一种输出热插拔电路的制作方法

1.本发明涉及启动电路领域，更具体地说，涉及一种输出热插拔电路。


背景技术：

2.随着通信电子技术的发展，客户对通信设备的可靠性要求越来越高，因此越来越多的通信设备要求在整机不断电的情况下，可实现对故障单板热插拔更换。单机在进行热插拔操作时，单机输出侧有滤波电解电容，在上电瞬间相当于输出侧处于短路状态，产生较大的冲击电流，造成连接器打火氧化或永久性损坏、或引起系统母线电压跌落造成欠压告警或者其它使用此电源的设备欠压告警而产生复位现象，因此非常有必要设计热插拔缓冲电路。
3.现有的热插拔缓冲电路通常包括以下两种方式。一种方式是输出串联电阻的缓启动方式，其是利用输出长针先接触，然后接入缓启动电阻开始预充电。这种方式结构简单，成本低，但是电容的预充电电压取决于插拔速度的快慢，插拔慢则长针接触时间长，预充电完成度高，如果插拔快，则缓启动电阻接入时间很短，电容不能有效进行预充电。另一种方式是采用mosfet方式软启动方式，其实通过在输出电流回路中串联mosfet，并在mosfet的栅极并联有一定容量的电容，从而当电源模块插入系统时，通过分压电阻给mosfet栅极电容充电，栅极电容上电压逐渐建立，mosfet缓慢开通，近似工作在线性区，通过mosfet较大的导通电阻抑制冲击电流。但是其缺点是mosfet线性区瞬时功耗大，可能会造成雪崩击穿。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种预充电速度快、功率损耗小且设备效率高的输出热插拔电路。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，构造一种输出热插拔电路，包括：开关模块、输出容性模块、检测模块和控制模块，所述开关模块的控制端连接所述控制模块、第一端连接所述输出容性模块的第一端和所述检测模块的第一端、第二端连接主功率电路的第一输入端、电源输出负极和所述检测模块的第二端，所述输出容性模块的第二端连接所述主功率电路的第二输入端和电源输出正极；所述输出热插拔电路接入之后通过所述检测模块为所述输出容性模块充电且所述检测模块将检测信号发送到所述控制模块，所述控制模块基于所述检测信号控制所述开关模块的导通以开启所述主功率电路。
6.在本发明所述的输出热插拔电路中，所述开关模块包括第一mosfet管，所述输出容性模块包括输出电容，所述第一mosfet管的栅极连接所述控制模块、漏极连接所述输出电容的阴极和所述检测模块的第一端、源极连接主功率电路的第一输入端、电源输出负极和所述检测模块的第二端，所述输出电容的阳极连接所述主功率电路的第二输入端和电源输出正极。
7.在本发明所述的输出热插拔电路中，所述控制模块包括用于接收主控芯片产生的控制信号并进行接地隔离的第一信号隔离单元，以及用于转换所述控制信号的控制电平转
换单元；和/或
8.所述检测模块包括用于获取所述检测信号的检测电阻，以及用于将所述检测信号进行电平转换的检测电平转换单元。
9.在本发明所述的输出热插拔电路中，所述第一信号隔离单元包括第一光耦和原边电阻，所述第一光耦的输入端阳极经所述原边电阻接收主控芯片产生的控制信号、输入端阴极接地、输出端集电极接第一器件电源、输出端发射极经所述控制电平转换单元输出用于驱动所述开关模块的驱动信号。
10.在本发明所述的输出热插拔电路中，所述控制电平转换单元包括第一副边电阻、第二副边电阻和副边电容，所述第一副边电阻的第一端连接所述第一光耦的输出端发射极、第二端连接所述第二副边电阻的第一端和所述副边电容的第一端，所述第二副边电阻的第二端和所述副边电容的第二端接地，所述副边电容的第一端输出控制所述开关模块导通的驱动控制信号。
11.在本发明所述的输出热插拔电路中，所述控制电平转换单元包括第一副边电阻、第二副边电阻、第三副边电阻、第一开关管、二极管和副边电容，所述第三副边电阻的第一端连接所述第一光耦的输出端发射极、第二端连接所述第一开关管的基极、所述第一开关管的发射极连接所述二极管的阳极和所述第一副边电阻的第一端、集电极连接所述二极管的阴极和所述第一器件电源，所述第一副边电阻的第二端连接所述第二副边电阻的第一端和所述副边电容的第一端，所述第二副边电阻的第二端和所述副边电容的第二端接地，所述副边电容的第一端输出控制所述开关模块导通的驱动控制信号。
12.在本发明所述的输出热插拔电路中，所述控制电平转换单元包括第一副边电阻、第二副边电阻、第三副边电阻、第四副边电阻、第一开关管、第二开关管和副边电容，所述第三副边电阻的第一端连接所述第一光耦的输出端发射极和所述第四副边电阻的第一端、第二端连接所述第一开关管的基极和所述第二开关管的基极，所述第一开关管的发射极接地、集电极连接所述第二开关管的发射极和所述第一副边电阻的第一端，所述第二开关管的集电极连接所述第一器件电源，所述第一副边电阻的第二端连接所述第二副边电阻的第一端和所述副边电容的第一端，所述第二副边电阻的第二端、所述副边电容的第二端和所述第四副边电阻的第二端接地，所述副边电容的第一端输出控制所述开关模块导通的驱动控制信号。
13.在本发明所述的输出热插拔电路中，所述检测电平转换单元包括第二mosfet管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一检测电容，所述第二mosfet管的栅极经所述第一电阻连接所述检测电阻的第一端和所述第一mosfet管的漏极、源极接地、漏极经所述第三电阻连接所述第一器件电源，所述第二电阻和所述第一检测电容均分别连接所述第二mosfet管的栅极和源极之间，所述第二mosfet管的漏极输出所述检测信号。
14.在本发明所述的输出热插拔电路中，所述检测模块进一步包括用于进行接地隔离的第二信号隔离单元，所述第二信号隔离单元包括第二光耦、第四电阻、第五电阻和第二检测电容，所述第二光耦的输入端阳极连接所述第二mosfet管的漏极、输入端阴极经所述第四电阻接地、输出端集电极经所述第五电阻连接第二器件电源，输出端发射极接地，所述第二检测电容连接在所述第二光耦的输出端集电极和输出端发射极之间，所述第二光耦的输出端集电极输出所述检测信号。
15.在本发明所述的输出热插拔电路中，进一步包括充电电阻，所述充电电阻的第一端连接热插针、第二端连接电源输出负极。
16.实施本发明的输出热插拔电路，通过检测模块检测所述输出容性模块的充电电压提供检测信号并提供给控制模块，再由控制模块决定所述开关模块的导通以开启所述主功率电路，可灵活设定所述输出容性模块充电到何种程度才开启所述开关模块，并且驱动模块可以采用数字信号控制，更有效开通或者关断所述开关模块，控制方式更灵活。进一步的，可以对输出容性模块有效预充电，所述开关模块在回路中的电流是容性模块的纹波电流，损耗小，提升设备效率
附图说明
17.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
18.图1是本发明的输出热插拔电路的优选实施例的原理框图；
19.图2a-2c是根据本发明的输出热插拔电路的开关模块和输出容性模块的优选实施例的示意图；
20.图2d是根据本发明的输出热插拔电路的流程示意图；
21.图3是根据本发明的输出热插拔电路的控制模块的第一优选实施例的示意图；
22.图4是根据本发明的输出热插拔电路的控制模块的第二优选实施例的示意图；
23.图5是根据本发明的输出热插拔电路的控制模块的第三优选实施例的示意图；
24.图6是根据本发明的输出热插拔电路的检测模块的优选实施例的示意图；
25.图7是根据本发明的输出热插拔电路的另一优选实施例的部分电路原理示意图；
26.图8是图7所示的输出热插拔电路的电流示意图；
27.图9是图7所示的输出热插拔电路的时序图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.图1是本发明的输出热插拔电路的优选实施例的原理框图。如图1所示，本发明的输出热插拔电路包括：开关模块220、输出容性模块210、检测模块230和控制模块240。所述开关模块220的控制端连接所述控制模块240、第一端连接所述输出容性模块210的第一端和所述检测模块230的第一端、第二端连接主功率电路100的第一输入端、电源输出负极v
o-和所述检测模块230的第二端，所述输出容性模块210的第二端连接所述主功率电路100的输入正极和电源输出正极vo+。
30.在本实施例中，在电源输出正极vo+接触母排时，母排电压经过输出容性模块210和检测模块230进行预充电。当所述检测模块230将检测信号(预充电电压大小)发送给所述控制模块240。所述控制模块240基于所述检测信号和设定阈值的比较结果控制控制所述开关模块220的导通以开启所述主功率电路100。也可以的是，当所述检测模块230检测达到设定阈值时(完成预充电时)，反馈检测信号给所述控制模块240。所述控制模块240基于所述检测模块230的检测信号控制所述开关模块220的导通以开启所述主功率电路100。这样输
出容性模块进行快速充电，并且在主功率电路开启后，开关模块在整个回路中的电流是输出容性模块的纹波电流，因此损耗小。
31.本领域技术人员知悉，所述开关模块220、输出容性模块210、检测模块230和控制模块240可以采用本领域中已知的任何模块、电路或者芯片构造。基于本发明的教导，本领域技术人员可以采用任何适合的模块、电路或者芯片构造上述开关模块220、输出容性模块210、检测模块230和控制模块240。
32.在本发明的进一步的优选实施例中，示出了开关模块220、输出容性模块210、检测模块230和控制模块240的各个优选实施例，本领域技术人员知悉，这些模块的各个优选实施例可以组合使用。
33.在本发明的优选实施例中，如图2a所示，所述开关模块220包括mosfet管q1，所述输出容性模块210包括输出电容c2。如图2a所示，所述mosfet管q1的栅极连接所述控制模块240、漏极连接所述输出电容c2的阴极和所述检测模块230的第一端c、源极连接主功率电路的第一输入端b、电源输出负极vo-和所述检测模块230的第二端d，所述输出电容c2的阳极连接所述主功率电路的第二输入端a和电源输出正极vo+。
34.图2b示出了所述控制模块的优选实施例的原理框图。图2c示出了所述检测模块的优选实施例的原理框图。如图2b所示，所述控制模块240包括用于接收主控芯片产生的控制信号s1并进行接地隔离的第一信号隔离单元241，以及用于转换所述控制信号的控制电平转换单元242。所述检测模块230包括用于获取所述检测信号的检测电阻r2，以及用于将所述检测信号进行电平转换的检测电平转换单元231。优选的，在图2c所示实施例中，所述检测模块230还包括用于进行接地隔离的第二信号隔离单元232。本领域技术人员知悉，所述检测电平转换单元231、控制电平转换单元242均可以采用本领域中已知的任何电平转换电路、模块、单元构造。所述第一信号隔离单元241、第二信号隔离单元232同样可以采用本领域中已知的任何信号隔离电路、模块、单元构造。图2d是根据本发明的输出热插拔电路的流程示意图。如图2d所示，在本发明的优选实施例中，电源模块接入系统之后，通过本发明的输出热插拔电路的检测模块230的电阻给所述输出容性模块210充电。所述检测模块230检测电压值，并将其送入控制模块240。所述控制模块240判断是否达到预设值。如果没有，则继续充电，否则使能控制模块240，开启所述开关模块220的mosfet管q1，控制主功率电路工作。
35.在本发明的优选实施例中，所述控制模块240可以采用光耦直驱型控制模块。如图3所示，所述控制模块240包括光耦opto1、原边电阻rs1和控制电平转换单元。在图3所示的实施例中，所述控制电平转换单元包括电阻rf1、电阻rf2和副边电容cf1。如图3所示，所述光耦opto1的输入端阳极经所述原边电阻rs1接收主控芯片产生的控制信号s1、输入端阴极接信号地agnd、输出端集电极接第一器件电源v1。所述电阻rf1的第一端连接所述光耦opto1的输出端发射极、第二端连接所述电阻rf2的第一端和所述副边电容cf1的第一端，所述电阻rf2的第二端和所述副边电容cf1的第二端接地gnd，所述副边电容cf1的第一端输出控制所述mosfet管q1导通的驱动控制信号drv_q1。
36.在本发明的另一优选实施例中，所述控制模块240可以采用达林顿型控制模块。如图4所示，所述控制模块240包括光耦opto1、原边电阻rs1和控制电平转换单元。在图4所示的实施例中，所述控制电平转换单元包括电阻rf1、电阻rf2、电阻rf3、开关管q3、二极管d1
和副边电容cf1。所述光耦opto1的输入端阳极经所述原边电阻rs1接收主控芯片产生的控制信号s1、输入端阴极接信号地agnd、输出端集电极接第一器件电源v1。所述电阻rf3的第一端连接所述光耦opto1的输出端发射极、第二端连接所述开关管q3的基极、所述开关管q3的发射极连接所述二极管d1的阳极和所述电阻rf1的第一端、集电极连接所述二极管d1的阴极和所述第一器件电源v1，所述电阻rf1的第二端连接所述电阻rf2的第一端和所述副边电容cf1的第一端，所述电阻rf2的第二端和所述副边电容cf1的第二端接地gnd，所述副边电容cf1的第一端输出控制所述开关模块220导通的驱动控制信号。
37.在本发明的另一优选实施例中，所述控制模块240可以采用推挽式控制模块。如图5所示，所述控制模块240包括光耦opto1、原边电阻rs1和控制电平转换单元。在图5所示的实施例中，所述控制电平转换单元包括电阻rf2、电阻rf3、电阻rf4、开关管q3、第二开关管q4和副边电容cf1，所述电阻rf3的第一端连接所述光耦opto1的输出端发射极和所述电阻rf4的第一端、第二端连接所述开关管q3的基极和所述第二开关管q4的基极，所述开关管q3的发射极接地gnd、集电极连接所述第二开关管q4的发射极和所述电阻rf4的第一端，所述第二开关管q4的集电极连接所述第一器件电源v1，所述电阻rf4的第二端连接所述电阻rf2的第一端和所述副边电容cf1的第一端，所述电阻rf2的第二端、所述副边电容cf1的第二端和所述电阻rf4的第二端接地gnd。所述副边电容cf1的第一端输出控制所述开关模块220导通的驱动控制信号。
38.图6是根据本发明的输出热插拔电路的检测模块的优选实施例的示意图。如图6所示，所述检测模块230包括检测电阻r2(参见图2a)、检测电平转换单元和第二信号隔离单元。所述检测电平转换单元231包括mosfet管q2、电阻rt1、电阻rt2、电阻rt3、检测电容ct1。所述第二信号隔离单元包括光耦opto2、电阻rt4、电阻rt5和检测电容ct2。所述mosfet管q2的栅极经所述电阻rt1连接所述检测电阻r2的第一端和所述mosfet管q1(参见图2a)的漏极、源极接地gnd、漏极经所述电阻rt3连接所述第一器件电源v1。所述电阻rt2和所述检测电容ct1均分别连接在所述mosfet管q2的栅极和源极之间，所述光耦opto2的输入端阳极连接所述mosfet管q2的漏极、输入端阴极经所述电阻rt4接地gnd、输出端集电极经所述电阻rt5连接第二器件电源，输出端发射极接信号地agnd，所述检测电容ct2连接在所述光耦opto2的输出端集电极和输出端发射极之间，所述光耦opto2的输出端集电极输出所述检测信号s2。
39.由于主控芯片接信号地agnd，而检测模块是接地gnd，因此检测模块采用了光耦opto2作为隔离。在本发明的优选实施例中，所述光耦opto1和opto2可以是普通光耦，也可以是隔离型光耦。
40.在本发明的一个简化实施例中，当主控芯片和检测模块均采用信号地agnd时，可以省略所述光耦opto2。即在本发明的简化实施例中，所述检测模块230仅包括检测电阻r2(参见图2a)和检测电平转换单元。所述检测电平转换单元包括mosfet管q2、电阻rt1、电阻rt2、电阻rt3。所述mosfet管q2的栅极经所述电阻rt1连接所述检测电阻r2的第一端和所述mosfet管q1(参见图2a)的漏极、源极接地gnd、漏极经所述电阻rt3连接所述第一器件电源v1。所述电阻rt2和所述检测电容ct1均分别连接在所述mosfet管q2的栅极和源极之间。所述mosfet管q2的漏极输出所述检测信号s1。
41.图7是根据本发明的输出热插拔电路的另一优选实施例的部分电路原理示意图。
图8是图7所示的输出热插拔电路的电流示意图。图9是图7所示的输出热插拔电路的时序图。
42.在图7所示实施例中，所述输出热插拔电路包括mosfet管q1、输出电容c2、检测电阻r2，充电电阻r1，连接在所述mosfet管q1的栅极的控制模块(未示出)，连接所述检测电阻的检测单元。本领域技术人员知悉，所述控制模块和所述检测单元可以参照图3-6所示的实施例构造，在此就不再累述了。图7-8进一步示出了设置在本发明的输出热插拔电路，以及电源输出正极vo+和电源输出负极v
o-之间的输出滤波电感l1和输出滤波电容c1，其作为惯常的电源输出电路组件，对本发明的输出热插拔电路的原理进行说明。
43.如图7所示，所述mosfet管q1的栅极连接所述控制模块240以接收驱动控制信号drv_q1、漏极连接所述输出电容c2的阴极和所述检测电阻r2的第一端、源极连接主功率电路的第一输入端、电源输出负极vo-和所述检测电阻的第二端，所述输出电容c2的阳极连接所述主功率电路的第二输入端和电源输出正极vo+。所述充电电阻r1的第一端连接热插针hotplug、第二端连接电源输出负极vo-。
44.下面参照图5所示的控制模块，图6所示的检测模块以及图7-8所示的电路部分，以及图9所示的时序图，对本发明的输出热插拔电路的原理说明如下。
45.当输出热插拔电路插入系统母排时，电源输出正极vo+和热插针hotplug先接触母排，母排电压经过回路1中的输出滤波电容c1和充电电阻r1给输出滤波电容c1快速充电，母排电压同时经过回路2中的输出电容c2，检测电阻r2，充电电阻r1给输出电容c2缓慢充电，回路1阻抗小于回路2，所以主充电回路还是回路1。
46.当输出热插拔电路继续插入时，电源输出负极vo-接触母排，把充电电阻r1短接，充电回路只有回路3，通过输出电容c2，检测电阻r2，充电电阻r1给输出电容c2充电，充电完成后打开mosfet管q1并保持，输出热插拔电路正常工作。当将输出热插拔电路拔出系统母排时，检测电阻r2也可以加快输出电容c2放电。
47.s1是由主控芯片产生的控制信号，主控芯片是由主功率电路中的主mcu产生，其产生条件是检测模块的检测信号s2为低，即主控mcu收到检测信号s2为低之后，产生了控制信号s1。当输出电容c2预充电完成后，控制信号s1变成高电平，光耦opto1开通，通过图5所示的推挽电路产生drv_q1驱动信号。
48.当检测模块检测到检测电阻r2两端的电压vr2低于mosfet管q2的开启电压，则光耦opto2开通，检测信号s2拉低，检测信号s2是低电平，则输出热插拔电路插入系统母排以及预充电完成，可以开启主功率电路。
49.从时序图来看，如图9所示，输出热插拔电路接入之后，通过电阻r2给电容c2充电，此时mosfet管q1两端电压vds最大，然后随着充电进行，充电电流减小，vds电压缓慢降低，电容c2上电压vc缓慢上升，当电容电压达到峰值附近时，电压vds下降到电压v1，电压v1通过检测模块传信号给控制模块(例如主控mcu)，控制模块判断达到设定阈值，就发出控制信号，通过控制模块产生控制信号vgs，开通mosfet管q1，然后再开启主功率电路。
50.当然，在本发明的前述简化实施例中，也可以省略电阻r1，通过热插拔持续的时间过程来进行充电。但是，采用充电电阻结合输出滤波电容c1的方式更为优选。本发明通过将输出电容c2与mosfet管q1串联，可以降低损耗，而通过检测模块可以判断预充电mosfet管是否开路，因而通过可以有效控制预充电完成才开通mosfet，开通主功率电路，比传统电路
更优。
51.实施本发明的输出热插拔电路，通过检测模块检测所述输出容性模块的充电电压提供检测信号并提供给控制模块，再由控制模块决定所述开关模块的导通以开启所述主功率电路，可灵活设定所述输出容性模块充电到何种程度才开启所述开关模块，并且驱动模块可以采用数字信号控制，更有效开通或者关断所述开关模块，控制方式更灵活。进一步的，可以对输出容性模块有效预充电，所述开关模块在回路中的电流是容性模块的纹波电流，损耗小，提升设备效率
52.虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
53.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。