一种OR-ing MOSFET故障在线检测的方法及系统转让专利
申请号 : CN201610785982.9
文献号 : CN106199369B
文献日 : 2018-10-09
发明人 : 舒有进 , 徐云中 , 李银贵 , 刘翠梅 , 何海霞 , 杨嗣珵
申请人 : 烽火通信科技股份有限公司
摘要 :
本发明公开了一种OR‑ing MOSFET故障在线检测的方法及系统，该方法包括：将OR‑ing MOSFET栅极驱动关闭，检测VD‑S；将VD‑S与预设故障门限电压比较，判断是否有外部中断，如果是，则触发定时器开始计时，否则，MCU本地故障报警，上报OR‑ing MOSFET失效，同时OR‑ing MOSFET驱动开启；OR‑ing MOSFET驱动关闭持续时间到时后，栅极驱动重新开启，VD‑S小于100mV，电平翻转，触发MCU外部中断，定时器结束计时；判断定时器的计数时间是否大于OR‑ing MOSFET驱动关闭持续时间的一半，若是，MCU本地正常显示，上报OR‑ing MOSFET正常，否则进行新一轮的检测。本发明减小了维护人员的工作量、减小了OR‑ing MOSFET故障给电源系统的运行安全带来的隐患，提高了电源系统运行的安全性和可靠性以及电源系统的维护效率，大大降低了维护成本。
权利要求 :
1.一种OR-ing MOSFET故障在线检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、OR-ing MOSFET正常运行过程中，MCU下发指令将OR-ing MOSFET的栅极驱动关闭，并检测OR-ing MOSFET的VD-S两端电压；
S2、将检测到的VD-S两端电压与预设的故障门限电压进行比较，判断是否有外部中断产生，如果是，转S3；否则，转S7；
S3、触发中断定时器，中断定时器开始计时；
S4、OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间到达预设时间后，OR-ing MOSFET的栅极驱动重新开启，将VD-S两端电压与故障门限电压比较后，电平翻转，触发MCU的外部中断，中断定时器结束计时；
S5、判断中断定时器的计数时间是否大于OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间的一半，若是，转S6；否则，转S1；
S6、MCU本地正常显示，上报OR-ing MOSFET正常，转S8；
S7、MCU本地故障报警，上报OR-ing MOSFET失效，同时OR-ing MOSFET驱动开启；
S8、结束。
2.如权利要求1所述的OR-ing MOSFET故障在线检测的方法，其特征在于，所述OR-ing MOSFET驱动的关闭持续时间预设为10ms。
3.如权利要求1所述的OR-ing MOSFET故障在线检测的方法，其特征在于，当电源模块内采用多个OR-ing MOSFET并联时，不考虑OR-ing MOSFET开路；当电源模块内采用单个OR-ing MOSFET时，在不关闭OR-ing MOSFET驱动的情况下，若电平翻转，通过上升沿或下降沿触发MCU的外部中断，进入中断服务，中断定时器开始且持续计时，说明OR-ing MOSFET已开路失效。
说明书 :
一种OR-ing MOSFET故障在线检测的方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及通信领域，具体涉及一种OR-ing MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)故障在线检测的方法及系统。
背景技术
[0002] 在大功率电源系统中，由多个电源模块组成N+1(或N+M)的并联冗余(OR-ing)方式供电，可提高电源系统的可靠性、维护性和扩展性。OR-ing电路可放置于电源系统中的电源模块内部或负载设备供电入口上，对供电母线进行隔离，防止电源系统中某路电源故障或某个电源模块出现故障导致整个电源系统供电故障。
[0003] 目前OR-ing电路采用MOSFET取代肖特基二极管实现，将电源模块或多路供电源与供电母线隔离，采用MOSFET可大幅度降低导通压降，对供电母线的输出压降影响小，可保证大电流情况下，减小MOSFET的功率损耗和结构尺寸，从而提高电源系统的效率。但是，MOSFET为有源器件，其可靠性较差，如果不能及时发现MOSFET故障失效，将会使电源模块故障或烧损，供电母线对电源模块进行倒灌，影响其它并联的电源模块，甚至造成电源系统供电故障。
[0004] 现有的MOSFET故障检测方法一般是在不通电的情况下，用数字万用表或专用仪器去检测，但是需要维护人员到现场断电后进行检测。而OR-ing MOSFET在电源模块内部且处于通电状态，无法用现有技术对OR-ing MOSFET故障进行快速检测及对已失效的使用了OR-ing MOSFET的电源模块进行快速定位，维护人员只有到现场对使用了OR-ing MOSFET的电源模块拔出拆结构件后进行检测，这种故障检测方式导致工作量增加，实际操作起来不方便，且会存在电源掉电风险和负载设备工作异常。
[0005] 有鉴于此，急需提供一种方便可靠的OR-ing MOSFET故障在线检测的方法，克服现有OR-ing MOSFET故障检测方法工作量大、效果差及无法快速定位已失效的使用了OR-ing MOSFET的电源模块的不足，以提高电源系统运行的安全性和可靠性。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种方便可靠的OR-ing MOSFET故障在线检测的方法，克服现有OR-ing MOSFET故障检测方法工作量大、效果差及无法快速定位已失效的使用了OR-ing MOSFET电源模块的不足，以提高电源系统运行的安全性和可靠性。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种OR-ing MOSFET故障在线检测的系统，包括OR-ing MOSFET模块、电源监控模块、监控模块、显示模块以及第一隔离器件和第二隔离器件，
[0008] OR-ing MOSFET模块包括OR-ing MOSFET控制单元、OR-ing MOSFET检测单元和一个或多个并联的OR-ing MOSFET；OR-ing MOSFET控制单元用于根据电源监控模块下发的指令对OR-ing MOSFET进行驱动控制；OR-ing MOSFET检测单元用于对OR-ing MOSFET的VD-S两端电压进行采集，并将采集到的电压与预设的故障门限电压进行比较，判断OR-ing MOSFET是否短路失效；
[0009] 电源监控模块设置于电源模块中，其上配置有MCU，MCU用于对采集的OR-ing MOSFET的数据进行分析处理和对其状态量快速的进行响应，电源监控模块通过MCU的串口与监控模块相连，上报电源模块的状态给监控模块；
[0010] 监控模块用于收集电源模块的相关信息和故障告警，并与网络管理系统进行通信，对电源监控模块进行远程控制；
[0011] 显示模块，对已失效的电源模块进行本地告警，完成本地定位；对未失效的电源模块按正常方式显示；
[0012] 第一隔离器件用于连接OR-ing MOSFET控制单元与MCU的第一I/0口；
[0013] 第二隔离器件用于连接OR-ing MOSFET检测单元与MCU的第二I/0口。
[0014] 在上述技术方案中，所述电源监控模块与所述OR-ing MOSFET模块相连，所述OR-ing MOSFET模块与供电母线相连，向负载设备供电；若所述电源模块的功率较大，则所述OR-ing MOSFET模块包括多个并联的所述OR-ing MOSFET；若所述电源模块的输出电流不大，则所述OR-ing MOSFET模块包括单个所述OR-ing MOSFET。
[0015] 在上述技术方案中，OR-ing MOSFET驱动的关闭持续时间预设为10ms；OR-ing MOSFET驱动的开启间隔周期可通过所述监控模块进行设置，或通过所述网络管理系统根据需求对所述电源监控模块进行调节设置，对所述OR-ing MOSFET进行定期远程维护。
[0016] 在上述技术方案中，所述故障门限电压为260mV。
[0017] 在上述技术方案中，所述MCU的第二I/O口为外部中断触发模式，通过上升沿及下降沿触发外部中断。
[0018] 本发明还提供了一种OR-ing MOSFET故障在线检测的方法，包括以下步骤：
[0019] S1、OR-ing MOSFET正常运行过程中，MCU下发指令将OR-ing MOSFET的栅极驱动关闭，并检测OR-ing MOSFET的VD-S两端电压；
[0020] S2、将检测到的VD-S两端电压与预设的故障门限电压进行比较，判断是否有外部中断产生，如果是，转S3；否则，转S7；
[0021] S3、触发中断定时器，中断定时器开始计时；
[0022] S4、OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间到达预设时间后，OR-ing MOSFET的栅极驱动重新开启，将VD-S两端电压与故障门限电压比较后，电平翻转，触发MCU的外部中断，中断定时器结束计时；
[0023] S5、判断中断定时器的计数时间是否大于OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间的一半，若是，转S6；否则，转S1；
[0024] S6、MCU本地正常显示，上报OR-ing MOSFET正常，转S8；
[0025] S7、MCU本地故障报警，上报OR-ing MOSFET失效，同时OR-ing MOSFET驱动开启；
[0026] S8、结束。
[0027] 在上述技术方案中，所述OR-ing MOSFET驱动的关闭持续时间预设为10ms。
[0028] 在上述技术方案中，当电源模块内采用多个OR-ing MOSFET并联时，不考虑OR-ing MOSFET开路；当电源模块内采用单个OR-ing MOSFET时，在不关闭OR-ing MOSFET驱动的情况下，若电平翻转，通过上升沿或下降沿触发MCU的外部中断，进入中断服务，中断定时器开始且持续计时，说明OR-ing MOSFET已开路失效。
[0029] 本发明提供了一种方便可靠的OR-ing MOSFET故障在线检测的方法及系统，对OR-ing MOSFET的运行进行控制和在线检测，从而实时完成OR-ing MOSFET故障的在线检测，同时对故障的OR-ing MOSFET进行本地报警，减小了现场维护人员的工作量，并利用电源监控模块将故障信息发送给监控模块及网络管理系统，使维护人员能快速获知故障信息，方便准确定位故障的电源模块，能高效的进行后续维护，从而减小了OR-ing MOSFET故障给电源系统的运行安全带来的隐患，提高了电源系统运行的安全性和可靠性，提高了电源系统的维护效率，大大降低了维护成本。
附图说明
[0030] 图1为本发明提供的一种OR-ing MOSFET故障在线检测的系统结构示意图；
[0031] 图2为本发明实施例提供的电源监控系统结构示意图；
[0032] 图3为本发明实施例提供的电源系统的结构框图；
[0033] 图4为本发明实施例提供的一种OR-ing MOSFET故障在线检测的方法流程图；
[0034] 图5为本发明实施例提供的OR-ing MOSFET驱动开启周期和关闭持续时间示意图。
具体实施方式
[0035] 下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。
[0036] 本发明实施例提供了一种OR-ing MOSFET故障在线检测的系统，如图1所示，包括：OR-ing MOSFET模块1、电源监控模块2、监控模块3、显示模块4以及第一隔离器件5和第二隔离器件6。
[0037] OR-ing MOSFET模块1包括OR-ing MOSFET控制单元10、OR-ing MOSFET检测单元11和一个或多个并联的OR-ing MOSFET12(低RDS(ON)的MOSFET)；OR-ing MOSFET控制单元10用于根据电源监控模块2下发的指令对OR-ing MOSFET12进行驱动控制，能快速开启或关闭OR-ing MOSFET12的栅极驱动，当OR-ing MOSFET12接反向电压时，能快速关闭OR-ing MOSFET12，对供电母线进行隔离；OR-ing MOSFET检测单元11用于对OR-ing MOSFET12的VD-S两端电压进行采集，并将采集到的电压与预设的故障门限电压进行比较，判断OR-ing MOSFET 12是否短路失效。
[0038] 电源监控模块2为设置于电源模块中的电源监控板，其上配置有带串口及存储的MCU20(微控制器)，MCU20用于对采集的OR-ing MOSFET12的数据进行分析处理和对其状态量快速的进行响应，电源监控模块2通过MCU20的串口与监控模块3相连，通过显示模块4对OR-ing MOSFET12的工作状态进行本地显示或上报给监控模块3。
[0039] 监控模块3用于收集电源系统内电源模块的相关信息和故障告警，能对电源监控模块2进行控制，并能与网络管理系统进行通信，网络管理系统可对电源监控模块2进行远程控制，远程下发控制信息，电源监控模块2使能或关闭OR-ing MOSFET故障在线检测，实现OR-ing MOSFET故障在线检测的定期远程维护。
[0040] 显示模块4为发光二极管，对于已失效的电源模块，通过声光方式进行本地告警，完成本地定位；对于未失效的电源模块按正常方式显示。
[0041] 上述第一隔离器件5和第二隔离器件6为光耦，其中，第一隔离器件5用于连接OR-ing MOSFET控制单元10与MCU20的第一I/O口，第二隔离器件6用于连接OR-ing MOSFET检测单元11与MCU20的第二I/0口，即OR-ing MOSFET控制单元10能够通过MCU20的第一I/O口控制OR-ing MOSFET12的栅极驱动，MCU20的第二I/O口设置为外部中断触发模式，通过上升沿及下降沿触发外部中断。
[0042] 本发明设置的故障门限电压为260mV(此电压根据需求可调)，此故障门限电压低于OR-ing MOSFET12体二极管的导通压降，而大于OR-ing MOSFET12导通的压降。
[0043] OR-ing MOSFET12驱动的关闭持续时间较短，约为5ms～20ms，OR-ing MOSFET12驱动的开启间隔周期可通过电源监控模块2进行设置，或通过网络管理系统根据需求对电源监控模块2进行调节设置，对OR-ing MOSFET12进行定期远程维护。
[0044] 带串口及存储的MCU20在实际应用中可选用K10系列的MCU或有类似于此外设功能的MCU，MCU20的串口与监控模块3通信，接收监控模块3的控制指令，上报电源模块的状态。
[0045] 为了保证OR-ing MOSFET12的可靠性和散热要求，若在大功率电源模块中，选用多个OR-ing MOSFET12并联使用，增加电源模块的输出电流；若电源模块的输出电流不大，只需使用单个OR-ing MOSFET12，其中，对于使用D2PAK封装的OR-ing MOSFET12，单个OR-ing MOSFET12的功率损耗应小于1.0W。
[0046] 本发明实施例提供的一种OR-ing MOSFET故障在线检测的系统实现原理为：OR-ing MOSFET12正常运行过程中，利用电源监控模块2对OR-ing MOSFET控制单元10进行脉冲控制，将OR-ing MOSFET12的栅极驱动关闭；利用OR-ing MOSFET检测单元11对OR-ing MOSFET12的工作状态进行监测；电源监控模块2对监测到的OR-ing MOSFET12的工作状态进行分析和判断，对OR-ing MOSFET12的工作状态进行本地显示或上报给监控模块3，从而完成OR-ing MOSFET12故障的本地定位；然后，利用电源监控模块2对OR-ing MOSFET控制单元10进行脉冲控制，将OR-ing MOSFET12的栅极驱动开启；监控模块3将本地OR-ing MOSFET12故障信息经网络发送给网络管理系统，实现远程告警。
[0047] 如图2所示，为本发明实施例提供的电源监控系统结构示意图，系统中各电源系统通过通信网络连接，并连接到网络管理系统，对电源系统的各种运行状态进行远程监控，电源系统内部通过CAN总线、RS-485总线或RS-422总线等与监控模块3通讯，将电源模块的运行状态上报给监控模块3，通过网络管理系统可远程对某个电源系统内的电源模块进行控制，完成远程维护及显示。
[0048] 如图3所示，为本发明实施例提供的电源系统的结构框图，电源系统包括：至少一个电源模块，每个电源模块中的电源监控模块2与一OR-ing MOSFET模块1相连，每一个OR-ing MOSFET模块1与供电母线相连，向负载设备供电。OR-ing MOSFET模块1通过OR-ing MOSFET控制单元10控制OR-ing MOSFET12的栅极，对供电母线进行隔离，保证供电母线不会因单个电源模块失效而受影响，同时，采用OR-ing MOSFET12可降低器件导通压降，提高电源系统效率。
[0049] 如图4所示，本发明实施例还提供了一种OR-ing MOSFET故障在线检测的方法，主要是通过关闭OR-ing MOSFET的栅极驱动，检测OR-ing MOSFET的VD-S两端电压并与预设的故障门限电压进行比较，判断OR-ing MOSFET是否短路失效，具体包括以下步骤：
[0050] S1、OR-ing MOSFET正常运行过程中，MCU通过I/O口下发指令，将OR-ing MOSFET的栅极驱动关闭，并检测OR-ing MOSFET的VD-S两端电压。
[0051] OR-ing MOSFET正常工作时，其栅极驱动开启，由于其导通电阻为几欧毫，则OR-ing MOSFET的D-S极(VD-S)两端导通电压必小于100mV，与预设的故障门限电压(本发明设置的故障门限电压为260mV)比较后，无电平翻转，上报OR-ing MOSFET正常。
[0052] OR-ing MOSFET的驱动关闭持续时间极短，本发明的OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间设为10ms，从而保证OR-ing MOSFET不损坏，OR-ing MOSFET驱动关闭后，电流通过OR-ing MOSFET的体二极管流动，不会造成供电母线上负载设备供电中断。
[0053] S2、将检测到的OR-ing MOSFET的VD-S两端电压与预设的故障门限电压进行比较，判断是否有外部中断产生，如果是，转S3；否则，转S7。
[0054] 具体地：若OR-ing MOSFET的VD-S两端电压小于100mV，与故障门限电压比较后，无电平翻转，不产生上升沿或下降沿触发MCU的外部中断，即MCU不产生外部中断，此时认为OR-ing MOSFET短路损坏，即D-S极(漏极-源极)短路。
[0055] 若OR-ing MOSFET的VD-S两端电压大于0.8V(此时应为OR-ing MOSFET体二极管的导通电压)，与故障门限电压比较后，电平翻转，产生上升沿或下降沿触发MCU的外部中断，即MCU的外部中断被触发，进入中断服务后，为了防止误判，此时触发中断定时器，中断定时器开始计时。
[0056] S3、触发中断定时器，中断定时器开始计时。
[0057] S4、OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间到达预设时间后(本发明中的预设时间为10ms)，OR-ing MOSFET的栅极驱动重新开启，OR-ing MOSFET的VD-S两端电压小于100mV，与故障门限电压比较后，电平翻转，通过上升沿或下降沿触发MCU的外部中断，中断定时器结束计时。
[0058] S5、判断中断定时器的计数时间是否大于OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间的一半，若是，转S6；否则，转S1。
[0059] 为了提高OR-ing MOSFET失效检测的准确性，本发明对中断定时器的计数时间与OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间进行比较，防止外部电路干扰及抖动使MCU的外部中断被误触发，导致MCU进入中断处理，造成OR-ing MOSFET失效的误判断，通过MCU的中断定时器计数准确延时，可屏蔽干扰，提高检测的可靠性。OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间为5ms～20ms可调设置，中断定时器的计数时间主要用于延时抗干扰，具体可根据实际情况进行设置，但必须小于OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间。
[0060] 若中断定时器的计数时间大于OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间的一半(即大于5ms)，此时OR-ing MOSFET没有失效，MCU本地正常显示，并上报OR-ing MOSFET正常。
[0061] 若中断定时器的计数时间小于OR-ing MOSFET驱动关闭持续时间的一半(即小于5ms)，可认为是外部电路干扰及抖动使MCU的外部中断被误触发，为防止误检测及告警，此时重新对OR-ing MOSFET的VD-S两端电压进行一轮新的检测。
[0062] S6、MCU本地正常显示，上报OR-ing MOSFET正常，转S8。
[0063] S7、MCU通过声光方式本地故障报警，上报OR-ing MOSFET失效，同时OR-ing MOSFET驱动开启。
[0064] S8、结束。
[0065] 上述方法中，当电源模块内采用多个OR-ing MOSFET(如图1所示的Q1～Qn)并联时，OR-ing MOSFET本身就有冗余，且不会造成电源模块故障或掉电，可不考虑OR-ing MOSFET开路；当电源模块内采用单个OR-ing MOSFET时，在不关闭OR-ing MOSFET驱动的情况下，若电平翻转，通过上升沿或下降沿触发MCU的外部中断，进入中断服务，中断定时器开始且持续计时，说明OR-ing MOSFET已开路失效。
[0066] 如图5所示，为本发明实施例提供的OR-ing MOSFET驱动开启周期和关闭持续时间示意图，OR-ing MOSFET的检测为被动检测，检测过程中需关闭OR-ing MOSFET，OR-ing MOSFET驱动的开启和关闭时间为可调设置，OR-ing MOSFET驱动的开启可设置较长时间，而OR-ing MOSFET驱动关闭时间最好小于20ms，这样当开始对OR-ing MOSFET进行检测时，可在短时间内进行多次检测，以保证检测的准确性。
[0067] 本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。