低壓直流互為備份電源的分析和設計

王慎達，戴振東

（公安部第三研究所，上海 200031）

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，專用芯片和元器件的可靠性都有非常大的提高。因此，弱電系統前端設備（如監控攝像機、報警探測器、網絡交換機以及光纖收發器等）的故障率大大下降，故障率相對供電電源（小型直流開關電源）要低得多。為了保證整個系統的可靠運行，需要有高可靠性的供電電源保證系統前端設備的穩定可靠運行。在諸如銀行、公安以及博物館等重要場合，為了保證安防監控系統和網絡系統等高可靠運行，系統后端設備會采取不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）供電，前端的各種設備和探測器則采用“主電源+備用電源”的集中供電模式。下文將對集中供電備份電源的模式展開分析討論，并提出一種雙直流開關電源互為備份的設計思路和具體實施線路。

1 常規備份電源形式

目前，在重要領域的安防監控和網絡系統中，向前端攝像機、報警探測器、網絡交換機以及光纖收發器等設備供電常常采用以下2種方式：一是采用220 V電壓供電，到前端設備處再用單個直流電源給前端設備提供12 V電源；二是采用常規集中12 V供電，在控制室采用大功率開關電源將220 V轉變成12 V給前端的設備供電。第2種方式存在1個缺點，即一旦大功率開關電源故障，則所有負載將全部斷電。為了防止這種重大事故的發生，在重要場合采用雙備份電源電路和雙備份電源切換的控制方法，由1主1備2個電源（備份電源基本上采用蓄電池的形式）+雙電源切換器組成[1,2]。

2 雙直流開關電源互為備份的集中供電電源

為了解決實際項目中的上述問題，考慮并設計開發了一種雙直流開關電源互為備份的集中供電電源，使2個開關電源之間自動切換，互為備份。同時，電壓切換時盡量減少對負載的沖擊。

2.1 雙直流開關電源互為備份的集中供電電源的設計思路

在1個集成電源設備內設置2個輸出電壓和額定功率完全相同的開關電源模塊。2個開關電源模塊給各自的負載設備供電（每個開關電源模塊的實際負載率不高于50%額定輸出功率）。當2個開關電源模塊中的1個模塊出現故障失電時，另1個開關電源模塊立刻通過電壓自動控制切換電路，同時對2路負載設備供電。該開關電源模塊的負載是2路負載之和，負載率不高于100%額定功率。故障的開關電源模塊所帶的負載上的電壓切換時，電壓波動小于20%額定值（即切換時間為0）。當1個開關電源故障時，集成電源設備發出開關電源故障報警信號（聲音和短路/開路信號），提醒設備運行人員及時報修（減少承擔全部負載的開關電源模塊接近滿載的工作時間），并及時更換故障的開關電源模塊。

2.2 雙直流開關電源互為備份的集中供電電源的組成部分

通過對開關電源電路原理、金屬-氧化層半導體場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的特性以及實際工程中的集中供電需求等要素的研究，設計如圖1所示的具體線路[3,4]。

圖1 雙直流開關電源互為備份電原理

設置2臺輸出電壓和額定功率等性能指標均一致的開關電源（圖1中的1#開關電源和2#開關電源）；由可調電阻Rh1和可調電阻Rh2組成2個開關電源的輸出電壓的調節電路；由U1/1A（比較器）、U2（光耦）、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、C5以及C7組成1#開關電源的輸出電壓檢測電路；由U1/2A（比較器）、U3（光耦）、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、C6以及C8組成2#開關電源的輸出電壓檢測電路；由場效應管Q3+D5和場效應管Q4+D6組成2個開關電源輸出電壓的自動切換電路；由Q1、D1、R1、C1以及C3組成J1繼電器的驅動控制電路；由Q2、D2、R2、C2以及C4組成J2繼電器的驅動控制電路；由D3和D4組成2臺開關電源的隔直電路；由繼電器J1和繼電器J2組成短路電路；由D5和D6組成2組自動切換的短路電路；由Q5、A（蜂鳴器）、D7、D8、J1-2（繼電器觸點）以及J2-2（繼電器觸點）組成開關電源故障報警電路[4]。

2.3 雙直流開關電源互為備份的集中供電電源的具體線路說明

集成供電電源內部設置的2臺開關電源的額定輸出電壓、額定輸出電流以及額定輸出功率均一致。輸出電壓調節電路根據前端設備與集成供電電源之間的距離，考慮線路壓降，通過調節Rh1和Rh2這2個電位器調節2臺開關電源的輸出電壓。用U1/1A（比較器）、U2（光耦）、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、C5以及C7組成1#開關電源的電壓檢測與電壓自動切換電路。在1#開關電源正常工作時，+V1通過R4/R5和R6/R7分壓。LM393比較器的IN+電壓稍大于IN-電壓，則比較器的輸出為高電平。根據比較器的內部電路原理圖得知，輸出端接一上拉電阻R8，電流通過R8流過光耦使光耦導通。射極和集電極之間呈低阻狀態，使得場效應管Q4的柵極為高電位。根據P溝道MOSFET的電流-電壓特性，Q4進入截止狀態[5]。當1#開關電源故障導致輸出電壓+U1下降時，+U1通過R4/R5和R6/R7分壓，使比較器的IN+電壓小于IN-電壓，比較器的輸出為低電平，光耦截止不導通，射極和集電極之間呈高阻狀態。通過下拉電阻R9，使場效應管Q4的柵極為低電位，則Q4導通，將+U2通過Q4、D6以及UOUT1導通，完成電壓自動切換，且切換時電壓波動不大于20%額定電壓。同理，用U1/2A（比較器）、U3（光耦）、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、C6以及C8組成2#開關電源的輸出電壓檢測電路。

為使單個開關電源模塊承擔全部負載，在正常工作狀態，每個開關電源輸出的功率要控制在小于50%的額定功率。2個電源模塊的輸出功率均工作在50%的額定功率以下，因此可以大大提高供電電源模塊的壽命和整個系統的可靠性。

2.4 雙直流開關電源互為備份的集中供電電源的電路工作原理

用肖特基二極管D1和肖特基二極管D2組成2個電源模塊之間的隔離，防止某一路電源模塊故障影響正常工作的電源模塊，實現相互隔離且備份的功能。繼電器J1和繼電器J2控制驅動電路，即用Q1、D1、R1、C1以及C3組成J1繼電器的驅動控制電路，用Q2、D2、R2、C2以及C4組成J2繼電器的驅動控制電路。當2個開關電源都正常工作時，Q1和Q2的基極均為高電平，Q1和Q2導通，J1和J2吸合，觸點J1-1和觸點J2-1分別將隔直二極管D3和二極管D4短路，從而降低輸出電流流過二極管產生的損耗。當2個開關電源均正常工作時，J1和J2吸合，觸點J1-2和觸點J2-2吸合，表示2個開關電源工作正常。若有1個開關電源故障，則對應的繼電器斷電，觸點J1-2或觸點J2-2開路，表示該開關電源故障。通過D7、D8、Q5以及A（蜂鳴器）電路，產生開關電源故障報警聲。

3 兩種備份電源的優缺點分析

對常規1主1備電源供電模式及線路和雙直流開關電源互為備份電路進行具體分析，其優缺點如表1所示[3,4]。

表1 2種備份電源的優缺點分析

4 結 論

本文分析目前常用的1主1備電源+雙電源切換器備份電源的工作原理及其優缺點，提出了一種雙開關電源模塊互為備份電源的設計思想、具體電路原理圖以及優缺點等。此設計方案具有真正意義的互為備份電源功能，體積小、成本低、可靠性高，對后續的備份電源設計具有一定的參考價值。