一种具有安全保护功能的双冗余供电DC/DC电路的制作方法

一种具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路
技术领域
1.本发明涉及但不限于机载计算机机电控制技术领域，尤其涉及一种具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路。


背景技术：

2.随着飞机机载设备安全性要求的提高，对机载计算机可靠性要求越来越高，对其组成模块提出了双余度供电的技术需求，以保证在失去部分供电情况下，机载计算机仍能正常工作。
3.传统的选通二极管切换供电的方式在二极管上电压及功率损耗非常大，且存在二极管短路烧毁的风险。


技术实现要素：

4.本发明的目的：为了解决背景技术中的问题，本发明提出一种具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路，以解决现有选通二极管的供电切换方式，由于二极管上电压及功率损耗非常大，从而导致整个电路存在因二极管短路而烧毁的风险。
5.本发明的技术方案：本发明实施例提出一种具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路，包括：电源选通及防短路子电路和dc/dc子电路；
6.所述电源选通及防短路子电路包括：场效应管选通控制器、两个功率场效应管、两个保险丝；
7.其中，所述场效应管选通控制器的两个电源输入感应端口一一对应的连接到两个电压源，两个电源输出感应端口分别连接到并联输出端，两个驱动端口一一对应的连接到两个功率场效应管的控制端，两个功率场效应管的输入端一一对应的连接到两个电压源，输出端分别通过一个保险丝连接到所述并联输出端，且所述并联输出端连接到dc/d子电路的输入端；
8.所述场效应管选通控制器，用于通过监控两个电源输入感应端口与其对应的电源输出感应端口之间的压差，判断选通其中一个功率场效应管并同时关闭另一个功率场效应管，实现双余度供电的切换。
9.可选地，如上所述的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中，
10.所述场效应管选通控制器，具体用于对两个电源输入感应端口与其对应的电源输出感应端口之间的压差进行监控，关断低于并联输出端电压vout的输入电压源侧的功率场效应管，开启高于并联输出端电压vout的输入电压源侧的功率场效应管，从而实现双余度电源的自动切换判断和选通。
11.可选地，如上所述的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中，所述场效应管选通控制器的连接端口包括：两个电源输入感应端口，vin1和vin2；两个电源输出感应端口，vout1和vout2；两个驱动端口，gate1和gate2；输入使能端en1和en2，均接地；
12.其中，第一电压源5v1分别连接到vin1和功率场效应管1的源极s1和vin1，第二电
压源5v2分别连接到vin2和功率场效应管2的源极s2，vout1和vout2分别连接到并联输出端，功率场效应管1的栅极g1与gate1连接，漏极d1与保险丝1的前端连接，功率场效应管2的栅极g2与gate2连接，漏极d2与保险丝2的前端连接，保险丝1和保险丝2的后端分别连接到并联输出端。
13.可选地，如上所述的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中，所述场效应管选通控制器进行压差监控，包括：
14.分别监控第一电压源5v1到电源输出感应端口vout1的压差，以及第二电压源5v2到电源输出感应端口vout2的压差；
15.所述场效应管选通控制器进行判断和选通，包括：
16.当并联输出端电压vout高于第一电压源5v1且低于第二电压源5v2时，将拉高gate2电压且拉低gate1电压，从而驱动开启功率场效应管2且关闭功率场效应管1，使得第二电压源5v2作为供电电源；
17.当并联输出端电压vout高于第二电压源5v2且低于第一电压源5v1时，将拉高gate1电压且拉低gate2电压，从而驱动开启功率场效应管1且关闭功率场效应管2，使得第一电压源5v1作为供电电源。
18.可选地，如上所述的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中，
19.所述功率场效应管应采用n沟道场效应管，所述n沟道场效应管导通时阻抗在0.8mω至1.5mω，在5v电压源、且负载2a时的导通时压降最大为0.003v，且其漏源极电压最大为25v。
20.可选地，如上所述的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中，
21.所述场效应管选通控制器，还用于在第一电压源5v1接地短路时，此时并联输出端电压vout高于第一电压源5v1的电压，控制拉低gate1电压并关闭场效应管1；以及在第二电压源5v2接地短路时，此时并联输出端电压vout高于第二电压源5v2的电压，控制拉低gate2电压并关闭场效应管2。
22.可选地，如上所述的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中，
23.每个所述保险丝，连接在对应功率场效应管的漏极与后级dc/dc子电路之间，用于在与本保险丝连接的功率场效应管源漏极之间发生短路时，对其所在通路进行切断保护。
24.可选地，如上所述的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中，
25.所述dc/dc子电路设置为输出可配置dc/dc子电路，具有多路输出通路、且每路输出通路设置有对应的配置电阻，通过配置电阻配置对应输出通路的输出电压；其中，每个输出通路的输出电压配置为相同电压值或不同电压值。
26.可选地，如上所述的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中，所述dc/dc子电路具体包括两路输出通路，两路输出通路共具有两组输入端口，vin1和vin2；两组输出端口，vout1和vout2；两个启动控制端口，run1和run2；两个配置端口，fb1和fb2；
27.其中，每组输入端口分别与电源选通及防短路子电路的并联输出端连接，且每组输入端口分别与两个并联的电容相连接，用于对并联输出端的输出电压vout进行去耦及降低抖动；
28.每组输出端口分别与三个并联的电容相连接，用于保证对后端用电芯片供电的稳定；
29.每个启动控制端口分别通过一个上拉电阻连接到电源选通及防短路子电路的并联输出端，用于使能dc/dc子电路内部对应的输出通路；
30.每个配置端口分别通过一个配置电阻接地，用于通过对配置电阻的电阻值配置，从而配置本配置端口所在输出通路的输出电压。
31.本发明的有益效果：本发明实施例提出一种具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路，通过合理设计电源选通及防短路子电路的结构，使得该子电路中的场效应管选通控制器可以通过监控两个电源输入感应端口与其对应的电源输出感应端口之间的压差，判断选通其中一个功率场效应管并同时关闭另一个功率场效应管，实现双余度供电的切换；该子电路中通过使用功率场效应管降低导通阻抗，并且减小导通压降；另外，在功率场效应管的漏极与后级dc/dc子电路之间设置保险丝，当功率场效应管的源漏极之间发生短路，尤其在功率场效应管烧毁或击穿短路，需关断而场效应选通控制器无法关断该功率场效应管时，保险丝能对该路通路进行切断保护，避免故障蔓延；再者，该电路中由输出可配置dc/dc子电路为后端用电芯片提供可配置的电源输出。
32.采用本发明实施例提供的双冗余供电dc/dc电路，不仅可对外部两个供电电源进行判断、选通及快速切换，具有短路保护能力，并且可以根据后端用电芯片灵活进行输出电源配置，实现了单板双余度电源供电，减少了额外电路的使用，有效减小了电压和功率损耗，提高了任务可靠性。另外，该双冗余供电dc/dc电路，使用器件少，占板面积小，硬件结构简单，通用性好的特定。
附图说明：
33.图1为本发明实施例中一种具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路的结构示意图；
34.图2为图1所示实施例提供的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中一种电源选通及防短路子电路的结构示意图；
35.图3为图1所示实施例提供的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中一种dc/dc子电路的结构示意图。
具体实施方式：
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
37.上述背景技术中已经说明，现有选通二极管的供电切换方式，由于二极管上电压及功率损耗非常大，从而导致整个电路存在因二极管短路而烧毁的风险。
38.针对现有选通二极管的供电切换方式存在的技术问题，目前亟需提供更可靠、效率高、且能够防止故障蔓延的双冗余供电方式。另外，随着集成电路的发展，dsp、fpga及存储器芯片供电电压及接口电压的不同，需要可灵活配置的供电输出。
39.为了实现上述高可靠性、高效率、且能够防止故障蔓延的双冗余供电方式，本发明提出一种具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路。
40.本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程
可能在某些实施例不再赘述。
41.图1为本发明实施例中一种具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路的结构示意图。本发明实施例提供的双冗余供电dc/dc电路可以包括：电源选通及防短路子电路和dc/dc子电路。
42.如图1所示双冗余供电dc/dc电路的结构中，电源选通及防短路子电路包括：场效应管选通控制器、两个功率场效应管和两个保险丝。
43.如图1中电源选通及防短路子电路的电路结构，场效应管选通控制器的两个电源输入感应端口一一对应的连接到两个电压源，如图1中5v1和5v2，两个电源输出感应端口分别连接到并联输出端，如图1中的vout1/vout2，两个驱动端口一一对应的连接到两个功率场效应管的控制端，两个功率场效应管的输入端一一对应的连接到两个电压源，输出端分别通过一个保险丝连接到上述并联输出端，且并联输出端连接到dc/d子电路的输入端。
44.基于本发明实施例提供的双冗余供电dc/dc电路的结构，其中场效应管选通控制器具体负责两个电源输入感应端口与其对应的电源输出感应端口的对比监控，例如通过监控两个电源输入感应端口与其对应的电源输出感应端口之间的压差，判断选通其中一个功率场效应管并同时关闭另一个功率场效应管，实现双余度供电的切换。
45.需要说明的是，本发明实施例中采用功率场效应管，基于其具有导通阻抗小，导通压降小，及防反向电压的特点；因此可以通过使用功率场效应管降低导通阻抗，并且减小导通压降。
46.本发明实施例在具体实现中，场效应管选通控制器实现双余度供电切换的具体方式为：对两个电源输入感应端口与其对应的电源输出感应端口之间的压差进行监控，关断低于并联输出端电压vout的输入电压源侧的功率场效应管，开启高于并联输出端电压vout的输入电压源侧的功率场效应管，从而实现双余度电源的自动切换判断和选通。
47.另外，本发明实施例采用的电源选通及防短路子电路的结构，还兼具有放置输入电压源侧短路接地的功能，由于一侧输入电压源小于并联输出端电压vout，关断后即断开，即不接地。
48.图2为图1所示实施例提供的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中一种电源选通及防短路子电路的结构示意图。如图2所示，本发明实施例中场效应管选通控制器的连接端口包括：两个电源输入感应端口，如图2中vin1和vin2；两个电源输出感应端口，如图2中vout1和vout2；两个驱动端口，如图2中gate1和gate2；输入使能端en1和en2，均接地。
49.如图2所示电源选通及防短路子电路的结构中，第一电压源5v1分别连接到vin1和功率场效应管1的源极s1和vin1，第二电压源5v2分别连接到vin2和功率场效应管2的源极s2，vout1和vout2分别连接到并联输出端vout，功率场效应管1的栅极g1与gate1连接，漏极d1与保险丝1的前端连接，功率场效应管2的栅极g2与gate2连接，漏极d2与保险丝2的前端连接，保险丝1和保险丝2的后端分别连接到并联输出端。
50.在图2所示电源选通及防短路子电路结构的示意中，场效应管选通控制器进行压差监控的具体实现方式，可以包括：
51.分别监控第一电压源5v1到电源输出感应端口vout1的压差，以及第二电压源5v2到电源输出感应端口vout2的压差。
52.进一步地，该具体实现方式中，场效应管选通控制器进行判断和选通的实施方式，
可以包括以下几种情况：
53.情况1：当并联输出端电压vout高于第一电压源5v1且低于第二电压源5v2时，将拉高gate2电压且拉低gate1电压，从而驱动开启功率场效应管2且关闭功率场效应管1，使得第二电压源5v2作为供电电源；
54.情况2：当并联输出端电压vout高于第二电压源5v2且低于第一电压源5v1时，将拉高gate1电压且拉低gate2电压，从而驱动开启功率场效应管1且关闭功率场效应管2，使得第一电压源5v1作为供电电源。
55.在本发明实施例的一种实现方式中，功率场效应管应可以采用n沟道场效应管，由于n沟道场效应管的导通阻抗小且电压损耗低，可承受反向电压大。所选用的n沟道场效应管导通时阻抗在0.8mω至1.5mω，在5v电压源、且电压负载2a时的导通时的压降最大仅为0.003v，该n沟道场效应管的自身压降远低于或二极管电压选通的导通压降，使得电压源的使用效率提升；另外，该n沟道场效应管的漏源极电压最大为25v，可以保证当源极短路接地时，场效应管可以承受住反向电压而不损坏。
56.进一步地，本发明实施例设计的电源选通及防短路子电路的结构中，场效应管选通控制器的功能，还包括：在第一电压源5v1接地短路时，此时并联输出端电压vout高于第一电压源5v1的电压，控制拉低gate1电压并关闭场效应管1；以及在第二电压源5v2接地短路时，此时并联输出端电压vout高于第二电压源5v2的电压，控制拉低gate2电压并关闭场效应管2。需要说明的是，由于场效应管的漏源极电压耐受能力为25v高于且vout，因此不会被击穿导通。
57.进一步地，如图1所示双冗余供电dc/dc电路的结构中，每个保险丝，连接在对应功率场效应管的漏极与后级dc/dc子电路之间，其作用为：在与该保险丝连接的功率场效应管源漏极之间因失效或烧毁发生短路时，对其所在通路进行切断保护。
58.需说说明的是，当功率场效应管的源漏极之间发生短路，尤其在功率场效应管烧毁或击穿短路，需关断而场效应选通控制器无法关断该功率场效应管时，保险丝能对该路通路进行切断保护，从而实现对电路后端的短路保护，避免故障蔓延。因此，本发明实施例的双冗余供电dc/dc电路设置了保险丝，当场效应管失效或烧毁导致短路时，保险丝可对该侧电路进行切断，提升整体电路的可靠性。
59.在本发明实施例的一种实现方式中，该双冗余供电dc/dc电路中的dc/dc子电路设置可以设置为输出可配置dc/dc子电路，该输出可配置dc/dc子电路中具有多路输出通路、且每路输出通路设置有对应的配置电阻，通过配置电阻配置对应输出通路的输出电压；其中，每个输出通路的输出电压可以配置为相同电压值或不同电压值。该输出可配置dc/dc子电路可根据后端用电芯片电压要求，配置不同的设置电阻以提供不同的电压源输出。如图1所示，以具有两个输出通路为例予以示出。
60.图3为图1所示实施例提供的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路中一种dc/dc子电路的结构示意图。该dc/dc子电路具体包括两路输出通路，两路输出通路共具有两组输入端口，如图3中vin1和vin2；两组输出端口，如图3中vout1和vout2；两个启动控制端口，如图3中run1和run2；两个配置端口，如图3中fb1和fb2；需要说明的是，每组输入端口和每组输出端口分别可以通过多个并联的端口实现。
61.如图3中dc/dc子电路的具体结构中，每组输入端口分别与电源选通及防短路子电
路的并联输出端out1/out2连接，且每组输入端口分别与两个并联的电容相连接，用于对并联输出端的输出电压vout进行去耦及降低抖动。
62.每组输出端口分别与三个并联的电容相连接，用于保证对后端用电芯片供电的稳定。
63.每个启动控制端口分别通过一个上拉电阻连接到电源选通及防短路子电路的并联输出端，用于使能dc/dc子电路内部对应的输出通路。
64.每个配置端口分别通过一个配置电阻接地，用于通过对配置电阻的电阻值配置，从而配置本配置端口所在输出通路的输出电压，即配置输出端口vout1和vout2的输出电压。
65.本发明实施例提供的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路，通过合理设计电源选通及防短路子电路的结构，使得该子电路中的场效应管选通控制器可以通过监控两个电源输入感应端口与其对应的电源输出感应端口之间的压差，判断选通其中一个功率场效应管并同时关闭另一个功率场效应管，实现双余度供电的切换；该子电路中通过使用功率场效应管降低导通阻抗，并且减小导通压降；另外，在功率场效应管的漏极与后级dc/dc子电路之间设置保险丝，当功率场效应管的源漏极之间发生短路，尤其在功率场效应管烧毁或击穿短路，需关断而场效应选通控制器无法关断该功率场效应管时，保险丝能对该路通路进行切断保护，避免故障蔓延；再者，该电路中由输出可配置dc/dc子电路为后端用电芯片提供可配置的电源输出。采用本发明实施例提供的双冗余供电dc/dc电路，不仅可对外部两个供电电源进行判断、选通及快速切换，具有短路保护能力，并且可以根据后端用电芯片灵活进行输出电源配置，实现了单板双余度电源供电，减少了额外电路的使用，有效减小了电压和功率损耗，提高了任务可靠性。
66.以下通过一个具体实施示例对本发明实施例提供的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路的具体实施方式进行说明。
67.参照图1到图3所示，该具体实施示例提供的中双冗余供电dc/dc电路包括两个部分：电源选通及防短路子电路和dc/dc子电路。
68.1、电源选通及防短路子电路及其相关电器结构的功能：
69.如图1和图2所示，电源选通及防短路子电路为dc/dc子电路的前端电路，包括场效应管选通控制器、两个功率场效应管、两个保险丝；其中，场效应管选通控制器例如采用ltc4370ims#pbf、功率场效应管例如采用csd18501q5a、保险丝例如采用r253 003。
70.该具体实施例中，场效应管选通控制器的具有以下链接端口：两个电源输入感应端口，如图2中vin1和vin2；两个电源输出感应端口，如图2中out1和out2；两个驱动端口，如图2中gate1和gate2；输入使能端en1和en2。
71.en1及en2均接地，同时使能场效应管选通控制器的两侧监控及控制功能；vin1与功率场效应管1的源极s1、外部5v输入电压源5v1并联；vin2与场功率效应管2的源极s2、外部5v输入电压源5v2并联；gate1及gate2对一对应与两个功率场效应管的栅极g1及g2连接；功率场效应管1的漏极d1与保险丝1的前端连接，保险丝1的后端与out1和out2并联；功率场效应管2的漏极d2与保险丝2的前端连接，保险丝2的后端与out1和out2并联。
72.场效应管选通控制器电路分别监控输入5v1、5v2，及vout1和out2的并联输出端电压vout。当vout高于5v1而低于5v2时，控制器将拉高gate2电压而拉低gate1电压，这样驱动
功率场效应管2而关闭功率场效应管1，使得5v2作为供电电源，反之则使用5v1作为供电电源，这样实现了双余度电源间的判断及选通。当其中一个功率场效应管接通时，由于该功率场效应管导通时阻抗仅为0.8至1.5mω，在一般单板5v电源负载2a时导通时压降最多仅为0.003v，极大降低了导通压降损失，提升了效率。
73.当5v1电源接地短路时，vout此时高于5v1端的电压，控制器将会拉低gate1电压关闭功率场效应管1，由于功率场效应管的漏源极电压耐受能力为25v高于vout，并不会被击穿导通。5v2电源接地短路时电路工作原理相同，这样实现了两个电压输入侧的接地短路的防护。
74.当一侧场效应管由于老化或击穿，场效应管选通控制器需要关断功率场效应管而无法将其关断，而后端vout发生短路时，由于保险丝的存在，可以将该侧通路切断，保证了后端负载的接地短路的防护。
75.2、dc/dc子电路：
76.如图3所示，该dc/dc子电路采用双路输出可配置dc/dc模块电路，例如为ltm4616iv#pbf。该双路输出可配置dc/dc模块电路具有以下链接端口：
77.a，两组输入端口，如图3中vin1和vin2，该两组输入端口均与电源选通及防短路子电路的并联输出端连接，获取具有双余度的5v电源输入；另外，vin1和vin2端分别与并联的1个10uf和1个1uf共计11uf的电容相连接，能够对vout的输出电压去耦及降低抖动。
78.b，两组输出端口，如图3中vout1及vout2，vout1和vout2分别与三个并联的10uf的电容连接，保证对后端用电芯片供电的稳定。
79.c，两个启动控制端口，如图3中run1和run2，run1和run2分别通过一个4.7k的上拉电阻连接至电源选通及防短路电路的并联输出端，以使能dc/dc内部的两路输出通路。
80.d，两个配置端口，如图3中fb1和fb2，该dc/dc子电路通过配置端口fb1和fb2配置对应配置电阻(r36、r39)的电阻值，从而配置输出端口电压vout1及vout2的大小，每路输出通路中配置电阻大小与输出电压的关系见表1，实现了双路独立可配置的输出电源，以满足不同用电芯片的电压需求。
81.表1电阻大小与输出电压的关系
82.vout1/vout20.596v1.2v1.5v1.8v2.5v3.3vr
fb
开路10k6.65k4.87k3.09k2.21k
83.举例来说，通过对上述配置电阻(r36、r39)的电阻值配置，可以实现3.3v、2.5v、1.8v、1.5v、1.2v档位中两个相同的或两个任意的电源输出，以适配目前dsp、fpga及存储器芯片供电电压及接口供电电压不同的需求。
84.该具体实施例提供的具有安全保护功能的双冗余供电dc/dc电路，使用器件少，占板面积小，硬件结构简单，具有不断电的双余度供电切换，导通压降小，防短路，及输出电压可配置的能力，可靠性高，通用性好。
85.采用该具体实施例提供的双冗余供电dc/dc电路，可以在机载计算机内部提供两路电源的情况下，单板对电源进行选通和快速切换，实现双余度供电；采取防过流短路措施，避免故障蔓延；为后端芯片提供可灵活配置的供电电压，减少额外电路的使用，有效减小电压和功率损耗，提高任务可靠性。
86.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的
实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。