC1和SC2并聯(lián)連接到電路PD1’的輸出。經(jīng)由二極管D1至D4將這些電容器充電達到電源B1和B2的電壓約為47V。
圖4是本發(fā)明保護電路的一個實施例PD2的框圖。它比現(xiàn)有技術(shù)電路更簡單，因為它僅包括一個電開關(guān)SW3。它與現(xiàn)有技術(shù)的電路不同之處在于電子開關(guān)SW1和SW2分別由電阻器R1和R2取代?？刂茊卧狢U2類似于例如實施例PD1的控制單元CU1，但是僅具有一個控制開關(guān)SW3的輸出。
圖4示出了開關(guān)SW3在每個電源B1、B2正常操作時的狀態(tài)?？刂茊卧狢U2檢測到電壓Ve具有小于V1和V2(約48V)的值(約47V)，意味著二極管D1至D4導(dǎo)通。控制單元使開關(guān)SW3保持斷開，以便于電容器SC1和SC2二者分別通過電阻器R1和R2串聯(lián)連接到電路PD2的輸出。經(jīng)由二極管D1至D4將電容器SC1和SC2充電達到由電源B1和B2供應(yīng)的約為47V的電壓。
圖5是在電源B1、B2具有由負載L之外的負載之一上的短路造成的瞬時故障時該實施例PD2呈現(xiàn)出的情形的框圖。在保護電路PD2中，電壓V1和V2突然小于電壓Ve，并且二極管D1、D2、D3、D4停止導(dǎo)通，并將電路PD2與短路的電源B1和B2隔離。它們防止使電容器SC1和SC2放電的短路。由于電容器SC1、SC2、C1至Cn放電以向轉(zhuǎn)換器CV供電，所以這些電容器上的電壓開始逐步地下降。
如果電壓Ve(約47V)升到V1以上，則二極管對D1-D2停止導(dǎo)通。如果電壓Ve升到V2以上，則二極管對D3-D4停止導(dǎo)通。如果Ve升到V1和V2以上，則控制單元CU2推斷有關(guān)于電源B1和B2的電源故障并且閉合開關(guān)SW3。則串聯(lián)連接了電容器SC1和SC2。電阻器R1與電容器SC2是并聯(lián)的。電阻器R2與電容器SC1是并聯(lián)的。使得時間常數(shù)R2×SC1和R1×SC2遠大于5ms，從而由這些電阻器造成的放電可以忽略。
接著兩個電容器SC1-SC2的串聯(lián)連接組合分接于電路PD2的輸出，并且供應(yīng)的電壓等于在切換之時電容器SC1所充電達到的電壓和電容器SC2所充電達到的電壓之和，起始為82V。
當(dāng)不再出現(xiàn)短路時，控制單元CU2檢測到電壓Ve在超過固定閾值的持續(xù)時間(例如5ms)再次保持為高于V1和V2的值(約47V)。它斷開開關(guān)SW3。電容器SC1和SC2再次分接電路PD2的輸出。經(jīng)由二極管D1至D4將它們充電達到電源B1和B2的電壓，即約47V。
參照圖3描述的控制單元CU1’還能夠用來取代單元CU2控制該第二實施例的開關(guān)SW3。
圖6是該實施例的變形PD3的框圖，該變形使得可以使用針對較低服務(wù)電壓而設(shè)計的存儲電容器SC1和SC2，顯著地減少了它們的成本和它們的體積。為此，齊納二極管Z1分接于電容器SC1，而齊納二極管Z2分接于電容器SC2。齊納二極管Z1和電阻器R1對電容器SC1充電，將充電電壓限制為47V。類似地，齊納二極管Z2和電阻器R2對電容器SC2充電，將充電電壓限制為47V。
一個例子使用了R1＝R2＝10千歐姆(kΩ)以及針對50V工作電壓而不是針對沒有齊納二極管時的80V或100V工作電壓而設(shè)計的存儲電容器SC1＝SC2＝220μf。
對于上述變形，存儲電容器SC1和SC2的電容量根據(jù)如下的函數(shù)來選擇·電源故障的持續(xù)時間；·轉(zhuǎn)換器CV所需要的最小電壓；·轉(zhuǎn)換器CV能夠經(jīng)受的最大電壓；·負載L的最大消耗；以及·濾波電容器C1至Cn的電容量。
例如，對于以上參照圖1至5所描述的變形，并且對于·等于5ms的故障持續(xù)時間；·等于36V的最小電壓；·等于72V的最大電壓；·在觸發(fā)時間(在檢測到電源B1和B2的故障時)等于43V的電容器充電電壓Vin；·等于195W的最大消耗；以及·等于220μf的濾波電容器C1至Cn的總電容量；可使用的兩個電容器SC1和SC2每一個具有680μf的電容量。就在將兩個電容器串聯(lián)連接之后，由串聯(lián)的電容器實際供應(yīng)的電壓VBOOST是69V。
具體來說，如果C表示電容器SC1和SC2的每一個的電容量，并且如果濾波電容器C1至Cn的總電容量等于n×C，則就在將電容器串聯(lián)連接之后，串聯(lián)的電容器實際供應(yīng)的電壓VBOOST由下式給出VBOOST=n+1n+1/2Vin]]>
其中Vin是觸發(fā)時間(在檢測到電源B1和B2的故障時)的電容器充電電壓。
也能夠示出在負載L消耗電能P時用于克服持續(xù)時間Δt的故障所需要的、與SC2串連的SC1和C1至Cn的總電容Ctot等于Ctot=2·P·ΔtV2BOOST=V2min]]>其中Vmin是轉(zhuǎn)換器CV工作所需要的最小電壓。
由此推導(dǎo)每個電容器SC1和SC2的電容量CC=Ctotn+1/2]]>所能支持的最大故障持續(xù)時間也可以根據(jù)下式來計算Δtmax=Ctot(V2BOOST-V2min)2P]]>電子開關(guān)SW1、SW2、SW3的實施對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯然的。它們常規(guī)地包括MOS晶體管。包括二極管D1至D4的電源切換電路也能夠由MOS晶體管實施。
權(quán)利要求
1.一種使負載(L)能夠抵御瞬時電源故障的保護電路(PD2；PD3)，所述電路包括·連接到至少一個電源(B1，B2)的多個輸入和連接到所述負載(L)的多個輸出；以及·至少兩個存儲電容器(SC1，SC2)、第一切換裝置(D1至D4，SW3)、以及用于所述第一切換裝置的控制裝置(CU2)，使得所述兩個存儲電容器·在至少一個電源正常操作時并聯(lián)連接到至少一個電源(B1，B2)；以及·在沒有電源(B1，B2)正常工作時與任一電源(B1，B2)隔離而且串聯(lián)連接到所述電路(PD2)的所述多個輸出；以及所述電路的特征在于·第一存儲電容器(SC1)具有連接到所述電路的正輸出的第一端子和通過第一電阻器(R1)連接到所述電路的所述負輸出的第二端子；·第二存儲電容器(SC2)具有連接到所述電路的所述負輸出的第一端子和通過第二電阻器(R2)連接到所述電路的所述正輸出的第二端子；以及·電子開關(guān)(SW3)將所述第一電容器(SC1)的所述第二端子連接到所述第二存儲電容器(SC2)的所述第二端子；以及其特征在于所述第一控制裝置(CU2)包括用于控制所述開關(guān)(SW3)的控制裝置，使得所述開關(guān)(SW3)在沒有電源正常操作時閉合，并且所述開關(guān)(SW3)在至少一個電源正常操作時斷開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其特征在于它還包括兩個齊納二極管(Z1，Z2)，所述齊納二極管分接于各存儲電容器(SC1，SC2)，以將它們各自的充電電壓限制為小于所述電源(B1，B2)電壓的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其特征在于它在每個電源(B1，B2)與所述存儲電容器(SC1，SC2)之間還包括慢啟動電路(SSC)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其特征在于它在每個電源(B1，B2)與所述存儲電容器(SC1，SC2)之間還包括第二切換裝置(D1，D2，D3，D4)，適于防止使所述存儲電容器(SC1，SC2)放電的跨電源(B1，B2)短路。
全文摘要
一種使負載(L)能夠抵御瞬時電源故障的保護電路(PD2)。它包括連接到至少一個電源(B1，B2)的多個輸入、連接到負載(L)的多個輸出、至少兩個存儲電容器(SC1，SC2)、以及第一切換裝置(D1至D4，SW3，CU2)，使得兩個存儲電容器在至少一個電源的電壓大于固定值時并聯(lián)連接到至少一個電源(B1，B2)，并且在每個電源電壓小于或等于固定值時與任一電源(B1，B2)隔離而且串聯(lián)連接到電路(PD2)的多個輸出。應(yīng)用于電子設(shè)備，特別是電信設(shè)備。
文檔編號H02J9/06GK1835361SQ20061005868
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月8日
發(fā)明者達尼埃爾·佩龍, 吉爾貝·盧卡 申請人:阿爾卡特公司