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CN109921622B - 实现被配置成用于防止火花的电源的电路和系统 - Google Patents

实现被配置成用于防止火花的电源的电路和系统 Download PDF

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CN109921622B CN201811138164.5A CN201811138164A CN109921622B CN 109921622 B CN109921622 B CN 109921622B CN 201811138164 A CN201811138164 A CN 201811138164A CN 109921622 B CN109921622 B CN 109921622B
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Abstract

本发明涉及实现被配置成用于防止火花的电源的电路和系统。电路包括将初级电压源连接至负载连接器的初级晶体管。当接收到关命令时，转换器和次级晶体管使初级晶体管打开，而当接收到开命令时，转换器和次级晶体管使初级晶体管闭合。次级晶体管由次级电压源供电。微控制器接收负载连接器处负载电压的测量。微控制器检测负载电压的下降，以确定当关命令被发出时负载变为连接至电路的时刻。微控制器响应于所述确定而发出开命令。可以发出连续短暂的开命令，以最初控制负载中的电流积聚。系统包括微控制器和用于为多个负载供电的多个这样的电路。

Description

实现被配置成用于防止火花的电源的电路和系统
技术领域
本公开内容涉及电子电源领域。更具体地，本公开内容涉及实现被配置成用于防止火花的电源的电路和系统。
背景技术
用于云计算、搜索引擎和类似应用的大规模网络通常包括用于负载共享和用于冗余的数十台或数百台服务器。这些网络需要是高度可扩展的，因此需要向网络基础架构频繁地添加更多的服务器。
大规模的服务器网络消耗非常大量的电能，并生成大量的热量。降低功耗的任何方式是可取的。
在故障的情况下，例如发生短路，可以使用熔断器和/或继电器来切断向服务器的电力输送。然而，熔断器通常反应很慢，并且必须在短路之后进行更换。继电器可以保护服务器免受短路的影响，并且可以被重新装备，但是反应非常慢。另外，提供至服务器的电流必须流过继电器的触点，这导致重大的功率损失。测量已经表明：通常输送至服务器的电力中高达4％的电力可能损耗在继电器中。继电器中浪费的能量导致热量积聚在电源中，这对于大型服务器组而言，转化为重要的冷却需求。
大规模服务器网络的可用性要求非常高，因此必须在没有延迟且没有服务中断的情况下进行维护活动，包括附加服务器的连接和故障单元的更换。
对安装服务器的人员来说，一种特别令人不安的情况是：在最初插入电源时，涌入服务器的电流经常在插入式连接的层次处引起火花。对安装服务器的操作员而言，这种火花可能是非常令人不安的，并且还可能导致积碳在连接器上积聚。积碳在连接器上产生不期望的阻抗，从而导致功率损失，并最终导致到一些服务器的失败连接。这些积碳最终可能导致火灾危险。
因此，期望解决上述缺点的电源。
发明内容
根据本技术的一个方面，提供了一种用于为负载供电的电路，该电路包括：初级电压源；负载连接器；初级晶体管，其将初级电压源连接至负载连接器；次级电压源；顶部电阻器，其将次级电压源连接至初级晶体管的栅极；底部电阻器，其并联连接至负载连接器；次级晶体管，其连接在顶部电阻器与底部电阻器之间；命令转换器，当接收到关命令时，命令转换器使次级晶体管闭合并且使初级晶体管打开，当接收到开命令时，命令转换器使次级晶体管打开并且使初级晶体管闭合；微控制器，其适于：最初发出关命令，接收负载连接器处电压的测量，在关命令被发出时通过检测负载连接器处的中间电压来确定负载未连接，在关命令被发出时通过检测负载连接器处的低电压来确定负载连接至负载连接器，以及响应于负载连接至负载连接器的确定而发出开命令。
在本技术的一些实现中，初级晶体管被配置成：在低电压或中间电压被施加于其栅极时打开，而在高电压被施加于其栅极时闭合。
在本技术的一些实现中，响应于负载连接至负载连接器的确定而发出的开命令是第一脉冲命令，随后是关命令的实例。
在本技术的一些实现中，微控制器还适于：发出用于导通电路的脉冲命令序列，每个脉冲命令之后是关命令的相应实例；在发出脉冲命令序列时，监视负载连接器处的电压；以及当负载连接器处的电压达到标称值时，终止脉冲命令序列，并发出连续的开命令。
在本技术的一些实现中，在负载未连接时闭合次级晶体管导致在初级晶体管的栅极处施加中间电压；在负载连接时闭合次级晶体管导致在初级晶体管的栅极处施加低电压；以及打开次级晶体管导致在初级晶体管的栅极处施加高电压。
在本技术的一些实现中，次级电压源的电压大于初级电压源的电压；并且在次级晶体管打开时施加在初级晶体管的栅极处的高电压大体上等于次级电压源的电压。
在本技术的一些实现中，中间电压由次级电压源的电压以及顶部电阻器和底部电阻器限定。
在本技术的一些实现中，低电压由次级电压源的电压、顶部电阻器以及底部电阻器和负载的并联组合限定。
在本技术的一些实现中，次级晶体管是光耦合器。
在本技术的一些实现中，初级晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据本技术的另一个方面，提供了一种用于为多个负载供电的系统，该系统包括：初级电压源；次级电压源；一个或更多个通道，每个通道被配置成用于为相应的负载供电，每个通道包括：负载连接器；初级晶体管，其将初级电压源连接至负载连接器；顶部电阻器，其将次级电压源连接至初级晶体管的栅极；底部电阻器，其并联连接至负载连接器；次级晶体管，其连接在顶部电阻器与底部电阻器之间；命令转换器，当接收到关命令时，命令转换器使次级晶体管闭合并且使初级晶体管打开，当接收到开命令时，命令转换器使次级晶体管打开并且使初级晶体管闭合；以及微控制器，其操作地连接至一个或更多个通道中的每个通道的命令转换器，所述微控制器适于：独立地向每个通道发出关命令和开命令，从每个通道接收负载连接器处的电压的测量，通过在向给定通道发出关命令时在给定通道的负载连接器处检测到中间电压来确定负载没有连接至给定通道的负载连接器，通过在向给定通道发出关命令时在给定通道的负载连接器处检测到低电压来确定负载连接至给定通道的负载连接器，以及响应于确定负载连接至给定通道的负载连接器而向给定通道的命令转换器发出开命令。
在本技术的一些实现中，微控制器适于分别接收每个通道的负载电压的测量。
在本技术的一些实现中，微控制器适于分别接收每个通道的负载电流的测量。
在本技术的一些实现中，一个或更多个通道包括多个通道，系统还包括适于向每个通道的命令转换器分别发送关命令和开命令的多路解复用器。
在本技术的一些实现中，系统还包括：第一多路复用器，其适于从多个通道中的每个通道分别接收负载电压的测量；以及第二多路复用器，其适于从多个通道中的每个通道分别接收负载电流的测量。
在阅读仅参照附图以示例方式给出的本发明的示例性实施方式的以下非限制性描述后，前述特征和其他特征将变得更加明显。
附图说明
参照附图仅通过示例的方式来描述本公开内容的实施方式，其中：
图1是用于导通和断开至负载的电源的电路的高度示意图；
图2是用于检测负载的附接并且用于逐渐向负载施加电流的电路的高度示意图；
图3是用于导通和断开至负载(例如，计算机或服务器)的电源的电路的电路图；
图4是用于导通和断开到服务器组中的服务器的电源的系统的示意图；
图5是示出了在负载连接至负载连接器时电压的变化的时序图；以及
图6是图5的时序图的放大部分。
在不同附图上，相同的附图标记表示相同的特征。
具体实施方式
本公开内容的各个方面通常解决在用于大规模服务器网络的常规电源中发现的一个或更多个问题。为此，本公开内容引入了用于为负载供电的电路，该电路适于集成到电源中。
在第一实施方式中，电路包括电压源、感测电阻器以及与电压源和感测电阻器串联连接的晶体管。负载可以与晶体管串联连接。可以通过在其栅极上施加控制电压来导通和关断晶体管。感测电阻器两端的电压被感测。由于感测电阻器与负载串联，因此该电压提供在负载中流动的电流水平的直接指示。当感测电阻器两端的电压超过预定值时，或者等效地，当电流负荷超过安全水平时，例如在负载处短路的情况下，传感器发出故障信号。该电路包括硬件锁存器，该硬件锁存器在它接收到故障信号时发出锁存信号。即使负载电流再次降至安全值或零，锁存信号仍保持在硬件锁存器中。锁存信号被保持，直到硬件锁存器接收到重新装备信号为止。向逻辑电路馈送来自硬件锁存器的锁存信号和旨在控制电路的导通和关断的软件命令。当未设置锁存信号时，逻辑电路将软件命令转换成用于施加在晶体管的栅极处的控制电压。在该实施方式的电路中，因此晶体管是“智能熔断器”，其在故障的情况下被关断，以切断流入负载中的电流，并且可以在正常操作中通过软件命令进行调制，以控制进入负载的电流的水平。
在同一实施方式或另一实施方式中，用于为负载供电的电路包括初级电压源和次级电压源。初级晶体管将初级电压源连接至负载连接器。顶部电阻器将次级电压源连接至初级晶体管的栅极，而底部电阻器并联连接至负载连接器。次级晶体管连接在顶部电阻器与底部电阻器之间，使得次级晶体管的漏极连接至初级晶体管的栅极。该电路包括用于导通电路和关断电路的命令转换器。当接收到关命令时，转换器在次级晶体管的栅极处施加高电压，当接收到开命令时，转换器在次级晶体管的栅极处施加低电压。在该电路中，微控制器最初发出在转换器处被接收的关命令，从而使次级晶体管导通并且使初级晶体管关断。微控制器接收负载连接器处的电压的测量。最初，电压由次级电压源的电阻分压器限定，该电阻分压器由顶部电阻器和底部电阻器形成。在关命令被发出时，当负载连接器处的电压处于高电平时，微控制器检测到负载没有连接至负载连接器。当负载连接至负载检测器时，由于其阻抗远低于底部电阻器的阻抗，因此在关命令被发出时微控制器检测到负载连接器处的电压降至低电平。然后，微控制器可以响应于检测到负载的连接而发出开命令。可以以脉冲的形式发出开命令，随后再发出关命令，使得初级晶体管仅被短暂地导通。微控制器可以发出这样的开命令脉冲序列，使得在负载中流动的电流逐渐增加。
现在参照附图，图1是用于导通和断开至负载的电源的电路的高度示意图。电路10包括：电压源12，负载14，具有漏极(D)18、栅极(G)20和源极(S)22的晶体管16以及感测电阻器24。在电路10中，感测电阻器24、晶体管16和负载14串联连接在电压源12与地(GND)之间。晶体管16被导通(即，闭合)，以允许电流从电压源12流过感测电阻器24以及晶体管16的漏极18和源极22，从而到达负载14。通过在晶体管16的栅极20处施加比源极22处的电压更高的电压来导通晶体管16，该电压是晶体管16的“开”命令。更详细地，当晶体管16的栅极到源极电压VGS大于晶体管16的阈值电压Vth时，晶体管16导通。在栅极20处施加低电压(“关”命令)，对晶体管16而言VGS低于Vth，关断(即，打开)晶体管16以防止向负载14输送电流。
由逻辑电路26在栅极20处施加开/关命令。逻辑电路26具有两个(2)输入，即，来自微控制器(在稍后的附图中示出)的软件开/关命令28和锁存命令30。当未设置锁存命令30时，逻辑电路26将软件开/关命令28转换为在栅极20处施加的高(开)电压或低(关)电压。
感测电阻器24两端的电压由传感器32感测。感测的电压与流过感测电阻器24、晶体管16和负载14的电流成正比。当该电流超过预定安全值时，感测的电压也超过相应的预定值。在那种情况下，传感器32向硬件锁存器36发送故障信号34。硬件锁存器36继而向控制逻辑电路26提供锁存命令30。当锁存命令30被设定时，逻辑电路26忽略软件开/关命令28，并在栅极20处施加低(关)电压，从而关断晶体管16。
当晶体管16被关断时，尽管电流不再流过感测电阻器24、晶体管16和负载14，但是硬件锁存器36保持锁存命令30，直到它接收到重新装备命令38为止。当在硬件锁存器36处接收到重新装备命令38时，移除锁存命令30，随后逻辑电路26可以再次将软件开/关命令28转换为在栅极20处施加的高(开)电压或低(关)电压。
从而电路10实现智能熔断器，就这种意义而言，在流过负载14的过量电流的情况下(例如，在短路的情况下)，晶体管16可以在硬件控制下快速做出反应。该智能熔断器可以由重新装备信号38重新装备。在电路10的正常操作中，当未设置锁存命令30时，来自微控制器的开/关命令28可以用于导通或关断向负载14输送电力，并且还可以用于通过以快速循环导通和关断晶体管16来控制进入负载14的电流的量。
图2是用于检测负载的附接并且用于逐渐向负载施加电流的电路的高度示意图。电路50可以可选地与图1的电路10以相同的实现进行组合，但是单独被示出以简化图2的图示。电路50包括初级电压源52和次级电压源54，由于次级电压源54的电压高于初级电压源52的电压，因此次级电压源54也被称为升压电压源。初级晶体管56(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，如具有漏极58、栅极60和源极62的n沟道MOSFET(NMOS))连接至初级电压源52并且连接至具有用于最终连接负载66的一对端口的连接器64。顶部电阻器68连接至次级电压源54、初级晶体管56的栅极60以及次级晶体管72(例如，双极晶体管)的集电极(C)70。次级晶体管72还具有基极(B)74和发射极(E)76。次级晶体管72的发射极76连接至底部电阻器78、初级晶体管56的源极62以及连接器64的正端。
微控制器80将软件开/关命令82施加于转换器84。软件命令82是用于导通电路50的逻辑1和用于关断电路50的逻辑0。
转换器84输出软件开/关命令的负版本，开命令被转换为施加在次级晶体管72的基极74上的低电压，关命令被转换为施加在次级晶体管72的基极74上的高电压。
当软件开/关命令82要求关断电路50时，在次级晶体管72的基极74处施加高电压。该高电压导通次级晶体管72，从而在忽略次级晶体管72的集电极70与发射极76之间的小的电压降的情况下，次级晶体管72的集电极70处和初级晶体管56的栅极60处的电压变得大体上等于初级晶体管56的源极62处的电压。初级晶体管56的栅极60处的电压和源极62处的电压大体上相等，VGS接近零并且小于初级晶体管56的Vth。初级晶体管56从而关断。此时，如果负载66没有连接，则初级晶体管56的源极62处的电压(其也是负载连接器64处的电压)由次级电压源54的电压以及由顶部电阻器68和底部电阻器78形成的电阻分压器限定。如果负载66之后被连接，则由于负载66通常具有比顶部电阻器68和底部电阻器78的阻抗低得多的阻抗，因此负载连接器64处的电压降至接近零伏。
相反，当软件开/关命令82要求导通电路50时，该命令由转换器84转换为施加在次级晶体管72的基极74处的低电压。该低电压关断次级晶体管72，从而其集电极70处的电压(其也是初级晶体管56的栅极60处的电压)变得等于次级电压源54的电压。无论在那时初级晶体管56的源极62处的电压如何，次级电压源54的电压都高于初级电压源52的电压，初级晶体管56的栅极到源极电压VGS都是正的。在所示的示例中，初级晶体管56是NMOS晶体管，因此正的栅极到源极电压VGS导致晶体管56的导通，从而在其源极62处的电压变得大体上等于初级电压源52的电压。应当理解，次级电压源54的电压被选择为比初级电压源52的电压高出足够的量，以确保在次级晶体管72关断时初级晶体管56的VGS大于Vth。
当软件开/关命令82为“关”时，施加在基极74处的高电压导致次级晶体管72的闭合(导通)。如果负载66没有连接至连接器64，则初级晶体管56的栅极60和源极62的电压是由次级电压源54以及由电阻器68和78形成的电阻分压器限定的中间电压。初级晶体管56的栅极到源极电压VGS接近零，初级晶体管56打开。向微控制器80提供电阻器68与78之间获得的电压测量86。由于负载66具有比电阻器78的阻抗低得多的阻抗，因此在那时将负载66连接至连接器64使初级晶体管56的栅极60和源极62处的电压显著降低至低电压。在微控制器80处检测电压测量86的这种下降作为负载66现在连接至电路50的指示。
此后，微控制器80将软件开/关命令82改变为“开”，从而使在基极处施加低电压并且使次级晶体管72打开。在初级晶体管56的栅极60处现在直接施加次级电压源54的电压。因为VGS现在大于Vth，因此初级晶体管56的栅极60现在处于高电压，晶体管56变得导电。电流可以从初级电压源52流过初级晶体管56并流入负载66中。在忽略初级晶体管的漏极58与源极62之间的微小的电压降的情况下，初级晶体管56的源极62处的电压现在大体上等于初级电压源52的电压。VGS大体上等于次级(升压)电压源54的电压减去初级电压源52的电压。如下文将表达的，微控制器80可以至少在负载66的连接之后的短暂初始时段内在开位置与关位置之间快速循环软件开/关命令82，以在负载66最初被插入在连接器64处时控制电流涌入负载66。微控制器80可以连续监测负载66上的电压测量86。
图3示出了图1的电路10和图2的电路50的实际实现，图3是用于导通和断开至负载(例如，计算机或服务器)的电源的电路的电气图。电路100包括：高侧电流监视器110；四路2输入与非施密特触发器(quad2-input NAND Schmitt trigger)130；光耦合器210，其是电路100的次级晶体管；MOSFET开关220，其是电路100的初级晶体管；5伏源180；负载电压源182，其提供例如19伏；提供例如31伏的升压电压源184，其转换为在负载电压源182的电压之上12伏升压；以及负载连接器230。电路100还包括在以下段落中描述的各种信号输入端口、电阻器、二极管、齐纳二极管和电容器。图3所示的各种电阻器的值、电容器的值包括它们的公差，并且用于说明目的而不限制本公开内容。如下文将说明的，MOSFET开关220操作为智能熔断器。续流二极管221与MOSFET开关220并联安装，以消除在导通和关断MOSFET开关220时(例如，在电感负载被插入负载连接器230中时)可能出现的任何最终电压尖峰。
在电路100的正常操作中，负载(例如，服务器或计算机)连接至负载连接器230。至负载的电力来自负载电压源182，并且经由MOSFET开关220(其也可以被称为高侧开关)被传输至负载连接器230的端口3和/或端口4，负载连接器230的端口1和/或端口2为服务器提供接地连接。
从负载电压源182流过MOSFET开关220和服务器的电流也流过感测电阻器112。感测电阻器112具有非常低的阻抗(例如，10-3欧姆)，以将消耗在感测电阻器112中的功率保持在可忽略的水平。由高侧电流监视器110在其输入端114(标记为“IN”)与其感测放大器输入端116(标记为“LOAD”)之间检测到在感测电阻器112两端的电压Vsense。高侧电流监视器110具有由跨导电阻器118限定的增益，该跨导电阻器118连接在感测电阻器112的较高的电压侧(标记为“+”)与高侧电流监视器110的跨导输入端120(标记为“RA”)之间。在非限制的情况下，跨导电阻器118具有100欧姆的阻抗，高侧电流监视器110的跨导增益为10-2姆欧。高侧电流监视器110具有接地连接122和输出端124。从输出端124流出的电流Iout等于感测电阻器112两端的电压乘以高侧电流监视器110的跨导增益。例如，当10安培的负载电流流过感测电阻器112(也流过MOSFET开关220和连接至连接器230的服务器)时，Vsense等于10-2伏，电流Iout处于10-4安培。电流Iout生成由电阻器126和128的串联组合形成的电阻器RB两端的电压Vout。在所示的示例中，RB具有约10K欧姆的阻抗，Vout在负载电流为10安培时等于1伏。
四路2输入与非施密特触发器130由5伏电源180供电，并且还连接到地。电容器132和134对5伏电源180的最终变化进行滤波，否则可能改变四路2输入与非施密特触发器130的操作。四路2输入与非施密特触发器130包括四(4)个与非门136、144、152和160。如下面更详细描述的，每个与非门具有两(2)个输入端和输出端。当其两个输入都是逻辑1时，这些与非门中的任何与非门的输出端是逻辑0，在所有其他情况下，这些与非门中的任何与非门的输出端都是逻辑1。
电压Vout还出现在与非门136的输入端138处，由电阻器168和电容器169进行滤波。当Vout超过与非门136的触发电压时，例如在故障的情况下(如连接至负载连接器230的负载中短路)，Vout变为施加在输入端138处的逻辑1。因此，当Vout超过该触发电压时，Vout可以被理解为用于指示负载电流超过预定值的逻辑信号。可以注意到，由于与非门136是施密特触发器，因此Vout的微小变化将不会引起与非门136的输出端142处的振荡。感测电阻器112的值、跨导电阻器118的值以及由电阻器126和128的串联组合形成的电阻器RB的值被选择成使得：当负载电流达到最大期望值时，Vout达到与非门136的触发电压。在实现中，这些元件可以被选择成使得：Vout仅在严重故障的情况下(例如，在负载处短路的情况下)达到与非门136的触发电压。
与非门136的另一输入端140是在其上可以接收用于重新装备电路100的重新装备信号的输入端口170。当重新装备信号是逻辑1而Vout超过与非门136的触发电压时，与非门136的输出端142是逻辑0。当Vout没有超过触发电压(负载电流在预期范围内)以及/或者当重新装备信号是逻辑0时，与非门136的输出端142是逻辑1。
与非门144和152被组合成与非门锁存器。与非门锁存器的第一输入端是与非门136的输出端142，其被施加至与非门144的输入端146。与非门锁存器的第二输入是来自输入端口170的重新装备信号，其被施加至与非门152的输入端156。在与非门152的输入端154处施加与非门144的输出150，而与非门152的输出158被施加至与非门144的输入端148，从而完成与非门锁存。与非门152的输出158是与非门锁存器的总输出，同时表示电路100的状态。该状态在正常情况下是逻辑1，当流过负载的电流在预期范围内时，Vout不超过触发电压。此时，来自输入端口170的重新装备信号的值对输出158没有影响。只要重新装备信号还是逻辑1，当Vout增加且变为逻辑1时，电路100的状态变为逻辑0。可以通过将重新装备信号临时设置为逻辑0来重新设置电路100的状态，以使其再次变为逻辑1。
来自输入端口172的软件命令Q0被设置为逻辑1，以导通MOSFET开关220，或者被设置为逻辑0以关断MOSFET开关220。软件命令Q0为电路100提供开命令和关命令，以控制至负载连接器230上的负载的电流的施加。软件命令Q0被施加至与非门160的输入端164。来自与非门152的输出158(其也是来自与非门锁存器的输出，即，电路100的状态)被施加至与非门160的输入端162。与非门160的输出端166如下来确定：如果由Vout已经超过与非门136的触发电压而造成与非门锁存器被锁存以提供逻辑0，则与非门160的输出端166是逻辑1，并且将保持原样，直到重新装备信号至少临时被设置为逻辑0为止。否则，如果与非门锁存器被锁存以提供逻辑1(这是正常情况)，则与非门160转换软件命令Q0，在其输出端166处提供软件命令Q0的逻辑非，使得在软件命令Q0是逻辑1时输出端166是逻辑0，反之亦然。因此，与非门160结合了软件命令Q0和电路100的状态的效果。
与非门160的输出端166连接至由电阻器174和176形成的电阻分压器，电阻器174和176将5伏电源180连接至光耦合器210的输入端212。假如与非门锁存器提供逻辑1而软件命令Q0被设置为1，则与非门160的输出端166被设置为0，其转换为出现在电阻器174与176之间的低电压。流过电阻器174和与非门160的电流导通发光二极管(LED)175，以提供电路100导通的视觉指示。集成在光耦合器210中的LED 214断电，从而光耦合器210的光电晶体管216关断并且变为开路。来自升压电压源184的电压实质上存在于MOSFET开关220的栅极222处。此时，该升压电压被选择为比MOSFET开关220的源极226处存在的任何电压至少高MOSFET开关220的阈值电压，MOSFET开关220变得导电。电流可以从负载电压源182流过感测电阻器112、MOSFET开关220以及连接至负载连接器230的负载。可以观察到，MOSFET开关220的漏极224与源极226之间的电阻在MOSFET开关220导通时是非常低的，通常在10-2欧姆数量级，因此MOSFET开关220中消耗的任何功率量是可以忽略的。
然而，当与非门160的输出端166被设置为1时，无论是因为软件命令Q0被设置为0还是因为与非门锁存器提供逻辑0，高电压都出现在电阻器174与176之间与非门160的输出端166处。电流不再流过LED 175，该LED 175被关断以提供电路100不再向负载提供电力的视觉指示。光耦合器210的LED 214被通电，从而光电晶体管216导通并变得导电。MOSFET开关220的栅极222和源极226现在经由电阻器190被连接。没有明显的电流流过电阻器190，这意味着栅极222处的电压与漏极226处的电压基本相同。MOSFET开关220的栅极到源极电压约为零，则MOSFET开关220关断并且不导电，从而防止了负载电压源182与负载连接器230之间的电流流动。
可以观察到，虽然可以使用另一种类型的次级晶体管，但是光耦合器210提供由5伏电源180供电的电路100的电压隔离部件以及由负载电压源182和升压电压源184供电的电路100的其他部件。
对负载和MOSFET开关220的过压保护如下来实现。连接至连接器230的负载上的电压由齐纳二极管192(例如，60伏二极管)限制，如果该电压变得过大，则齐纳二极管192将变得导电。同样地，无论在任何给定时间升压电压源182处的电压和MOSFET开关220的源极226处的电压如何，MOSFET开关220的栅极222到源极226的电压被位于栅极222与源极226之间的齐纳二极管194(例如，10伏二极管)的存在限制。
施加在负载上的电压的测量在MOSFET开关220导电时在输出端口196处可获得。由于该测量是从由电阻器186和188形成的电压分压器获得的，因此它不是施加在负载上的电压的直接值。例如，当负载电压源182是48伏电源时，电阻器186和188分别具有56K欧姆和5.9K欧姆，使得输出端口196处的电压约为4.5伏。在输出端口196处施加的测量在任何情况下都与实际负载电压成正比。同样地，流过负载的电流的测量在输出端口198处可获得。通过读取在电阻器126与128之间感测的Vout的一部分来感测负载电流，该值与电流Iout成正比，Iout又与负载电流成正比。部分地选择电阻器126和128的相应值，以将输出端口198处的负载电流测量保持在连接至输出端口198的设备的安全电压范围内。电路100的状态(其是与非门152的输出158)在输出端口200处可获得。来自输出端口196、198和200的信号从电路100被提供至微控制器(在稍后的图中示出)，微控制器提供在输入端口172处可获得的软件命令Q0。
图4是用于导通和关断到服务器组的服务器的电源的系统的示意图。系统250适于通过24个不同的通道向一组24个服务器提供电力。系统250的变体可以通过单个通道向单个服务器提供电力，或者通过任意数量的通道向任意其他数目的服务器提供电力。每个通道包括图3的电路100的复制品。每个通道独立于其他通道进行操作。在电路100内，齐纳二极管192和194被示意性地表示为电压保护模块240。在MOSFET开关220的栅极222处施加的控制被示意性地表示为开/关命令242。电路100的各种其它部件被示意性地表示为转换器和逻辑模块244。
负载电压源182由电力母线252提供，电力母线252又连接至AC到DC转换器(未示出)和电池(未示出)。5伏电源180和升压电压源184由电源总线254提供，电源总线254连接至将负载电压转换为5伏电源和升压电源的DC到DC转换器(未示出)。输入端口170、172以及输出端口196、198和200连接至控制总线256。
系统250包括微控制器270，该微控制器270由5伏电源180经由向微控制器270提供3.3伏的电压转换器271间接供电。微控制器270经由全部由5伏电源180供电的多路解复用器278和280以及多路复用器272、274和276与电路100的24个实例进行通信。每个多路复用器和多路解复用器具有被配置成与电路100的24个实例中的每个进行通信的24个不同的端口。在具有单个通道和单个电路100的实施方式中，微控制器270可以在不使用任何多路复用器或多路解复用器的情况下与电路100的端口直接进行通信。
瞬时开关258连接至控制总线256，并且可以被手动启动以提供直接施加于微控制器270的重新装备命令260。微控制器270知道所有电路100的状态，每个电路100的状态由输出端口200传送并且经由多路复用器276在微控制器270处被接收。微控制器270将重新装备命令260转换为施加在给定电路100(其状态指示故障)处的重新装备信号。由微控制器270经由多路解复用器280并且经由给定电路100的输入端口170发送重新装备信号。在没有瞬时开关258的手动动作的情况下，微控制器270还可以基于例如其内部编程或基于在微控制器270的输入端282处接收的来自外部源(未示出)的命令来启动重新装备信号的发送。
通过连接至微控制器270的输入端282的外部部件(未示出)对该微控制器270进行编程和监视。微控制器270可以经由输出端284与相同部件或其他外部部件进行通信。微控制器270的编程和监视的细节在本公开内容的范围之外。
考虑24个通道中的第一通道1及其电路100，在多路复用器272处接收输出端口196处可获得的测量电压，该测量电压表示施加至电路100的负载的电压。在多路复用器274处接收输出端口198处可获得的测量的负载电流。在多路复用器276处接收在输出端口200处可获得的电路100的状态。由多路复用器272、274和276向微控制器提供来自电路100的这些信号。
微控制器270经由多路解复用器278和280分别发出开/关命令和重新装备信号，这些信号分别被施加至电路100的输入端口172和170。
系统250具有各种操作模式。
当计算机、服务器或类似负载经由负载连接器230连接至给定通道的电路100并通过给定通道的电路100通电时，在正常操作中，微控制器270可以经由多路解复用器278发出连续的开命令，该开命令在电路100的输入端口172处可用。电路100的状态是正常的(逻辑1出现在与非门152的输出端158处)，光耦合器210关断并且MOSFET开关220导通，从而允许电流被输送至负载。由高侧电流监测器110持续监视电流负荷。如果电流超过第一预定值，例如在负载短路的情况下，则电压Vout增加并且使与非门锁存器将其输出(其也是电路100的状态)改变为逻辑0，从而使MOSFET开关220打开，这从服务器或连接至负载连接器230的其他负载有效地除去电力。在没有来自微控制器270的干预的情况下，仅经由硬件进行这种断开，因此是非常快的，例如，在100纳秒(ns)数量级。此后，与非门锁存器保持在同一状态，直到在输入端口170处接收到重新装备信号为止。
当服务器或其他负载连接至电路100并通过电路100通电时，微控制器270可以经由在输出端口196和198处可获得并且由多路复用器272和274分别提供至微控制器270的信号连续监视负载电压和/或负载电流。尽管电压Vout可能在特定时间内——不存在短路或其他严重故障——在其正常范围内，但是微控制器270可以检测到负载电流达到临界水平(超过第二预定值，但低于第一预定值)，这可以仍然被微控制器270视为警告。微控制器270可以使多路解复用器278以快速循环发送开命令和关命令，从而使MOSFET开关220打开和闭合，进而使流过负载的有效电压和电流减少。微控制器270可以可替选地启动连续关命令的发送，以从服务器或其他负载除去所有电力。
当通过将插座(未示出)插入负载连接器230中来最初连接负载时，流过负载连接器230和负载的电流可能非常快地增加，并且在插座与负载连接器230之间引起火花。这种火花可能使将插座连接至负载连接器230的操作者非常不安，并且还可能导致负载连接器230的端口上的积碳的积聚。在一个方面中，系统250可以实现防火花机制，以在最初连接负载时控制流过负载连接器230的电流的初始水平。以下段落描述了防火花机制。
当给定通道的电路100最初通电而没有负载连接至负载连接器230时，微控制器270使关命令施加在电路100的输入端口172上，从而使光耦合器210导通并且使MOSFET开关220关断。电路100的输出端口198和200向微控制器270分别指示：负载电流为零，并且电路100的状态是正常的。输出端口196向微控制器270指示：负载连接器230处可获得的电压由升压电压源184以及由电阻器178、186和188形成的电阻分压器限定。由于这些电阻器的值(例如，分别为10K欧姆、56K欧姆和5.9K欧姆)，负载连接器230处可获得的电压略低于升压电压源的电压。部分地选择电阻器186和188的相应值，以将输出端口196处的电压测量保持在多路复用器272的安全电压范围内。
此后，当通过将插座插入负载连接器230中来最初连接负载时，由于负载具有比电阻器186和188的阻抗低得多的阻抗，因此负载连接器230处的电压几乎降至零伏。经由输出端口196和多路复用器272在微控制器270处检测到该信息，因此向微控制器270通知：负载连接到电路100。微控制器270经由多路解复用器278向电路100的输入端口172发送非常短暂的开命令或脉冲，这个非常短暂的开命令之后紧接的是关命令。在该短暂的时段内，光耦合器210关断，从而导致MOSFET开关220导通，在MOSFET开关220的源极226处出现来自负载电压源182的电压，并且向负载连接器230和负载施加同一电压。由微控制器270施加至电路100的输入端口172的一系列其他类似脉冲快速紧跟这些初始简短的开命令和关命令，从而电流逐渐地并越来越多地被施加至负载。在非限制性示例中，第一和第二这样的脉冲可以在时间上相隔100毫秒(ms)的延迟，之后可以在八(8)ms的时段内施加多达20个脉冲。一旦微控制器270检测到负载连接器230处的电压达到负载电压源182的值，而负载电流达到负载的预期值，开命令就变为连续命令。
图5是示出了在负载连接至负载连接器时电压的变化的时序图。图表300示出了负载连接器230的端口3和/或端口4与负载连接器230的端口1和/或端口2之间的电压的变化，后面的端口连接到地。图5所示的电压值和定时值仅用于说明目的，而不限制本公开内容。最初，在0ms时，没有负载连接至负载连接器230。负载连接器230处的初始电压310至少部分由升压电压源184的电压和电阻分压器限定，该电阻分压器一方面由电阻器178并且另一方面由电阻器186和188的总和形成。在电阻器186与188之间采样的电压310的一部分形成出现在输出端口196处的电压测量。
在100ms时，负载被插入负载连接器230中。负载与电阻器186以并联方式进行布置，电阻器186与电阻器188以串联方式进行布置，负载具有比电阻器186和188的总和低得多的阻抗，现在基本上由电阻器178和负载形成的电阻分压器使负载连接器230处的电压降到低得多的值320。在输出端口196处提供该值320的采样。
微控制器270检测到输出端口196处的电压降。在确保负载保持连接的延迟(例如，约840ms)之后，微控制器270开始发出软件命令Q0，该软件命令Q0在电路100的输入端口172处被接收，从而使MOSFET开关220闭合。
图6是图5的时序图的放大部分。图300的部分330从约838ms延伸到约851ms。在840ms时，微控制器270使得施加被设置为1的非常短暂的软件命令Q0，从而使MOSFET开关220闭合非常短暂的瞬间(非常类似狄拉克脉冲340)。微控制器270例如以约0.7ms的间隔发出许多连续的类似脉冲340，例如，三(3)个附加脉冲。在图5和图6的图示中，负载具有大的电容分量，因此使MOSFET开关220闭合的每个短暂实例导致负载中的电荷积聚，由此负载连接器230处的电压逐渐增加到值350。微控制器270检测到在输出端口196处采样的电压的相应增加。由于负载连接器230处的电压正常增加，因此微控制器270发出许多附加脉冲360，所述许多附加脉冲360例如以约0.2ms的间隔快速连续地被施加至电路100，以闭合MOSFET开关220。负载连接器230处的电压最终达到标称值370，该标称值370由微控制器270解释为在负载中正常建立电压和电流的指示。微控制器270现在发出被设置为1的连续软件命令Q0，从而使MOSFET开关220保持闭合。负载连接器230处的电压最终达到大体上等于负载电压源182的电压的标称值380(图5)。
本领域的普通技术人员将认识到，实现智能熔断器和被配置成用于防止火花的电源的电路和系统的描述仅是说明性的，而不意在以任何方式进行限制。受益于本公开内容的本领域普通技术人员将容易想到其他实施方式。此外，可以定制所公开的电路和系统，来为与常规电源中发现的功耗和火花有关的现有需求和问题提供有价值的解决方案。为了清楚起见，没有示出和描述电路和系统的实现的所有常规特征。具体地，特征的组合不限于前面的描述中呈现的那些，原因是所附权利要求中列出的要素的组合形成了本公开内容的完整的部分。当然，应当理解，在电路和系统的任何这样的实际实现的开发中，可能需要做出许多特定于实现的决策，以实现开发人员的特定目标，如遵守与应用、系统和业务相关的约束，并且这些特定目标将从一种实现到另一种实现并且从一个开发人员到另一个开发人员而变化。此外，应当理解，开发工作可能复杂且耗时，然而对于受益于本公开内容的电子电源领域的普通技术人员来说是工程的常规任务。
根据本公开内容，可以使用各种类型的操作系统、计算平台、网络装置、计算机程序和/或通用机器来实现本文中描述的组件、处理操作和/或数据结构。另外，本领域普通技术人员将认识到，也可以使用诸如硬连线装置、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等的通用性较差的装置。
本文中描述的系统和模块可以包括软件、固件、硬件或者适合于本文中描述的目的的软件、固件或硬件的任意组合。软件和其他模块可以由处理器执行，并且驻留在服务器、工作站、个人计算机、计算机化平板、个人数字助理(PDA)以及适合于本文中描述的目的的其他装置的存储器上。能够经由本地存储器、经由网络、经由浏览器或其他应用或者经由适合于本文中描述的目的的其他装置来访问软件和其他模块。本文中描述的数据结构可以包括计算机文件、变量、编程数组、编程结构或任何电子信息存储方案或方法，或者适合于本文中描述的目的的计算机文件、变量、编程数组、编程结构或任何电子信息存储方案或方法的任意组合。
可以将实现根据本技术的一些非限制性实施方式而实现的被配置成用于防止火花的电源的电路和系统表示如下，并且以编号的条款来呈现。条款
[条款1]一种用于为负载供电的电路，包括：
初级电压源；
负载连接器；
初级晶体管，其将所述初级电压源连接至所述负载连接器；
次级电压源；
顶部电阻器，其将所述次级电压源连接至所述初级晶体管的栅极；
底部电阻器，其并联连接至所述负载连接器；
次级晶体管，其连接在所述顶部电阻器与所述底部电阻器之间；
命令转换器，当接收到关命令时，所述命令转换器使所述次级晶体管闭合并且使所述初级晶体管打开，而当接收到开命令时，所述命令转换器使所述次级晶体管打开并且使所述初级晶体管闭合；
微控制器，其适于：
最初发出所述关命令；
接收所述负载连接器处的电压的测量；
当所述关命令被发出时，通过检测所述负载连接器处的中间电压来确定所述负载没有被连接；
当所述关命令被发出时，通过检测所述负载连接器处的低电压来确定所述负载连接至所述负载连接器；以及
响应于所述负载连接至所述负载连接器的确定，发出所述开命令。
[条款2]根据条款1所述的电路，其中，所述初级晶体管被配置成：当所述低电压或所述中间电压被施加于所述初级晶体管的栅极时，所述初级晶体管打开，当高电压被施加于所述初级晶体管的栅极时，所述初级晶体管闭合。
[条款3]根据条款1或2所述的电路，其中，响应于所述负载连接至所述负载连接器的确定而发出的所述开命令是第一脉冲命令，所述第一脉冲命令之后是所述关命令的实例。
[条款4]根据条款3所述的电路，其中，所述微控制器还适于：
发出用于导通所述电路的脉冲命令序列，每个脉冲命令之后是所述关命令的相应实例；
在发出所述脉冲命令序列时，监视所述负载连接器处的电压；以及
当所述负载连接器处的电压达到标称值时，终止所述脉冲命令序列，并发出连续的开命令。
[条款5]根据条款1至4中任一项所述的电路，其中：
在所述负载没有被连接时闭合所述次级晶体管使得在所述初级晶体管的栅极处施加所述中间电压；
在所述负载被连接时闭合所述次级晶体管使得在所述初级晶体管的栅极处施加所述低电压；以及
打开所述次级晶体管使得在所述初级晶体管的栅极处施加高电压。
[条款6]根据条款5所述的电路，其中：
所述次级电压源的电压大于所述初级电压源的电压；以及
当所述次级晶体管打开时被施加在所述初级晶体管的栅极处的高电压大体上等于所述次级电压源的电压。
[条款7]根据条款1至6中任一项所述的电路，其中，所述中间电压由所述次级电压源的电压以及所述顶部电阻器和所述底部电阻器限定。
[条款8]根据条款1至7中任一项所述的电路，其中，所述低电压由所述次级电压源的电压、所述顶部电阻器以及所述底部电阻器和所述负载的并联组合限定。
[条款9]根据条款1至8中任一项所述的电路，其中，所述次级晶体管是光耦合器。
[条款10]根据条款1至9中任一项所述的电路，其中，所述初级晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
[条款11]一种用于为多个负载供电的系统，包括：
初级电压源；
次级电压源；
一个或更多个通道，每个通道被配置成用于为相应的负载供电，每个通道包括：
负载连接器；
初级晶体管，其将所述初级电压源连接至所述负载连接器；
顶部电阻器，其将所述次级电压源连接至所述初级晶体管的栅极；
底部电阻器，其并联连接至所述负载连接器；
次级晶体管，其连接在所述顶部电阻器与所述底部电阻器之间；
命令转换器，当接收到关命令时，所述命令转换器使所述次级晶体管闭合并且使所述初级晶体管打开，当接收到开命令时，所述命令转换器使所述次级晶体管打开并且使所述初级晶体管闭合；以及
微控制器，其操作地连接至所述一个或更多个通道中的每个通道的命令转换器，所述微控制器适于：
独立地向每个通道发出关命令和开命令，
从每个通道接收所述负载连接器处的电压的测量，
通过在向给定通道发出所述关命令时在所述给定通道的负载连接器处检测到中间电压来确定负载没有连接至给定通道的所述负载连接器，
通过在向所述给定通道发出所述关命令时在所述给定通道的负载连接器处检测到低电压来确定所述负载连接至所述给定通道的负载连接器，以及
响应于确定所述负载连接至所述给定通道的负载连接器，向所述给定通道的命令转换器发出所述开命令。
[条款12]根据条款11所述的系统，其中，所述微控制器适于分别接收每个通道的负载电压的测量。
[条款13]根据条款11或12所述的系统，其中，所述微控制器适于分别接收每个通道的负载电流的测量。
[条款14]根据条款13所述的系统，其中，所述一个或更多个通道包括多个通道，所述系统还包括适于向每个通道的所述命令转换器分别发送所述关命令和所述开命令的多路解复用器。
[条款15]根据条款14所述的系统，还包括：
第一多路复用器，其适于从所述多个通道中的每个通道分别接收所述负载电压的测量；以及
第二多路复用器，其适于从所述多个通道中的每个通道分别接收所述负载电流的测量。
[条款16]根据条款11至15中任一项所述的系统，其中，所述微控制器适于：响应于所述负载连接至所述给定通道的负载连接器的确定，向给定通道发出所述开命令作为脉冲命令，所述脉冲命令之后是所述关命令的实例。
[条款17]根据条款16所述的电路，其中，所述微控制器还适于：
发出用于导通所述给定通道的所述初级晶体管的脉冲命令序列，每个脉冲命令之后是所述关命令的相应实例；
在发出所述脉冲命令序列时，监视所述给定通道的负载连接器处的电压；
当所述给定通道的负载连接器处的电压达到标称值时，终止所述脉冲命令序列，并且向所述给定通道发出连续的开命令。
借助于作为示例提供的非限制性说明性实施方式，在前述说明书中已描述了本公开内容。可以随意修改这些说明性实施方式。权利要求的范围不应受示例中阐述的实施方式的限制，而应该给予与整个说明书一致的最宽泛的解释。

Claims (16)

1.一种用于为负载供电的电路，包括：
初级电压源；
具有第一端口和第二端口的负载连接器，用于将所述负载连接至所述第一端口和所述第二端口，所述第二端口还连接到地；
初级晶体管，其具有连接至所述初级电压源的漏极和连接至所述负载连接器的第一端口的源极；
次级电压源；
顶部电阻器，其具有连接至所述次级电压源的第一端和连接至所述初级晶体管的栅极的第二端；
底部电阻器，其具有连接至所述负载连接器的第一端口的第一端和连接到地的第二端；
次级晶体管，其具有连接至所述顶部电阻器的第二端的集电极和连接至所述底部电阻器的第一端的发射极；
命令转换器，其操作地连接至所述次级晶体管的基极，当接收到关命令时，所述命令转换器使所述次级晶体管闭合并且使所述初级晶体管打开，并且当接收到开命令时，所述命令转换器使所述次级晶体管打开并且使所述初级晶体管闭合；
微控制器，其适于：
最初发出所述关命令；
接收所述负载连接器的第一端口处的电压的测量；
通过当所述关命令被发出时在所述负载连接器的第一端口处检测到中间电压来确定所述负载没有连接至所述负载连接器；
通过当所述关命令被发出时在所述负载连接器的第一端口处检测到低电压来确定所述负载连接至所述负载连接器；以及
响应于确定所述负载连接至所述负载连接器，发出所述开命令。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述初级晶体管被配置成：当所述负载连接器的第一端口处的所述低电压或所述中间电压被施加于所述初级晶体管的栅极时，所述初级晶体管打开，并且当高电压被施加于所述初级晶体管的栅极时，所述初级晶体管闭合。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，响应于确定所述负载连接至所述负载连接器而发出的所述开命令是第一脉冲命令，所述第一脉冲命令之后是所述关命令的实例。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述微控制器还适于：
发出用于导通所述电路的脉冲命令序列，每个脉冲命令之后是所述关命令的相应实例；
在发出所述脉冲命令序列时，监视所述负载连接器处的电压；以及
当所述负载连接器处的电压达到标称值时，终止所述脉冲命令序列，并发出连续的开命令。
5.根据权利要求1所述的电路，其中：
在所述负载没有连接至所述负载连接器时闭合所述次级晶体管使得在所述初级晶体管的栅极处施加所述中间电压；
在所述负载连接至所述负载连接器时闭合所述次级晶体管使得在所述初级晶体管的栅极处施加所述低电压；以及
打开所述次级晶体管使得在所述初级晶体管的栅极处施加高电压。
6.根据权利要求5所述的电路，其中：
所述次级电压源的初级电压是比所述初级电压源的次级恒定DC电压大的恒定DC电压；以及
当所述次级晶体管打开时施加在所述初级晶体管的栅极处的所述高电压大体上等于所述次级电压源的次级电压。
7.根据权利要求6所述的电路，还包括：
AC到DC转换器，其适于提供所述初级电压源的初级电压；以及
DC到DC转换器，其适于将所述初级电压转换为所述次级电压源的次级电压。
8.根据权利要求6所述的电路，其中，所述中间电压由所述次级电压源的次级电压以及所述顶部电阻器和所述底部电阻器限定。
9.根据权利要求6所述的电路，其中，所述低电压由所述次级电压源的次级电压、所述顶部电阻器以及所述底部电阻器和所述负载的并联组合进行限定。
10.根据权利要求1所述的电路，其中，所述次级晶体管是光耦合器。
11.根据权利要求1所述的电路，其中，所述初级晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
12.一种用于为多个负载供电的系统，包括：
一个或更多个通道，每个通道被配置成用于为相应的负载供电，每个通道包括根据权利要求1所述的电路；
其中，微控制器操作地连接至所述一个或更多个通道中的每个通道的命令转换器，所述微控制器适于：
独立地向每个通道发出关命令和开命令，
从每个通道接收负载连接器处的电压的测量，
通过在向给定通道发出所述关命令时在所述给定通道的负载连接器处检测到中间电压来确定负载没有连接至所述给定通道的负载连接器，
通过在向所述给定通道发出所述关命令时在所述给定通道的负载连接器处检测到低电压来确定负载连接至所述给定通道的负载连接器，以及
响应于确定所述负载连接至所述给定通道的负载连接器，向所述给定通道的命令转换器发出所述开命令。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述微控制器适于分别接收每个通道的负载电压的测量。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述微控制器适于分别接收每个通道的负载电流的测量。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或更多个通道包括多个通道，所述系统还包括适于向每个通道的命令转换器分别发送所述关命令和所述开命令的多路解复用器。
16.根据权利要求15所述的系统，还包括：
第一多路复用器，其适于从所述多个通道中的每个通道分别接收所述负载电压的测量；以及
第二多路复用器，其适于从所述多个通道中的每个通道分别接收所述负载电流的测量。
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