CN100452610C - 用于控制和监控负载点调节器的阵列的方法和系统 - Google Patents

用于控制和监控负载点调节器的阵列的方法和系统 Download PDF

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Abstract

公开了用于控制和监控负载点调节器的阵列的方法和系统。电源控制系统包括许多POL调节器，至少一个串行数据总线可操作地连接许多POL调节器，连接到串行数据总线并用于在许多POL调节器之间发送和接收数字数据的系统控制器。串行数据总线进一步包括第一个数据总线，在系统控制器和许多POL调节器之间传送编程、和控制信息。串行数据总线还可以包括第二个数据总线，在系统控制器和许多POL调节器之间传送故障管理信息。功率控制还可以包括一个前端调节器，用于向中间电压总线上的许多POL调节器提供中间电压。

Description

用于控制和监控负载点调节器的阵列的方法和系统
技术领域
本发明涉及电源控制系统，具体来说，涉及控制和监控负载点调节器阵列的方法和系统。
背景技术
随着电子系统的复杂性的增大，电子系统常常需要以几个不同的电压和电流电平提供的电源。例如，电子系统可以包括需要诸如3v、5v、9v等等的分离的电路。此外，许多电路需要相对较低的电压(例如，1v)，而需要相对比较高的电流(例如，100A)。由于多种原因，在电子设备在相对比较长的距离中以比较低的电压提供比较高的电流是不理想的。首先，相对较长的低电压、高电流线路的物理行程会消耗大量的电路板面积并阻塞电路板上的信号线路的路线。其次，传送高电流的线路的阻抗会耗散许多电源并使负载调节复杂化。第三，难以定制电压/电流特征以适应负载要求的变化。
为了满足这些电源要求，已知在整个电子系统中分布中间总线电压，并在电子系统内的功耗点包括单个的负载点(“POL”)调节器，即，DC/DC转换器。具体来说，将在每一个相应的电子电路中包括POL调节器以将中间总线电压转换为电子电路所需要的电平。电子系统可以包括多个POL调节器以将中间总线电压转换为多个电压电平中的每一个多个电压电平。在理想情况下，POL调节器在物理上位于对应的电子电路的附近，以便使电子系统中的低电压、高电流线路的长度降低到最低限度。中间总线电压可以使用最大限度地降低损耗的低电流线路提供给多个POL调节器。
利用这种分布式处理方法，需要对电源系统的POL调节器控制和监控进行协调。POL调节器通常与电源控制器结合操作，电源控制器用于激活、编程和监控单个的POL调节器。在当前技术中已知，控制器使用多连接并行总线来激活和编程每一个POL调节器。例如，并行总线可以传送启用/禁用位，以将每一个POL调节器打开和关闭，以及电压标识(VID)代码位，以便对POL调节器的输出电压设定点进行编程。控制器可以进一步使用更多的连接来监控每一个POL调节器提供的电压/电流，以便检测POL调节器的故障情况。这样的控制系统所存在的缺点是，使整个电子系统变得更加复杂，并使其变得更大。
如此，提供一种用于控制和监控分布式电源系统内的POL调节器的系统和方法是有利的。
发明内容
本发明提供了用于控制和监控分布式电源系统内的POL调节器的系统和方法。
在本发明的一个实施例中，电源控制系统包括许多POL调节器，至少一个串行数据总线可操作地连接许多POL调节器，连接到串行数据总线并用于在许多POL调节器之间发送和接收数字数据的系统控制器。串行数据总线进一步包括第一个数据总线，用于在系统控制器和许多POL调节器之间传送编程、控制和监控信息。串行数据总线还可以包括第二个数据总线，用于在系统控制器和许多POL调节器之间传送故障管理信息。功率控制还可以包括一个前端调节器，用于向中间电压总线上的许多POL调节器提供中间电压。
POL控制系统有四个不同的操作模式。在第一个操作模式中，在没有系统控制器的情况下并且在不与其他POL调节器进行交互的情况下，POL调节器独立地运转。在第二个操作模式中，POL调节器可以进行交互操作，以便在没有系统控制器的情况下进行电流共享或交织。在第三个操作模式中，POL调节器作为一个阵列操作，在这种操作模式中，每一个POL调节器和整个阵列的行为由系统控制器进行协调。最后，第四个操作模式包括对某些功能使用系统控制器进行的中央控制和局部控制。这样，POL调节器作为一个由系统控制器进行协调的阵列操作，还彼此进行交互操作来执行诸如电流共享之类的功能。
那些精通本技术的人能够比较全面地了解控制和监控许多POL调节器的方法和系统，并在考虑下面的对优选实施例的详细描述的情况下，实现更多的优点和目标。将参考附图进行描述。
附图说明
图1描述了采用现有技术的分布式电源输送系统；
图2描述了采用现有技术的使用并行控制总线的POL控制系统；
图3描述了根据本发明的一个实施例制造的示范性POL控制系统；
图4描述了POL控制系统的示范性POL调节器；以及
图5描述了POL控制系统的示范性系统控制器。
具体实施方式
本发明提供了用于控制和监控分布式电源系统内的POL调节器的系统和方法。在随后的详细描述中，使用类似的元件编号来描述一个或多个图中所说明的类似的元件。
首先参考图1，该图显示了采用现有技术的分布式电源输送系统。采用现有技术的分布式电源输送系统包括AC/DC转换器12，该转换器将可用的AC电源转换为主要DC电源，例如，48伏特。主要DC电源连接到主电源总线，该总线将DC电源分布到多个电子系统(如印刷电路板14)。总线可以进一步耦合到电池18，该电源为连接到主电源总线的电子系统提供后备电源。当AC/DC转换器12将DC电源输送到主电源总线时，电池18保持在满充电状态。在AC电源丢失或AC/DC转换器12发生故障的情况，电池18将在电池18容量定义的有限的时间段内继续向主电源总线输送DC电源。
印刷电路板14可以进一步包括DC/DC转换器，该转换器将主总线电压降低到中间电压电平(如5或12伏特)。然后中间电压在向印刷电路板14上提供的中间电源总线上分发。每一个电路都具有位于附近的关联的负载点(“POL”)调节器，如POL 22、24和26。每一个POL调节器都分别将中间总线电压转换为电子电路所需要的低电压、高电流电平，POL 22、24和26所提供的1.8伏特、2.5伏特和3.3伏特。应该理解，这里所描述的电压电平完全是示范性的，可以选择其他电压电平来适合印刷电路板14上的电子电路的特定的需要。通过将POL 22、24、26定位于它们对应的电子电路附近，印刷电路板14上的低电压、高电流线路的长度可以最大限度地缩小。此外，中间电源总线可以用于传送相对较低的电流，从而将由于线路阻抗造成的功率损耗降低到最低。但是，这种分布式电源输送系统没有提供监控POL 22、24、26的性能的方式。
图2显示了采用现有技术的DC/DC转换器控制系统，该控制系统具有电源控制器32和许多DC/DC转换器34、36、38和42。DC/DC转换器34、36、38和42都连接到电源总线(如上参考图1所述的)，该总线提供了输入电压。DC/DC转换器34、36、38和42都提供低电压、高电流输出，该输出穿过相应的传感电阻器46、52、56和62，以及相应的开关48、54、58和64。控制器32通过许多六位并行总线(每一个总线都包括一个启用/禁用位和五个VID代码位)向DC/DC转换器34、36、38和42提供控制信号。VID代码位对DC/DC转换器进行编程，以获取期望的输出电压/电流电平。控制器32还使用传感电阻器46、52、56和62监控DC/DC转换器34、36、38和42的性能。具体来说，控制器32通过检测传感电阻器的输出端的电压来监控每一个DC/DC转换器的输出电压，并通过检测传感电阻器上的电压来监控流过传感电阻器的输出电流。每一个DC/DC转换器的电压和电流感应都需要两个单独的线路，因此需要八个单独的线路来感应示范性的四转换器系统的电压和电流状况。此外，控制器32具有一个连接到开关48、54、58和64的栅极端子的开关启用线路，通过该开关启用线路，控制器32可以切断来自DC/DC控制器34、36、38和42中的任何控制器的输出。
在示范性操作中，控制器32通过六位并行总线的VID代码部分向DC/DC转换器34提供控制参数(例如，输出电压设定点)。然后，控制器32通过六位并行总线的启用/禁用部分激活DC/DC转换器34。一旦激活，DC/DC转换器34将电源总线电压(例如，48伏特)转换为选定的输出电压。然后，控制器32通过电压监控线测量电压，以便验证输出电压是否为所希望的电压。如果输出电压在可接受的范围内，则通过开关启用线激活开关48，以便将它提供到负载(未显示)。然后，控制器32可以通过输出电压监控线测量输出电压并测量传感电阻器上的电压降(即，电流监控线和电压监控线之间的电压差)连续地监控由DC/DC转换器产生的输出电压和输出电流。如果控制器32检测到DC/DC转换器34的故障状况(例如，输出电压降低到特定的阈值之下)，则控制器32可以禁用并重置DC/DC转换器。控制器32以同样的方式与其他DC/DC转换器36、38和42进行通信。
图2的控制系统所存在的缺点是，它使用六位并行总线来控制每一个DC/DC转换器和单独的三线输出连接来监控每一个DC/DC转换器的性能，从而使得整个电子系统变得更加复杂，并使其变得更大。换句话说，控制器32利用三十六个单独的连接来与DC/DC转换器34、36、38和42进行通信。随着电子系统的复杂性和电源要求的提高，到控制器的连接的数量还将以线性方式提高。
现在参考图3，该图显示了根据本发明的一个实施例的POL控制系统100。具体来说，POL控制系统100包括系统控制器102、前端调节器104、以阵列方式组成的许多POL调节器106、108、110、112和114。这里描述的POL调节器包括，但不仅限于，负载点调节器、接通电源负载调节器、DC/DC转换器、电压调节器，以及精通本技术的那些人通常所知道的所有其他可编程电压或电流调节设备。在单个的POL调节器之间提供了设备内接口，来控制特定的交互，如电流共享或并行，例如，在POL0 106和POL1 108之间提供的电流共享接口(CS1)，以及在POL4 112和POLn 114之间提供的CS2。在图3所示的示范性配置中，POL0 106和POL1108以并行模式操作，以产生具有增强的电流容量的输出电压V01，POL2 110产生输出电压V02，POL4 112和POLn 114以并行模式操作以产生输出电压V03，尽管应该理解，优选情况下可以利用POL调节器的其他组合及其他数量。
前端调节器104通过中间电压总线向许多POL调节器提供中间电压，并可以简单地包括另一个POL调节器。系统控制器102和前端调节器104可以集成在一个单一的单元中，并可以作为单独的设备来提供。或者，前端调节器104可以通过许多中间电压总线向POL调节器提供许多中间电压。系统控制器102可以从中间电压总线获取其电源。
系统控制器102通过借助于图3显示的单向或双向串行总线(作为同步/数据总线)写入和/或读取数字数据(同步地或异步地)与许多POL调节器进行通信。同步/数据总线可以包括双线串行总线(例如，I2C)，该总线允许数据异步地进行传输，或单线串行总线，该总线允许数据同步地(即，与时钟信号进行同步)进行传输。为了查找阵列中的任何特定的POL，每一个POL都以唯一的地址进行标识，该地址可以硬连线到POL中或通过其他方法进行设置。系统控制器102还通过图3显示的第二个单向或双向串行总线(作为OK/故障总线)来与进行故障管理的许多POL调节器进行通信。通过将多个POL调节器连接到一个通用的OK/故障总线来将多个POL调节器组合在一起，可以使得POL调节器在发生故障的情况下具有相同的行为。此外，系统控制器102通过用户接口总线与用户系统进行通信，以便编程、设置和监控POL控制系统10。最后，系统控制器102通过单独的线路与前端调节器104进行通信，以禁用前端调节器的操作。
图4中比较详细地显示了POL控制系统10的示范性POL调节器106。图3的其他POL调节器具有基本上相同的配置。POL调节器106包括功率转换电路142、串行接口144、POL控制器146、默认配置存储器148，以及硬连线的设置接口150。功率转换电路142根据通过串行接口接收到的设置、硬连线的设置150或默认设置将输入电压(Vi)转换为期望的输出电压(Vo)。功率转换电路142还可以包括输出电压、电流、温度及用于进行局部控制的其他参数的监控传感器，并通过串行接口144传送回系统控制器。功率转换电路142还可以为独立的应用程序产生Power Good(PG)输出信号，以便提供简化的监控功能。串行接口144通过同步/数据和OK/故障串行总线从系统控制器102接收并向其发送命令和消息。默认配置存储器148为POL调节器106存储默认配置，以防不会通过串行接口144或硬连线设置接口150接收到编程信号。选择默认配置，以便POL调节器106将在没有编程信号的情况下在安全状态下操作。
硬连线的设置接口150与外部连接进行通信，以便在不使用串行接口144的情况下对POL调节器进行编程。硬连线的设置接口150可以作为输入包括POL的地址设置(Addr)以作为地址的函数来修改或设置一些设置(即，标识符或POL)，例如，相移、启用/禁用位(En)、修剪，和VID代码位。此外，地址在通过串行接口144进行通信操作过程中标识POL调节器。修剪输入允许连接一个或多个外部电阻以为POL调节器定义输出电压电平。同样，VID代码位可用于为期望的输出电压/电流电平编程POL调节器。启用/禁用位允许POL调节器通过切换数字高/低信号来打开/关闭。
POL控制器146接收POL调节器的设置并按优先顺序进行排列。如果通过硬连线设置接口150或串行接口144没有接收到设置信息，则POL控制器146访问存储在默认配置存储器148中的参数。或者，如果通过硬连线设置接口150接收到设置信息，则POL控制器146将应用这些参数。如此，默认设置将应用于无法或没有通过硬连线进行设置的所有参数。通过硬连线设置接口150接收的设置可以被通过串行接口144接收的信息覆盖。因此POL调节器可以在独立模式、完全可编程的模式或其组合下进行操作。这种编程灵活性可使许多不同的电源应用程序以单一的通用POL调节器加以满足，从而降低成本，并简化POL调节器的生产。
图5中显示了POL控制系统100的示范性系统控制器102。系统控制器102包括用户接口122、POL接口124、控制器126，以及存储器128。用户接口122通过用户接口总线从用户接收消息，以及向用户发送消息。可以通过串行的或并行的双向接口并使用标准接口协议(例如，I2C接口)来提供用户接口总线。诸如监控值或新系统设置之类的用户信息将通过用户接口122进行传输。POL接口124通过同步/数据和OK/故障串行总线从/向POL调节器转换数据。POL接口124通过同步/数据串行总线进行通信，以传输设置数据和接收监控数据，通过OK/故障串行总线进行通信，以接收中断信号，该信号表明在至少一个连接的POL调节器中发生了故障。存储器128包括用于存储连接到系统控制器102的POL调节器的系统设置参数(例如，输出电压、电流限制设定点、定时数据等等)的非易失性存储设备。可选地，一个辅助的、外部存储器132还可以连接到用户接口122以为监控数据或设置数据提供增强的存储容量。
控制器126在操作上连接到用户接口122、POL接口124和存储器128。控制器126具有一个外部端口，用于将禁用信号(FEDIS)传输到前端调节器104。在POL控制系统100启动时，控制器126从内部存储器128(和/或外部存储器132)读取系统设置，并通过POL接口124相应地对POL调节器进行编程。然后基于系统编程，对每一个POL调节器进行设置并以规定的方式进行启动。在正常操作期间，控制器126对来自用户或POL调节器的任何命令或消息进行解码并加以执行。控制器126监控POL调节器的性能，并通过用户接口122将此信息报告回用户。还可以由用户通过控制器126对POL调节器进行编程，以对诸如过电流或过电压的状况执行特定的、自治的反应。或者，可以对POL调节器进行编程以只将故障情况报告给系统控制器102，然后系统控制器102将根据预定义的设置(例如，通过FE DIS控制线关闭前端调节器)确定适当的校正操作。
还可以可选地提供监控块130，以通过同步/数据或OK/故障总线监控在操作上没有连接到控制器102的其他电源系统的一个或多个电压或电流电平的状态。监控块130可以将此信息提供给控制器126，以通过用户接口，以与涉及POL控制系统10的其他信息同样的方式报告给用户。这样，POL控制系统10可以提供与电子系统中已经存在的电源系统的某些向后兼容性。
POL控制系统10有四个不同的操作模式。在第一个操作模式中，在没有系统控制器的情况下并且在不与其他POL调节器进行交互的情况下，POL调节器独立地运转。每一个POL调节器都包括局部反馈和控制系统，以调节它们自己的性能以及控制接口，以便允许进行局部编程。POL调节器进一步包括默认设置，在没有局部编程或来自系统控制器的数据的情况下，可以回复到这些默认设置。换句话说，每一个POL调节器都可以作为一个独立的器件操作，而不需要系统控制器或不与另一个POL调节器进行交互。
在第二个操作模式中，POL调节器可以进行交互操作，以便在没有系统控制器的情况下进行电流共享或交织。POL调节器通过电流共享接口相互进行通信。同步/数据线可以用来传送同步信息，以允许POL调节器的相位交织，其中，通过硬连线连接输入一个地址，可以在本地对相位进行编程。
在第三个操作模式中，POL调节器作为一个阵列操作，在这种操作模式中，每一个POL调节器和整个阵列的行为由系统控制器进行协调。系统控制器通过同步/数据串行总线对每一个POL调节器的操作进行编程，从而覆盖POL调节器的预先确定的设置。同步/数据串行总线进一步用于传送同步信息，以允许POL调节器的同步和交织。此操作模式不包括通过电流共享接口的设备间的通信。
最后，第四个操作模式包括对某些功能使用系统控制器进行的中央控制和局部控制。这样，POL调节器作为一个由系统控制器进行协调的阵列操作，还彼此进行交互操作来执行诸如电流共享之类的功能。
应该理解，本发明的POL控制系统提供了优于现有技术的分布式功率分配系统的某些优点。本POL控制系统的复杂性变低，并要求较少的“胶”组件(例如，中介设备)，以便提供通信并控制许多POL调节器，从而降低POL控制系统的电路板空间量以及进行通信、控制和监控所需要的控制线的数量。POL控制系统可以轻松地扩展，其方式是，通过向阵列中添加POL调节器以便支持更高的电源要求，而不提高开销要求.
如此描述了控制和监控DC/DC电源转换器阵列的系统和方法的优选实施例，那些精通本技术的人员将知道，已经获得了系统的某些优点。应该理解，在不偏离本发明的范围和实质的情况下，可以进行各种修改、以及其他实施例。由下面的权利要求对本发明进行进一步的限定。

Claims (31)

1.一种电源控制系统，包括：
多个负载点(POL)调节器；
至少一条串行数据总线，可操作地连接所述多个负载点调节器；以及
连接到所述至少一条串行数据总线并用于在所述多个负载点调节器之间发送和接收数字数据的系统控制器，
其中在所述系统控制器和所述多个负载点调节器之间的所述至少一条串行数据总线上承载编程、控制和监控信息。
2.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述至少一条串行数据总线进一步包括第一数据总线，在所述系统控制器和所述多个负载点调节器之间传送所述编程、控制和监控信息。
3.根据权利要求2所述的电源控制系统，其特征在于，所述至少一条串行数据总线进一步包括第二数据总线，在所述系统控制器和所述多个负载点调节器之间传送故障管理信息。
4.根据权利要求1所述的电源控制系统，进一步包括一个前端调节器，用于在中间电压总线上向所述多个负载点调节器提供中间电压。
5.根据权利要求4所述的电源控制系统，其特征在于，所述前端调节器在一个单一的器件中与所述系统控制器结合。
6.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述系统控制器进一步包括一个用户接口，用于与用户之间传送至少一个所述监控和控制信息。
7.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述多个负载点调节器的每一个进一步包括器件内接口，用于与所述多个负载点调节器中至少另一个负载点调节器之间传送交互信息。
8.根据权利要求7所述的电源控制系统，其特征在于，所述交互信息进一步包括电流共享信息，用于所述多个负载点调节器之间的并行操作。
9.根据权利要求4所述的电源控制系统，其特征在于，所述多个负载点调节器的每一个都进一步包括功率转换电路，用于将所述中间电压转换为期望的输出电压。
10.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述多个负载点调节器的每一个都进一步包括用于与所述至少一条串行数据总线进行通信的至少一个串行接口。
11.根据权利要求10所述的电源控制系统，其特征在于，所述多个负载点调节器的每一个都进一步包括一个硬连线接口，允许在经过所述串行接口从所述系统控制器接收的数据不存在的情况下进行编程。
12.根据权利要求11所述的电源控制系统，其特征在于，所述硬连线接口进一步包括至少一个外部电阻的输入启用连接，以定义所述多个负载点调节器中的对应的一个的输出电压。
13.根据权利要求11所述的电源控制系统，其特征在于，所述硬连线接口进一步包括一个地址接口，用于接收所述多个负载点调节器中的每一个的唯一标识地址。
14.根据权利要求11所述的电源控制系统，其特征在于，所述硬连线接口进一步包括用于接收电压标识(VID)代码的电压标识(VID)接口。
15.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述多个负载点调节器的每一个进一步包括一个存储器，该存储器包含默认配置设置，在从所述系统控制器接收的数据不存在的情况下，可以恢复到这些默认配置设置。
16.一种控制多个负载点(POL)调节器的方法，包括：
接收编程参数；
通过在操作上连接到所述多个负载点调节器的公用数据总线基于所述编程参数传输数字编程数据；以及
通过所述公用数据总线从所述多个负载点调节器接收性能监控信息。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述接收编程参数的步骤进一步包括从用户接收编程参数。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述接收编程参数的步骤进一步包括从本地存储器接收编程参数。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述接收编程参数的步骤进一步包括从一个外部存储器接收编程参数。
20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括通过在操作上连接到所述多个负载点调节器的第二数据总线接收所述多个负载点调节器的故障信息。
21.根据权利要求20所述的方法，响应所述负载点调节器中的至少一个的故障，对所述多个负载点调节器中的多个负载点调节器进行通用的校正操作。
22.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在非易失性存储器中存储所述接收到的编程参数。
23.一种负载点调节器，包括：
电源转换电路，用于将中间电压转换为输出电压；
串行数据总线接口，用于通过连接在串行数据总线接口和系统控制器之间的外部串行数据总线与系统控制器之间传输编程、控制和监控信息；以及
与所述串行数据总线接口和所述电源转换电路连接的控制器，所述控制器用于响应所述编程信息确定所述电源转换电路的操作参数，并响应所述电源转换电路的操作特征生成所述监控信息。
24.根据权利要求23的负载点调节器，进一步包括设备间接口，用于与至少一个其它负载点调节器传输交互信息。
25.根据权利要求24的负载点调节器，其中所述交互信息进一步包括电流共享信息，用于与所述至少另一个调节器的并行操作。
26.根据权利要求23的负载点调节器，进一步包括与所述控制器耦接的硬连线接口，允许所述控制器在不从所述串行数据总线接口接收所述编程信息的情况下确定所述操作参数。
27.根据权利要求26的负载点调节器，其中所述硬连线接口进一步包括输入端，允许与至少一个外部电阻的连接，以限定所述电源转换电路的输出电压。
28.根据权利要求26的负载点调节器，其中所述硬连线接口进一步包括地址接口，用于接收唯一标识地址。
29.根据权利要求26的负载点调节器，其中所述硬连线接口进一步包括电压标识(VID)接口，用于接收电压标识(VID)码。
30.根据权利要求23的负载点调节器，进一步包括包含默认配置设置的存储器，以便在不存在从所述串行数据总线接口接收的所述编程信息的情况下恢复。
31.根据权利要求23的负载点调节器，进一步包括耦接到所述控制器的第二串行数据接口，所述控制器通过所述第二串行数据接口传输所述电源转换电路的故障状态。
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