一种冗余热备份电源的设计

1、一种冗余热备份电源的设计 第 8 卷第 4 期 2005年 4 月 童蔽敷石阙 POWERSUPPLYTECHNOIOGLESANDAPPLICATIONS V()l|8NO.4 April2005 种冗余热备份电源的设计 祝海强, (771 所电源工程部 , 尹明 陕西西安 710075) 摘要 :论述了冗余热备份电源的工作原理和设计方案 . 关键词:正激变换器 ;冗余热备份 ;或门二极管 DesignofPowerSupplyinRedundantHeatStandby ZHUHai qiang,YINMing (ReinforcedSupplyDepartmentof771Institu

2、te,XianShaanxi710075.China) Abstract:Theprincipleofpowersupplyinredundantheatstandbyanddesignschemeareintro duced. Keywords:forwardconverter;redundantheatstandby;orgatediode 中图分类号 :TN86 文献标识码 :B 文章编号 :02192713(2005)04 一 O01503 0 引言 在设计某高可靠性计算机系统时 ,要求其配 套电源采取冗余设计 .一般来说 ,可以采取的方案 有容量冗余 ,冗余冷备份方式 ,并联均流的

3、+1 备份方式 ,冗余热备份方式 . 容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际 负载 ,也就是 大马拉小车 ,其缺点是不利于提高 电源的效率 ,而且对提高电源的可靠性意义不大 . 冗余冷备份方式是指电源由两个或多个功能 相同的单元模块组成 ,电源启动后由其中一个单 元模块向设备供电 ,当工作单元发生故障时 ,备份 单元立刻启动向设备供电 .这种方式的缺点是备 份单元的启动到输出电压的建立需要一定的时 间 ,容易造成输出电压出现较大的豁口 ,这样会对 被供电的设备产生影响 . 并联均流的 +l 备份方式是指电源由多个 功能相同的单元组成 ,所有单元的输出功率之和 大于系统要求的功率 ,各单元的输出

4、通过或门二 极管并联在一起 ,有时输出采取均流控制电路 ,目 前采用较多的就是这种方式 . +1 备份方式由于 是多个单元同时向设备供电 ,单个单元故障 （失 效）一般不会对输出电压产生影响 ,但是 ,如果输 收稿日期 :2004 1012 出线发生故障容易波及到所有单元 . 冗余热备份方式是指电源由多个功能相同的 单元组成 ,电源启动时所有单元同时工作 ,由其中 预先设定的单元向设备供电 ,备份单元处于空载 状态 ,当向设备供电的单元出现故障时 ,备份单元 立刻向设备供电 ,维持了输出电压的稳定这种方 式的优点是工作单元故障后 ,备份单元输出响应 速度快 ,可以保证输出电压只在一个很小的范围

5、 内波动. 本文详细论述了采取冗余热备份方式的电源 设计方案 . 1 工作原理 冗余热备份结构的主电路由两个功能相同且 同时处于工作状态的单元组成 ,由切换电路控制 其中一路向设备供电 ,另一路空载 .当向设备供电 的单元发生故障时 ,切换电路立即动作 ,使另一个 单元向设备供电 ,同时切断故障单元的输出 . 主电路拓扑采用正激变换器 ,由输入滤波电 路,功率变换电路 ,控制电路,输出滤波电路 ,监测 切换电路组成电源框图如图 1 昕示一 DC28V 输 入经过滤波后提供给功率变换电路 ,控制电路通 过实时检测来控制功率变换电路 ,以实现输出隔 离稳定的 5V 电压 ,同时对输出电压进行过压

6、,过 15 第 8 卷第 4 期 2005年 4 月 童潦擞石阙 POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS V01.8No.4 April2005 图 1 电源框图 流保护. 冗余热备份功能由输出监测和切换开关来实 现 .正常状态下两个单元之一向设备供电 ,发生故 障时 ,另一个处于热备份的单元立刻向设备供电 , 同时切断故障单元的输出 .若两个单元的输出监 测电路同时发生故障 ,则两个单元同时向设备供 电 ,由于每个单元的输出端均连接了或门二极管 , 这时为电源输出并联方式下的备份 . 2 监测与切换功能的电路实现 作为一种冗余热备份电源 ,主要问题是工作

7、 单元的故障判断 .如果采取对电源的各个可能故 障点设置传感器 ,通过智能芯片或分立芯片组进 行故障判断 ,再采取相应的切换控制 ,那么整个电 源的复杂程度会增加 ,而且故障检测判断部分的 16 可靠性不一定高于电源本身由于电源的主要故 障均会反映在输出电压上 ,因此 ,以监测工作单元 的输出电压是否在设定范围之内作为故障判断的 标准.监测,切换功能的电路如图 2 所示. 图 2 中 RRV1I),D 组成单元 1 的 5V 输 出切换开关 ,D.导通,单元 1的 5V输出被切断; R,R,V,D.组成单元 2的5V 输出切换开 关,其功能与单元 1 相同.,R,AJ (TL431),R0,C

8、.,R.,AJ(TL431),D, ,R2,C.,VR.实现单元 1 的输出电压监测 和控制单元 2输出切换开关的功能 :当单元 1 的 输出电压高于或低于设定的电压范围时 (调节 ,Ro,R.的电阻值可以改变设定的电压 范围),光耦 D的脚 1,2不流过电流,使D:的脚 4, 5截止,V基极电压变低 ,D.的脚 1,2不流过电 流,使单元 2的切换开关打开 ,单元 2向设备输出 电压.同时,当单元 2 的输出电压在没定的电压范 围时(调节,的电阻值可以改 变设定的电压范围 ),光耦 D的脚 1,2流过电流 , 使 Do 的脚 4,5 导通,V 基极电压变高 ,D.的 脚 1,2 流过电流 ,

9、 使单元 1 的切换歼关关断 ,单元 1 不向设备输出电压 .同样,单元 2 中对称位置的元 器件实现与单元 1 中相同的输出电压监测和控制 单元 1 输出切换开关的功能 .通过设定 C!.和. 的电容值来设定电源启动时哪个单元先向设备供电 电源启动过程中 D!,Do! 的脚 4,5 均会有极其短 暂的导通 ,C,C 的电容值小的单元先切断另一 个单元向设备供电的通路 .通过图 2 町以看出本 电源的 2 个单元中 ,若单元 1 先输出正确的电压 , (下转 P19) 图 2 输出监测 ,切换电路原理图 毫濠设计 种新颖的无接触充电电堕 : _- 1lvJUUvlUgS 2)v10V10gs

10、(a)驱动电压波形和开关管波形 J 2)W100V4gs (b)开关管 .波形和直流 12V 输出波形 图 5 实验波形 5 结语 本文分析了实现无接触充电系统的意义 ,并 对无接触充电系统的主电路和控制电路进行了分 析,提出了一种将磁放大器用于次级稳压的电路 拓扑 ,既稳定了直流输出 ,又改善了系统的动态性 能 .最后通过实验验证了以上的设计 . 参考文献 【1】林渭勋 .现代电力电子电路【 M】.杭州 :浙江大学出 版社 .2oo2. 【2】张占松 ,蔡宣三 .开关电源的原理与设计【 M】.北 京 :电子工业出版社 ,1999. 【3】武瑛 ,严陆光.新型无接触能量传输系统【 J】.变压

11、器.2003.（6）. 作者简介 陈坚 （1977 一）,男,电力电子专业研究生 ,主要研究 方向为无接触能量传输系统及充电电路 （上接 P16） 则单元 2 的输出被关断 ; 单元 1 输出电压不正确 , 单元 2 的输出切换开关打开向设备供电 ,同时切 断单元 1 的输出电压 .反之亦然 . 3 实验结果 用示波器观测两个单元的输出端 ,可以观测 到单元 1向设备输出电压 ,单元 2不向设备输出 电压;断开单元 1的输入电压 ,可以观测到输出电 压无变化,由单元 2向设备供电 .如果先给单元 2 提供输入电压 ,再给单元 1 提供输入电压 ,然后断 开单元 2 的输入电压 ,情况相同 .

12、图 3 给出了当工作单元由于故障或电压下降 时 ,备份单元立刻向设备供电的波形 ,可以看出输 出电压在 10ms 之内恢复到标准值 ,不会引起计 算机重新启动 . 4 结语 本文给出了一种实现冗余热备份电源的方 法 ,其电路简洁 ,有利于提高电源整体的可靠性 . 但是 ,在大功率应用中 ,切换开关要仔细选取 ,以 硼 ChlPosition ChIScale PkPklCl745 NcgWIC11.s ill,doesrl0l PoswidfC1） 一 s fmdoesrl0l 图 3 切换波形 减小其对输出电压的影响 ,同时考虑采用输出电 压多点反馈方式 ,以补偿切换开关对输出电压的 影响. 作者简介 祝海强 （19