一種具備多路隔離與參數監測的整機供電方法與流程
2023-05-17 14:24:10 1
1.本發明涉及量子測控系統領域，尤其涉及一種具備多路隔離與參數監測的整機供電方法。
背景技術：
2.量子測控系統中，具備多機箱設備聯調工作情況。這時就產生了一個能支持多設備供電的同時，可以對各供電通道進行控制與監測的需求。因為在多設備系統中，引起系統工作異常的原因是複雜而難以排查的，這時就需要對各設備的工作狀況（工作電壓、電流）進行監測，以初步提供需排查範圍。同時為了防止個別設備的工作異常或損壞導致其餘設備被牽連，供電設備的各通道一者需要相互間隔離；二者需要添加過壓、欠壓、過流等保護措施。
3.現有方案測控系統中各機箱設備內置電源轉換模塊，將外部輸入的220v交流電源轉換為機箱所需供電。同時在板卡內部，通過電路設計拓展供電參數監測功能。
4.現有缺點對量子測控應用而言，機箱內置大功率電源模塊首先會引入電磁幹擾，對設備的指標參數造成很大影響；其次對於1u機箱，在結構受限的條件下，一者不利於各設備內部器件布局，二者電源的熱耗也會導致機箱在狹窄的空間內散熱困難，從而影響機箱整體工作。在板卡內部通過電路設計拓展供電參數監測功能，則會增加板子pcb面積與電路複雜度，不利於器件集成；同時每個機箱都增添同一功能電路也會造成資源的浪費與電路的臃腫。
技術實現要素：
5.為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供一種具備多路隔離與參數監測的整機供電方法。
6.本發明所採用的技術方案是，該方法包括：步驟s1：利用電源管理模塊實現對通道的通斷控制；步驟s2：利用adc檢測通道輸出的電壓及電流參數，實現電源功能自動監測；步驟s3：通過比較器實現通道的欠壓和過壓保護。
7.進一步地，所述利用電源管理模塊實現對通道的通斷控制，該步驟實現的核心功能部件為電源管理模塊、隔離光耦、pnp型三極體、mosfet管、二極體組成；上位機發送開通指令，通過控制板向開關板傳輸一個高電平，該電平通過隔離光耦轉換成低電平，pnp型三極體基極接收低信號導通，將電源管理模塊控制管腳shutdown拉高，此時電源管理模塊的gate放大器識別in到out的電流，並驅動mosfet柵極，將正向電壓調節到30mv，隨著負載電流的增大，gate被升高，直到達到mosfet完全打開的點。
8.進一步地，所述電平通過隔離光耦轉換成低電平，實現通道與控制板的隔離、多通道間相互的隔離，防止各機箱信號的串擾。
9.進一步地，所述利用adc檢測通道輸出的電壓及電流參數，實現電源功能自動監
測，該步驟實現的核心功能部件是由一片雙通道adc晶片、電流電壓轉換晶片和精密採樣電阻組成；檢測通道的電源輸入在經過通道開斷控制電路後，分別分出兩個並聯支路，一路通過電阻分壓至adc通道二進行電壓監測，防止輸入電壓超出adc採樣電壓範圍導致器件損壞；一路通過電流電壓轉換晶片，將經過採樣電阻r的電流轉換為電壓傳輸至adc通道一進行電流監測，根據串聯電路電流相同的原理，通過高精度電阻將需監測電流參數轉換為電壓參數，間接監測通道電流。
10.進一步地，所述adc選用僅可採集電壓，且輸入範圍有限的類型。
11.進一步地，監測通道電壓，表達式為：其中，v表示監測通道電壓上的電壓，v2表示adc通道二上的電壓，r1和r2均表示採樣電阻；監測通道電流，表達式為：其中，i表示監測通道上的電流，v1表示adc通道一上的電壓，r表示採樣電阻。
12.進一步地，所述通過比較器實現通道的欠壓和過壓保護，該步驟實現的核心功能部件是一片雙通道電壓比較器、穩壓二極體和電阻組成；通過穩壓二極體將通道輸入電壓v穩定至二極體電壓，給比較器一個基準電壓，再通過電阻對輸入電壓進行分壓，確定欠壓和過壓基準線vm和vm。
13.有益效果：本發明提出一種具備多路隔離與參數監測的整機供電方法，在該方法中通過中控fpga以及mosfet管的組合電路設計，配合電源管理模塊實現通道控制，選用合適的adc及外部匹配電阻，精確測量及轉換檢測參數；合理選取電阻參數和設計外部電路，以設定保護臨界點；通過軟體流程，實現電源設備的自動控制和工作狀態監測；本發明電路設計簡單，便於多通道集成，使用器件通用且常見，便於集成與壓縮成本，功能多樣，電路集成度高，可滿足多種設備使用需求。
附圖說明
14.此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本技術的一部分，並不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：圖1為本發明方法步驟流程圖；圖2為本發明通道控制功能圖；圖3為本發明自動監測框架圖；圖4為本發明欠壓和過壓保護原理圖。
具體實施方式
15.需要說明的是，在不衝突的情況下，本技術中的實施例及實施例中的特徵可以相
互結合，下面結合附圖和有具體實施例對本技術作進一步詳細說明。
16.如圖1所示，一種具備多路隔離與參數監測的整機供電方法，該方法包括：步驟s1：利用電源管理模塊實現對通道的通斷控制；步驟s2：利用adc檢測通道輸出的電壓及電流參數，實現電源功能自動監測；步驟s3：通過比較器實現通道的欠壓和過壓保護。
17.實施例1：利用電源管理模塊實現對通道的通斷控制；電源供電控制，可將功能集成到各機箱內部，通過物理開關手動開斷，但一者不方便使用，無法遠程控制；二者無法多機箱統一開斷，關斷過程耗時且繁瑣。
18.設計的通道控制功能如圖2所示：該步驟的核心為電源管理模塊、隔離光耦、pnp型三極體、mosfet管、二極體組成，其原理如下。
19.上位機發送開通指令，通過控制板向開關板傳輸一個高電平，該電平通過隔離光耦轉換成低電平（這一步驟主要實現通道與控制板的隔離，進而實現多通道間相互的隔離，防止各機箱信號的串擾），pnp型三極體基極接收低信號導通，將電源管理模塊控制管腳shutdown拉高，此時電源管理模塊的gate放大器識別in到out的電流，並驅動mosfet柵極，將正向電壓調節到30mv。隨著負載電流的增大，gate被升高，直到達到mosfet完全打開的點。
20.此時，串聯在電源輸出路徑上的二極體起一個防止電流倒灌的作用，並且若將一個mosfet管改成雙mosfet管串聯，則可以增加電源防反接功能。
21.當關斷通道時，則由控制板輸出一個低電平，其餘過程與開通功能相反。
22.將虛線框中電路進行多通道集成，藉由上位機與控制板統一控制，實現多機箱供電的統一控制。
23.實施例2：利用adc檢測通道輸出的電壓及電流參數，實現電源功能自動監測；步驟的核心是由一片雙通道adc晶片、電流電壓轉換晶片和精密採樣電阻組成，其原理架構如圖3所示：在設計中，基於供電設備僅為輔助機箱，非量子系統核心功能，因此基於減少成本的目的，核心器件雙通道adc選用僅可採集電壓，且輸入範圍有限的類型。基於adc特性，每個通道的電源輸入在經過通道開斷控制電路後，分別分出兩個並聯支路。一路通過電阻分壓至adc通道二進行電壓監測，此目的是為了防止輸入電壓超出adc採樣電壓範圍導致器件損壞；一路通過電流電壓轉換晶片，將經過採樣電阻r的電流轉換為電壓傳輸至adc通道一進行電流監測，根據串聯電路電流相同的原理，通過高精度電阻將需監測電流參數轉換為電壓參數，間接監測通道電流。
24.此時監測通道電壓為：監測通道電流為：
實施例3：通過比較器實現通道的欠壓和過壓保護。步驟核心是一片雙通道電壓比較器、穩壓二極體和大量電阻，其原理如圖4所示：通過穩壓二極體將通道輸入電壓v穩定至二極體電壓，從而給比較器一個基準電壓，再通過電阻對輸入電壓進行分壓，確定欠壓和過壓基準線v。
25.此時欠壓保護觸發電壓值vm為：過壓保護觸發電壓值vm為將v1、v2輸入給比較器與基準電壓二極體電壓比較，當v1或v2=二極體電壓時，可確定出通道欠壓、過壓保護的臨界值vm、vm，此數值可通過調節電阻阻值根據要求隨意更改。
26.當vm＜v＜vm時，v1＞二極體電壓，v2＜二極體電壓，比較器a、b通道v[a;b]1＞v[a;b]2，[a;b]out輸出高電平，傳送給fpga告知上位機通道工作正常。
[0027]
當v＜vm時，v1＜二極體電壓，此時比較器a通道va1＜va2，a
out
輸出低電平，傳送給fpga告知上位機通道觸發欠壓保護。
[0028]
當v＞vm時，v2＞二極體電壓，此時比較器b通道vb1＜vb2，b
out
輸出低電平，傳送給fpga告知上位機通道觸發過壓保護。
[0029]
此時根據上位機警告，設備通過通道開斷功能可及時、自動響應，關斷該通道供電，從而保護被供電設備，防止器件或機箱由於供電超出正常供電範圍而損壞。
[0030]
在該方法中通過中控fpga以及mosfet管的組合電路設計，配合電源管理模塊實現通道控制，選用合適的adc及外部匹配電阻，精確測量及轉換檢測參數；合理選取電阻參數和設計外部電路，以設定保護臨界點；通過軟體流程，實現電源設備的自動控制和工作狀態監測；本發明電路設計簡單，便於多通道集成，使用器件通用且常見，便於集成與壓縮成本，功能多樣，電路集成度高，可滿足多種設備使用需求。
[0031]
在本發明描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以通過具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0032]
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解的是，在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同範圍限定。