一种冗余电源的冷备份切换方法、电路及冗余电源

摘要

本发明适用于电源领域，提供了一种冗余电源的冷备份切换方法、电路及冗余电源，该方法包括：对输出总电流采样，根据电流采样值确定冗余电源效率；判断冗余电源效率是否低于半载；若是，则输出第一或第二冷备份控制信号；根据第一或第二冷备份控制信号断开第一支路，控制电源通过第二支路输出；若否，则输出第一和第二工作控制信号；根据第一或第二工作控制信号闭合第一支路，控制电源通过第一支路输出；第二支路输出的电压小于第一支路输出的电压。本发明在电源效率低于半载时，控制一电源进入冷备份状态，以提高电源效率，并在正常供电切换至冷备份供电时，一直保持有电压输出，无需大电容缓冲，可靠性高，成本低。

说明书

技术领域

本发明属于电源领域，尤其涉及一种冗余电源的冷备份切换方法、电路及 冗余电源。

背景技术

目前带PMBus功能的冗余电源大批量使用在服务器和通信电源等高可靠 性领域，由于这些服务器基本都是24小时工作，但实际上在闲时(如深夜)由 于数据处理量锐减，这些服务器的功耗常常工作在半载以下，但半载以下时电 源的工作效率通常较低，造成能源浪费。

现有技术为了节约能耗通常控制冗余电源其中的一个电源模块进入冷备份 状态，使一个电源模块不输出直流电压，但是，正常工作的电源模块掉电切换 到冷备份的电源模块工作的一个短暂的时间是没有直流电压输出的，因此必须 要在输出端增加一个大电容做输出缓冲，以防止输出电压掉到正常工作电压以 下，导致冗余电源成本增加，可靠性降低。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种冗余电源的冷备份切换方法，旨在解决 目前冗余电源在工作电源与冷备份电源切换时无电流输出，导致冗余电源可靠 性低，成本高的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种冗余电源的冷备份切换方法，所述方法 包括下述步骤：

对输出总电流采样，并根据电流采样值确定冗余电源效率；

判断所述冗余电源负载是否低于半载；

若是，则输出第一冷备份控制信号或第二冷备份控制信号；

根据第一或第二冷备份控制信号断开第一支路，控制第一或第二电源 通过第二支路输出；

若否，则输出第一工作控制信号和第二工作控制信号；

根据第一和第二工作控制信号分别闭合两第一支路，控制第一和第二 电源分别通过两第一支路输出；

判断第一、第二电源控制单元输出电压是否相同；

若是，则将第一、第二电源控制单元输出电流之和作为输出总电流输出；

若否，则将高电压对应的电源控制单元的输出电流作为输出总电流输出；

其中，所述第二支路输出的电压小于所述第一支路输出的电压。

本发明实施例的另一目的在于提供一种冗余电源的冷备份切换电路，连接 于第一电源、第二电源与负载之间，所述冷备份切换电路包括：

电源背板，所述电源背板的输出端与负载连接，用于对输出总电流采样， 根据电流采样值确定冗余电源效率，并判断所述冗余电源效率是否低于半载， 若是，则输出第一冷备份控制信号或第二冷备份控制信号，若否，则输出第一 工作控制信号和第二工作控制信号；

第一电源控制单元，包括第一支路和第二支路，所述第一电源控制单元的 控制端与所述电源背板的控制端连接，所述第一电源控制单元的输入端与所述 第一电源连接，所述第一电源控制单元的输出端与所述电源背板的第一输入端 连接，用于根据所述第一冷备份控制信号断开第一支路，控制第一电源通过第 二支路输出，或根据所述第一工作控制信号闭合第一支路，控制第一电源通过 第一支路输出；

第二电源控制单元，包括第一支路和第二支路，所述第二电源控制单元的 控制端与所述电源背板的控制端连接，所述第二电源控制单元的输入端与所述 第二电源连接，所述第二电源控制单元的输出端与所述电源背板的第二输入端 连接，用于根据所述第二冷备份控制信号断开第一支路，控制第二电源通过第 二支路输出，或根据所述第二工作控制信号闭合第一支路，控制第二电源通过 第一支路输出；

其中，所述第二支路输出的电压小于所述第一支路输出的电压；

并且，所述电源背板判断第一、第二电源控制单元输出电压是否相同，若 是，则将第一、第二电源控制单元输出电流之和作为输出总电流输出，若否， 则将高电压对应的电源控制单元的输出电流作为输出总电流输出。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述冷备份切换电路的冗余电 源。

本发明实施例在电源效率低于半载时，控制一电源进入冷备份状态，使冷 备份电源输出略低于原电源电压的冷备份电源电压，因此无法输出电流，将总 输出电流全部转移到非冷备份电源上，使非冷备份电源由于负载增加，相应提 高电源效率，从而提高系统的转换效率。而当非冷备份电源掉电或故障不能正 常工作时，其输出电压降低至冷备份电源输出电压以下时，冷备份电源自动切 换到输出供电中，从而完成从冷备份状态转入到正常工作状态的切换，实现冗 余功能，并且切换期间不会存在掉电的情况，提高了系统可靠性，也不需要增 加大电容缓冲，节省了成本，这样就保证了电源系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的冗余电源的冷备份切换方法的流程结构图；

图2为电源的效率工作曲线图；

图3为本发明实施例提供的冗余电源的冷备份切换电路的结构图；

图4为本发明实施例提供的冗余电源的冷备份切换电路的示例结构图。

具体实施方式

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。

本发明实施例在电源效率低于半载时，控制一电源进入冷备份状态，以提 高电源效率，并在正常供电切换至冷备份供电时，一直保持有电压输出，无需 大电容缓冲，可靠性高，成本低。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

图1示出了本发明实施例提供的冗余电源的冷备份切换方法的流程结构， 为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该冗余电源的冷备份切换方法包括下述步骤：

在步骤S101中，对输出总电流采样，并根据电流采样值确定冗余电源效率；

在步骤S102中，判断冗余电源负载是否低于半载；

若是，则执行步骤S103，输出第一冷备份控制信号或第二冷备份控制信号；

若否，则执行步骤S104，输出第一工作控制信号和第二工作控制信号；

在步骤S103之后，执行步骤S105，根据第一或第二冷备份控制信号断开 第一支路，控制第一或第二电源通过第二支路输出；

或者，在步骤S104之后执行步骤S106，根据第一和第二工作控制信号分 别闭合两第一支路，控制第一和第二电源分别通过两第一支路输出；

在步骤S107中，判断第一、第二电源控制单元输出电压是否相同；

若是，则执行步骤S108，将第一、第二电源控制单元输出电流之和作为输 出总电流输出；

若否，则执行步骤S109，将高电压对应的电源控制单元的输出电流作为输 出总电流输出；

其中，第二支路输出的电压小于第一支路输出的电压。

作为本发明一优选实施例，该第一、第二冷备份控制信号以及第一、第二 工作控制信号可以通过PMBus协议传输。

作为本发明一优选实施例，可以记录输出的第一冷备份控制信号或第二冷 备份控制信号并记录，以便根据记录控制第一、第二冷备份控制信号交替输出。

在本发明实施例中，通过电源背板采样冗余电源的输出总电流，根据电源 的效率工作曲线，参见图2，可以得知，在半载以下，电源的效率高低与负载 大小是成正比的关系，因此，本发明实施例在冗余电源效率低于半载时通过 PMBus总线动态控制其中第一电源进入冷备份状态，第二电源正常工作，为保 证系统的可靠性，电源背板会记录上一次进入冷备份状态的电源控制单元，在 下一次进入冷备份时会做交替控制，已保证两个电源控制单元会轮流进入冷备 份状态，避免出现某一电源控制单元长期都处于工作状态而缩短使用寿命。

第一电源控制单元在收到冷备份控制信号后控制自身进入冷备份状态，断 开第一支路，控制第一电源通过第二支路输出，由于第二支路输出的第一电源 电压略低于第二电源控制单元第一支路输出的第二电源电压，且处于正常工作 电压允许的范围内，因此，第一电源控制单元没有输出电流供电，负载供电电 流全部由第二电源控制单元输出的第二电源承担，由于第二电源控制单元的负 载电流增加一倍，根据图2的原理关系，第二电源控制单元的转换效率得以大 幅提高，从而提高了整个冗余电源的转换效率。

当第二电源控制单元由于供电或自身故障时其输出电压会逐渐降低，当电 压降低到小于第一电源控制单元的输出电压时，所有供电电流会自动切换到由 第一电源控制单元的输出供电；第一电源控制单元的MCU1同样会对其输出电 压和输出电流进行采样，从而计算出本单元的输出功率，当输出功率上升到超 过设定的功率值后，第一电源控制单元的MCU1会通过控制电路让其升压恢复 到正常工作状态，退出冷备份状态，从而保证了系统正常工作并达到冗余设计 的目的。

由于电源背板通过PMBus总线实时读取第一电源控制单元和第二电源控 制单元的工作状态，当第二电源控制单元故障时会停止发送进入冷备份的指令， 从而防止单个工作模块时也发送冷备份指令的情况出现。

冗余电源在正常工作时，第一电源控制单元和第二电源控制单元会通过均 流控制电路或输出控制电路将输出电压调节到一致，以实现并联均流输出供电， 此时第一电源控制单元和第二电源控制单元各承担一半的输出电流给负载供 电，从而实现了均流和冗余供电的功能。

本发明实施例在电源效率低于半载时，控制一电源进入冷备份状态，使冷 备份电源输出略低于原电源电压的冷备份电源电压，因此无法输出电流，将总 输出电流全部转移到非冷备份电源上，使非冷备份电源由于负载增加，相应提 高电源效率，从而提高系统的转换效率。而当非冷备份电源掉电或故障不能正 常工作时，其输出电压降低至冷备份电源输出电压以下时，冷备份电源自动切 换到输出供电中，从而完成从冷备份状态转入到正常工作状态的切换，实现冗 余功能，并且切换期间不会存在掉电的情况，提高了系统可靠性，也不需要增 加大电容缓冲，节省了成本，这样就保证了电源系统的。

图3示出了本发明实施例提供的冗余电源的冷备份切换电路的结构，为了 便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该冗余电源的冷备份切换电路可以应用于任何冗余 电源以及服务器和通信电源等高可靠性电源领域。

该冗余电源的冷备份切换电路连接于第一电源、第二电源与负载之间，包 括：

电源背板13，电源背板13的输出端与负载连接，用于对输出总电流采样， 根据电流采样值确定冗余电源效率，并判断冗余电源效率是否低于半载，若是， 则输出第一冷备份控制信号或第二冷备份控制信号，若否，则输出第一工作控 制信号和第二工作控制信号；

第一电源控制单元11，包括第一支路L1和第二支路L2，第一电源控制单 元11的控制端与电源背板13的控制端连接，第一电源控制单元11的输入端与 第一电源连接，第一电源控制单元11的输出端与电源背板13的第一输入端连 接，用于根据第一冷备份控制信号断开第一支路L1，控制第一电源通过第二支 路L2输出，或根据第一工作控制信号闭合第一支路L1，控制第一电源通过第 一支路L1输出；

第二电源控制单元12，包括第一支路L1和第二支路L2，第二电源控制单 元12的控制端与电源背板13的控制端连接，第二电源控制单元12的输入端与 第二电源连接，第二电源控制单元12的输出端与电源背板13的第二输入端连 接，用于根据第二冷备份控制信号断开第一支路L1，控制第二电源通过第二支 路L2输出，或根据第二工作控制信号闭合第一支路L1，控制第二电源通过第 一支路L1输出；

其中，第二支路L2输出的电压小于第一支路L1输出的电压；

并且，电源背板13判断第一电源控制单元11、第二电源控制单元12输出 电压是否相同，若是，则将第一电源控制单元11、第二电源控制单元12输出 电流之和作为输出总电流输出，若否，则将高电压对应的电源控制单元的输出 电流作为输出总电流输出。

作为本发明一优选实施例，第一电源控制单元11、第二电源控制单元12 和电源背板13之间可以通过PMBus协议传输第一、第二冷备份控制信号以及 第一、第二工作控制信号。

在本发明实施例中，通过电源背板13采样冗余电源的输出总电流I₃，根据 电源的效率工作曲线，参见图2，可以得知，在半载以下，电源的效率高低与 负载大小是成正比的关系，因此，本发明实施例在冗余电源效率低于半载时通 过PMBus总线动态控制其中第一电源进入冷备份状态，第二电源正常工作。

第一电源控制单元11在收到冷备份控制信号后控制自身进入冷备份状态， 断开第一支路L1，控制第一电源通过第二支路L2输出，由于第二支路L2输出 的第一电源电压略低于第二电源控制单元第一支路L1输出的第二电源电压，且 处于正常工作电压允许的范围内，因此，第一电源控制单元11没有输出电流供 电，负载供电电流全部由第二电源控制单元12输出的第二电源输出的电流I₂承 担，由于第二电源控制单元12的负载电流增加一倍，根据图2的原理关系，第 二电源控制单元12的转换效率得以大幅提高，从而提高了整个冗余电源的转换 效率。

当第二电源控制单元12由于供电或自身故障时其输出电压会逐渐降低，当 电压降低到小于第一电源控制单元11的输出电压时，所有供电电流会自动切换 到由第一电源控制单元11的输出供电；第一电源控制单元11同样会对其输出 电压和输出电流I₁进行采样，从而计算出本单元的输出功率，当输出功率上升 到超过设定的功率值后，第一电源控制单元11会通过控制电路让其升压恢复到 正常工作状态，退出冷备份状态，从而保证了系统正常工作并达到冗余设计的 目的。

冗余电源在正常工作时，第一电源控制单元11和第二电源控制单元12会 通过电源背板13将输出电压调节到一致，以实现并联均流输出供电，此时第一 电源控制单元11和第二电源控制单元12各承担一半的输出电流给负载供电， 从而实现了均流和冗余供电的功能。

本发明实施例在电源效率低于半载时，控制一电源进入冷备份状态，使冷 备份电源输出略低于原电源电压的冷备份电源电压，因此无法输出电流，将总 输出电流全部转移到非冷备份电源上，使非冷备份电源由于负载增加，相应提 高电源效率，从而提高系统的转换效率。而当非冷备份电源掉电或故障不能正 常工作时，其输出电压降低至冷备份电源输出电压以下时，冷备份电源自动切 换到输出供电中，从而完成从冷备份状态转入到正常工作状态的切换，实现冗 余功能，并且切换期间不会存在掉电的情况，提高了系统可靠性，也不需要增 加大电容缓冲，节省了成本，这样就保证了电源系统的。

图4示出了本发明实施例提供的冗余电源的冷备份切换电路的示例结构， 为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该电源背板13包括：

电流采样电路131，电流采样电路131的采样端为电源背板13的输出端， 用于对输出总电流I₃采样；

第三处理器MCU3，第三处理器MCU3的检测端与电流采样电路131的输 出端连接，第三处理器MCU3的输出端为电源背板13的控制端，用于根据电 流采样值确定冗余电源效率，并判断冗余电源效率是否低于半载，若是，则输 出第一冷备份控制信号或第二冷备份控制信号，若否，则输出第一工作控制信 号和第二工作控制信号；

在本发明实施例中，电源背板13通过电流采样电路131对输出总电流I₃进 行采样，并将采样值通过第三处理器MCU3进行判断和处理，第三处理器MCU3 将处理后生成的控制信号通过PMBus总线向第一电源控制单元11中的第一处 理器MCU1以及第二电源控制单元12中的第二处理器MCU2传输，并且实时读 取第一电源控制单元11和第二电源控制单元12的工作状态，当第二电源控制 单元12故障时会停止发送进入冷备份的指令，从而防止单个工作模块时也发送 冷备份指令的情况出现。

存储器132，存储器132的数据端与第三处理器MCU3的数据端连接，用 于记录输出的第一或第二冷备份控制信号，使第三处理器MCU3根据记录控制 第一、第二冷备份控制信号交替输出；

在本发明实施例中，为保证系统的可靠性，存储器132会记录上一次进入 冷备份状态的电源控制单元，在下一次进入冷备份时会做交替控制，已保证两 个电源控制单元会轮流进入冷备份状态，避免出现某一电源控制单元长期都处 于工作状态而缩短使用寿命。

输出控制电路133，输出控制电路133的第一、第二输入端分别为电源背 板13的第一、第二输入端，输出控制电路133的输出端为电源背板13的输出 端，用于判断第一、第二电源控制单元输出电压是否相同，若是，则将第一、 第二电源控制单元输出电流之和作为输出总电流输出，若否，则将高电压对应 的电源控制单元的输出电流作为输出总电流输出。

在本发明实施例中，输出控制电路133在判断出一电源进入冷备份状态时， 进入冷备份的电源输出电压略低于正常工作的电源，因此进入冷备份的电源不 向负载输出电流，输出总电流全部由正常工作的电源提供；

冗余电源在正常工作时，第一电源控制单元11和第二电源控制单元12会 通过输出控制电路133将输出电压调节到一致，以实现并联均流输出供电，此 时第一电源控制单元11和第二电源控制单元12各承担一半的输出电流给负载 供电，从而实现了均流和冗余供电的功能。

作为本发明一实施例，第一电源控制单11还包括第一处理器MCU1，第二 电源控制单元12还包括第二处理器MCU2：

第一处理器MCU1、第二处理器MCU2，分别用于采样第一电源控制单11、 第二电源控制单元12的输出电流，并根据输出电流控制第一电源控制单11、 第二电源控制单元12的工作状态；

第一处理器MCU1、第二处理器MCU2的检测端分别为第一电源控制单11、 第二电源控制单元12的输出端，第一处理器MCU1、第二处理器MCU2的输 入控制端为第一电源控制单11、第二电源控制单元12的控制端；

每一电源控制单元中的第一支路L1与第二支路L2并联，第一支路L1和 第二支路L2的一导通端同时为第一电源控制单11或第二电源控制单元12的输 入端，第一支路L1与第二支路L2的另一导通端同时为第一电源控制单11或 第二电源控制单元12的输出端，第一支路L1的控制端与对应的第一、第二处 理器的输出控制端连接。

在本发明实施例中，第一处理器MCU1和第二处理器MCU2会对其输出电 压和输出电流进行采样，从而计算出本单元的输出功率，当输出功率上升到超 过设定的功率值后，通过控制电路让其升压恢复到正常工作状态，退出冷备份 状态，从而保证了系统正常工作并达到冗余设计的目的。

作为本发明一优选实施例，第一支路L1可以采用分压器件实现，为了减 小输出损耗，优选采用小压降的二极管(D1或D2)或者MOS管，分压器件 的两导通端分别为第一支路的两导通端。

在采用二极管(D1或D2)作为分压器件时，二极管(D1或D2)的阳极 为分压器件的一导通端，二极管(D1或D2)的阴极为分压器件的另一导通端。

第二支路L2可以采用可控开关(K1或K2)实现，该可控开关(K1或K2) 的两导通端分别为第二支路L2的两导通端，可控开关(K1或K2)的控制端为 第二支路L2的控制端。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述冷备份切换电路的冗余电 源。

本发明实施例在电源效率低于半载时，控制一电源进入冷备份状态，使冷 备份电源输出略低于原电源电压的冷备份电源电压，因此无法输出电流，将总 输出电流全部转移到非冷备份电源上，使非冷备份电源由于负载增加，相应提 高电源效率，从而提高系统的转换效率。而当非冷备份电源掉电或故障不能正 常工作时，其输出电压降低至冷备份电源输出电压以下时，冷备份电源自动切 换到输出供电中，从而完成从冷备份状态转入到正常工作状态的切换，实现冗 余功能，并且切换期间不会存在掉电的情况，提高了系统可靠性，也不需要增 加大电容缓冲，节省了成本，这样就保证了电源系统的。

以上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。