在控制并联电源之间的负载分担中使用脉宽调制

摘要

出于负载平衡目的，通过直流总线来控制具有并联耦合的输出的多个电源模块，所述直流总线具有表示所述多个电源模块的每一者的功率输出的已滤波脉宽调制(PWM)信号。将所述多个电源模块的每一者的局部PWM信号滤波为DC电压且用于与来自所述多个电源模块的每一者的所需平均功率进行比较。

权利要求

1.一种电源系统，其包括：

多个电源模块，所述多个电源模块的每一者具有并联耦合的功率输出；

所述电源模块的每一者具有用于控制其功率输出的控制器；

每一控制器具有第一模拟输入、第二模拟输入、第一脉宽调制PWM输出，及第二PWM输出；

其中所述第二PWM输出表示所述多个电源模块中相关联一者的功率输出且耦合到产生第一信号的功率平均电路，所述第一信号表示来自所述多个电源模块的每一者的所需平均功率；

所述第二模拟输入通过第一低通滤波器耦合到所述第一PWM输出，其中所述第一低通滤波器产生所述第二模拟输入上的参考电压；

且所述第一模拟输入耦合到表示所述来自所述多个电源模块的每一者的所需平均功率的所述第一信号。

2.如权利要求1所述的电源系统，其中所述第一低通滤波器是电阻器电容器低通滤波器。

3.如权利要求1所述的电源系统，其中所述第一低通滤波器将来自所述第一PWM输出的纹波电压降低80分贝。

4.如权利要求1所述的电源系统，其中所述第一信号是所述多个电源模块的所述相关联者的所述功率输出的总和除以电源模块的数量。

5.如权利要求4所述的电源系统，其中所述第二PWM输出的每一者通过第二低通滤波器耦合到所述功率输出平均电路。

6.如权利要求5所述的电源系统，其中所述第二低通滤波器是电阻器电容器低通滤波器。

7.如权利要求5所述的电源系统，其中所述第二低通滤波器将来自所述第二PWM输出的纹波电压降低80分贝。

8.如权利要求1所述的电源系统，其中所述并联功率输出耦合到数字系统。

9.如权利要求1所述的电源系统，其中所述控制器是微控制器。

10.如权利要求1所述的电源系统，其中在所述控制器中将所述第一信号和参考电压进行比较以补偿所述多个电源模块的每一者的特性变化。

11.一种具有冗余电源的数字系统，所述系统包括：多个电源模块，所述多个电源模块的每一者具有并联耦合到数字系统的功率输出；

所述电源模块的每一者具有用于控制其功率输出的控制器；

每一控制器具有第一模拟输入、第二模拟输入、第一脉宽调制PWM输出，及第二PWM输出；

其中所述第二PWM输出表示所述多个电源模块的相关联一者的功率输出且耦合到产生第一信号的功率输出平均电路，所述第一信号表示来自所述多个电源模块的每一者所需的平均功率；

所述第二模拟输入通过第一低通滤波器耦合到所述第一PWM输出，其中所述第一低通滤波器产生所述第二模拟输入上的参考电压；

且所述第一模拟输入耦合到表示来自所述多个电源模块的每一者所需的所述平均功率的所述第一信号。

12.如权利要求11所述的数字系统，其中所述控制器是微控制器。

13.如权利要求11所述的数字系统，其中所述第一低通滤波器是电阻器电容器低通滤波器。

14.如权利要求11所述的数字系统，其中所述第一信号是所述多个电源模块的所述相关联者的所述功率输出的总和除以电源模块的数量。

15.如权利要求14所述的数字系统，其中所述第二PWM输出的每一者通过第二低通滤波器耦合到所述功率输出平均电路。

16.如权利要求15所述的数字系统，其中所述第二低通滤波器是电阻器电容器低通滤波器。

17.如权利要求11所述的数字系统，其中在所述控制器中将所述第一信号和参考电压进行比较以补偿所述多个电源模块的每一者的特性变化。

18.一种用于平衡电源系统中的多个电源模块的功率输出的方法，所述方法包括以下步骤：并联耦合来自多个电源模块的功率输出；

向与所述多个电源模块的每一者相关联的控制器提供第一模拟输入和第二模拟输入；

提供来自所述控制器的每一者的第一脉宽调制PWM输出和第二PWM输出，其中所述第二PWM输出表示所述多个电源模块的相关联一者的功率输出，且所述第一PWM输出表示所述多个电源模块的所述相关联一者的参考值。

通过第一低通滤波器将所述第二模拟输入耦合到所述第一PWM输出；

提供用于产生第一信号的功率输出平均电路，所述第一信号表示来自所述多个电源模块的每一者的所需平均功率；及将所述第一模拟输入耦合到表示所述来自所述多个电源模块的每一者的所需平均功率的所述第一信号。

19.如权利要求18所述的方法，其中通过对所述多个电源模块的所述相关联者的所述功率输出求和及将所述功率输出的所述总和除以电源模块的数量来确定所述第一信号。

20.如权利要求18所述的方法，其进一步包括将所述第一信号和所述参考值进行比较以补偿所述多个电源模块的每一者的特性变化的步骤。

说明书

技术领域

本发明涉及控制并联电源之间的负载分担，且更特定来说涉及在控制并联电源之间的负载分担中使用脉宽调制(PWM)。

背景技术

许多大型电子系统(例如，计算服务器、磁盘存储阵列、电信装备等)需要大量的操作功率，且所述操作功率必须是高度可靠的。系统设计者的一个共同方法是将系统电源实施为多个较小的电源模块。将所述多个较小电源模块的输出并联地连接在一起以提供所需的操作功率。在系统功率系统中通常有比提供现有负载所需的电源模块更多的电源模块。所述布置使得能够在电子系统可操作的同时移除(例如拔去插头)故障的电源模块且可以不影响其操作。可将置换电源模块(例如，新的或经修理的)插回到系统电源中来维持所需量的冗余电源容量。
当所述电源模块输出连接成并联时，不可能保证每一并联连接的电源模块具有相同的输出电压。总是存在布线、电压参考、温度及其它因素的容差，而所述容差可导致电源模块之间的输出电压略有不同。因此，具有略高输出电压的一个或一个以上电源模块往往将提供大部分的系统负载。因此，某些电源模块可在全功率下操作，而其它的电源模块可能几乎不提供功率。在全功率下操作的电源模块将较热且因此更倾向于发生故障。在全功率下操作的电源模块处于“饱和”状态且在存在负载瞬变的情况下不能提供额外的功率。同样，几乎不供应功率的其它电源模块可能不会以针对开关模式转换器电源的理想状态来操作。轻负载电源模块可不具有对瞬变负载的所需响应。为获得最优的可靠性和性能，所述电源模块的每一者应承担所述系统负载的平均分配的份额。
已经通过使用模拟信令来实施在电源模块之间实现所述系统负载的平均分配份额的尝试。例如，“主”装置(控制器)可监控总负载且然后可向所述电源模块的每一者发出模拟命令以致力于在这些电源模块中平均地分摊工作负载。所述主控制装置可提供表示旨在每一电源模块的目标功率输出的电压。所述控制装置控制达到所述模块的每一者的可以是模拟电压的电压，所述模拟电压可用于调节电源模块的参考电压且由此可调节来自从所述模块的所得输出电压。所述类型的功率流信令控制可易于导致单点故障。如果主控制器发生故障，那么电源系统可变得不可用且/或不可操作。
大多数现代技术电源使用由数字电路控制的开关调节器。为产生模拟控制信号，需要数字模拟转换器(DAC)来形成模拟功率指示信号。将DAC构建于电源系统中可能会较庞大且昂贵。

发明内容

需要一种用于对并联连接的电源模块进行负载平衡(例如，负载分担)的较不昂贵实施方案。因此，排除对为每一电源模块产生模拟负载信号的数字模拟转换器(DAC)的需要将降低所述电源模块的大小、成本及复杂度。根据本发明，可通过针对所述电源模块的每一者使用脉宽调制(PWM)产生的负载指示信号及少数廉价的离散无源组件(例如，电阻器及电容器)来实现具有并联输出的电源模块之间的负载分担。所述PWM信号可由电源模块的数字集成电路控制器(例如微控制器)来产生。可将所述数字集成电路控制器用于控制开关功率晶体管，以使用于负载分担的PWM信号功能所添加的成本对于所述电源模块的总成本来说是微不足道的。
根据本发明的特定实例实施例，电源系统可包括多个电源模块，所述多个电源模块的每一者具有并联耦合的输出，所述电源模块的每一者具有用于控制其功率输出的控制器，每一控制器具有第一模拟输入、第二模拟输入、第一脉宽调制(PWM)输出及第二PWM输出，所述第二PWM输出用于表示所述电源模块的相关联一者的功率输出且耦合到可产生第一信号的功率输出平均电路，所述第一信号表示来自所述多个电源模块的每一者的所需平均功率，所述第二模拟输入通过低通滤波器耦合到所述第一PWM输出，且所述第一模拟输入耦合到表示来自所述多个电源模块的每一者的所需平均功率的所述第一信号。

附图说明

结合附图参照下文描述可更全面地了解本发明，在附图中：
图1根据本发明的特定实例实施例图解说明多个电源模块的示意性框图，所述电源模块具有并联连接的输出且使用模拟总线来进行负载分担。
图2图解说明图1的电源模块的更详细示意性框图。
虽然易于对本发明作出各种修改及替代形式，但其特定实例实施例已显示于图式中并详细描述于本文中。然而，应了解，本文对特定实例实施例的描述并不打算将本发明限定于本文所揭示的特定形式，相反，本发明将涵盖随附权利要求书所界定的所有修改及等效形式。

具体实施方式

现在参照图式，示意性图解说明特定实例实施例的细节。在所述图式中，相同的元件将由相同的编号表示，且相似的元件将由带有一不同小写字母后缀的相同编号表示。
参照图1，其根据本发明的特定实例实施例绘示多个电源模块的示意性框图，所述电源模块具有并联连接的输出且使用模拟总线来进行负载分担。数字系统102(例如计算机服务器)可由电源系统104供电。电源系统104可由多个电源模块106组成。所述多个电源模块106的每一者的功率输出可耦合到功率总线110。功率总线110还耦合到数字系统102。功率总线110上可具有一个以上操作电压(未显示)。
所述多个电源模块106的每一者可具有微控制器108。微控制器108可具有多个模拟输入(例如输入216和218，见图2)及多个能够进行脉宽调制(PWM)的输出(例如输出220和222，见图2)。模拟总线112Vo可携载表示电源模块106的每一者的输出电流值的模拟信号。模拟总线114Vi可连接到微控制器108的每一者的模拟输入216(图2)。其中可在模拟总线114上将表示电源模块106的输出电流值总和的平均值的模拟信号分配到微控制器108的每一模拟输入216。所述表示平均电流值的模拟信号可用于为电源模块106的每一者确定适当的电流输出值。
现在参照图2，其绘示图1的电源模块的更详细示意性框图。电源模块106可由功率电压调节器(例如开关晶体管(未显示))组成，所述功率电压调节器可由微控制器108控制。微控制器108可具有第一模拟输入216、第二模拟输入218、第一脉宽调制(PWM)输出220，及第二脉宽调制(PWM)输出222。模拟总线114可耦合到第一模拟输入216。
可使用包括电阻器224和电容器228的第一电阻器电容器(RC)低通滤波器来将输出220处的PWM信号降低到大致模拟直流(DC)电压值。可使用包括电阻器226和电容器230的第二电阻器电容器(RC)低通滤波器来将输出222处的PWM信号降低到大致模拟直流(DC)值。所述第一和第二低通滤波器可具有(例如，但不限于)约为PWM频率的万分之一(1/10,000)的时间常数。这可使PWM纹波电压降低约80dB(例如，对于四个十进制数的频率，每十进制数20dB)。
第一PWM信号(在输出220处)可通过第一低通滤波器(电阻器224和电容器228)耦合到第二输入218。可使用微控制器108的内部模拟数字转换器(ADC)将第二输入218处的经滤波的大致DC信号电压转换为数字值。可将第二输入218处的DC信号电压用作参考电压来补偿PWM输出驱动器的不理想特性及相关联电源模块106的任何局部变化。
第二PWM信号(在输出222处)可通过第二低通滤波器(电阻器226和电容器230)耦合到模拟总线112。模拟总线112可使用表示来自电源模块106的每一者的所需一致或平均功率的模拟信号来使所有电源模块106互连。所需平均功率信号可通过(例如，但不限于)电压加法电路及分压器获得，所述分压器可将所述电压的总和除以所连接电源模块106的数量。
微控制器108可计算经参考DC电压滤波的PWM信号(在输入218处)与总线114上表示来自电源模块106的每一者的所需平均功率的电压之间的差值。可使用所述计算出的差值将相关联电源模块106的输出电压调节得略高或略低以大致匹配所述平均功率，且因此使得电源模块106的每一者将其公平份额的功率递送给所述负载(例如，数字系统102)。
虽然已参照本发明实例实施例绘示、描述及界定了本发明的各实施例，但此类参照并不意味着限定本发明，且不应推断出存在这一限定。能够对所揭示的标的物做出大量形式及功能上的修改、替代及等效形式，所属技术领域的技术人员根据本发明将会联想到所述修改、替代及等效形式。所绘示及所描述的本发明各实施例仅作为实例，而并不是对本发明范围的穷举性说明。
相关申请案交叉参考
本申请案主张优先于由布莱恩·科里斯(Bryan Kris)在2005年10月25日提出申请的标题为“在控制并联电源之间的负载分担中使用脉宽调制”(“Using Pulse WidthModulation in the Control of Load Sharing Between Paralleled Power Supplies”)的共同拥有的美国临时专利申请案第60/729,989号，所述申请案出于所有目的以引用的方式并入本文中。