МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H03K17/08 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в многоканальных коммутируемых источниках питания, где в каждом канале требуется коммутация обеих шин питания электронным интеллектуальным коммутатором, имеющим блок формирования статуса состояния коммутатора и позволяющим формировать сигнал (статус) при обрыве цепи нагрузки в отсутствии сигнала управления, или при коротком замыкании, или отсутствии тока в нагрузке в замкнутом состоянии.

Известен коммутатор напряжения [1], содержащий в каждом канале последовательно соединенные первую шину питания, первый ключ, блок нагрузки, второй ключ и вторую шину питания.

Недостаток этого коммутатора состоит в том, что он не имеет блока формирования статуса состояния ключа и обладает низкой надежностью.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является многоканальный коммутатор напряжения [2], содержащий в каждом канале последовательно соединенные первую шину питания, первый интеллектуальный ключ, блок нагрузки, второй интеллектуальный ключ и вторую шину питания, при этом входная шина управления соединена соответственно с входом управления каждого интеллектуального ключа, содержащего блок формирования статуса состояния ключа.

Недостаток этого коммутатора напряжения состоит в том, что в нем отсутствует возможность проверки статусных сигналов без нарушения схемы подключения нагрузки, что снижает надежность известного решения. Кроме того, в каждом канале в выключенном состоянии ключи находятся под напряжением, зависящим от тока утечки каждого ключа, и в зависимости от этого тока напряжение на любом ключе может иметь максимальную величину, равную напряжению питания, что также снижает их надежность.

Задача изобретения - повышение надежности за счет снижения напряжения на закрытых ключах и возможности проверки статусных сигналов без изменения режима подключения нагрузки.

Решение этой задачи достигается тем, что в многоканальный коммутатор напряжения, содержащий в каждом из n каналов последовательно соединенные первую шину питания, первый интеллектуальный ключ, блок нагрузки, второй интеллектуальный ключ и вторую шину питания, при этом входная шина управления соединена со входом управления каждого интеллектуального ключа, дополнительно введены блок контроля статуса, первый и второй технологические ключи, а в каждый канал введена последовательно соединенная цепь из первого резистора, первого диода, второго диода и второго резистора, включенная между выходами первого и второго технологических ключей, сигнальные входы которых соединены соответственно с первой и второй шинами питания, а входы управления подключены соответственно к первому и второму технологическому входу, при этом в каждом канале общая точка первого и второго диодов соединена с выходом первого интеллектуального ключа, выходы статуса состояния первого и второго интеллектуальных ключей каждого канала соединены с соответствующими входами статусного состояния блока контроля статуса, на другие входы которого подключена входная шина управления.

Блок контроля статуса содержит 2n блоков сравнения, каждый из которых включает последовательно соединенные элемент равнозначности и световой индикатор, при этом первый и второй входы элемента равнозначности каждого блока сравнения соединены с соответствующими входами статусного состояния и управления интеллектуального ключа.

На фиг.1 приведена блок-схема многоканального коммутатора напряжения, на фиг.2 приведена блок-схема блока контроля статуса.

На фиг.1: 1 - входная шина управления, 2 - первый интеллектуальный ключ, 3 - блок нагрузки, 4 - второй интеллектуальный ключ, 5 - первый резистор, 6 - первый диод, 7 - второй диод, 8 - второй резистор, 9 - блок контроля статуса, 10 - первый технологический ключ, 11 - второй технологический ключ, 12 - первый технологический вход, 13 - второй технологический вход, 14 - первая шина питания, 15 - вторая шина питания, 16 - первый канал, 17 - n-й канал.

На фиг. 2: 9 - упомянутый блок контроля статуса, 18 - первый блок сравнения, 19 - второй блок сравнения, 20 - элемент равнозначности, 21 - световой индикатор, 22 - первый вход управления, 23 - первый вход статусного состояния, 24 - 2n-й вход управления, 25 - 2n-й вход статусного состояния.

Входная шина управления 1 соединена со входами управления первого 2 и второго 4 интеллектуальных ключей каждого канала и входами управления блока контроля статуса 9. В каждом канале соединены последовательно первая шина питания 14, первый интеллектуальный ключ 2, блок нагрузки 3, второй интеллектуальный ключ 4 и вторая шина питания 15, последовательно в каждом канале соединена также цепь из первого резистора 5, первого диода 6, второго диода 7 и второго резистора 8, включенная между выходами первого 10 и второго 11 технологических ключей, а общая точка первого и второго диодов соединена с выходом первого интеллектуального ключа каждого канала соответственно. Сигнальные входы первого 10 и второго 11 технологических ключей соединены соответственно с первой 14 и второй 15 шинами питания, а входы управления подключены соответственно к первому 12 и второму 13 технологическому входу. Выходы статуса состояния первого 2 и второго 4 интеллектуальных ключей каждого канала соединены с соответствующими входами статусного состояния блока контроля статуса 9.

На фиг.2 первый 22 и 2n-й 24 входы управления соединены с первыми входами элемента равнозначности 20 первого 18 и 2n-го 19 блоков сравнения соответственно, первый 23 и 2n-й 25 входы статусного состояния соединены со вторыми входами элемента равнозначности 20 первого 18 и 2n-го 19 блоков сравнения соответственно. В каждом блоке сравнения элемент равнозначности 20 и световой индикатор 21 соединены последовательно.

Многоканальный коммутатор напряжения работает следующим образом. В исходном состоянии первый 10 и второй 11 технологические ключи замкнуты (на первом 12 и втором 13 технологических входах присутствует сигнал, открывающий эти ключи). Если на входной шине управления 1 сигнал В₁₁=0 (низкий уровень на входе первого интеллектуального ключа 2 первого канала 16), сигнал В₂₁=0 на входе второго интеллектуального ключа 4, то оба интеллектуальных ключа 2 и 4 закрыты. Напряжения на ключах 2 и 4 U₁ и U₂ будут равны
U₁ = Е₁ - U = (E₁ - E₂)/2, U₂ = E₂ - U = (E₁ - E₂)/2, (1)
где E₁ - потенциал на первой шине питания 14, Е₂ - потенциал на второй шине питания 15, U - потенциал на выходе первого интеллектуального ключа 2. Первый 5 и второй 8 резисторы выбираются равными по величине, поэтому напряжения на ключах 2 и 4 U₁ и U₂ равны половине напряжения питания U_П= (Е₁-Е₂). Аналогично распределяются потенциалы на интеллектуальных ключах других каналов.

При подаче на входную шину управления сигнала B₁₁=1 (высокий уровень) и В₂₁= 1 открываются первый 2 и второй 4 интеллектуальные ключи и на блок нагрузки 3 поступает напряжение питания U_П=(Е₁-Е₂).

Важной особенностью интеллектуальных ключей 2 и 4 является то, что они имеют блок формирования статуса состояния ключа, который позволяет определить два основных параметра электронного коммутатора: обрыв в цепи нагрузки при отсутствии входного сигнала (В₁₁=0 или В₂₁=0) и замыкание в цепи нагрузки или отсутствие тока в нагрузке при наличии входного сигнала (В₁₁=1 или В₂₁= 1). Эта особенность дает возможность повысить надежность электронного коммутатора за счет своевременного переключения нагрузки, например, на резервный электронный коммутатор.

Для того чтобы воспользоваться указанной возможностью, необходимо убедиться в том, что интеллектуальные ключи 2 и 4 исправно формируют статус состояния ключа. Приведем таблицу состояния статуса в зависимости от наличия входного сигнала.

В этой таблице сигнал В определяет наличие (В=1) включения ключа или его отсутствие (В= 0), сигнал S определяет статус состояния ключа, сигнал N определяет наличие (N= 1) или отсутствие (N=0) неисправности. Как следует из таблицы, обрыв в цепи нагрузки формируется при входном сигнале В=0, сигнал S в этом случае равен нулю. Сигнал замыкания или отсутствия тока в цепи нагрузки формируется при входном сигнале В=1, сигнал S в этом случае равен единице.

Для проверки работоспособности электронного коммутатора необходимо имитировать обрыв в цепи нагрузки (отключать нагрузку от электронного коммутатора) и короткое замыкание в нагрузке, что представляет собой сложную задачу. Предлагаемое изобретение позволяет проверить формирование статуса состояния ключа без вмешательства в цепь нагрузки.

Интеллектуальный ключ формирует статус S=0 при отсутствии сигнала включения (В=0), если напряжение на ключе U₁ или U₂ меньше некоторого значения U₀ (обрыв нагрузки). Такую ситуацию можно создать, если снять сигнал с первого 12 или второго 13 технологического входа (закрываются первый 10 или второй 11 технологические ключи). В этом случаем при закрытии второго технологического ключа 11 напряжение U₁ на первом интеллектуальном ключе 2 близко к нулю и этот ключ формирует сигнал S₁₁=0 (обрыв нагрузки), при закрытии первого технологического ключа 10 напряжение U2 на втором интеллектуальном ключе 4 близко к нулю и этот ключ также формирует сигнал S₂₁=0 (обрыв нагрузки).

При выключении технологических ключей 10 и 11 для исключения взаимного влияния цепей, содержащих первый 5 и второй 8 резисторы, в цепь этих резисторов введены первый 6 и второй 8 диоды. Входная шина управления 1 формирует сигналы В₁₁...B_1n на входы управления первых интеллектуальных ключей 2 и сигналы В₂₁. . .В_2n на входы управления вторых интеллектуальных ключей 4 всех каналов. Эти сигналы поступают также на входы управления блока контроля статуса 9. Сигналы S₁₁...S_1n с выхода статуса состояния первых интеллектуальных ключей 2 и S₂₁. .. S_2n с выхода статуса состояния вторых интеллектуальных ключей 4 каждого канала поступают на соответствующие входы статусного состояния блока контроля статуса 9.

На примере контроля статуса состояния первого интеллектуального ключа 2 первого канала 16 рассмотрим работу блока контроля статуса 9. Сигналы В₁₁ и S₁₁ поступают на входы 22 и 23 блока контроля статуса 9 (фиг. 2) и формируют выходные (световые) сигналы неисправности в соответствии с приведенной выше таблицей. Так при имитации обрыва в цепи нагрузки первого интеллектуального ключа (B₁₁= 0, S₁₁=0) элемент равнозначности 20 первого блока сравнения 18 формирует выходной сигнал Up=1, который включает световой индикатор 21, что свидетельствует об исправной работе электронного коммутатора напряжения. Если сигналы В₁₁=0, S₁₁=1, то выходной сигнал элемента равнозначности 20 Up= 0 и световой индикатор 21 выключен, что свидетельствует также об исправной работе электронного коммутатора напряжения.

При включенном электронном коммутаторе напряжения (В₁₁=1, В₂₁=1) важным становится контроль протекающего тока в нагрузке (отсутствие короткого замыкания или обрыва). Интеллектуальный ключ фиксирует короткое замыкание или обрыв в нагрузке при включенном состоянии формированием статуса S=1. Такую ситуацию можно имитировать следующим образом. При проверке правильности функционирования первого интеллектуального ключа 2 выключают второй интеллектуальный ключ 4 (В₂₁=0) и второй технологический ключ 11. В этом случае ток в нагрузке равен нулю и первый интеллектуальный ключ 2 формирует статус S₁₁=1. На входе элемента равнозначности 20 первого блока сравнения 18 сигналы S₁₁=1 и В₁₁=1. Эти сигналы формируют на выходе элемента равнозначности 20 сигнал Up= 1, который включает световой индикатор 21, что свидетельствует о правильной работе электронного коммутатора напряжения.

Предлагаемый многоканальный коммутатор осуществляет контроль правильности функционирования интеллектуальных ключей (их исправность) и при обнаружении неисправности, о чем свидетельствует включение светового индикатора, позволяет своевременно переключиться на резервный коммутатор напряжения.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает снижение напряжения на выключенных интеллектуальных ключах в два раза (см. 1) и позволяет проверить правильность функционирования электронного коммутатора напряжения без нарушения режима работы блока нагрузки.

Предлагаемое изобретение повышает надежность за счет снижения напряжения питания на закрытом ключе. При снижении напряжения на закрытом ключе в два раза вероятность отказа ключа может уменьшиться в несколько раз (до десятков раз). Кроме того, возможность выявления отказа позволяет повысить надежность электронного коммутатора напряжения за счет, например, своевременной замены отказавшего элемента. В этом случае надежность предлагаемого электронного коммутатора можно оценить как надежность дублированного элемента, т.е. при надежности известного электронного коммутатора Р=0,9 надежность предлагаемого решения составит 0,99.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные ключи, элементы равнозначности, световые индикаторы, резисторы, диоды.

Источники информации
1. Справочник. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры./ Под ред. Г.С. Найвельта. М.: Радио и связь, 1986 г. стр.2016 рис.5.30.

2. http: //www. infineon.com/cgi/ecrm.dll/ecrm/scripts/prod ov.jsp?oid= 13854 - (прототип).

Информация из источника [2] приведена в материалах заявки.

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания, где требуется коммутация обеих шин питания электронным интеллектуальным ключом, имеющим блок формирования статуса состояния ключа, позволяющим формировать сигнал (статус) при обрыве цепи нагрузки и отсутствии сигнала управления, или при коротком замыкании, или отсутствии тока в нагрузке в замкнутом состоянии. Многоканальный коммутатор напряжения содержит блок контроля статуса, первый и второй технологические ключи, а в каждом канале первый и второй интеллектуальные ключи, первый и второй резисторы, первый и второй диоды. За счет введения двух резисторов вдвое снижается напряжение на закрытых ключах, а за счет введения технологических ключей определяется исправность работы электронного коммутатора напряжения без нарушения подключения блока нагрузки, что увеличивает его надежность. Технический результат - повышение надежности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Многоканальный коммутатор напряжения, содержащий в каждом из n каналов последовательно соединенные первую шину питания, первый интеллектуальный ключ, блок нагрузки, второй интеллектуальный ключ и вторую шину питания, при этом входная шина управления соединена со входом управления каждого интеллектуального ключа, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок контроля статуса, первый и второй технологические ключи, а в каждый канал введена последовательно соединенная цепь из первого резистора, первого диода, второго диода и второго резистора, включенная между выходами первого и второго технологических ключей, сигнальные входы которых соединены соответственно с первой и второй шинами питания, а входы управления подключены соответственно к первому и второму технологическому входу, при этом в каждом канале общая точка первого и второго диодов соединена с выходом первого интеллектуального ключа, выходы статуса состояния первого и второго интеллектуальных ключей каждого канала соединены с соответствующими входами статусного состояния блока контроля статуса, на другие входы которого подключена входная шина управления. 2. Многоканальный коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что блок контроля статуса содержит 2n блоков сравнения, каждый из которых включает последовательно соединенные элемент равнозначности и световой индикатор, при этом первый и второй входы элемента равнозначности каждого блока сравнения соединены с соответствующими входами статусного состояния и управления интеллектуального ключа.