專利名稱：一種主備電源的切換控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電路控制領域，尤其涉及一種主備電源的切換控制裝置。
背景技術：
在低壓兩路或多路供電系統(tǒng)中，通常由主路電源對負載進行供電，若主路電源發(fā)生故障不能為負載供電時，切換到備用電源，由備用電源對負載進行供電。主路電源和備用電源都采用二極管作為隔離模塊，防止主路電源失效后備用電源倒灌入主路電源。
圖1示出了多路供電系統(tǒng)中采用二極管隔離的主備電源切換電路的組成，電路中包括多個主路電源和一個備用電源。采用二極管隔離主路電源和備用電源時，在主備電源均為低電壓時，由于隔離二極管壓降較高，主路電源會在二極管上產生較大的壓降(最小也要0.4V)。另外，環(huán)境溫度對二極管的壓降會產生較大的影響，造成合路后電壓過低，合路輸出對負載供電不正常。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種主備電源的切換電路，旨在解決現(xiàn)有技術多路低壓電路供電系統(tǒng)中，主備電源采用二極管隔離時由于正向壓降較大，導致合路后電壓過低，對負載供電不正常的問題。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種主備電源的切換控制裝置，所述裝置包括根據(jù)主路電源電壓和合路輸出電壓的壓差控制主路電源供電通路開通與關斷的主路切換控制單元；以及根據(jù)主路電源電壓和參考電壓的壓差控制備用電源供電通路開通與關斷的備用切換控制單元；所述主路切換控制單元和備用切換控制單元分別包含一個控制電源通路開通與關斷的低壓降開關元器件。
所述主路切換控制單元包括采集主路電源電壓和合路輸出電壓的主路采樣模塊；與所述主路采樣模塊連接，根據(jù)主路采樣模塊采集的主路電源電壓和合路輸出電壓的壓差輸出切換控制信號的主路控制模塊；以及與所述主路控制模塊連接，根據(jù)所述切換控制信號控制主路電源通路開通與關斷的主路隔離模塊，所述主路隔離模塊包括一個低壓降開關元器件。
所述備用切換控制單元包括采集主路電源電壓和參考電壓的備用采樣模塊；根據(jù)備用采樣模塊采集的主路電源電壓和參考電壓的壓差輸出切換控制信號的備用控制模塊；以及與所述備用控制模塊連接，根據(jù)所述切換控制信號控制備用電源供電通路開通與關斷的備用隔離模塊，所述備用隔離模塊包括一個低壓降開關元器件。
所述主路控制模塊進一步包括在主路電源電壓跌落時，調高合路輸出電壓與主路電源電壓之間壓差值的回差電路模塊。
所述備用控制模塊進一步包括在主路電源電壓回升時，調高主路電源電壓與參考電壓之間壓差值的回差電路模塊。
所述備用切換控制單元進一步包括與所述備用控制模塊和備用隔離模塊連接，根據(jù)所述備用控制模塊的切換控制信號，加速拉低低壓降開關元器件的輸入電平，控制所述備用隔離模塊加速開通備用電源供電通路的加速開通模塊。
所述參考電壓為備用電源電壓或者基準電壓。
所述低壓降元器件為MOS管或者大功率晶體管。
所述加速開通模塊包括一個三極管或MOS管。
本發(fā)明中采用有源開關作為主備電源切換的開關器件，提高開關動作，降低了壓降和損耗，隔離電路前后的壓降很小(20A大約只有50mV)，適用于低壓電路，實現(xiàn)了與二極管相同的隔離作用。同時，實現(xiàn)了兩路電源的不間斷切換，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且所有器件均可表貼化，散熱容易。


圖1是現(xiàn)有技術中主備電源采用二極管隔離的供電電路示意圖；圖2是本發(fā)明第一實施例中的主備電源切換裝置的實現(xiàn)原理圖；圖3是本發(fā)明第一實施例中的主備電源切換裝置的電路結構示例圖；圖4是本發(fā)明第二實施例的主備電源切換裝置的實現(xiàn)原理圖；圖5是本發(fā)明第二實施例中的主備電源切換裝置的電路結構示例圖；圖6是本發(fā)明第一實施例中增加了回差電路的主備電源切換裝置的實現(xiàn)原理圖；圖7是本發(fā)明第二實施例中增加了回差電路的主備電源切換裝置的實現(xiàn)原理圖；圖8是本發(fā)明第一實施例中增加了回差電路的主備電源切換裝置的電路結構示例圖；圖9是本發(fā)明第二實施例中增加了回差電路的主備電源切換裝置的電路結構示例圖；圖10是本發(fā)明第一實施例中增加了加速開通電路的主備電源切換裝置的實現(xiàn)原理圖；圖11是本發(fā)明第二實施例中增加了加速開通電路的主備電源切換裝置的實現(xiàn)原理圖；圖12是本發(fā)明第一實施例中增加了加速開通電路的主備電源切換裝置的電路結構示例圖；圖13是本發(fā)明第二實施例中增加了加速開通電路的主備電源切換裝置的電路結構示例圖；圖14是本發(fā)明第一實施例中增加了回差電路和加速開通電路的主備電源切換裝置的實現(xiàn)原理圖；圖15是本發(fā)明第二實施例中增加了回差電路和加速開通電路的主備電源切換裝置的實現(xiàn)原理圖；圖16是本發(fā)明第一實施例中增加了回差電路和加速開通電路的主備電源切換裝置的電路結構示例圖；圖17是本發(fā)明第二實施例中增加了回差電路和加速開通電路的主備電源切換裝置的電路結構示例圖。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明采用低壓降元器件作為主路電源和備份電源的隔離裝置，與其他電路元器件組成低壓降隔離電路，實現(xiàn)對主路電源和備用電源的隔離。通過對主路電源和備用電源以及合路輸出電壓的壓差比較，控制隔離器件的開通和關斷，靈活地切換主路電源和備份電源，保證供電系統(tǒng)的正常工作。
在本發(fā)明中，選用壓降更低的器件作為主路電源和備用電源的隔離器件，如金屬-氧化物半導體場效應晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET/MOS)、大功率晶體管等器件，以下以MOS管為例對本發(fā)明的具體實現(xiàn)進行詳細說明。由于MOS管具有雙向導電性，必須采用合理的控制裝置MOS管門極的開通和關斷，從而達到有效隔離的目的，本發(fā)明通過壓差控制方式控制MOS管的開通和關斷。
在本發(fā)明的第一實施例中，主路隔離的開通與關斷通過檢測主路電源電壓與合路輸出電壓的壓差實現(xiàn)，備用隔離的控制通過檢測主路電源電壓和基準電壓的壓差實現(xiàn)。
如圖2所示，主路采樣模塊101.1采集主路電源電壓及合路輸出電壓，主路控制模塊102.1根據(jù)主路采樣模塊101.1采集的主路電源電壓和合路輸出電壓之間的壓差對主路隔離模塊103.1的開關進行控制。當主路電源的電壓高于合路輸出電壓一定壓差(一般15～20mV)時，控制主路隔離模塊103.1打開，主路電源供電通路連通，反之則關斷，主路電源供電通路關斷。
備用采樣模塊101.2采集主路電源電壓和基準電壓，備用控制模塊102.2根據(jù)備用采樣模塊101.2采集的主路電源電壓和基準電壓之間的壓差對備用隔離模塊103.2進行開關控制。當主路電源電壓小于基準電壓時，備用控制模塊102.2控制備用隔離模塊103.2打開，備用電源供電通路連通，反之則關斷，備用電源供電通路關斷。在本發(fā)明中，基準電壓由精確度較高的穩(wěn)定電壓源提供。
當電路開始工作時，主路電源電壓高于基準電壓，備用控制模塊102.2控制備用隔離模塊103.2關斷，當主路電源電壓高于合路輸出電壓一定壓差時，主路控制模塊102.1控制主路隔離模塊103.1開通，主路電源向負載供電。在主路電源工作不正常時，主路電源電壓開始跌落，當主路電源電壓與合路輸出電壓的電壓差小于一定壓差時，主路控制模塊102.1控制主路隔離模塊103.1關斷。當主路電源電壓繼續(xù)跌落小于基準電壓時，備用控制模塊102.2控制備用隔離模塊103.2打開，切換到備用電源向負載供電。
如圖3示出了本實施例下的電路結構示例，采用P溝道增強型MOSFET管作為主路電源和備份電源的隔離器件。
電阻R1一端接地，另一端接電阻R3，電阻R3與電阻R4串聯(lián)，電阻R4接主路電源(Z 3V3)。電阻R3、電阻R4串聯(lián)后與電阻R1對主路電源電壓分壓，分壓輸出作為比較器U1A的參考電壓。電阻R2與電阻R5對合路輸出電壓分壓，分壓輸出作為比較器U1A的另一路參考電壓。R1＝R2，R3＝R5，電阻R4是一個可調電阻，通過調節(jié)電阻R4可以保證當主路電源電壓比合路輸出電壓高出一定電壓時才打開Q1，從而在主電源電壓跌落在小于合路輸出電壓之前就提前將Q1關斷，降低了主路電源失效后備份電源倒灌入主路電源的可能性。
比較器U1A的正負輸入端與電容C1并聯(lián)，電容C1的作用是濾波。上拉電阻R6一端接比較器U1A的輸出端，另一端與比較器U1A正極相接。
MOS管Q1的柵極(G極)接比較器的U1A的輸出端，源極(S極)接主路電源，漏極(D極)輸出合路輸出電壓。主路電源電壓正常時，比較器U1A負輸入端電壓高于U1A正輸入端電壓，U1A輸出低電平，由于Q1是低電平導通，此時Q1導通。主路電源電壓不正常時，U1A負輸入端電壓低于正輸入端電壓時，輸出開路，由上拉電阻R6將高電平輸出，Q1門極被拉高，Q1關斷。
電阻R8一端接地，另一端接電阻R7，電阻R7和電阻R8對主電源電壓分壓后作為比較器U1B的一路參考電壓，基準電壓(3V3)作為比較器U1B的另一路參考電壓。
比較器U1B的正負輸入端和電容C2并聯(lián)，電容C2的作用是濾波。上拉電阻R12一端接比較器U1B輸出端，另一端與比較器U1B正極相接。
MOS管Q2的柵極(G極)接比較器的U1B的輸出端，源極(S極)接備用電源(B 3V3)，漏極(D極)輸出合路輸出電壓。主路電源電壓常時，比較器U1B正輸入端電壓高于U1B負輸入端電壓，U1B輸出開路，由上拉電阻R13將高電平輸出，Q2門極被拉高，Q2關斷。主路電源電壓不正常時，U1B正輸入端電壓低于負輸入端電壓時，輸出低電平，此時Q2導通。
U1A與U1B的正極分別與二極管D2、D1的負極相連，二極管D1的正極接備用電源、D2的正極接合路輸出電壓，由備用電源電壓和合路輸出電壓對UIA、UIB供電。為防止電流倒灌，備用電源的電壓和合路輸出后的電壓分別通過二極管D1、D2給比較器U1B和U1A供電，C3的作用是當主、備電壓均跌落時維持比較器U1A和U1B的正常供電。
作為本發(fā)明的第二實施例，如圖4所示，通過檢測主路電源電壓和備用電源電壓之間的壓差控制備用隔離。其中，主路隔離模塊103.1的開關控制原理與第一實施例相同，不再贅述。
備用采樣模塊101.2采集主路電源電壓和備用電源電壓，備用控制模塊102.2根據(jù)主路電源電壓和備用電源電壓之間的電壓差對備用隔離模塊103.2進行開關控制。當主路電源電壓小于備用電源電壓時，備用控制模塊102.2控制備用隔離模塊103.2打開，備用電源供電通路連通，反之則關斷，備用電源供電通路關斷。
當主路電源開始工作時，如果主路電源電壓高于備用電源電壓，備用控制模塊102.2控制備用隔離模塊103.2關斷，當主路電源電壓高于合路輸出電壓一定壓差時，主路控制模塊102.1控制主路隔離模塊103.1開通，主路電源向負載供電。在主路電源工作不正常時，主路電源電壓開始跌落，當主路電源電壓與合路輸出電壓的電壓差小于一定壓差時，主路控制模塊102.1控制主路隔離模塊103.1關斷。當主路電源電壓繼續(xù)跌落小于備用電源電壓時，備用控制模塊102.2控制備用隔離模塊103.2打開，切換到備用電源向負載供電。
圖5示出了本實施例下的電路結構示例，R8＝R9，R7＝R10，電阻R11是可調電阻，電阻R8和電阻R7對主路電源電壓分壓電壓作為比較器U1B的一路參考電壓，電阻R9一端接地，另一端接電阻R10，電阻R10、電阻R11串聯(lián)后與電阻R9對備用電源電壓分壓后作為另一路參考電壓。通過調節(jié)電阻R11，可使只有當主路電源電壓低于備用電源電壓時才開通Q2，由備用電源供電。
正常情況下，主電路正常，即主路電源電壓高于合路輸出電壓一定值(由電阻R4調節(jié)而定)，同時也高于備用電源電壓，U1A輸入負端電壓高于輸入正端電壓時，U1A輸出低電平，Q1導通，U1B輸入正端電壓高于輸入負端電壓，U1B輸出開路，Q2斷開，由主路電源供電；當主路電源電壓跌落低于備用電源電壓一定值(由電阻R11調節(jié))時，主路電源電壓低于合路輸出電壓，因此U1A輸入負端電壓低于輸入正端電壓，U1A輸出高電平，Q1斷開。U1B輸入正端電壓低于負端電壓，U1B輸出低電平，Q2打開，此時由備用電源供電。其余電路的工作原理與第一實施例相同，不再贅述。
為了增強系統(tǒng)的抗干擾性，在本發(fā)明的另一實施例中，可以在備用控制模塊102.2中增加回差電路模塊102.21，如圖6、圖7所示，以在主路電源電壓跌落時，調高合路輸出電壓與主路電源電壓之間的壓差值，對應的電路結構示例分別如圖8、圖9所示。
其中，電阻R14的一端接在比較器U1B的負輸入端，另一端接二極管D3的正極，D3的負極接比較器U1B的輸出端。主電路電源電壓正常的情況下，U1B輸出開路，二極管D3反向截止，電阻R7和電阻R8分壓作為輸入的參考電壓。當主路電源欠壓時，U1B輸出低電平，D3正向導通，輸入的參考電壓為電阻R7和電阻R8//電阻R14(電阻R8和電阻R14并聯(lián)后的電阻)的分壓，因此主路電源電壓回升時，必須高于基準電壓或者備份電源電壓一定值后才能關斷備份隔離通道，增強了系統(tǒng)的抗干擾性。同樣，也可以在主路控制模塊102.1中增加回差電路，使得在主路電源電壓回升時，調高主路電源電壓與參考電壓之間的壓差值，以增加系統(tǒng)的抗干擾性，其電路結構及工作原理與上述相同，不再贅述。
為了加速備用隔離模塊103.2的開通，提高主備電源切換速度，在本發(fā)明的另一實施例中，如圖10、圖11所示，在備用隔離模塊103.2上方增加了一個加速開通模塊104，加速開通模塊104可以選擇三極管、MOS管或其他開關器件。
圖12、圖13示出了該實施例下的電路結構示例，采用一個NPN型三極管Q4作為加速裝置。三極管Q4的發(fā)射極接地，基極接比較器U1B的輸出端，集電極接MOS管Q2的柵極。當主路電源正常時，U1B輸出低電平，由NPN型三極管的工作原理可知，低電平時三極管Q4斷開，Q2斷開；當主路電源欠壓時，U1B輸出開路，三極管Q4開通，Q2門極被迅速拉低，Q2開通，備份隔離通道加速打開。
作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，如圖14、圖15所示，可以同時增加回差電路模塊及加速開通模塊。本優(yōu)化實施例下的電路結構示例如圖16、17所示，具體工作原理如上所述，不再贅述。
本發(fā)明也可以適用于N+1備份的情況，在集中N+1備份時，由N路主路電源同時給系統(tǒng)供電，1路備用電源處于備份狀態(tài)，不給系統(tǒng)供電，將N路中的備用控制模塊控制備用隔離模塊103.2的信號通過或門后再去控制備用隔離模塊103.2。當N路中的任意一路主路電源出現(xiàn)故障后，通過或門觸發(fā)備用電源向系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)始終為N路供電，其實現(xiàn)原理和電路結構與上述類似，不再贅述。在采用N+1備份時，同樣可以適用于上述各實施例，具體實現(xiàn)原理及電路結構不再贅述。
與原二極管隔離電路相比，本發(fā)明增加了比較器(失效率16FIT)，MOS管(失效率17FIT)和三極管(失效率2FIT)和電阻電容等器件，失效率共35FIT，與原采用二極管隔離電路的失效率32FIT基本持平，可靠性較高。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種主備電源的切換控制裝置，其特征在于，所述裝置包括根據(jù)主路電源電壓和合路輸出電壓的壓差控制主路電源供電通路開通與關斷的主路切換控制單元；以及根據(jù)主路電源電壓和參考電壓的壓差控制備用電源供電通路開通與關斷的備用切換控制單元；所述主路切換控制單元和備用切換控制單元分別包含一個控制電源通路開通與關斷的低壓降開關元器件。
2.如權利要求1所述的主備電源的切換控制裝置，其特征在于，所述主路切換控制單元包括采集主路電源電壓和合路輸出電壓的主路采樣模塊；與所述主路采樣模塊連接，根據(jù)主路采樣模塊采集的主路電源電壓和合路輸出電壓的壓差輸出切換控制信號的主路控制模塊；以及與所述主路控制模塊連接，根據(jù)所述切換控制信號控制主路電源通路開通與關斷的主路隔離模塊，所述主路隔離模塊包括一個低壓降開關元器件。
3.如權利要求1所述的主備電源的切換控制裝置，其特征在于，所述備用切換控制單元包括采集主路電源電壓和參考電壓的備用采樣模塊；根據(jù)備用采樣模塊采集的主路電源電壓和參考電壓的壓差輸出切換控制信號的備用控制模塊；以及與所述備用控制模塊連接，根據(jù)所述切換控制信號控制備用電源供電通路開通與關斷的備用隔離模塊，所述備用隔離模塊包括一個低壓降開關元器件。
4.如權利要求2所述的主備電源的切換控制裝置，其特征在于，所述主路控制模塊進一步包括在主路電源電壓跌落時，調高合路輸出電壓與主路電源電壓之間壓差值的回差電路模塊。
5.如權利要求3所述的主備電源的切換控制裝置，其特征在于，所述備用控制模塊進一步包括在主路電源電壓回升時，調高主路電源電壓與參考電壓之間壓差值的回差電路模塊。
6.如權利要求3所述的主備電源的切換控制裝置，其特征在于，所述備用切換控制單元進一步包括與所述備用控制模塊和備用隔離模塊連接，根據(jù)所述備用控制模塊的切換控制信號，加速拉低低壓降開關元器件的輸入電平，控制所述備用隔離模塊加速開通備用電源供電通路的加速開通模塊。
7.如權利要求3或5所述的主備電源的切換控制裝置，其特征在于，所述參考電壓為備用電源電壓或者基準電壓。
8.如權利要求2或3所述的主備電源的切換控制裝置，其特征在于，所述低壓降元器件為MOS管或者大功率晶體管。
9.如權利要求1所述的主備電源的切換控制裝置，其特征在于，所述加速開通模塊包括一個三極管或MOS管。
全文摘要
本發(fā)明適用于電路控制領域，提供了一種主備電源的切換控制裝置，所述裝置包括根據(jù)主路電源電壓和合路輸出電壓的壓差控制主路電源供電通路開通與關斷的主路切換控制單元；以及根據(jù)主路電源電壓和參考電壓的壓差控制備用電源供電通路開通與關斷的備用切換控制單元；所述主路切換控制單元和備用切換控制單元分別包含一個控制電源通路開通與關斷的低壓降開關元器件。本發(fā)明中采用有源開關作為主備電源切換的開關器件，提高開關動作，降低了壓降和損耗，適用于低壓電路，實現(xiàn)了與二極管相同的隔離作用。同時，實現(xiàn)了兩路電源的不間斷切換，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且所有器件均可表貼化，散熱容易。
文檔編號H02J9/06GK1983761SQ20061006087
公開日2007年6月20日 申請日期2006年5月29日 優(yōu)先權日2006年5月29日
發(fā)明者吳建權 申請人:華為技術有限公司