一种动态信号控制的安全电源输出电路

摘要

本发明公开了一种动态信号控制的安全电源输出电路，包括：第一级安全电源输出电路，接收来自于外部的第一处理器输出的两路互为反相的PWM信号，并向第二级安全电源输出电路输出控制信号；第二级安全电源输出电路，根据第一级安全电源输出电路输出的控制信号，以及来自于外部的第二处理器输出的两路互为反相的PWM信号，向电源转换电路输出信号；电源转换电路，根据第二级安全电源输出电路的输出信号对外输出电源信号，或在第一处理器和/或第二处理器发生故障时，切断对外输出的电源信号。本发明能够有效地解决现有两个或多个处理器供电控制系统中由于处理器故障导致输出信号不可控的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及电子电气技术，尤其是涉及一种应用于当需要两个或两个以上的多个处理器同时控制一个外部设备供电时，采用动态信号进行控制的安全电源输出电路。

背景技术

在现有的控制系统中，当需要两个或多个处理器（CPU）同时控制一个外部设备的供电时，一般由两个或多个处理器分别输出一个恒定的电平信号，再利用逻辑门电路对两个或多个处理器输出的控制信号进行运算后得到最终的供电控制信号，并使用该信号对外部设备的供电电源芯片进行控制，从而实现对外部设备进行控制。但是，当一个或多个处理器故障时，该处理器对应的电平信号将失去控制，无法保证该信号的逻辑状态与处理器正常时相反，导致逻辑门电路输出的控制信号不能及时变化，最终造成无法正确、及时地切断外部设备的供电。

现有技术中的这种控制方式存在的技术缺陷主要有以下几个方面：

（1）现有技术的控制方法当单个或多个处理器由于各种原因（如电磁干扰、环境温度变化等）而死机或进入死循环后，其对应的输出信号将失去控制，无法保证该信号的逻辑状态将切换至与处理器正常时相反，最终造成无法正确、及时地切断外部设备供电；

（2）现有技术的控制方法仅能传递控制逻辑，最终的供电电源需要通过第三方电源由电源芯片提供。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种动态信号控制的安全电源输出电路，能够有效地解决现有两个或两个以上的多个处理器供电控制系统中由于处理器故障导致的输出信号不可控的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种动态信号控制的安全电源输出电路的技术实现方案，一种动态信号控制的安全电源输出电路，包括：

第一级安全电源输出电路，接收来自于外部的第一处理器输出的两路互为反相的PWM信号，并向第二级安全电源输出电路输出控制信号；

第二级安全电源输出电路，根据所述第一级安全电源输出电路输出的控制信号，以及来自于外部的第二处理器输出的两路互为反相的PWM信号，向电源转换电路输出信号；

电源转换电路，根据所述第二级安全电源输出电路的输出信号对外输出电源信号，或在所述第一处理器和/或第二处理器发生故障时，切断对外输出的电源信号。

优选的，所述第一级安全电源输出电路向所述第二级安全电源输出电路输出的控制信号为所述第二级安全电源输出电路的电源信号。

优选的，所述第二级安全电源输出电路包括：第三光耦隔离单元和第四光耦隔离单元，所述第一级安全电源输出电路向所述第二级安全电源输出电路输出的控制信号为所述第三光耦隔离单元、第四光耦隔离单元的电源信号。

优选的，所述第一级安全电源输出电路包括：第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元、第一级推挽电路、第一级变压器和第一级整流滤波电路，两路由所述第一处理器输出的PWM信号分别经过所述第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元进行光耦隔离后，进入所述第一级推挽电路，分别驱动所述第一级推挽电路内部的两个开关管进行斩波处理，再由所述第一级变压器传输斩波能量至所述第一级整流滤波电路进行整流和滤波处理。

优选的，所述第二级安全电源输出电路还包括：第二级推挽电路、第二级变压器和第二级整流滤波电路，经过所述第一级整流滤波电路整流和滤波处理后的信号输出至所述第三光耦隔离单元和第四光耦隔离单元，为所述第三光耦隔离单元和第四光耦隔离单元提供电源，两路由所述第二处理器输出的PWM信号分别经过所述第三光耦隔离单元、第四光耦隔离单元进行光耦隔离后，进入所述第二级推挽电路，分别驱动所述第二级推挽电路内部的两个开关管进行斩波处理，再由所述第二级变压器传输斩波能量至所述第二级整流滤波电路进行整流和滤波处理，经过所述第二级整流滤波电路整流和滤波处理后的信号输出至所述电源转换电路，由所述电源转换电路对外输出电源信号。

优选的，所述第二级变压器为功率变压器，所述第二级变压器的原边和次边相互隔离，用于在所述第二级推挽电路与所述第二级整流滤波电路之间传递功率。

优选的，在所述第一光耦隔离单元与所述第一级推挽电路之间，以及所述第二光耦隔离单元与所述第一级推挽电路之间均设置有电阻和电容，所述电阻和电容组成第一隔直电路，以降低所述第一级推挽电路的直流损耗。

优选的，在所述第一隔直电路与所述第一级推挽电路之间进一步并联有二极管，所述二极管对经过所述第一光耦隔离单元、第二光耦隔离单元的PWM信号进行稳压和钳位，并保证输出至所述第一级推挽电路的压差。

优选的，在所述第三光耦隔离单元与所述第二级推挽电路之间，以及所述第四光耦隔离单元与所述第二级推挽电路之间均设置有电阻和电容，所述电阻和电容组成第二隔直电路，以降低所述第二级推挽电路的直流损耗。

优选的，在所述第二隔直电路与所述第二级推挽电路之间进一步并联有二极管，所述二极管对经过所述第三光耦隔离单元、第四光耦隔离单元的PWM信号进行稳压和钳位，并保证输出至所述第二级推挽电路的压差。

通过实施上述本发明提供的动态信号控制的安全电源输出电路，具有如下技术效果：

（1）本发明通过处理器输出动态脉冲信号，对动态脉冲信号进行变换得到最终的供电电源，当处理器出现故障无法维持输出预期的动态脉冲信号时，能够迅速切断供电电源，解决了现有控制系统中由于处理器故障导致输出信号不可控，无法及时切断外部设备供电的技术问题；

（2）本发明提供了一种动态的多个处理器控制输出状态的安全电源输出电路，外部处理器输出的PWM信号频率较低、处理器的负担较小，且输出功率能够充分满足数字电路的驱动要求；

（3）本发明采用多处理器联合控制推挽式安全电源输出方式，电源的输出功率较大，且具备较强的驱动能力，通过对四路动态脉冲信号进行处理，最终可以得到与处理器隔离的直流电源信号，并通过对电源进行转换，最终得到外部设备需要的供电电源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明动态信号控制的安全电源输出电路一种具体实施方式应用于安全电源输出系统的系统结构框图；

图2是本发明动态信号控制的安全电源输出电路一种具体实施方式的系统结构框图；

图3是本发明动态信号控制的安全电源输出电路一种具体实施方式第一级安全电源输出电路和第二级安全电源输出电路的结构组成框图；

图4是本发明动态信号控制的安全电源输出电路一种具体实施方式第一级安全电源输出电路的电路原理图；

图5是本发明动态信号控制的安全电源输出电路一种具体实施方式第二级安全电源输出电路的部分电路原理图；

图6是本发明动态信号控制的安全电源输出电路一种具体实施方式第二级安全电源输出电路另一部分的电路原理图；

图7是本发明动态信号控制的安全电源输出电路中从第一处理器输出的信号波形图；

图8是本发明动态信号控制的安全电源输出电路中第一光耦隔离单元和第二光耦隔离单元输出的信号波形图；

图9是本发明动态信号控制的安全电源输出电路中第一级推挽电路的上、下开关管输出的信号波形图；

图10是本发明动态信号控制的安全电源输出电路中从第二处理器输出的信号波形图；

图11是本发明动态信号控制的安全电源输出电路中第三光耦隔离单元和第四光耦隔离单元输出的信号波形图；

图12是本发明动态信号控制的安全电源输出电路中第二级推挽电路的上、下开关管输出的信号波形图；

图13是本发明动态信号控制的安全电源输出电路中第一级变压器、第二级变压器的输出信号波形图；

图14是本发明动态信号控制的安全电源输出电路出现处理器故障时第一级推挽电路、第二级推挽电路上、下开关管一种典型的输出信号波形图；

图中：1-第一级安全电源输出电路，2-第二级安全电源输出电路，3-电源转换电路，4-第一处理器，5-第二处理器，11-第一光耦隔离单元，12-第二光耦隔离单元，13-第一级推挽电路，14-第一级变压器，15-第一级整流滤波电路，21-第三光耦隔离单元，22-第四光耦隔离单元，23-第二级推挽电路，24-第二级变压器，25-第二级整流滤波电路。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

CPU：CentralProcessingUnit，中央处理单元的简称；

PWM：PulseWidthModulation，脉冲宽度调制的简称；

DC：DirectCurrent，直流的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图14所示，给出了本发明动态信号控制的安全电源输出电路的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1和附图2所示，一种动态信号控制的安全电源输出电路的具体实施例，包括：

第一级安全电源输出电路1，接收来自于外部的第一处理器4输出的两路互为反相的PWM信号，并向第二级安全电源输出电路2输出控制信号；

第二级安全电源输出电路2，根据第一级安全电源输出电路1输出的控制信号，以及来自于外部的第二处理器5输出的两路互为反相的PWM信号，向电源转换电路3输出信号；

电源转换电路3，根据第二级安全电源输出电路2的输出信号对外输出电源信号，或在第一处理器4和/或第二处理器5发生故障时，切断对外输出的电源信号。

其中，第一处理器4和第二处理器5输出的两路互为反相的PWM信号均为占空比可调的方波信号，如附图7所示。作为本发明一种典型的具体实施例，PWM信号为频率500Hz，占空比为50%的PWM波信号。本发明具体实施例采用一种动态的、多处理器（CPU）控制方式控制安全电源输出，即第一处理器4一直给出占空比可调的方波信号，控制第一级安全电源输出电路1的输出，第二处理器5也一直给出占空比可调的方波信号，控制第二级安全电源输出电路2的输出。第一处理器4和第二处理器5可以形成多种控制逻辑，共同控制安全电源的输出。本发明具体实施例通过第一处理器4和第二处理器5输出动态脉冲信号，经过对动态脉冲信号进行变换后得到最终的供电电源，当第一处理器4和/或第二处理器5故障时，其无法维持输出预期的动态脉冲信号，从而迅速切断供电电源，解决了现有控制系统中由于处理器故障导致输出信号不可控的技术问题。

其中，作为本发明一种较佳的具体实施例，第一级安全电源输出电路1向第二级安全电源输出电路2输出的控制信号为第二级安全电源输出电路2的电源信号。

如附图3所示，作为本发明一种更佳的具体实施例，第一级安全电源输出电路1进一步包括：第一光耦隔离单元11、第二光耦隔离单元12、第一级推挽电路13、第一级变压器14和第一级整流滤波电路15。两路由第一处理器4输出的PWM信号分别经过第一光耦隔离单元11、第二光耦隔离单元12进行光耦隔离后，进入第一级推挽电路13，分别驱动第一级推挽电路13内部的两个开关管对24V电源信号进行斩波处理，再由第一级变压器14传输斩波能量至第一级整流滤波电路15进行整流和滤波处理，对外输出直流24V信号。如附图7所示，为从第一处理器输出的信号波形图。如附图8所示，为第一光耦隔离单元11和第二光耦隔离单元12输出的信号波形图。如附图9所示，为第一级推挽电路13中上、下开关管输出的信号波形图。如附图13上半部分所示，为第一级变压器14的输出信号波形图。第一级推挽电路13对直流信号进行斩波处理，将连续的直流能量切割成量子式“一小份”能量。同时，因为变压器不能传递直流信号，必须要将直流信号转化为脉冲信号，然后利用变压器从原边传递能量到次边，再经过整流和滤波处理后输出，在对直流进行斩波处理时，可以控制斩波的时间，即通过控制高电平与低电平的时间比来控制电压的输出。

如附图3所示，作为本发明一种更佳的具体实施例，第二级安全电源输出电路2进一步包括：第二级推挽电路23、第二级变压器24和第二级整流滤波电路25，经过第一级整流滤波电路15整流和滤波处理后的信号输出至第三光耦隔离单元21和第四光耦隔离单元22，为第三光耦隔离单元21和第四光耦隔离单元22提供电源。第一级安全电源输出电路1向第二级安全电源输出电路2输出的控制信号为第三光耦隔离单元21、第四光耦隔离单元22的电源信号。两路由第二处理器5输出的PWM信号分别经过第三光耦隔离单元21、第四光耦隔离单元22进行光耦隔离后，进入第二级推挽电路23，分别驱动第二级推挽电路23内部的两个开关管对24V电源信号进行斩波处理，再由第二级变压器24传输斩波能量至第二级整流滤波电路25进行整流和滤波处理，经过第二级整流滤波电路25整流和滤波处理后的24V直流信号输出至电源转换电路3，由电源转换电路3对外输出5V的直流电源信号。如附图10所示，为从第二处理器输出的信号波形图。如附图11所示，为第三光耦隔离单元21和第四光耦隔离单元22输出的信号波形图。如附图12所示，为第二级推挽电路23中上、下开关管输出的信号波形图。如附图13下半部分所示，为第二级变压器24的输出信号波形图。作为本发明一种典型的具体实施例，电源转换电路3采用LMZ14201非隔离电源芯片。第二级变压器24进一步为功率变压器，第二级变压器24的原边和次边相互隔离，用于在第二级推挽电路23与第二级整流滤波电路25之间传递功率。本发明具体实施例通过第一处理器一4和第二处理器二5输出动态脉冲信号，对动态脉冲信号进行变换得到最终的供电电源，当处理器出现故障无法维持输出预期的动态脉冲信号时，能够迅速切断供电电源，解决了现有控制系统中由于处理器故障导致输出信号不可控，无法及时切断外部设备供电的技术问题。如附图14所示，即为处理器故障时第一级推挽电路13、第二级推挽电路23上、下开关管一种典型的输出信号波形图。

在上述具体实施例中，由于第一级安全电源输出电路1仅仅驱动第二级安全电源输出电路2的第三光耦隔离单元21和第四光耦隔离单元22，所以功率仅为0.1W左右。而第二级安全电源输出电路2中的第二级变压器24为功率输出变压器，需要在LMZ14201非隔离电源芯片的后端进行功率输出，因此最大功率为0.6W左右。如附图4所示，作为本发明一种较佳的具体实施例，在第一光耦隔离单元11与第一级推挽电路13之间，以及第二光耦隔离单元12与第一级推挽电路13之间均设置有电阻和电容，电阻和电容组成第一隔直电路，以降低第一级推挽电路13的直流损耗。在第一隔直电路与第一级推挽电路13之间进一步并联有二极管，二极管对经过第一光耦隔离单元11、第二光耦隔离单元12的PWM信号进行稳压和钳位，并保证输出至第一级推挽电路13的压差。PWM1和PWM2是从第一处理器4输出的两路互为反相的PWM信号，频率及占空比均固定，PWM1和PWM2经过光耦隔离芯片U1、U2隔离之后，再经过由电阻R3、R6、R10、R11，以及电容C2、C7组成第一隔直电路后直接驱动场效应管芯片VT1和VT2。在第一隔直电路与第一级推挽电路13之间并联有二极管VD1和VD6，用于抬高PWM波，保证场效应管芯片VT1和VT2栅极和源极之间的压差，使之能够驱动场效应管。其中，场效应管芯片VT1和VT2采用IRF7478P芯片。由场效应管芯片VT1和VT2输出的信号依次经过由电阻R5和电容C6组成的阻容串联电路，以及作为第一级变压器14的中频变压器T1后，再输出至由二极管VD2、VD3、VD4和VD5构成桥式整流电路，对中频变压器T1的次边输出进行整流处理，再经过由电容C4和C5组成输出滤波电路之后，进行第一级安全电源输出电路1的输出，其输出电压为直流24V，并作为第二级安全电源输出电路2输出的控制电压。

如附图5和附图6所示，作为本发明一种较佳的具体实施例，在第三光耦隔离单元21与第二级推挽电路23之间，以及第四光耦隔离单元22与第二级推挽电路23之间均设置有电阻和电容，电阻和电容组成第二隔直电路，以降低第二级推挽电路23的直流损耗。在第二隔直电路与第二级推挽电路23之间进一步并联有二极管，二极管对经过第三光耦隔离单元21、第四光耦隔离单元22的PWM信号进行稳压和钳位，并保证输出至第二级推挽电路23的压差。PortB1和PortB2是从第二处理器5输出的两路互为反相的PWM信号端口，频率及占空比均固定，从PortB1和PortB2端口输入的PWM信号经过光耦隔离芯片U4、U5隔离之后，再经过由电阻R13、R18、R25、R27，以及电容C9、C18组成第二隔直电路后直接驱动场效应管芯片VT3和VT4。在第二隔直电路与第二级推挽电路23之间并联有二极管VD9和VD12，用于抬高PWM波，保证场效应管芯片VT3和VT4栅极和源极之间的压差，使之能够驱动场效应管。其中，场效应管芯片VT3和VT4采用IRF7478P芯片。由场效应管芯片VT3和VT4输出的信号依次经过由电阻R16和电容C14组成的阻容串联电路，以及作为第二级变压器24的中频变压器T2后，再输出至由二极管VD7、VD8、VD10和VD11构成桥式整流电路，对中频变压器T2的次边输出进行整流处理，再经过由电容C13和C15组成输出滤波电路之后，进行第二级安全电源输出电路2的输出，其输出电压为直流24V，并输入至作为电源转换电路3的LMZ14201非隔离电源芯片U3，由非隔离电源芯片U3对外输出5V直流信号。作为第二级变压器24的中频变压器T2进一步为功率变压器，中频变压器T2的原边和次边相互隔离，用于实现功率传递。

通过实施本发明具体实施例描述的动态信号控制的安全电源输出电路，能够达到以下技术效果：

（1）本发明具体实施例描述的技术方案通过处理器输出动态脉冲信号，对动态脉冲信号进行变换得到最终的供电电源，当处理器出现故障无法维持输出预期的动态脉冲信号时，能够迅速切断供电电源，解决了现有控制系统中由于处理器故障导致输出信号不可控，无法及时切断外部设备供电的技术问题；

（2）本发明具体实施例描述的技术方案提供了一种动态的多个处理器控制输出状态的安全电源输出电路，外部处理器输出的PWM信号频率较低、处理器负担较小，且输出功率能够满足数字电路的驱动要求；

（3）本发明具体实施例描述的技术方案采用多处理器联合控制推挽式安全电源输出方式，电源的输出功率较大，且具备较强的驱动能力，通过对四路动态脉冲信号进行处理，最终可以得到与处理器隔离的直流电源信号，并通过对电源进行转换，最终得到外部设备需要的供电电源。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。