一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路及方法与流程

1.本发明属于开关电源输出失电保护技术领域，具体涉及一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路及方法。


背景技术：

2.为了提高电力二次设备开关电源的供电可靠性，通过两路或者多路电源进行冗余供电；同时，为了避免二次设备失电时，设备因处于异常供电工况导致功能异常或者破坏数据存储，需要设计专门的失电保护电路保障二次设备在掉电时功能状态的确定性和可预计性。
3.多路电源冗余供电时，需要解决某一路异常掉电或损坏时，输出出现暂态倒灌电流或者短路，导致二次设备内部控制系统暂态复位的问题，同时还要保证设备供电的暂态可靠性和稳态可靠性；当设备输入电源失电时，保证设备可靠的关机也是需要解决的技术问题。
4.现有开关电源失电保护电路主要有两类：一类是在开关电源输入侧增加储能电容以及相应的控制电路；另一类是在输出侧增加超级电容储能。但采用输入侧增加储能电容及控制电路，增加了电路复杂性，且储能容量增加有限；而采用输出侧增加超级电容及并联电路，存在因超级电容损坏引起电压输出异常和损耗偏大的不足。


技术实现要素：

5.发明目的：为了解决某一路异常掉电或损坏时，输出出现暂态倒灌电流或者短路，导致二次设备内部控制系统暂态复位的问题，以及为了解决当设备输入电源失电时，设备无法可靠关机的问题，本发明提出了一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路及方法，主要针对输出并联电路中的失电保护，降低失电对输出电压的影响，降低电源切换瞬间的供电稳定性和可靠性，提高二次设备运行的可靠性。
6.技术方案：一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路，包括储能用超级电容、充电回路、第一释放回路和第一电压监测控制电路；
7.其中，所述储能用超级电容用于储能；
8.其中，所述充电回路的一端与开关电源的输出端连接，其另一端与储能用超级电容连接，用于对储能用超级电容充电；
9.其中，所述第一释放回路的一端与开关电源的输出端连接，其另一端与储能用超级电容连接；
10.其中，所述第一电压监测控制电路与第一释放回路并联，用于对第一释放回路两端的电压值进行监测，该第一电压监测控制电路包括一控制端，所述控制端用于根据第一释放回路两端的电压值判断开关电源输出是否失电，当开关电源输出失电时，对第一释放回路进行控制，使储能用超级电容通过第一释放回路给负载供能。
11.进一步的，所述充电回路包括第二二极管，所述第二二极管的正极与开关电源的
输出端连接，第二二极管的负极与储能用超级电容连接。
12.进一步的，所述充电回路还包括电阻，所述电阻的一端与开关电源的输出端连接，该电阻的另一端与第二二极管的正极连接，该第二二极管的负极与储能用超级电容连接。
13.进一步的，所述第一释放回路包括第一二极管和第一mos管；所述第一二极管的正极与第一mos管的漏极连接，第一二极管的负极与第一mos管的源极连接；所述第一mos管的栅极与第一电压监测控制电路的控制端连接，用于控制第一mos管的导通或者不导通。
14.进一步的，当第一mos管不导通时，第一释放回路的压降为v
d1
；当第一mos管导通时，第一释放回路的压降为v
q1_on
，v
d1
和v
q1_on
满足v
d1
小于v
q1_on
。
15.进一步的，所述第一电压监测控制电路包括：电压检测与放大电路和电平比较电路；
16.所述电压检测与放大电路用于检测并放大第一释放回路两端的电压；
17.所述电平比较电路的输入端连接电压检测与放大电路的输出端，该电平比较电路的输出端为第一电压监测控制电路的控制端；该电平比较电路用于判断第一释放回路两端的电压是否小于等于设定的门槛i
th
，当第一释放回路两端的电压小于等于设定的门槛i
th
时，控制第一mos管不导通；当第一释放回路两端的电压大于设定的门槛i
th
时，控制第一mos管导通。
18.进一步的，还包括第二释放回路和第二电压监测控制电路；
19.所述第二释放回路的一端与开关电源的输出端连接，该第二释放回路的另一端与负载连接；
20.所述第二电压监测控制电路与第二释放回路并联，用于对第二释放回路两端的电压值进行监测，该第二电压监测控制电路包括一控制端，所述控制端用于根据第二释放回路两端的电压值判断开关电源输出是否失电，当开关电源输出失电时，对第二释放回路进行控制，使储能用超级电容给负载供能；
21.所述第二释放回路包括第三二极管和第二mos管；所述第三二极管的正极与第二mos管的漏极连接，第三二极管的负极与第二mos管的源极连接；所述第二mos管的栅极与第二电压监测控制电路的控制端连接，用于控制第二mos管的导通或者不导通。
22.本发明还公开了一种电力二次设备开关电源输出失电保护方法，包括以下步骤：
23.监测第一释放回路两端的电压值io；
24.判断第一释放回路两端的的正向压降是否小于等于0，若小于等于，则不导通第一mos管，由开关电源给负载供能；否则进一步判断第一释放回路两端的电压值io是否小于等于设定的门槛i
th
，若小于等于，则不导通第一mos管，由储能用超级电容通过第一二极管给负载供能vcc＝v
cap-v
d1
，其中，v
cap
表示储能用超级电容的输出电压，v
d1
为第一二极管的压降；若超过，则通过驱动脉冲导通第一mos管，由储能用超级电容通过第一mos管给负载供能vcc＝v
cap-v
q1_on
，其中，v
q1_on
为第一mos管的压降。
25.进一步的，v
d1
和v
q1_on
满足v
d1
小于v
q1_on
。
26.本发明还公开了一种电力二次设备开关电源输出失电保护方法，包括以下步骤：
27.通过驱动脉冲，导通第二释放回路中的第二mos管，由开关电源通过第二mos管给负载供能；同步监测第二释放回路两端的电压值；
28.判断第二释放回路两端的电压值是否小于等于0，当小于等于0，则关闭驱动脉冲，
由储能用超级电容给负载供能。
29.有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
30.(1)本发明的一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路，通过超级电容模块和并联控制及监测电路，能极大的提升掉电保持能力，消除电源失电对输出电压的暂态影响，提高低压大电流输出场合的效率，提升电力二次设备开关电源供电可靠性；
31.(2)本发明的一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路，具有电路结构简单可靠、可扩展性强等优点，适用于各种电源输出的掉电保护。
附图说明
32.图1为开关电源输出失电保护电路图；
33.图2为超级电容能量释放回路的电路图；
34.图3为电压监测控制电路的电路图；
35.图4为开关电源输出失电保护电路图；
36.图5为开关电源输出失电保护电路图。
具体实施方式
37.现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
38.实施例1：
39.本实施例公开了一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路，其主要包括储能用超级电容、充电回路、第一释放回路和第一电压监测控制电路；其中，储能用超级电容用于储能；充电回路的一端与开关电源的输出端连接，其另一端与储能用超级电容连接，用于对储能用超级电容充电；第一释放回路的一端与开关电源的输出端连接，其另一端与储能用超级电容连接；第一电压监测控制电路与第一释放回路并联，用于对第一释放回路两端的电压值进行监测，该第一电压监测控制电路包括一控制端，控制端用于根据第一释放回路两端的电压值判断开关电源输出是否失电，当开关电源输出失电时，对第一释放回路进行控制，使储能用超级电容通过第一释放回路给负载供能。
40.本实施例通过储能用超级电容和对释放回路进行监测控制的电路，能极大的提升掉电保持能力，消除电源失电对输出电压的暂态影响，提高低压大电流输出场合的效率，提升电力二次设备开关电源供电可靠性。
41.实施例2：
42.如图1、图2和图3所示，本实施例公开了一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路，其主要包括：储能用超级电容m1、充电回路、超级电容能量释放回路m2、电压监测控制电路m3。
43.其中，储能用超级电容m1主要用于储能，该储能用超级电容m1的电压和容量可以依据开关电源的输出电压和失电储能所需时间进行设计。
44.其中，充电回路用于对储能用超级电容进行充电，其由电阻r1和第二二极管d2组成；开关电源在正常给负载供电的同时给储能用超级电容。其中，电阻r1用于限制充电电流，避免开关电源因输出过流不能正常工作。
45.其中，超级电容能量释放回路m2由第一二极管d1和第一mos管q1组成，具体的，第
一二极管d1的正极与第一mos管q1的漏极连接，第一二极管d1的负极与第一mos管q1的源极连接，具体结构可参见图2。其中，第一二极管d1用于分流第一mos管q1体内二极管电流。当储能用超级电容的输出电流较小时，mos管q1不导通，电流从第一二极管d1流过，压降为v
d1
；当储能用超级电容的输出电流较大时，mos管q1导通，电流从mos管q1流过，压降为v
q1_on
，即当储能用超级电容m1释放能量时，当io≤i
th
时，负载电压vcc＝v
cap-v
d1
；当io＞i
th
时，负载电压vcc＝v
cap-v
q1_on
，v
cap
表示储能用超级电容m1的输出电压。通过选择合适的mos管，可以使得v
d1
远远小于v
q1_on
，从而降低导通损耗。
46.其中，电压监测控制电路m3对超级电容能量释放回路m2的电压进行监测并对超级电容能量释放回路m2中的mos管q1的栅极进行控制，具体电路结构可参见图3，其包括电压检测与放大电路和电平比较电路；该电压检测与放大电路与超级电容能量释放回路m2并联，用于对超级电容能量释放回路m2两端的电压进行检测并放大，该电压检测与放大电路的输出端与电平比较电路的输入端相连，该电平比较电路的输出端为电压监测控制电路m3的控制端，用于对超级电容能量释放回路m2中的mos管q1的栅极进行控制，通过控制，使储能用超级电容m1通过mos管q1给负载供能。
47.如图3所示，v
ak
为第一二极管d1的正极与负极之间的电压，即第一mos管q1的源极与漏极之间的电压；电平比较电路用于判断超级电容能量释放回路m2两端的电压是否小于设定的门槛i
th
，当超级电容能量释放回路m2两端的电压小于等于设定的门槛i
th
时，控制第一mos管不导通；当超级电容能量释放回路m2两端的电压大于设定的门槛i
th
时，控制第一mos管导通。
48.通过运放检测超级电容能量释放回路m2两端的电压值io，当开关电源输出正常时，超级电容能量释放回路m2正向压降《0，第一二极管d1和第一mos管q1不导通，储能用超级电容m1不提供能量给负载；当开关电源失电时，且当超级电容能量释放回路m2两端的电压值io大于设定的门槛i
th
时，说明流过第一二极管d1的电流较大，此时快速导通第一mos管q1，降低超级电容能量释放回路m2的压降，提供更多的能量给负载。
49.本实施例中的电压监测控制电路m3还可以输出状态信号给控制单元，以便监控电路状态。
50.本实施例通过储能用超级电容、超级电容能量释放回路和电压监测控制电路，能极大的提升掉电保持能力，消除电源失电对输出电压的暂态影响，提高低压大电流输出场合的效率，提升电力二次设备开关电源供电可靠性。
51.通过本实施例的失电保护电路，实现开关电源输出侧的失电保护控制，最终提高二次设备供电可靠性。
52.实施例3：
53.为了避免电流倒灌，本实施例在实施例2的基础上增加了第二释放回路m21和第二电压监测控制电路m31。如图4所示，第二释放回路m21的一端与开关电源的输出端连接，该第二释放回路m21的另一端与负载连接；第二电压监测控制电路m31与第二释放回路m21并联，用于对第二释放回路m21两端的电压值进行监测。
54.本实施例的第二释放回路m21的电路结构与实施例2中的超级电容能量释放回路m2的电路结构相同，由二极管和mos管组成，具体的，该二极管的正极与mos管的漏极连接，二极管的负极与mos管的源极连接。其中，该二极管用于分流mos管体内二极管电流。
55.本实施例的第二电压监测控制电路m31的电路结构与实施例2中的电压监测控制电路m3的电路结构相同，本实施例的第二电压监测控制电路m31的作用为对第二释放回路m21的电压进行监测并对第二释放回路m21中的mos管的栅极进行控制：当开关电源输出正常时，第二电压监测控制电路m31控制第二释放回路m21中的mos管导通，即向mos管发送驱动脉冲，使开关电源向负载供能；当开关电源输出异常时，第二电压监测控制电路m31关闭驱动脉冲，使第二释放回路m21中的mos管不导通，此时由储能用超级电容m1向负载供能，且电流也不会倒灌至开关电源，即防止电流从mos管流到开关电源，影响负载电压。第二电压监测控制电路m31的延时可以到达几十ns，也可以根据实际应用，进行电流门槛和延时的设置。
56.本实施例通过对第二释放回路m21两端的电压值进行监测并通过驱动脉冲对mos管进行控制，可以快速避免电流倒灌，无需增加额外的背靠背mos管。
57.实施例4：
58.如图5所示，本实施例在实施例3的基础上增加了一个开关电源，以及为新增的开关电源配套有第三释放回路m22和第三电压监测控制电路m32，该第三释放回路m22的电路结构与第二释放回路m21的电路结构相同，第三电压监测控制电路m32的电路结构与第二电压监测控制电路m31的电路结构相同。
59.利用本实施例的电路结构可实现多个电源的冗余供电，以及通过第三释放回路m22和第三电压监测控制电路m32，当开关电源或储能用超级电容输出异常时或短路时，能有效防止电流从mos管流到开关电源，避免影响负载电压，本实施例的电路结构适用低压大电流输出的多路开关电源的并联。
60.实施例5：
61.本实施例在实施例2的基础上，提出了一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路的方法，包括以下步骤：
62.监测超级电容能量释放回路m2两端的电压值io；
63.判断超级电容能量释放回路m2的正向压降是否小于0，若小于，则说明此时开关电源输出正常，不导通mos管，由开关电源供能给负载供能；否则进一步判断超级电容能量释放回路m2两端的电压值io是否超过设定的门槛i
th
，若未超过，则不导通mos管，由储能用超级电容给负载供能vcc＝v
cap-v
d1
，其中，v
cap
表示储能用超级电容的输出电压，v
d1
为超级电容能量释放回路m2的压降；若超过，则驱动脉冲导通mos管，由储能用超级电容给负载供能vcc＝v
cap
＝v
q1_on
，其中，v
q1_on
为超级电容能量释放回路m2的压降，和v
q1_on
满足v
d1
小于v
q1_on
。
64.实施例6：
65.在实施例3的基础上，提出了一种电力二次设备开关电源输出失电保护电路的方法，包括以下步骤：
66.通过驱动脉冲，导通第二释放回路中的mos管；
67.监测第二释放回路两端的电压值io；
68.判断第二释放回路是否出现负压，若出现负压，则关闭驱动脉冲，由储能用超级电容给负载供能。
69.采用本实施例的方法可以快速避免电流倒灌，无需增加额外的背靠背mos管。
70.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
71.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。