CN101803167A - 供电系统和电压稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供供电系统和电压稳定方法，其能够将电路面积和成本上升抑制得较小，同时稳定地对负载供给电力。在绝缘转换器(10)与非绝缘转换器(20)之间配置有电压稳定电路(40)，在来自绝缘转换器(10)的输入电压(Vin)上升的情况下，经由电容器(41)向晶体管(45)中流入基极电流(Ib)，由此，在晶体管(41)的集电极中流过基极电流(Ib)的hfe倍的集电极电流(Ic)，由此，产生与在电力供给线(31)和地(32)之间插入如下电容器大致相同的效果：该电容器具有相当于电容器(41)的静电容量(C)的hfe倍的静电容量，该hfe是晶体管(45)的电流放大率。

Description

供电系统和电压稳定方法

技术领域

本发明涉及用于网络设备及服务器设备等的供电系统和该供电系统中的电压稳定方法。

背景技术

在网络设备和服务器设备等电子设备中，有些电子设备具有向负载电流大幅高速变化的负载稳定地供给电力的供电系统，在这种供电系统中，为了稳定随负载电流变化而变动的电压，一般在电力供给线与地之间配备电容器。

图5是示出现有的供电系统的电路结构的图。

图5所示的供电系统100具有：绝缘转换器10、非绝缘转换器20、电力供给线31、地32、配备在这些电力供给线31与地32之间的电容器110、以及配备在非绝缘转换器20的输出侧的电容器120。电容器110、120的静电容量较大，因此，这些电容器110、120的尺寸也较大。

绝缘转换器10与较高电压Ein(例如48V的直流电压)的电源200相连。该绝缘转换器10是所谓的降压型DC-DC转换器，其从电压Ein的电源200接受电力供给，生成比该电压Ein低的电压Vin(例如12V的直流电压)的电力。绝缘转换器10的电路结构后述，该绝缘转换器10被电源200施加了较高的电压Ein，因此，该绝缘转换器10例如被安装在形成有以能够充分应对该高电压Ein的方式构图的布线图案等的电路基板上。并且，该绝缘转换器10还是利用后述的绝缘变压器输入输出之间被直流绝缘的绝缘转换器。因此，针对来自外部的雷等的突波(surge)的耐受性优良。

由绝缘转换器10生成的电压Vin的电力被储存在电容器110中，并被提供给非绝缘转换器20。非绝缘转换器20是降压型DC-DC转换器，其接受来自绝缘转换器10的电压Vin的电力供给，生成比该电压Vin低的电压VL(例如3V的直流电压)的电力。非绝缘转换器20的结构后述，该非绝缘转换器20被绝缘转换器10施加了较低电压Vin，因此，该非绝缘转换器20例如与电容器110、120和负载300一起，被安装在形成有传送逻辑信号的布线图案等的电路基板上。

这里，简单说明绝缘转换器10和非绝缘转换器20的结构。另外，图5所示的绝缘转换器10、非绝缘转换器20的结构图相当于用于说明现有的供电系统所具有的绝缘转换器、非绝缘转换器的原理的原理图。

绝缘转换器10具有：与电压Ein的电源200连接的绝缘变压器11、二极管12、13、扼流圈14、电容器15、控制电路16以及开关元件17。控制电路16通过将开关元件17接通、断开来驱动绝缘变压器11，使得来自绝缘转换器10的电压Vin达到一定的电压值。由此，在绝缘变压器11中感应出交流电压。该交流电压被二极管12、13进行整流，然后由扼流圈14和电容器15进行稳定，作为电压Vin的电力而输出。该电压Vin的电力被储存在电容器110中，并被提供给非绝缘转换器20。

另一方面，非绝缘转换器20具有：控制电路21、开关元件22、二极管23、扼流圈24以及电容器25。控制电路21将开关元件22接通、断开，使得来自非绝缘转换器20的电压VL达到一定的电压值，将电压Vin的电力提供给由二极管23、扼流圈24以及电容器25构成的电力稳定部进行稳定，作为电压VL的电力而输出。该电压VL的电力被储存在电容器120中，并被提供给负载300。

这里，在流过负载300的负载电流发生变动的情况下，由于在配备在电力供给线31与地32之间的电容器110以及配备在非绝缘转换器20的输出侧的电容器120中，储存有与这些电容器110、120的静电容量对应的电力，所以，能够稳定地对负载300供给电力。

此外，例如在专利文献1中提出了如下的供电系统：该供电系统具有配备在斩波电路与开关电路之间的备用(dummy)负载电路，上述斩波电路通过接通、断开直流电压而利用电感元件进行电能的储存和释放，由此来控制电力，上述开关电路将由该斩波电路进行电力控制的直流电压转换为交流电压，向放电灯供给交流电力，上述备用负载电路在该开关电路的停止期间工作，向电感元件流过备用电流。在该供电系统中，即使在开关电路的停止期间中，在电感元件中也有备用电流流过，由此能够防止在开关电路的停止期间中切断流过电感元件的电流，因此，防止了从电感元件产生拍音。

专利文献1：日本特开平7-295666号公报

这里，在参照图5而说明的供电系统100中，为了稳定地对负载300供给电力，需要在电力供给线31与地32之间配备电容器110，而且还需要在非绝缘转换器20的输出侧配备电容器120。近年来，随着CPU(Central Processing Unit)等所谓数字负载日益向低电压化、大电流化和高速动作化发展，配备在电力供给线与地之间的电容器的静电容量也日益增大。例如，该电容器的静电容量已达到几千μF～几万μF。另一方面，随着装置的小型化、高密度安装化的发展，用来配备电容器的空间(物理电路面积)受到限制，因而在上述供电系统100中，存在如下问题：从物理电路面积和成本方面考虑，很难配备静电容量足够大的电容器。

此外，在专利文献1所提出的供电系统中，虽然防止了拍音的产生，但在该专利文献1中，未涉及稳定地对负载供给电力这一点。这里，在无法稳定地对负载供给电力的情况下，可能导致起负载作用的电子电路等的误动作，所以，稳定地对负载供给电力的技术极为重要。

发明内容

本发明的目的在于，鉴于上述情况而提供供电系统和电压稳定方法，其能够将电路面积和成本上升抑制得较小，同时稳定地对负载供给电力。

实现上述目的的供电系统的特征在于，该供电系统具有：第1转换器，其从第1电压的电源接受电力供给，生成比该第1电压低的第2电压的电力；第2转换器，其从所述第1转换器接受第2电压的电力供给，生成比该第2电压低的第3电压的电力，将其提供给负载；以及电压稳定电路，其配置在所述第1转换器与所述第2转换器之间，监视所述第2电压的变动，且在该第2电压的电力供给线与地之间形成电流路径，根据该监视的结果来调节流过该电流路径的电流量，由此使该第2电压稳定。

在本发明的供电系统中，在流过负载的负载电流发生变动的情况下，调节流过电力供给线和地之间形成的电流路径的电流量，由此使来自第1转换器的第2电压稳定，将稳定后的第2电压的电力提供给第2转换器，该第2转换器向负载供给比第2电压低的第3电压的电力。这里，调整流过电力供给线与地之间形成的电流路径的电流量而使第2电压稳定的电压稳定电路，如实施方式所示，可以由尺寸小的电路元件构成。因此，不需要在电力供给线与地之间配备大尺寸的电容器，例如，即使该电压稳定电路的稳定水平略微不够充分，但只要在电力供给线与地之间配备小尺寸的电容器即可，从而能够将电路面积和成本上升抑制得较小，同时稳定地对负载供给电力。或者，在通过设置该电压稳定电路而实现了足够的稳定时，无需在电力供给线与地之间配备电容器，即可将电路面积和成本上升抑制得较小，同时稳定地对负载供给电力。

另外，在本发明的供电系统中，将电压稳定电路配置在第1转换器与第2转换器的中间，使作为第1转换器的输出的第2电压稳定。

这里，即使配置了电压稳定电路，也不意味着可以完全实现稳定，当负载急剧变化时，可能产生例如最大2VP-P左右的变动，这对于该电压稳定电路的电路结构也是如此。另一方面，在起负载作用的电子电路等例如由接受3V等低电压的电力供给而工作的CPU等构成的情况下，即使在该3V的电力线上配置可能产生最大2VP-P的变动的电压稳定电路，也可能不起作用。在本发明的供电系统中，将电压稳定电路配置在电压较高的第1转换器的输出侧，即第2转换器的输入侧，因此，使该较高电压得到了充分的电压稳定，然后经由第2转换器对该稳定后的电压进一步进行稳定，因此，即使负载急剧变动，也能够向该负载供给稳定的电压电力。

而且，在本发明的供电系统中，设置了输入输出之间被直流绝缘的第1转换器，所以，针对来自外部的突波电压的耐受性出色。另外，被供给了来自第1转换器的由电压稳定电路进行稳定后的第2电压的电力的第2转换器的负载响应性优良，这些第1转换器、第2转换器均是降压型DC-DC转换器，所以，能够良好地应对低电压、大电流且高速动作的CPU等数字负载。

这里，优选的是，所述电压稳定电路具有：串联连接在所述电力供给线与地之间的、该电力供给线侧的电容器和地侧的第1电阻；二极管，其阴极与所述电容器和所述第1电阻的连接节点连接，阳极与地连接；以及串联连接在所述电力供给线与地之间的第2电阻和有源元件，该有源元件具有与所述连接节点连接的控制端子，且该有源元件的阻抗根据该连接节点的电压而变化。

此外，优选的是，所述第1转换器是输入输出之间被直流绝缘的绝缘转换器，所述第2转换器是非绝缘转换器。

本发明的典型方式是，优选采用输入输出之间被直流绝缘的绝缘转换器作为第1转换器，采用非绝缘转换器作为第2转换器。

而且，作为优选方式，还优选所述有源元件是从晶体管、FET、IGBT、SIT等有源元件中选择的任一个。

当具有这种电压稳定电路时，例如在第2电压上升的情况下，经由电容器而向有源元件(这里以晶体管为例进行说明)流入基极电流，由此，在该晶体管的集电极中流过是基极电流的电流放大率hfe倍的集电极电流。因此，能够产生与在电力供给线和地之间插入如下电容器大致相同的效果：该电容器具有相当于上述电容器的静电容量的、晶体管的电流放大率hfe倍的静电容量。因此，能够利用尺寸小的电容器和晶体管等电路元件来构成电压稳定电路，能够将电路面积和成本上升抑制得较小，同时稳定地对负载供给电力。

此外，实现上述目的的本发明的电源稳定方法中的供电系统具有：第1转换器，其从第1电压的电源接受电力供给，生成比该第1电压低的第2电压的电力；以及第2转换器，其从该第1转换器接受第2电压的电力供给，生成比该第2电压低的第3电压的电力，将其提供给负载，该电压稳定方法的特征在于，监视所述第2电压的变动，形成该第2电压的电力供给线与地之间的电流路径，根据该监视的结果来调节流过该电流路径的电流量。

本发明的电源稳定方法是这样的方法：监视来自第1转换器的第2电压的变动，形成该第2电压的电力供给线与地之间的电流路径，根据该监视的结果来调节流过该电流路径的电流量。这里，实现本发明的电源稳定方法所需要的用于调节流过上述电流路径的电流量的电路，可以由尺寸较小的电路元件构成。因此，能够提供这样的电源稳定方法：其能够将电路面积和成本上升抑制得较小，同时稳定地对负载供给电力。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的供电系统的电路结构的图。

图2是用于说明图1所示的电压稳定电路的结构和动作的图。

图3是示出图2所示的电压稳定电路中的各部的波形的图。

图4是示出与图1、图2所示的电压稳定电路不同的电压稳定电路的结构的图。

图5是示出现有的供电系统的电路结构的图。

具体实施方式

下面，说明本发明的实施方式。

图1是示出本发明的一个实施方式的供电系统的电路结构的图。

另外，对与所述图5所示的供电系统100的结构要素相同的结构要素标注同一标号，说明不同点。

图1所示的供电系统1与图5所示的供电系统100相比，不同点在于以下两点：将图5所示的电容器110置换为电压稳定电路40；以及去除了图5所示的电容器120。此外，图1所示的供电系统1应用了本发明的电压稳定方法的一个实施方式。

图1所示的供电系统1具有：绝缘转换器10(相当于本发明所说的第1转换器)，其从电压Ein(相当于本发明所说的第1电压，例如为48V的直流电压)的电源200接受电力供给，生成比该电压Ein的电压低的电Vin(相当于本发明所说的第2电压，例如为12V的直流电压)的电力；非绝缘转换器20(相当于本发明所说的第2转换器)，其从绝缘转换器10接受电压Vin的电力供给，生成比该电压Vin低的电压VL(相当于本发明所说的第3电压，例如为3V的直流电压)的电力；以及配置在这些绝缘转换器10与非绝缘转换器20之间的电压稳定电路40。

电压稳定电路40是这样的电路：其监视电压Vin的变动，在该电压Vin的电力供给线31与地32之间形成电流路径，根据该监视的结果来调节流过该电流路径的电流量，由此来稳定电压Vin。另外，在图1中，用Vin表示由电压稳定电路40稳定前的电压，用Vout表示由该电压稳定电路40稳定后的电压。

该电压稳定电路40具有串联连接在电力供给线31与地32之间的、电力供给线31侧的电容器41和地32侧的第1电阻42。并且，电压稳定电路40具有二极管43，该二极管43的阴极与电容器41和第1电阻42的连接节点A连接，阳极与地32连接。而且，电压稳定电路40具有串联连接在电力供给线31与地32之间的第2电阻44和晶体管45(通常的双极晶体管，相当于本发明所说的有源元件的一例)，上述晶体管45具有与上述连接节点A连接的基极(相当于本发明所说的控制端子)，该晶体管45的阻抗根据该连接节点A的电压而变化。

这里，参照图2和图3来说明电压稳定电路40的动作。

图2是用于说明图1所示的电压稳定电路的结构和动作的图。图3是示出图2所示的电压稳定电路中的各部的波形的图。

为了说明图1所示的电压稳定电路40的动作，图2简略地示出了图1所示的供电系统1的电路结构。即，在该图2中，示出了电压Ein的电源200、寄生在绝缘转换器10和供电线中的阻抗10_1、电压稳定电路40、以及由非绝缘转换器20和负载电路300构成的负载电路400。

这里，设流过负载电路400的负载电流Iload在图3所示的期间t1中减小。于是，由电压稳定电路40稳定前的电压Vin(称为输入电压Vin)上升。于是，经由电容器41向晶体管45中流入基极电流Ib，由此，晶体管41处于有源状态，在晶体管41的集电极中流过是基极电流Ib的hfe(电流放大率)倍的集电极电流Ic。其结果，由第1电阻42和晶体管45的集电极电流Ic对表示由电压稳定电路40稳定后的电压Vout(称为输出电压Vout)的变动量(这里为上升量)的变动电流进行旁通，因此，电压Vout的变动被抑制得较小。即，输出电压Vout的变动量停留在对初始输出电压Vout加上晶体管45的基极-发射极间的电压Vbe的电压上升，其中，初始输出电压Vout由在期间t1以前的初始时点储存在电容器41中的电荷表示。

接着，在图3所示的期间t2中，设负载电流Iload增加。于是，输入电压Vin降低。于是，在二极管43→电容器41的路径中有电流流过。即，没有基极电流Ib和集电极电流Ic流动。其结果，输出电压Vout的变动量(这里为下降量)为二极管43的电压降。这里，二极管43的电压降与晶体管45的基极-发射极间的电压Vbe大致相等，因此，即使在期间t2中负载电流Iload增加，输出电压Vout的变动量也大致与电压Vbe相等。因此，由电压稳定电路40稳定后的输出电压Vout被抑制为，以该电压稳定电路40进行稳定前的图3所示的期间t1以前的输入电压Vin为中心、振幅为Vbe左右的变动。一般地，晶体管的电压Vbe为1V以下，所以，变动范围为2VP-P以内。

由此，具有与在电力供给线31和地32之间插入如下这样的电容相同的效果：该电容具有相当于图2所示的电容器41的静电容量C的hfe倍的容量，该hfe是晶体管45的电流放大率。例如，在电容器41的静电容量C＝100μF、晶体管45的电流放大率hfe＝100的情况下，具有与在电力供给线31和地32之间插入静电容量为100μF×100＝10000μF的电容器相同的效果。

在本实施方式的供电系统1中，当流过负载300的负载电流发生变动时，通过调节流过电力供给线31与地32之间形成的电流路径的电流量，由此来稳定来自绝缘转换器10的输入电压Vin并将其作为输出电压Vout，将该输出电压Vout的电力提供给非绝缘转换器20，该非绝缘转换器20将比输出电压Vout低的电压VL的电力提供给负载300。这里，用于调节流过电力供给线31与地32之间形成的电流路径的电流量的电压稳定电路40，由小尺寸的电容器41和晶体管45等构成。因此，与现有的图5所示的在电力供给线31与地32之间配备大尺寸的电容器110的技术相比，能够将电路面积和成本上升抑制得较小，同时能够稳定地对负载300供给电力。

并且，在本实施方式的供电系统1中，具有输入输出之间被直流绝缘的绝缘转换器10，所以，针对来自外部的突波电压的耐受性出色。另一方面，在非绝缘转换器20中未配备用于将输入输出之间直流绝缘的绝缘变压器等，因此能够高速地工作，从而负载响应性出色。并且，这些绝缘转换器10、非绝缘转换器20均是降压型DC-DC转换器，所以，能够良好地应对低电压、大电流且高速动作的CPU等数字负载。

另外，在本实施方式的供电系统1中，以在电力供给线31与地32之间仅配备有电压稳定电路40为例进行了说明，但是，在借助该电压稳定电路40无法满足稳定水平时，可以在电力供给线31与地32之间，与该电压稳定电路40并联地额外配备小尺寸的电容器。这样，能够在将电路面积和成本上升抑制得较小的情况下，更加稳定地对负载300供给电力。

图4是示出与图1、图2所示的电压稳定电路不同的电压稳定电路的结构的图。

图4所示的电压稳定电路50与图1、图2所示的电压稳定电路40相比，不同点在于，将图1、图2所示的晶体管45置换为场效应型晶体管(FET：Field Effect Transistor)55。该场效应型晶体管55相当于本发明所说的有源元件的另一例，这种场效应型晶体管55也可以起到上述晶体管45的作用。

另外，在上述实施方式中，作为本发明所说的第1转换器和第2转换器，是以如下的绝缘转换器与非绝缘转换器的组合为例进行了说明：所述绝缘转换器从第1电压的电源接受电力供给而生成比该电源的电压低的第2电压的电力，且其输入输出之间被直流绝缘，所述非绝缘转换器从该绝缘转换器接受第2电压的电力供给而生成比该第2电压低的第3电压的电力，并将其提供给负载。但是，本发明不限于这些绝缘转换器与非绝缘转换器的组合，本发明只要采用如下的第1转换器与第2转换器的组合即可：所述第1转换器从第1电压的电源接受电力供给而生成比该第1电压低的第2电压的电力，所述第2转换器从上述第1转换器接受第2电压的电力供给而生成比该第2电压低的第3电压的电力，将其提供给负载。

此外，在上述实施方式中，作为有源元件，以通常的双极晶体管45和场效应型晶体管55为例进行了说明，但不限于此，也可以是绝缘栅型双极晶体管(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)或静电感应型晶体管(SIT：Static Induction Transistor)等有源元件。

Claims (5)

1.一种供电系统，其特征在于，该供电系统具有：

第1转换器，其从第1电压的电源接受电力供给，生成比该第1电压低的第2电压的电力；

第2转换器，其从所述第1转换器接受第2电压的电力供给，生成比该第2电压低的第3电压的电力，将其提供给负载；以及

电压稳定电路，其配置在所述第1转换器与所述第2转换器之间，监视所述第2电压的变动，且在该第2电压的电力供给线与地之间形成电流路径，根据该监视的结果来调节流过该电流路径的电流量，由此使该第2电压稳定。

2.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，

所述电压稳定电路具有：

串联连接在所述电力供给线与地之间的、该电力供给线侧的电容器和地侧的第1电阻；

二极管，其阴极与所述电容器和所述第1电阻的连接节点连接，阳极与地连接；以及

串联连接在所述电力供给线与地之间的第2电阻和有源元件，该有源元件具有与所述连接节点连接的控制端子，且该有源元件的阻抗根据该连接节点的电压而变化。

3.根据权利要求1或2所述的供电系统，其特征在于，

所述第1转换器是输入输出之间被直流绝缘的绝缘转换器，所述第2转换器是非绝缘转换器。

4.根据权利要求3所述的供电系统，其特征在于，

所述有源元件是从晶体管、场效应型晶体管、绝缘栅型双极晶体管、静电感应型晶体管等有源元件中选择出的任意一个。

5.一种供电系统中的电压稳定方法，该供电系统具有：第1转换器，其从第1电压的电源接受电力供给，生成比该第1电压低的第2电压的电力；以及第2转换器，其从该第1转换器接受第2电压的电力供给，生成比该第2电压低的第3电压的电力，将其提供给负载，该电压稳定方法的特征在于，

监视所述第2电压的变动，形成该第2电压的电力供给线与地之间的电流路径，根据该监视的结果来调节流过该电流路径的电流量。

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