应用于轨道车辆的带多重保护可并联双电压电源模块的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于轨道车辆的带多重保护可并联双电压电源模块，该电源模块包括两路电源单元，每路电源单元均包括EMC保护调理电路、过欠压保护电路、温度保护电路、可并联双电压转换电路、并联输出隔离电路和滤波稳压电路，每路电源单元的可并联双电压转换电路均设有两组电压转换芯片，两组电压转换芯片共用前端保护电路，两组电压转换芯片均设有模式开关管脚，断开两路电源单元相应的电压转换芯片的模式开关管脚，两路电源单元以热备的方式并联输出；接通两路电源单元相应的电压转换芯片的模式开关管脚，两路电源单元以均流的方式并联输出。该电源模块方便适用不同场合，降低成本，缩短开发周期。
【专利说明】
应用于轨道车辆的带多重保护可并联双电压电源模块
技术领域
[0001]本发明涉及一种电源模块，具体的说，涉及一种应用于轨道车辆的带多重保护可并联双电压电源模块。
【背景技术】
[0002]目前，轨道车辆的电源模块大都采用单电源模块或单电源冗余供电方式，并对电源模块提供基础保护措施。上述两种电源模块的缺点为:I)单电源模块一旦出现电源故障，会造成部分甚至全部供电功能的损失，增加轨道车辆的行车风险。2)单电源冗余供电方式通常采用二极管做隔离，缺点是功耗大、电压损耗大且散热面积大，在负载需要多种电压时，需要增设新电源，增加供电成本且占用空间。
[0003]如中国专利号CN102064683B公开一种宽电压输入、稳压输出型电源模块，包括保护电路、电压转换电路和稳压输出电路，保护电路通过滤波电路与电压转换电路连接，保护电路包括过流保护电路和EMC保护电路，通过过流保护电路，使输入电压出现过流或短路时电路中器件不至于被损坏;经过EMC电路保护，将输入电压中噪声和纹波降低，抗干扰能力强。上述电源模块转换电路采用EMC保护和过流保护，作为电源模块的前级保护电路，电压转换电路将DC110 V宽电压转换为DC5V稳压窄电压，即该电源模块采用的为单电源供电方式，单电源供电方式存在前述缺点。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种应用于轨道车辆的带多重保护可并联双电压电源模块，采用前端保护电路对电源进行过欠压和温度保护，实现单/双电压制式输出或单/双电压并联输出。
[0005]本发明的技术方案是:一种应用于轨道车辆的带多重保护可并联双电压电源模块，该电源模块包括两路电源单元，每路电源单元均包括EMC保护调理电路、过欠压保护电路、温度保护电路、可并联双电压转换电路、并联输出隔离电路和滤波稳压电路，EMC保护调理电路输出端连接过欠压保护电路和温度保护电路，三者构成前端保护电路，过欠压保护电路和温度保护电路并联后依次与可并联双电压转换电路、并联输出隔离电路和滤波稳压电路连接;所述每路电源单元的可并联双电压转换电路均设有两组电压转换芯片，两组电压转换芯片共用前端保护电路，两组电压转换芯片均设有模式开关管脚，断开两路电源单元相应的电压转换芯片的模式开关管脚，两路电源单元以热备的方式输出；接通两路电源单元相应的电压转换芯片的模式开关管脚，两路电源单元以并联均流的方式输出。
[0006]优选的是，所述EMC保护调理电路包括调理电路输入端X1、压敏电阻RV3、保险管Fl、滤波电容C3、共模电感L1、电容组C4、TVS 二极管、防反二极管D6，调理电路输入端Xl依次连接压敏电阻RV3、保险管F1、滤波电容C3、共模电感L1、电容组C4、TVS 二极管和防反二极管D6，调理电路输入端Xl连接IlOV直流电源，压敏电阻RV3和滤波电容C3均与IlOV直流电源并联;保险管Fl串联于压敏电阻RV3与滤波电容C3之间;TVS 二极管包括第一 TVS 二极管D4和第二 TVS 二极管D5，第一 TVS 二极管D4正极与第二 TVS 二极管D5正极相连接，第一 TVS 二极管D4负极连接防反二极管D6，防反二极管D6负极输出为调理电路IlOVA直流电。
[0007]优选的是，所述过欠压保护电路包括分压电路、比较器电路、MOS管开关电路和故障指示电路，分压电路输入端连接+110VA直流电，分压电路输出端连接比较器电路，比较器电路输出端连接MOS管开关电路和故障指示电路。
[0008]优选的是，所述温度保护电路与过欠压保护电路共用一套MOS管开关电路，温度保护电路设有温度采集芯片U5和温度故障指示灯D26，温度采集芯片U5设有温度阈值设定端、第一输出端TH和第二输出端TL，温度阈值设定端连接温度设定电阻，第一输出端TH和第二输出端TL连通MOS开关管Ql栅极G。
[0009]优选的是，所述并联输出隔离电路包括高压隔离输出电路U2和低压隔离输出电路Ul，高压隔离输出电路U2支持9?80V电压输入，低压隔离输出电路Ul支持O?18V电压输入。所述高压隔离输出电路U2采用MOS管加MOS管驱动电路方式，MOS管驱动电路输出端连接MOS管栅极G，M0S管源极S连接+24V直流电，MOS管漏极D输出+24VA直流电。低压隔离输出电路Ul与所述尚压隔呙输出电路U2的输出方式相同。
[0010]优选的是，所述滤波稳压电路包括31型滤波电路和稳压管，31型滤波电路输入端连接+24VA直流电，型滤波电路输出端经稳压管稳压后输出24V1+直流电供负载使用。
[0011]本发明与现有技术相比的有益效果为:
[0012]I)该电源模块带有多重保护电路，包括前端保护电路和后级处理电路，通过前端保护电路对电源模块进行电磁兼容保护、过欠压保护和温度保护;通过后级处理电路，对电源模块进行隔离和稳压处理，有效保护电源模块，增加产品安全性；
[0013]2)配置灵活，该电源模块通过可并联双电压转换电路实现单/双电压制式输出或单/双电压并联输出，输出模式可选为热备份/均流，方便适用不同场合，降低成本，缩短开发周期；
[0014]3)输出方式采用并联隔离输出，可有效降低功耗、散热和电压损耗，电流传输平滑无振荡，如果电源模块出现故障或短路，可快速关断、减小反向电流冲击，提高产品可靠性；
[0015]4)具备故障诊断功能，通过外置指示灯显示温度、过欠压故障，提高维修便利性；
[0016]5)可并联双电压转换电路的双电压转换电路，共用前端保护电路，可有效节省元器件、节省空间且降低成本。
【附图说明】
[0017]图1为本发明电源模块的结构示意图；
[0018]图2为前端保护电路的示意图；
[0019]图3为EMC保护调理电路示意图；
[0020]图4为过欠压保护电路示意图；
[0021 ]图5为温度保护电路示意图；
[0022]图6为单/双电压制式输出不意图；
[0023]图7为单/双电压并联输出示意图；
[0024]图8为尚压隔尚输出电路不意图；
[0025]图9为低压隔离输出电路示意图；
[0026]图10为滤波稳压电路示意图。
【具体实施方式】
[0027]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、完整地描述。
[0028]实施例1
[0029]参见图1，本发明公开一种应用于轨道车辆的带多重保护可并联双电压电源模块，该电源模块包括两路电源单元，每路电源单元均包括EMC保护调理电路、过欠压保护电路、温度保护电路、可并联双电压转换电路、并联输出隔离电路和滤波稳压电路，两路电源单元可独立输出，亦可通过可并联双电压转换电路并联输出。
[0030]参见图2和图3，EMC保护调理电路包括调理电路输入端Xl、压敏电阻RV3、保险管Fl、滤波电容C3、共模电感L1、电容组C4、TVS 二极管、防反二极管D6，调理电路输入端Xl依次连接压敏电阻RV3、保险管F1、滤波电容C3、共模电感L1、电容组C4、TVS 二极管和防反二极管D6。其中，调理电路输入端XI连接110 V直流电源，压敏电阻RV3和滤波电容C3均与110 V直流电源并联;保险管Fl串联于压敏电阻RV3与滤波电容C3之间;滤波电容C3、共模电感L1、电容组C4构成调理电路的LC滤波器;TVS 二极管包括第一 TVS 二极管D4和第二 TVS 二极管D5，第一TVS 二极管D4正极与第二 TVS 二极管D5正极相连接，第一 TVS 二极管D4负极连接防反二极管D6，防反二极管D6可有效防止电源线反接后对后续电路的损伤，经防反二极管D6负极输出为调理电路110VA直流电。EMC保护调理电路可有效防止浪涌、脉冲群和空间辐射干扰，调理后的输入电压噪声和纹波得到有效抑制。
[0031]EMC保护调理电路输出端连接过欠压保护电路，参见图2和图4，过欠压保护电路包括分压电路、比较器电路、MOS管开关电路和故障指示电路，分压电路输入端连接+110VA直流电，分压电路输出端连接比较器电路，比较器电路输出端连接MOS管开关电路和故障指示电路，通过MOS管开关电路控制输出-110VB直流电，通过故障指示电路指示欠过压故障。
[0032]过欠压保护电路具体为:
[0033]分压电路包括第一分压电阻R31和第二分压电阻R33，比较器电路包括第一比较器U4A和第二比较器U4B，M0S管开关电路采用MOS开关管Q1，故障指示电路包括欠压指示灯D18和过压指示灯D20。第一分压电阻R31输入端连接+11OVA直流电，第一分压电阻R31输出端连接第一比较器U4A同相输入端、第二分压电阻R33、第二比较器U4B反相输入端，第二分压电阻R33另一端连接-110VA直流电。第一比较器U4A反相输入端和第二比较器U4B同相输入端连接基准电压Vl;第一比较器U4A和第二比较器U4B的输出端连接并分三路输出:I路输出连接故障指示电路的欠压指示灯D18和过压指示灯D20; I路输出经第一电阻R27连接高电平V2; I路输出连接MOS开关管Ql栅极G JOS开关管Ql源极S连接-1 1VA直流电;MOS开关管Ql的漏极D连接-1 1VB直流电。
[0034]上述过欠压保护电路的工作过程为:
[0035]+110VA直流电经第一分压电阻R31和第二分压电阻R33组成的分压电路分压后，与比较器电路的基准电压Vl进行比较，有以下三种结果:I)当实际电压在最小阈值和最大阈值之间时，第一比较器U4A和第二比较器U4B均输出高电平，高电平V2使MOS开关管Ql导通，MOS开关管Ql输出-110VB直流电；2)当实际电压低于最小阈值时，第一比较器U4A输出低电平，第二比较器U4B输出高电平，高电平V2电能消耗在第一电阻R27，M0S开关管Ql关断，欠压指示灯D18点亮；3)当实际电压高于最大阈值时，第一比较器U 4 A输出高电平，第二比较器U4B输出低电平，高电平V2电能消耗在第一电阻R27，M0S开关管Ql关断，过压指示灯D20点亮。其中，上述工作过程中的最大阈值和最小阈值由基准电压Vl和与基准电压Vl连接的电阻阻值决定。通过过欠压保护电路，保护电源电压不承受超过工作范围的电压冲击，超过电压范围则切断电路并通过外置的指示灯提示故障。
[0036]EMC保护调理电路输出端连接温度保护电路，参见图2和图5，温度保护电路与过欠压保护电路共用一套MOS管开关电路，即温度保护电路输出端连接MOS开关管Ql栅极G。温度保护电路设有温度采集芯片U5和温度故障指示灯D26，温度采集芯片U5设有温度阈值设定端、第一输出端TH和第二输出端TL，其中，温度阈值设定端连接温度设定电阻，温度设定电阻包括第二电阻R47、第三电阻R48、第四电阻R49和第五电阻R50，通过温度设定电阻设定温度阈值，温度阈值包括最小温度阈值和最大温度阈值，并将检测实际温度与温度阈值进行比较，比较结果如下:
[0037]I)当实际检测温度介于最小温度阈值和最大温度阈值之间时，第一输出端TH和第二输出端TL均输出高电平，高电平V2使MOS开关管QI导通，MOS开关管QI输出-1 1 VB直流电；
2)当实际检测温度低于最小温度阈值时，第二输出端TL输出低电平，第一输出端TH输出高电平，高电平V2电能消耗在第一电阻R27，M0S开关管Ql关断，温度故障指示灯D26点亮;3)当实际检测温度高于最大温度阈值时，第二输出端TL输出高电平，第一输出端TH输出低电平，高电平V2电能消耗在第一电阻R27，M0S开关管Ql关断，温度故障指示灯D26点亮。温度保护电路保护电源模块工作于正常温度范围内，防止异常温升造成电源的不可逆损坏，一旦发生温度故障，切断电路并通过外置指示灯提示故障。
[0038]过欠压保护电路与温度保护电路并联后与可并联双电压转换电路输入端连接，EMC保护调理电路、过欠压保护电路、温度保护电路共同组成该电源模块的前端保护电路。可并联双电压转换电路设有两组电压转换芯片，两组电压转换芯片共用前端保护电路。两组电压转换芯片输入端均连接+110VA直流电和-110VB直流电，+ 110VA直流电和-110VB直流电经双电压转换电路后分别输出+24V直流电和+5V直流电。
[0039]参见图1和图6，图1中两路电源单元可独立输出，两路电源单元的其中一路为可选电源单元，图6为仅选用一路电源单元的可并联双电压转换电路的结构组成，图6中，可并联双电压转换电路配置两组电压转换芯片，分别为第一电压转换芯片PSl和第二电压转换芯片PS2，如果只配置一组电压转换芯片，则可实现单电压制式输出；如果配置两组电压转换芯片，则可实现双电压制式输出。双电压输出时，两路电压转换芯片间相互隔离，抗干扰能力强，转换效率高，且每路电压转换电路均可进行±10%的输出调节。各电压转换芯片上均设有Adj管脚，通过Adj管脚与正电压并联，可增大电压转换芯片输出电压;通过Adj管脚与地并联，可减小电压转换芯片输出电压。配置方便灵活，可有效节省元器件、节省空间且降低成本。
[0040]参见图1和图7，图1中两路电源单元通过可并联双电压转换电路并联输出，如果电源单元只配置一组电压转换芯片，则可实现单电源并联输出；如果电源单元配置两组电压转换芯片，则可实现双电压并联输出。图7中，以第二电压转换芯片为例，第一路电源单元的第二电压转换芯片PS2和第二路电源单元的第二电压转换芯片PS2’均设有模式开关管脚ModeSwitch，通过控制两个转换芯片模式开关管脚Mode Switch通断，控制两路电源单元的可并联双电压转换电路的并联输出。当两个转换芯片的模式开关管脚接通时，第一路电源单元的第二电压转换芯片PS2和第二路电源单元的第二电压转换芯片PS2’的模式开关管脚ModeSwitch连通，两路电源单元按照均流方式输出，各自承担一半功率；当两个转换芯片的模式开关管脚断开时，第一路电源单元的第二电压转换芯片PS2和第二路电源单元的第二电压转换芯片PS2’的模式开关管脚Mode Switch断开，两路电源单元按照热备方式输出，仅一路电源单元承担全部功率，即实现单电压均流/热备并联输出。
[0041]同理，如果第一路电源单元的第一电压转换芯片PSl和第二路电源单元的第一电压转换芯片PSl，也采取相同的连接模式，即实现双电压均流/热备并联输出。
[0042]并联输出隔离电路输入端与可并联双电压转换电路输出端连接，参见图8和图9，并联输出隔离电路包括高压隔离输出电路U2和低压隔离输出电路Ul，高压隔离输出电路U2可支持9?80V电压输入，低压隔呙输出电路Ul可支持O?18V电压输入。尚压隔呙输出电路U2和低压隔离输出电路Ul均采用MOS管加MOS管驱动电路方式，S卩MOS管驱动电路输出端连接MOS管栅极G，M0S管源极S连接+24V直流电，MOS管漏极D输出+24VA直流电。低压隔离输出电路Ul采用同样的连接方式，输出+5VA直流电。
[0043]并联输出隔呙电路米用MOS管加MOS管驱动电路方式，与传统肖特基二极管隔呙电路相比，可有效降低功耗、散热和电压损耗，电流传输平滑无振荡，一旦电源出现短路或故障，可通过MOS管快速关断，减小反向电流冲击。当任意电压转换芯片出现故障关断后，由于两只电压转换芯片并联，另一电压转换芯片立即自动切换到全功率输出，保证负载正常工作。
[0044]参见图10，滤波稳压电路包括型滤波电路和稳压管，Ji型滤波电路输入端连接+24VA直流电，型滤波电路输出端经稳压管稳压后输出24V1+直流电供负载使用，通过滤波稳压电路可为负载提供平稳可靠的工作电压。
[0045]本实施例的电源模块，通过EMC保护调理电路、过欠压保护电路、温度保护电路构成电源模块的前端保护电路，对电源模块进行电磁兼容保护、过欠压保护和温度保护;通过并联输出隔离电路和滤波稳压电路构成电源模块的后级处理电路，对电源模块进行隔离和稳压处理。可并联双电压转换电路通过双电压转换电路，可在负载需要多种电压时，提供多种电压值，实现单/双电压制式输出或单/双电压并联输出。
【主权项】
1.一种应用于轨道车辆的带多重保护可并联双电压电源模块，该电源模块包括两路电源单元，每路电源单元均包括EMC保护调理电路、过欠压保护电路、温度保护电路、可并联双电压转换电路、并联输出隔离电路和滤波稳压电路，EMC保护调理电路输出端连接过欠压保护电路和温度保护电路，三者构成前端保护电路，过欠压保护电路和温度保护电路并联后依次与可并联双电压转换电路、并联输出隔离电路和滤波稳压电路连接;其特征在于: 所述每路电源单元的可并联双电压转换电路均设有两组电压转换芯片，两组电压转换芯片共用前端保护电路，两组电压转换芯片均设有模式开关管脚，断开两路电源单元相应的电压转换芯片的模式开关管脚，两路电源单元以热备的方式输出；接通两路电源单元相应的电压转换芯片的模式开关管脚，两路电源单元以并联均流的方式输出。2.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于:所述过欠压保护电路包括分压电路、比较器电路、MOS管开关电路和故障指示电路，分压电路输入端连接+IlOVA直流电，分压电路输出端连接比较器电路，比较器电路输出端连接MOS管开关电路和故障指示电路。3.根据权利要求2述的电源模块，其特征在于:所述温度保护电路与过欠压保护电路共用一套MOS管开关电路，温度保护电路设有温度采集芯片U5和温度故障指示灯D26，温度采集芯片U5设有温度阈值设定端、第一输出端TH和第二输出端TL，温度阈值设定端连接温度设定电阻，第一输出端TH和第二输出端TL连通MOS开关管Ql栅极G。4.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于:所述并联输出隔离电路包括高压隔离输出电路U2和低压隔离输出电路Ul，高压隔离输出电路U2支持9?80V电压输入，低压隔离输出电路Ul支持O?18V电压输入。5.根据权利要求4所述的电源模块，其特征在于:所述高压隔离输出电路U2采用MOS管加MOS管驱动电路方式，MOS管驱动电路输出端连接MOS管栅极G，MOS管源极S连接+24V直流电，M0S管漏极D输出+24VA直流电。6.根据权利要求4所述的电源模块，其特征在于:所述低压隔离输出电路Ul采用MOS管加MOS管驱动电路方式，MOS管驱动电路输出端连接MOS管栅极G，M0S管源极S连接+5V直流电，M0S管漏极D输出+5VA直流电。7.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于:所述滤波稳压电路包括型滤波电路和稳压管，Ji型滤波电路输入端连接+24VA直流电，型滤波电路输出端经稳压管稳压后输出24V1+直流电供负载使用。8.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于:所述EMC保护调理电路包括调理电路输入端X1、压敏电阻RV3、保险管F1、滤波电容C3、共模电感L1、电容组C4、TVS 二极管、防反二极管D6，调理电路输入端Xl依次连接压敏电阻RV3、保险管Fl、滤波电容C3、共模电感L1、电容组C4、TVS 二极管和防反二极管D6，调理电路输入端Xl连接I1V直流电源，压敏电阻RV3和滤波电容C3均与IlOV直流电源并联;保险管Fl串联于压敏电阻RV3与滤波电容C3之间；TVS二极管包括第一 TVS 二极管D4和第二 TVS 二极管D5，第一 TVS 二极管D4正极与第二 TVS 二极管D5正极相连接，第一 TVS 二极管D4负极连接防反二极管D6，防反二极管D6负极输出为调理电路I1VA直流电。
【文档编号】H02H3/24GK106059296SQ201610403613
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】胡波, 赵欣, 刘澳
【申请人】中车青岛四方车辆研究所有限公司