专利名称：电源系统的输出过压检测保护方法
技术领域：
本发明涉及电源系统的过压保护技术，更具体地说，涉及一种电源系统的输出过压检测保护方法。
背景技术：
输出过压保护是电源系统的一个重要技术要求。现有的方法是由电源模块对输出电压进行采样，如果输出电压高于某一预定值，就输出一个保护信号，使该电源模块的功率变换器等主电路停止工作(此时该电源模块的部分控制电路仍继续工作)。由于输出过高的电压可能会损坏电源模块的后级设备，所以，当出现输出过压时，一般采用锁死(锁死之后，需要人工干预处理，该电源模块才能继续投入工作)方式实现过压保护。
但是，对于由多个电源模块组成的电源系统，如果各个电源模块都用上述方式进行输出过压保护，则会产生一个明显的性能缺陷。如图1所示即为一个电源系统的示意图，其中由多个电源模块组成电源系统，每个电源模块通过继电器实现输出的热插拔等功能，各个电源模块的输出通过右侧的直流母线并联，以向负载供电。对于这种电源系统，如果其中一个电源模块输出了过高的电压，由于所有电源模块的输出都并联在直流母线上，其结果是所有电源模块都会检测到输出电压过高，如果仍采用传统的用锁死手段来实现输出过压保护，则所有电源模块都会被锁死，最终会造成整个电源系统都被锁死，不能再输出电压。
在实际运行过程中，电源模块发生输出过压故障的概率小于发生其他类型故障，所以对输出过压故障的处理往往落在设计工程师和维护工程师的关注范围之外。但是，一旦这种故障发生，电源系统将不能再正常工作，整个电源系统掉电，从而导致与之连接的负载停止工作，使用户的业务功能中止，可见，这种故障带来的后果是严重的。由于这种由多个电源模块并联组成的电源系统通常均外带有蓄电池，以便在交流掉电时仍然能够可靠地给负载供电，进而保证业务功能正常，所以上述故障带来的危害并没有被业界并充分认识到。
一、现有技术的方案之一在解决电源系统故障时，通常的标准是保证用户的业务功能不被中止，因此最常用的方案是在电源系统的母线上外带蓄电池，这样一来，即使发生了故障使电源系统停止工作，也可由蓄电池临时供电，用户的业务功能还可以维持几个小时，只要保证在蓄电池放完电之前有人工干预使电源系统恢复正常工作即可。但是这种方案在实际应用中有很多不足之处(1)并不是所有的电源系统都并会入网络，对于未并入网络的电源系统，其故障无法通过网络上报到中心监控站，所以只能采用定期人为巡检的方式来检查这种电源系统的工作状况，因此，对于未并入网络的电源系统，一旦发生输出过压故障，外接蓄电池的方案通常无法保证直到有人工巡检时电源系统仍保持正常工作。
(2)并不是所有的电源模块都能够将自身的故障情况(输出过压、欠压，PFC过压、欠压等)及其保护措施分类上报，因此，维护工程师无法根据电源模块实际发生的故障类型来确认发生了故障的电源系统需要现场维护的紧急程度，也就是说，在发生输出过压故障时，不能保证在有效时间内得到及时维护；而且，即使电源模块能够分类上报，实际完成维护的时间还会受电源系统所在站点地域的交通、维护人员配置数量等因素的影响，所以也无法保证在外带蓄电池放完电之前得到及时维修。
(3)采用外带蓄电池的方案，会使得用户的供电系统结构单一化，必须是多个电源模块并联组成的电源系统加外带蓄电池的供电系统结构，而这种供电系统结构的成本是相当高的，其中蓄电池是供电系统中最易损坏的组件，而蓄电池的分散布置极也不利于蓄电池的维护二、现在技术的方案之二该方案中，是通过让故障电源模块脱离电源系统的措施来保证电源系统正常供电，如图2所示，现有技术中通常采取的是对顶二极管方案，因为二极管单向导通的特性，发生输出过压故障的电源模块可以将其电压输到电源系统的母线上，但母线上的过压却无法倒灌到正常电源模块内部，所以，如果将电源模块的输出电压采样点放置在对顶二极管之前(在图2中是二极管的左侧)，则正常的电源模块就不会检测到输出过压的信息。这个方案虽然简单，但是其中的二极管是加在主功率电路上，因此需采用功率二极管，其功率损耗很大，而且还需要增加额外的散热器，这不仅会显著增加整个电源系统的体积，降低效率，而且会因为电源模块内部损耗增加导致的温度相对上升而降低电源模块的可靠性。
三、现有技术的方案之三该方案中，也是通过让故障电源模块脱离电源系统的措施来保证电源系统正常供电，并综合考虑并效率因素。其中，当检测到输出电压超标时，立即断开脱离装置(在图1中是继电器)；断开脱离装置之后，正常电源模块的输出电压会恢复正常，而故障电源模块的输出电压依然超标，据此可识别出发生了故障的电源模块，然后，对于故障电源模块，则关断其主功率电路，对于正常电源模块，则重新闭合其脱离装置，使整个电源系统恢复供电。
这种方案的优点是不会影响电源系统正常工作时的效率和可靠性，而且能识别出故障电源模块并使之从电源系统中的脱离，以恢复电源系统正常供电。其缺点在于，如果电源系统没有外带蓄电池，在所有电源模块的脱离装置都断开期间，电源系统会处在掉电状态，用户的业务功能会被暂时中断，约经10mS级的延时后，故障电源模块脱离，电源系统才可以重新恢复正常供电。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决采用传统的输出过压保护方法时必须外带蓄电池才能保证有限时间的持续供电的问题，以实现更可靠的输出过压保护。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种电源系统的输出过压检测保护方法，所述电源系统中包括多个相互并联的电源模块，其中，针对每一个电源模块，由该电源模块内部的控制电路按以下步骤实现输出过压检测保护(S1)检测该电源模块的输出电压，并判定检测所得的输出电压是否大于第一基准电压；(S2)检测该电源模块的功率变换器中的开关管的驱动脉冲或与所述驱动脉冲相关的参数，以直接或间接判定是否有驱动脉冲输入到所述开关管；(S3)如果所述步骤(S1)、(S2)的判定结果都为是，则判定该电源模块已发生了输出过压故障。
本发明所述的方法中，针对每一个电源模块，如果在所述步骤(S3)中判定该其已发生了输出过压故障，则还包括产生一个过压保护信号以锁死其输出并实现故障上报的步骤。
本发明所述的方法中，针对每一个电源模块，还包括判定所述步骤(S1)中检测所得的输出电压是否大于第二基准电压，如果是则直接产生一个过压保护信号以锁死该电源模块的输出并实现故障上报的步骤，其中所述第二基准电压大于第一基准电压。
在本发明所述方法的所述步骤(S2)中，可直接检测输入到开关管的驱动脉冲信号；也可检测该电源模块中的电压环的输出电平，如果其高于一预定电平则判定为有驱动脉冲，如果其低于所述预定电平则判定为无驱动脉冲；也可检测该电源模块中的功率变换器的原边或副边绕组的脉冲电压，如果其高于一预定脉冲电压则判定为有驱动脉冲，如果其低于所述预定脉冲电压则判定为无驱动脉冲；也可检测该电源模块中的功率变换器的原边或副边绕组的脉动电流，如果其高于一预定脉动电流则判定为有驱动脉冲，如果其低于所述预定脉动电流则判定为无驱动脉冲；还可检测该电源模块中的输出电流，如果其高于一预定电流则判定为有驱动脉冲，如果其低于所述预定电流则判定为无驱动脉冲。
由上述方案可知，本发明通过同时检测输出电压和开关管驱动脉冲(或与之密切相关的参数)来判定任一电源模块是否发生了输出过压故障，只有当输出电压超标、且仍有驱动脉冲时，才判定为该电源模块已发生了输出过压故障。通过这种方法，可准确地找出真正发生了故障的电源模块并将其锁死，而正常的电源模块则不受影响，从而可保证整个电源系统的正常工作，不会因个别电源模块的输出过压故障而导致整个电源系统停止工作，因此，即使没有外带蓄电池也可保持正常供电。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1是由多个电源模块并联组成的电源系统的原理图；图2是现有技术中通过对顶二极管来实现输出过压保护的原理图；图3是本发明一个实施例中通过检测输出电压和电压环输出电平来判定电源模块是否发生故障的电路图。
具体实施例方式
对于单个电源模块来说，当检测到输出电压过高时，实施输出过压保护并上告故障，已是成熟的现有技术。在电源模块中的功率变换器，必然存在一个电压环，该电压环可能是PWM(脉宽调制)控制、PFM(脉冲频率调制)控制、或者是两者混用。如果输出电压高于电压环所设定的预定值，则电压环会输出低电平，停止输出开关管驱动脉冲，禁止电源模块斩波工作，以达到降低输出电压的目的。所以，如果电压环正常，则电压电源模块完全可实现稳压输出，不会出现输出过压的故障。但是，如果电压环本身发了故障，例如如电压采样的线断了，则此时即使输出电压高于预定值，电压环仍会输出高电平，开关管还是会收到驱动脉冲，电源模块依然斩波工作，此时就会产生不能自动校正的输出过压。
在图1所示的电源系统中，各个电源模块的输出端直接通过导线(如铜条、大面积PCB铜皮等电阻很小的方式)并联在母线上，使得各个电源模块的输出端在母线上直接并联。对于这种电源系统，判断某一个电源模块是否产生输出过压故障，一是要看总的输出电压超过第一基准值，二是看本电源模块的开关管依然收到驱动脉冲，如果两者的判定结果都为是，则可判定该电源模块已发生故障。对于非故障的电源模块，当检测到输出电压超过第一基准值时，其电压环会输出低电平经停止输出开关管驱动脉冲，所以其开关管不会再收到驱动脉冲。
本发明中，正是基于上述基础，通过同时检测输出电压和驱动脉冲，来判断电源模块真正的工作状态。对于任一电源模块，当同时检测到输出电压超过第一基准值和驱动脉冲时，则认为其发生了输出过压故障，此时就产生保护信号，锁死输出，此时该电源模块不会向母线输出电压，相当于脱离了整个电源系统；当检测到输出电压超过第一基准值但没有驱动脉冲时，则判定为未发生输出过压故障。
具体实施时，对于输出电压的检测很简单，只要检测母线上的输出电压，再将其与预设的第一基准值进行比较，就可以确定输出电压是否超过第一基准值。
对于驱动脉冲的检测，则可有多种实施方式。
1、直接检测电源模块的驱动脉冲以PWM控制的电源模块为例，在电源模块正常工作时，其电压环应输出驱动脉冲；对于图1所示的电源系统，当某一电源模块故障使得总的输出电压超过第一基准值时，故障的那个电源模块仍有驱动脉冲，而正常的电源模块会因检测到输出电压超过第一基准值而使其电压环输出低电平，最终停止输出驱动脉冲。所以，具体实施时，可通过采集电源模块中开关管的驱动脉冲，利用其频率特性、峰值电平等特性之一，来判定电源模块是否有驱动脉冲输入到开关管。
2、通过检测电压环的输出电平来间接判定是否有驱动脉冲由前述内容可知，当电压环输出高电平时，有驱动脉冲输出；当电压环输出低电平时，则没有驱动脉冲输出。所以，可通过检测电压环的输出电平来间接判定是否有驱动脉冲。以PWM控制中的电压环为例，当电源模块正常工作时，电压环的输出电平应为高电平；对于图1所示的电源系统，当某一电源模块故障使得总的输出电压超过第一基准值时，故障的那个电源模块的电压环输出电平为高电平，而正常的电源模块会因检测到输出电压超过第一基准值而使其电压环输出电平变为低电平。可见，可通过检测电压环的输出电平来间接判定是否有驱动脉冲，如果其高于一预定电平则判定为有驱动脉冲，如果其低于该预定电平则判定为无驱动脉冲。
如图3所示为一个具体实施例的电路图，其中主功率变换器采用由型号为SG3525的芯片控制的对称半桥(图中未标出)。其中的Vol为输出过压检测保护电路的输出电压采样点，1V875 ref是电源模块内部设定的一个基准电压(譬如，1V875 ref的电压是1.875V)，3525 COMP是电源模块中电压环的输出信号。
当图1所示的电源系统中有电源模块输出电压超标时，各个并联的电源模块均可能检测到输出电压超标，从而使运算放大器U206DA的输出端(OUTPUT-OV)输出高电平。
对于正常的电源模块，因为电压环检测到输出电压超出第一基准值，所以其3525 COMP信号为低电平，此处为0V，这使得运算放大器U501A的输出端输出低电平，此时可屏蔽运算放大器U206DA的输出端(OUTPUT-OV)信号的高电平，使运算放大器U501B的正相输入端仍然为低电平，因此运算放大器U501B的输出端(FAIL)也输出低电平，表示该电源模块为正常。
对于故障的电源模块，其电压环输出电平保持为高电平，所以3525 COMP信号仍然高于0.5V，因此运算放大器U501A的输出端会输出高电平，此时运算放大器U206DA的输出端(OUTPUT-OV)信号的高电平可传到运算放大器U501B的正相输出端，使运算放大器U501B的输出端(FAIL)输出高电平，表示该电源模块为故障，并锁死关断关断故障模块的输出，同时上报模块故障。
3、通过检测电源模块中变换器的副边绕组的脉冲电压来间接判定是否有驱动脉冲具体实施时，可以直接检测副边绕组的脉冲电压，也可通过辅助绕组进行检测。以PWM控制的电源模块为例，在电源模块正常工作时，副边绕组会存在脉冲电压；对于图1所示的电源系统，当某一电源模块故障使得总的输出电压超过第一基准值时，正常的电源模块会因此而关闭驱动脉冲，所以副边绕组也就没有脉冲电压。故障的那个电源模块的副边绕组则仍有脉冲电压。具体实施时，可通过采集电源模块中变换器副边绕组的脉冲电压，利用其频率特性、峰值电平等特性之一，来间接判定是否有驱动脉冲，如果其高于一预定脉冲电压则判定为有驱动脉冲，如果其低于该预定脉冲电压则判定为无驱动脉冲。
除此之外，还可通过检测电源模块中其他与开关管的驱动脉冲紧密相关的信号来间接判定是否有驱动脉冲，例如通过检测原、副边绕组的脉动电流、变换器原边绕组的脉冲电压等。
另外，也可以通过检测该电源模块的输出电流来间接判定是否有驱动脉冲，如果其高于一预定电流则判定为有驱动脉冲，如果其低于所述预定电流则判定为无驱动脉冲。这是因为当某一电源模块故障使得总的输出电压超过第一基准值时，故障的那个电源模块仍有输出电压和输出电流，而正常的电源模块会因检测到输出电压超过第一基准值停止输出驱动脉冲，也就是不会再有电流输出。
可见，凡是可用于表征该电源模块是否仍在工作的参数，都可用于与输出电压是否超标相结构，以判定该电源模块是否发生了输出过压故障。
具体实施时，还可再设置一个二级过压点，即设定一个第二基准值，它应大于第一基准值。当任一电源模块检测到输出电压高于第二基准值时，不论电源模块中是否仍有驱动脉冲，都锁死该电源模块。当发生这种情况时，表示前面的过压保护措施都没有起到应有的作用，故障的电源模块未被锁死，输出电压仍在继续升高，此时只能通过这种方式彻底关掉整个电源系统，这样就可避免由于输出电压过高而可能产生的异常情况，进一步提高电源系统的可靠性。
权利要求
1.一种电源系统的输出过压检测保护方法，所述电源系统中包括多个相互并联的电源模块，其特征在于，针对每一个电源模块，由该电源模块内部的控制电路按以下步骤实现输出过压检测保护(S1)检测该电源模块的输出电压，并判定检测所得的输出电压是否大于第一基准电压；(S2)检测该电源模块的功率变换器中的开关管的驱动脉冲或与所述驱动脉冲相关的参数，以直接或间接判定是否有驱动脉冲输入到所述开关管；(S3)如果所述步骤(S1)、(S2)的判定结果都为是，则判定该电源模块已发生了输出过压故障。
2.根据权利要求1所述的电源系统的输出过压检测保护方法，其特征在于，针对每一个电源模块，如果在所述步骤(S3)中判定该电源模块已发生了输出过压故障，则还包括产生一个过压保护信号以锁死其输出并实现故障上报的步骤。
3.根据权利要求2所述的电源系统的输出过压检测保护方法，其特征在于，针对每一个电源模块，还包括判定所述步骤(S1)中检测所得的输出电压是否大于第二基准电压，如果是则直接产生一个过压保护信号以锁死该电源模块的输出并实现故障上报的步骤，其中所述第二基准电压大于第一基准电压。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电源系统的输出过压检测保护方法，其特征在于，在所述步骤(S2)中，直接检测输入到开关管的驱动脉冲信号。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的电源系统的输出过压检测保护方法，其特征在于，在所述步骤(S2)中，检测该电源模块中的电压环的输出电平，如果其高于一预定电平则判定为有驱动脉冲，如果其低于所述预定电平则判定为无驱动脉冲。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的电源系统的输出过压检测保护方法，其特征在于，在所述步骤(S2)中，检测该电源模块中的功率变换器的原边或副边绕组的脉冲电压，如果其高于一预定脉冲电压则判定为有驱动脉冲，如果其低于所述预定脉冲电压则判定为无驱动脉冲。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的电源系统的输出过压检测保护方法，其特征在于，在所述步骤(S2)中，检测该电源模块中的功率变换器的原边或副边绕组的脉动电流，如果其高于一预定脉动电流则判定为有驱动脉冲，如果其低于所述预定脉动电流则判定为无驱动脉冲。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的电源系统的输出过压检测保护方法，其特征在于，在所述步骤(S2)中，检测该电源模块中的输出电流，如果其高于一预定电流则判定为有驱动脉冲，如果其低于所述预定电流则判定为无驱动脉冲。
全文摘要
本发明涉及一种电源系统的输出过压检测保护方法，为解决采用传统的输出过压保护方法时必须外带蓄电池才能保证有限时间的持续供电的问题，本发明中，针对每一个电源模块，由其控制电路检测该电源模块的输出电压并判定其是否大小第一基准电压，同时还检测该电源模块的功率变换器中的开关管的驱动脉冲或与之相关的参数，以直接或间接判定是否有驱动脉冲输入到所述开关管，如果前述两个判定结果都为是，则判定该电源模块已发生了输出过压故障，并产生一个过压保护信号以锁死其输出。通过这种方法，可准确地找出真正发生了故障的电源模块，而正常的电源模块则不受影响，从而不会因个别电源模块的输出过压故障而导致整个电源系统停止工作。
文档编号H02H3/20GK1767298SQ20051003755
公开日2006年5月3日 申请日期2005年9月23日 优先权日2005年9月23日
发明者程志轩, 吴宝善, 任曌华 申请人:艾默生网络能源有限公司