CN101656431B - 一种分布式供电系统的数字管理系统和方法 - Google Patents

一种分布式供电系统的数字管理系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式供电系统的数字管理系统和方法。它包含一个数字电源控制器,可以完成对中间总线后级所有功率模块的数字闭环控制,并通过数字电源控制器与上位机的PMBus通讯,实现对整个电源系统的管理。本发明充分地利用了数字电源控制器的运算能力和外设资源,将系统中每一个功率模块输出电压的闭环控制集成到数字电源控制器中,省去每个功率模块所需的模拟/数字控制器,从而降低整个系统的实现成本,而且可以提高控制的灵活性。同时,该数字电源控制器又通过高效的PMBus通讯,支持上位机对系统的控制、监视和故障记录等功能,进一步提高系统性能。因此,该方案以更低的系统成本获取了更高的系统综合性能。

Description

一种分布式供电系统的数字管理系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及分布式供电电源系统,具体地说,是一种对中间总线后级电路数字控 制管理的系统和实现方法。
背景技术
[0002] 随着电子及通讯技术的发展,电子系统越来越复杂,对通信电源功率密度和可靠 性的要求也越来越高。通常一个电子系统中需要2. 5V,3. 3V等多种低输出电压且具有高稳 压精度的电源,同时,这些电源一般需要输出较大的电流(如100A),而且要高速变化(最高 达1000Α/μ s)。因此,供电电源在物理位置上应该尽可能靠近负载,否则会造成很大的损耗 并影响系统稳定性,传统的多路输出已经无法满足上述要求。
[0003] 为了解决以上问题,中间总线结构的分布式供电系统(如图1所示)目前已被广 泛采用。该系统分为两级,第一级将整个系统的交流输入电压整流并转换为中间总线电压 (典型值为8-12V),同时实现电气隔离,第二级采用多个非隔离的DC/DC模块(非隔离DC/ DC模块包括点负载电源POL和电压调节模块VRM。如图1-图4中,我们以常用的POL为例, 来进行说明)将中间总线电压转换成各种系统需要的供电电压。其中,每个POL靠近某一 特定负载供电,功率相对较小,有利于提高可靠性。
[0004] 一个典型的分布式供电系统包括多个P0L,如何管理和控制这些POL就变得很重 要。为了更好地管理整个分布式供电系统,需要对其中每个POL的不同参数都进行精密的 控制、诊断和监视。目前,对分布式供电系统中POL的控制管理存在三种方式:模拟方式、采 用电源排序器的方式和采用多个数字控制器的方式。
[0005] 分布式供电系统的模拟实现方案如图2所示,系统中POL均采用传统的模拟控制。 整个系统技术成熟,成本较低,目前应用广泛。这种方案的缺点是上位机难以获得系统中 POL的工作状态,亦无法在线对其进行控制和管理。
[0006] 为了弥补传统模拟方案的不足,伊博电源(BEL Power)的中国专利申请 2008101632003提出了一种新的架构,即采用数字电源排序器的方案,如图3所示。在这种 方案中,POL依然采用模拟闭环控制,同时上位机可以利用本地控制总线(PM总线),通过伊 博电源公司的数字电源排序器来管理所有的P0L,实现每个POL的上电/断电排序、输出电 压裕量调节和电压监控、故障记录等功能。这种控制方式实现了上位机对电源的在线管理, 但对POL的闭环控制不够灵活。
[0007] 随着数字电源技术的发展,出现了一种采用多个数字控制器的分布式供电系统, 如图4所示。系统中每一个POL由一个控制器进行独立的数字闭环控制和保护,同时每一 个数字控制器均可作为本地总线上的从器件与上位机进行通讯。这种控制实现方案不仅 保留了上一种方案中上位机对电源的各种在线管理功能,而且大大提高了系统设计的灵活 性。但是,由于每个POL的控制都需要一个数字控制器,所以该方案实现成本较高,且通讯 效率较低。发明内容
[0008] 本发明要解决的是现有技术存在的上述问题,进一步降低分布式供电电源系统的 成本,旨在提出了一种新的分布式供电系统架构及其方法。
[0009] 为解决上述问题,本发明采用以下技术方案:一种分布式供电系统的数字管理系 统,包括一个数字电源控制器和对应于多路输出的一组功率模块,其特征在于:
[0010] 所述的数字电源控制器前端与上位机的PMBus通讯,后端接一组功率模块;所述 的数字电源控制器包括将功率模块输出的模拟信号转化为数字信号的模数转换模块、数字 脉宽调制模块、以及用于计算处理并输出系统运行参数和控制信号的中央处理单元;
[0011] 所述的功率模块本身不包括闭环控制和其他保护功能,只包含非隔离DC/DC变换 器的功率部分、接收数字脉宽调制模块发出的脉宽调制信号的驱动电路、以及用于采样系 统运行参数并转化为模拟电压信号输出的采样及信号转换电路,由数字电源控制器对其进 行数字闭环控制和监控保护。
[0012] 这种方案充分地利用了数字电源控制器的运算能力和外设资源,将系统中每一个 功率模块输出电压的闭环控制集成到数字电源控制器中,省去每个功率模块所需的模拟/ 数字控制器,从而降低整个系统的实现成本,而且可以提高控制的灵活性。同时,该数字电 源控制器又通过高效的PMBus通讯,支持上位机对系统的控制、监视和故障记录等功能,进 一步提高系统性能。因此,该方案以更低的系统成本获取了更高的系统综合性能。
[0013] 作为本发明的进一步改进,所述的数字电源控制器还设有用于保存故障现场信息 的非易失性存储器。
[0014] 作为本发明的再进一步改进,所述的数字电源控制器后端还连接有一路或多路带 控制的非隔离DC/DC模块,所述每路带控制的非隔离DC/DC包括一个带模拟闭环控制的点 负载电源或者一个由模拟闭环控制的电压调节模块。
[0015] 根据本发明,所述的系统运行参数包括输出电压、负载电流、输入电压和工作温 度,所述的控制信号包括关闭功率模块、重启功率模块或延时后重启。
[0016] 本发明还要提供一种分布式供电系统的数字管理系统方法,由数字电源控制器 完成对中间总线后级多路功率模块的数字闭环控制,并通过数字电源控制器与上位机的 PMBus通讯,实现对整个电源系统的管理,包括以下步骤:
[0017] 功率模块中的非隔离DC/DC变换器的功率部分将由中间总线传送的电压变换后 输出功率;功率模块中的采样及信号转换电路采样系统运行参数并转换为模拟电压信号输 出;功率模块中的驱动电路接收数字电源控制器发出的脉宽调制信号;所述的功率模块本 身不包括闭环控制及保护动作电路;
[0018] 数字电源控制器通过模数转换模块采样功率模块的输出电压,与控制器内部设定 的数字基准值比较,得到的误差信号经过数字控制算法后,调节数字脉宽调制模块输出占 空比的大小,从而控制功率模块的输出电压;控制相应的数字基准软启动/软关闭时序,对 功率模块的上电/断电时序进行控制;通过改变数字基准的大小,实现各功率模块输出电 压的裕量调节;根据系统性能对系统运行参数敏感程度的不同,数字电源控制器对各参数 进行不同频率的轮循监视,一旦功率模块出现故障,则数字电源控制器会根据故障原因并 按照一定的优先级设置,做出相应的保护动作;同时向上位机提供所需的工作状态及故障 检测报告。[0019] 作为本发明的进一步改进,所述的数字电源控制器将故障现场信息保存在非易失 性存储器中。所述的系统运行参数包括输出电压、负载电流、输入电压和工作温度,所述的 保护动作包括关闭功率模块、重启功率模块或延时后重启。
[0020] 作为本发明的更进一步改进,在数字电源控制器固件中集成了 BootLoader功能, 利用已有的PMBus作为通讯接口,实时更新数字电源控制器中运行的程序来满足客户各种 新的需求。
附图说明
[0021] 图1是现有中间总线结构的分布式供电系统的结构示意图。
[0022] 图2是现有模拟的分布式供电系统的结构示意图。
[0023] 图3是现有采用数字电源排序器的分布式供电系统的结构示意图。
[0024] 图4是现有采用多个数字控制器的分布式供电系统的结构示意图。
[0025] 图5是本发明分布式供电系统的数字管理系统的结构示意图。
[0026] 图6是本发明功率模块的结构示意图。
[0027] 图7是本发明包含模拟控制VRM实施方式的结构示意图。
具体实施方式
[0028] 参照图5、6,本发明的一种分布式供电系统的数字管理系统,包括一个数字电源控 制器和对应于多路输出的一组功率模块,其中:
[0029] 所述的数字电源控制器前端与上位机的PMBus通讯,后端接一组功率模块;所述 的数字电源控制器包括将功率模块输出的模拟信号转化为数字信号的模数转换模块、数字 脉宽调制模块、以及用于计算处理并输出系统运行参数和控制信号的中央处理单元;
[0030] 所述的功率模块本身不包括闭环控制和其他保护功能,只包含非隔离DC/DC变换 器的功率部分、接收数字脉宽调制模块发出的脉宽调制信号的驱动电路、以及用于采样系 统运行参数并转化为模拟电压信号输出的采样及信号转换电路,由数字电源控制器对其进 行数字闭环控制和监控保护。
[0031] 所述的数字电源控制器还设有用于保存故障现场信息的非易失性存储器。所述的 数字电源控制器后端还连接有一路或多路带控制的点负载电源,所述每路带控制的点负载 电源包括一个点负载电源和一个由模拟闭环控制的电压调节模块。所述的系统运行参数包 括输出电压、负载电流、输入电压和工作温度,所述的控制信号包括关闭功率模块、重启功 率模块或延时后重启。
[0032] 上述分布式供电系统的数字管理系统按以下方法进行管理:由数字电源控制器 完成对中间总线后级多路功率模块的数字闭环控制,并通过数字电源控制器与上位机的 PMBus通讯,实现对整个电源系统的管理,具体包括以下步骤:
[0033] 功率模块中的非隔离DC/DC变换器的功率部分将由中间总线传送的电压变换后 输出功率;功率模块中的采样及信号转换电路采样系统运行参数并转换为模拟电压信号输 出;功率模块中的驱动电路接收数字电源控制器发出的脉宽调制信号;所述的功率模块本 身不包括闭环控制及保护动作电路;
[0034] 数字电源控制器通过模数转换模块采样功率模块的输出电压,与控制器内部设定的数字基准值比较,得到的误差信号经过数字控制算法后,调节数字脉宽调制模块输出占 空比的大小,从而控制功率模块的输出电压;控制相应的数字基准软启动/软关闭时序,对 功率模块的上电/断电时序进行控制;通过改变数字基准的大小,实现各功率模块输出电 压的裕量调节;根据系统性能对系统运行参数(如输出电压、负载电流、输入电压和工作温 度等)敏感程度的不同,数字电源控制器对各参数进行不同频率的轮循监视,一旦功率模 块出现故障,则数字电源控制器会根据故障原因并按照一定的优先级设置,做出关闭功率 模块、重启功率模块或延时后重启等的保护动作,并将故障现场信息保存在非易失性存储 器中;同时向上位机提供所需的工作状态及故障检测报告。
[0035] 在数字电源控制器固件中集成了 BootLoader功能,利用已有的PMBus作为通讯接 口,实时更新数字电源控制器中运行的程序来满足客户各种新的需求。
[0036] 该系统的主要特点包括:
[0037] ①功率模块
[0038] 非隔离功率模块的拓扑结构可以是BUCK、BOOST或BUCKB00ST等(如图6所示, 以BUCK为例)。除功率传递电路外,功率模块还具备采样及信号转换电路,可以采样输出电 流,工作温度等,并转换为模拟电压信号提供给模块外部的控制器。另外,功率模块上的驱 动电路接收外部控制器发出的脉宽调制(PWM)信号,从而实现功率模块的输出电压控制以 及各种保护功能。功率模块本身不包括闭环控制及保护动作电路,因此可以降低成本。
[0039] ②数字闭环控制
[0040] 伊博电源公司的数字电源控制器集成了对多路功率模块进行数字闭环控制的功 能。通过模数转换(ADC)模块采样功率模块的输出电压,与控制器内部设定的数字基准值 比较,得到的误差信号经过数字控制算法后,调节数字脉宽调制(DPWM)模块输出占空比的 大小,从而控制功率模块的输出电压稳定。每一路功率模块均可有不同的数字基准和闭环 补偿参数。由于闭环控制已数字化,因此可以采用非线性或异步等模拟控制难以实现的算 法来进一步提升电源性能,并且避免了模拟闭环中元器件的公差、老化及温漂等对控制性 能的影响。
[0041] ③输出电压管理
[0042] 由于采用数字闭环控制,功率模块从启动开始就一直处在精确的输出电压控制 中,因此只需控制相应的数字基准软启动/软关闭时序,即可对功率模块的上电/断电时序 进行控制,也可以通过改变数字基准的大小,轻松实现各功率模块输出电压的裕量调节。
[0043] ④故障侦测及处理
[0044] 对功率模块所提供的体现其工作状态的关键参数,如输出电压、负载电流、输入电 压和工作温度等,根据系统性能对其敏感程度的不同,数字电源控制器对各参数进行不同 频率的轮循监视。一旦功率模块出现故障,则数字电源控制器会根据故障原因并按照一定 的优先级设置,做出关闭功率模块、重启功率模块或延时后重启等不同的保护动作,同时将 故障的现场信息保存在控制器中的非易失性存储空间(例如Flash等)中,以便事后分析。
[0045] ⑤PMBus通讯及图形用户界面(⑶I)
[0046] 数字电源控制器集中了所有功率模块的信息,它作为一个PMBus上的从器件与上 位机进行高效率的实时通讯,接受上位机的用户命令,设置各功率模块的运行参数,并提供 上位机所需的工作状态及故障检测报告,从而实现上位机对整个系统的监控和管理。上位机中包含GUI,用户可以利用直观的软件界面实时控制闭环补偿参数、保护动作阈值和输出 电压大小及时序等各种参数,并监控系统的运行状态。另外,在数字电源控制器固件中集成 了 BootLoader功能,利用已有的PMBus作为通讯接口,可以实时更新数字电源控制器中运 行的程序来满足客户各种新的需求。这样,不仅克服了传统模拟控制芯片设计成型就很难 更改的缺点,而且降低了芯片的开发成本,不需要为每次的修改设计重新流片,只要更新程 序即可。
[0047] 参照图7,本发明的另一实施方式。该实施方式是在图5、6实施方式的基础上,在 所述的数字电源控制器后端还可以连接有一路或多路带控制的点负载电源,所述每路带控 制的点负载电源包括一个由模拟闭环控制的电压调节模块,可以是P0L,也可以是VRM,数 字控制器,仍然可以提供数字管理功能对其实行管理。其余结构与图5、6实施方式相同。
[0048] 应该理解到的是:上述实施例只是对本发明的说明,而不是对本发明的限制,任何 不超出本发明实质精神范围内的发明创造,均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种分布式供电系统的数字管理系统,包括一个数字电源控制器和对应于多路输出 的一组功率模块,其特征在于:所述的数字电源控制器前端与上位机的PMBus通讯,后端接一组功率模块;所述的数 字电源控制器包括将功率模块输出的模拟信号转化为数字信号的模数转换模块、数字脉宽 调制模块、以及用于计算处理并输出系统运行参数和控制信号的中央处理单元;所述的功率模块本身不包括闭环控制和其他保护功能,只包含非隔离DC/DC变换器的 功率部分、接收数字脉宽调制模块发出的脉宽调制信号的驱动电路、以及用于采样系统运 行参数并转化为模拟电压信号输出的采样及信号转换电路,由数字电源控制器对其进行数 字闭环控制和监控保护。
2.如权利要求1所述的分布式供电系统的数字管理系统,其特征在于所述的数字电源 控制器还设有用于保存故障现场信息的非易失性存储器。
3.如权利要求1所述的分布式供电系统的数字管理系统,其特征在于所述的数字电 源控制器后端还连接有一路或多路带控制的非隔离DC/DC模块,所述每路带控制的非隔离 DC/DC模块包括一个带模拟控制的点负载电源或者一个由模拟闭环控制的电压调节模块。
4.如权利要求1-3任何一项所述的分布式供电系统的数字管理系统,其特征在于所述 的系统运行参数包括输出电压、负载电流、输入电压和工作温度,所述的控制信号包括关闭 功率模块、重启功率模块或延时后重启。
5. 一种分布式供电系统的数字管理方法,由数字电源控制器完成对中间总线后级多路 功率模块的数字闭环控制,并通过数字电源控制器与上位机的PMBus通讯,实现对整个供 电系统的管理,包括以下步骤:功率模块中的非隔离DC/DC变换器的功率部分将由中间总线传送的电压变换后输出 功率;功率模块中的采样及信号转换电路采样系统运行参数并转换为模拟电压信号输出; 功率模块中的驱动电路接收数字电源控制器发出的脉宽调制信号;所述的功率模块本身不 包括闭环控制及保护动作电路;数字电源控制器通过模数转换模块采样功率模块的输出电压,与控制器内部设定的数 字基准值比较,得到的误差信号经过数字控制算法后,调节数字脉宽调制模块输出占空比 的大小,从而控制功率模块的输出电压;控制相应的数字基准软启动/软关闭时序,对功率模 块的上电/断电时序进行控制;通过改变数字基准的大小,实现各功率模块输出电压的裕量 调节;根据系统性能对系统运行参数敏感程度的不同,数字电源控制器对各参数进行不同频 率的轮循监视,一旦功率模块出现故障,则数字电源控制器会根据故障原因并按照一定的优 先级设置,做出相应的保护动作;同时向上位机提供所需的工作状态及故障检测报告。
6.如权利要求5所述的分布式供电系统的数字管理方法,其特征在于所述的数字电源 控制器将故障现场信息保存在非易失性存储器中。
7.如权利要求5所述的分布式供电系统的数字管理方法,其特征在于所述的系统运行 参数包括输出电压、负载电流、输入电压和工作温度,所述的保护动作包括关闭功率模块、 重启功率模块或延时后重启。
8.如权利要求5-7任何一项所述的分布式供电系统的数字管理方法,其特征在于在数 字电源控制器固件中集成了 BootLoader功能,利用已有的PMBus作为通讯接口,实时更新 数字电源控制器中运行的程序来满足客户各种新的需求。
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