低压直流互为备份电源的分析和设计

王慎达，戴振东

（公安部第三研究所，上海 200031）

0 引 言

随着科学技术的不断发展，专用芯片和元器件的可靠性都有非常大的提高。因此，弱电系统前端设备（如监控摄像机、报警探测器、网络交换机以及光纤收发器等）的故障率大大下降，故障率相对供电电源（小型直流开关电源）要低得多。为了保证整个系统的可靠运行，需要有高可靠性的供电电源保证系统前端设备的稳定可靠运行。在诸如银行、公安以及博物馆等重要场合，为了保证安防监控系统和网络系统等高可靠运行，系统后端设备会采取不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）供电，前端的各种设备和探测器则采用“主电源+备用电源”的集中供电模式。下文将对集中供电备份电源的模式展开分析讨论，并提出一种双直流开关电源互为备份的设计思路和具体实施线路。

1 常规备份电源形式

目前，在重要领域的安防监控和网络系统中，向前端摄像机、报警探测器、网络交换机以及光纤收发器等设备供电常常采用以下2种方式：一是采用220 V电压供电，到前端设备处再用单个直流电源给前端设备提供12 V电源；二是采用常规集中12 V供电，在控制室采用大功率开关电源将220 V转变成12 V给前端的设备供电。第2种方式存在1个缺点，即一旦大功率开关电源故障，则所有负载将全部断电。为了防止这种重大事故的发生，在重要场合采用双备份电源电路和双备份电源切换的控制方法，由1主1备2个电源（备份电源基本上采用蓄电池的形式）+双电源切换器组成[1,2]。

2 双直流开关电源互为备份的集中供电电源

为了解决实际项目中的上述问题，考虑并设计开发了一种双直流开关电源互为备份的集中供电电源，使2个开关电源之间自动切换，互为备份。同时，电压切换时尽量减少对负载的冲击。

2.1 双直流开关电源互为备份的集中供电电源的设计思路

在1个集成电源设备内设置2个输出电压和额定功率完全相同的开关电源模块。2个开关电源模块给各自的负载设备供电（每个开关电源模块的实际负载率不高于50%额定输出功率）。当2个开关电源模块中的1个模块出现故障失电时，另1个开关电源模块立刻通过电压自动控制切换电路，同时对2路负载设备供电。该开关电源模块的负载是2路负载之和，负载率不高于100%额定功率。故障的开关电源模块所带的负载上的电压切换时，电压波动小于20%额定值（即切换时间为0）。当1个开关电源故障时，集成电源设备发出开关电源故障报警信号（声音和短路/开路信号），提醒设备运行人员及时报修（减少承担全部负载的开关电源模块接近满载的工作时间），并及时更换故障的开关电源模块。

2.2 双直流开关电源互为备份的集中供电电源的组成部分

通过对开关电源电路原理、金属-氧化层半导体场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的特性以及实际工程中的集中供电需求等要素的研究，设计如图1所示的具体线路[3,4]。

图1 双直流开关电源互为备份电原理

设置2台输出电压和额定功率等性能指标均一致的开关电源（图1中的1#开关电源和2#开关电源）；由可调电阻Rh1和可调电阻Rh2组成2个开关电源的输出电压的调节电路；由U1/1A（比较器）、U2（光耦）、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、C5以及C7组成1#开关电源的输出电压检测电路；由U1/2A（比较器）、U3（光耦）、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、C6以及C8组成2#开关电源的输出电压检测电路；由场效应管Q3+D5和场效应管Q4+D6组成2个开关电源输出电压的自动切换电路；由Q1、D1、R1、C1以及C3组成J1继电器的驱动控制电路；由Q2、D2、R2、C2以及C4组成J2继电器的驱动控制电路；由D3和D4组成2台开关电源的隔直电路；由继电器J1和继电器J2组成短路电路；由D5和D6组成2组自动切换的短路电路；由Q5、A（蜂鸣器）、D7、D8、J1-2（继电器触点）以及J2-2（继电器触点）组成开关电源故障报警电路[4]。

2.3 双直流开关电源互为备份的集中供电电源的具体线路说明

集成供电电源内部设置的2台开关电源的额定输出电压、额定输出电流以及额定输出功率均一致。输出电压调节电路根据前端设备与集成供电电源之间的距离，考虑线路压降，通过调节Rh1和Rh2这2个电位器调节2台开关电源的输出电压。用U1/1A（比较器）、U2（光耦）、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、C5以及C7组成1#开关电源的电压检测与电压自动切换电路。在1#开关电源正常工作时，+V1通过R4/R5和R6/R7分压。LM393比较器的IN+电压稍大于IN-电压，则比较器的输出为高电平。根据比较器的内部电路原理图得知，输出端接一上拉电阻R8，电流通过R8流过光耦使光耦导通。射极和集电极之间呈低阻状态，使得场效应管Q4的栅极为高电位。根据P沟道MOSFET的电流-电压特性，Q4进入截止状态[5]。当1#开关电源故障导致输出电压+U1下降时，+U1通过R4/R5和R6/R7分压，使比较器的IN+电压小于IN-电压，比较器的输出为低电平，光耦截止不导通，射极和集电极之间呈高阻状态。通过下拉电阻R9，使场效应管Q4的栅极为低电位，则Q4导通，将+U2通过Q4、D6以及UOUT1导通，完成电压自动切换，且切换时电压波动不大于20%额定电压。同理，用U1/2A（比较器）、U3（光耦）、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、C6以及C8组成2#开关电源的输出电压检测电路。

为使单个开关电源模块承担全部负载，在正常工作状态，每个开关电源输出的功率要控制在小于50%的额定功率。2个电源模块的输出功率均工作在50%的额定功率以下，因此可以大大提高供电电源模块的寿命和整个系统的可靠性。

2.4 双直流开关电源互为备份的集中供电电源的电路工作原理

用肖特基二极管D1和肖特基二极管D2组成2个电源模块之间的隔离，防止某一路电源模块故障影响正常工作的电源模块，实现相互隔离且备份的功能。继电器J1和继电器J2控制驱动电路，即用Q1、D1、R1、C1以及C3组成J1继电器的驱动控制电路，用Q2、D2、R2、C2以及C4组成J2继电器的驱动控制电路。当2个开关电源都正常工作时，Q1和Q2的基极均为高电平，Q1和Q2导通，J1和J2吸合，触点J1-1和触点J2-1分别将隔直二极管D3和二极管D4短路，从而降低输出电流流过二极管产生的损耗。当2个开关电源均正常工作时，J1和J2吸合，触点J1-2和触点J2-2吸合，表示2个开关电源工作正常。若有1个开关电源故障，则对应的继电器断电，触点J1-2或触点J2-2开路，表示该开关电源故障。通过D7、D8、Q5以及A（蜂鸣器）电路，产生开关电源故障报警声。

3 两种备份电源的优缺点分析

对常规1主1备电源供电模式及线路和双直流开关电源互为备份电路进行具体分析，其优缺点如表1所示[3,4]。

表1 2种备份电源的优缺点分析

4 结 论

本文分析目前常用的1主1备电源+双电源切换器备份电源的工作原理及其优缺点，提出了一种双开关电源模块互为备份电源的设计思想、具体电路原理图以及优缺点等。此设计方案具有真正意义的互为备份电源功能，体积小、成本低、可靠性高，对后续的备份电源设计具有一定的参考价值。