CN102474183A - 具有动态输入电流抑制的电源 - Google Patents

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Abstract

描述了一种电源，它包含第一级DC到DC电压转换块(100)和第二级电压转换块(200)，第二级电压转换块具有反馈电路以调节其输出电压(Vout)，从而在负载抽取的输出电流(Iout)变化时减少输出电压的变化。电源还包括第一级电压转换块与第二级电压转换块(100、200)之间连接的电容器(400)，用于在第二级电压转换块(200)的输入电压(Vint)由于第二级电压转换块(200)的输出电流(Iout)变化而变化时供应电流给第二级电压转换块(200)。第一级电压转换块(100)包含反馈电路以调节第一级电压转换块(100)的输出电压，从而在第二级电压转换块(200)的输入电压(Vint)由于第二级电压转换块(200)的输出电流(Iout)变化而变化时减少输出电压的变化。第一级电压转换块(100)的反馈电路的响应比第二级电压转换块(200)的反馈电路的响应慢。第一级电压转换块(100)还包含速率限制电路，以通过反馈电路调节第一级电压转换块(100)的输出电压的变化速率，从而使得第一级电压转换块(100)的输入电流(Iin)的变化速率保持低于预定值。

Description

具有动态输入电流抑制的电源
技术领域
本发明涉及电源(亦广泛称作功率或电压转换器)领域，并且更具体地说，涉及具有第一级DC/DC电压转换块和第二级电压转换块的电源，为每个块配备输出电压调节反馈电路。
背景技术
电信系统和其它应用领域中对更快、更复杂的信号和数据处理的需要加强了对具有多个高性能ULSI电路(例如，RFPA、ASIC和FPGA)的新一代信号处理系统的需要，此类信号处理系统的特征在于他们需要多个低供电电压、高等级电流需求及严格的供电电压调节要求。这些需要通过所谓的分布式功率架构(DPA)电源来满足，该DPA电源可经由两级电压转换布置从输入电源提供多个严格调节的电压。
图1是连接到有效载荷电路的常规DPA电源的示意图。DPA电源10是包含连接到AC输入电源总线30的前端AC/DC电源20的配电系统。前端AC/DC转换器20经由中间总线40连接到多个(K个)第二级DC/DC电源50-1到50-K的输入，第二级DC/DC电源通常位于主机板60上并靠近有效载荷电路70。
在图1的示例中，多个DC/DC电源50-1到50-K中的每一个是通常称作“负载点”(POL)或“来源点”(POS)转换器的降压转换器(buckconverter)。一般来说，DC/DC电源50-1到50-K可以是提供隔离、非隔离调节器或其任何组合的转换器。DC/DC转换器通常采用开关模式电源的形式。POL转换器将经调节的电压递送到有效载荷电路70中的其相应负载(功能保持)。
为了在系统中节省能量，通常仅在需要时打开部分有效载荷电路并在所有其它时间让其关闭。由此切换引起的负载电流中的变化需要改进POL转换器的动态电流处理能力。
欧洲专利申请1406373A1公开了一种用于为高瞬时负载(例如，微处理器)供电的分解(factorized)功率架构(“FPA”)方法和设备。该设备包括前端功率调节器(PRM)，其提供使用负载点的DC变压模块(“VTM”)被转换成所需负载电压的受控DC总线电压。VTM使用固定变压比和低输出电阻将DC总线电压转换成负载所需的DC电压。VTM的响应时间小于PRM的响应时间。使负载上的第一电容足够大，以在优选地大于或等于VTM的特征开环响应时间的时标内支持微处理器电流要求。使VTM输入上的第二电容足够大，以在优选地大于或等于前端功率调节器的闭环响应时间的时标内支持微处理器电流要求。反馈从负载点上的反馈控制器提供到前端或上游板载功率调节器模块，以实现精确调节。
因此，已知DC/DC转换器内的控制功能(如EP 1 406 373A1中所述的)设计仅用于优化转换器的输出参数，并且具体地说，用于最小化输出电压中的偏差。对于典型的脉宽调制(PWM)转换器，控制功能中的唯一限制就是最大和最小占空比范围。到目前为止，很少或没有人注意到正常操作期间动态负载对转换器的输入电流的影响。高度动态的负载可导致转换器50-1到50-K的输入电流中出现大纹波，其使转换器与电信系统中用于配电的当前电信标准不兼容。
确保符合输入电流纹波的当前电信标准的普通方法是添加包含高电容的较大输入滤波器，如图1中的80所示。但是，这种方法的缺点在于滤波器的尺寸通常与DC/DC转换器模块本身的尺寸相近。尺寸限制通常迫使设计者通过在许多步骤中减轻动态负载的不利影响来解决问题，而不是在其根源上解决问题。
在一些应用(例如，无线电基站)中，无线电位于天线附近，而电力馈送通常使用长度可为100-300m的长线缆来完成。这种线缆具有高电感。在这些情况下，输入电流中的步进变化在供电电压中添加电抗偏差(reactive deviation)。当前，通常的实践是增大线缆尺寸以减少来自线缆的电压偏差影响。但是，线缆尺寸的增大将增大线缆的成本。
需要更少空间的将输入电流纹波减少到可接受水平的备选解决方案是将结合使用MOSFET和电容器建造的有源线性电流调节器连接到转换器输入。这将在一个紧凑级上去除影响，但将导致较高的功率损失。
因此，减轻高度动态输入电流的影响的已知方法会导致增大的功耗、增大的尺寸及功率转换器系统成本。
应该注意，由动态电流负载引起的问题不局限于电信系统中的电源。例如，出现此问题的另一个应用是电风扇的电源。现代风扇包括速度控制器，它通过低频PWM功能改变风扇的转速。因此，从电源抽取的电流将包含脉冲串(pulse train)。电源输入处需要滤波器，以符合电磁干扰(EMI)要求。
因此，相当需要克服上述现有技术缺陷的改进电源。
发明内容
过去为最小化动态负载电流对电源输入电流的不利影响而采取的措施通常在电源的输入处采用一些形式的滤波，如上所述。但是，本发明的发明人从完全不同的角度处理问题，认识到如果板载DC/DC转换器能够一开始就处理和控制动态负载电流而不生成动态输入电流，则将极大减少对低频外部滤波的需要。本发明的电源包括具有控制和功率电路的DC/DC转换块，以处理动态负载电流而不生成动态输入电流。
具体地说，本发明提供包含第一级DC到DC电压转换块和第二级电压转换块的电源，并且第二级电压转换块具有反馈电路以调节其输出电压，从而在负载抽取的输出电流变化时减少输出电压的变化。该电源还包含第一级电压转换块与第二级电压转换块之间连接的电容器，以便在第二级电压转换块的输入电压由于第二级电压转换块的输出电流变化而变化时供应电流给第二级电压转换块。第一级电压转换块包含反馈电路以调节第一级电压转换块的输出电压，从而在第二级电压转换块的输入电压由于第二级电压转换块的输出电流变化而变化时减少输出电压的变化。第一级电压转换块的反馈电路的响应比第二级电压转换块的反馈电路的响应慢。第一级电压转换块还包含速率限制电路，以通过反馈电路调节第一级电压转换块的输出电压的变化速率，从而使得第一级电压转换块的输入电流的变化速率保持低于预定值。
上述配置的电源可应对输出电流需求的突然增大和减小，同时确保输入电流的变化得不会比指定的快。电源的电容器布置成传递瞬时能量给负载，其大小将小于当前无源滤波器中使用的电容器。
在分布式功率架构系统中，根据本发明实施例的电源将允许减少系统中的瞬时上游电流，实现提高的效率、减小的尺寸和成本。
附图说明
现在将仅作为举例、参照附图详细说明本发明的实施例，在附图中：
图1是常规IBA功率系统的示意图；
图2示出根据本发明的一实施例的电源；
图3示出图2所示的第一级电压转换块100的细节；
图4是示出图3所示高通滤波器和低通滤波器的频率响应的示意图；
图5是图3所示的信号处理单元103的模拟实现的示例。
具体实施方式
图2示出根据本发明的一实施例的电源，其包括串联连接的至少两个电压转换块和其间连接的电容器。具体地说，该电源包含通过中间总线300串联连接的第一级电压转换块100和第二级电压转换块200。在总线300与参考点(例如，大地)之间连接电容器400。
在当前实施例中，电压转换块100和200中的每一个均为开关模式电源(SMPS)，它是一种众所周知类型的功率转换器，因其尺寸小、重量轻和高效率而具有广泛的应用范围。SMPS通过以高频率(通常为数十至数百kHz)开/关诸如功率MOSFET之类的开关元件，来实现这些优点，其中开关的频率或占空比由控制器来调整，它使用反馈信号控制SMPS功率串以将输入电压转换成所需的输出电压。反馈信号基于转换器的输出电压。SMPS通常可采取整流器(AC/DC转换器)、DC/DC转换器、变频器(AC/AC)或逆变器(DC/AC)的形式，并可在其输入与输出之间提供或不提供电绝缘。但是，在当前实施例中，电压转换块100和200均为DC/DC转换器。本领域技术人员将熟悉SMPS操作的结构和原理的一般方面，因此本文不需要对此做进一步解释。
第一级DC/DC转换器100布置成将输入500上的输入电压Vin转换成中间总线300上的中间电压Vint，而第二DC/DC转换器200布置成将中间电压Vint转换成输出电压Vout以在电源的输出600处提供。电容器400将充电到中间电压电平Vint。输出电压Vout由第二级DC/DC转换器200的输出电压感测线路感测并由其反馈电路210进行处理，反馈电路210具有比第一级电压转换器的反馈电路更快的反应。中间电压Vint由第一级DC/DC转换器100的输出电压感测线路感测并由其反馈电路110进行处理，反馈电路110具有比第二级电压转换器的反馈电路更慢的反应。
第一级DC/DC转换器100包括内部电路，其中包含反馈电路110和速率限制电路120，速率限制电路120控制操作期间转换器的变压比的变化速度。第一级DC/DC转换器100内的内部电路还控制输入电流Iin的变化，以便取决于馈送系统特性将输入电流变化的速率限制为指定值，例如10mA/μs。换言之，速率限制电路120布置成调节转换器的反馈电路110改变转换器100的输出电压的速率，以使得输入电流Iin的变化速率保持低于10mA/μs。现在将参照图3描述此内部电路的一个示例。
图3是示出第一级DC/DC转换器100的细节的示意图，有助于理解当前实施例。除了诸如SMPS功率串101和PWM控制器102之类的熟悉部件之外，当前实施例的第一级转换器100进一步包含信号处理单元103和经由输入电路感测线路122与之相连的输入电流测量装置121。
输入电流Iin的变化由电流测量装置121测量，它会生成表示所测量输入电流的信号。电流测量装置可采用本领域技术人员已知的任何适当形式提供。例如，电流测量装置可使用与电感元件串联连接的电阻元件实现，元件的值取决于系统特性。传递函数应为：
等式1 V ' = aI + k dI dt
其中V’表示输入电流测量装置的输出信号，而a和k为常数。电流感测信号V’输入到信号处理单元103。
转换器100的输出电压被感测并且还经由输出电压感测线路111作为输入提供给信号处理单元103。
信号处理单元103布置成处理经由电流感测线路122和输出电压感测线路111输入其中的信号，并生成控制信号以控制第一级转换器100的变压比。在当前实施例中，信号处理单元布置成经由PWM控制器102控制SMPS的占空比。信号处理单元103和输入电流测量装置121，与PMW控制器102一起，起到反馈电路110和速率限制电路120的功能，如现在将说明的。
当前实施例的信号处理单元103包括低通滤波器112，其布置成对来自输出电压感测线路111的信号进行滤波；以及高通滤波器123，布置成对来自输入电流感测线路122的信号进行滤波。从低通滤波器112和高通滤波器123输出的滤波信号由形成信号处理单元103的组成部分的加法器124相加到一起。结果(相加的)信号被提供为PWM控制器102的输入。
滤波器的频率响应应具有图4所示的特性，其中曲线112A示出低通滤波器的频率响应，而曲线123A示出高通滤波器的频率响应。
在此布置中，转换器100的反馈电路110包含输出电压感测线路111、低通滤波器112、加法器124和PWM控制器102，具有较慢的响应时间并将只能控制转换器100的平均输出电压。转换器的输出电压将在这个水平左右变化。平均输出电压由负载电路的输入要求设置。变化幅度由电容器400的电容和负载的功率要求决定。最大和最小输出电压电平将由负载决定。
第一级转换器100的速率限制电路120包含输入电流测量装置121、输入电流感测线路122、高通滤波器123和加法器124，并布置成使用经滤波的输入电流感测信号调节反馈电路110改变第一级电压DC/DC转换器100的输出电压的速率。速率限制电路将比反馈电路110反应更快。其较低的频率限制比输出电压感测电路快几个数量级，并且由馈送系统设计用于的最大输入电流变化速率决定。频率上限很大程度上由电容器400的电容决定。速率限制电路120布置成使用经滤波的输入电流感测信号调节反馈电路110改变第一级电压DC/DC转换器100的输出电压的速率。
信号处理单元103可通过模拟电路或数字控制器的集成电路来实现。在数字系统中，可执行软件代码以控制SMPS脉宽随时间变化的速率并控制转换器的输出电压。
备选地，信号处理单元103可以模拟形式实现，例如使用图5所示的电路。在这个示例中，来自输入电流感测线路122的信号所输入的高通滤波器123是一阶RC滤波器，其中包含如图5所示相连的电容器Cb和电阻器Rb。高通滤波器的输出由放大器Nb放大。类似地，在这个示例中，低通滤波器112是包含电阻器Ra和电容器Ca的简单RC滤波器。低通滤波器的输出由放大器Na放大。根据需要选择Ra、Ca、Rb和Cb的值以提供所需的频率响应。放大器Na和Nb的输出使用电阻器R1、R2和R3的所示布置结合并输出到PWM控制器102。
现在将解释当前实施例的电源的操作。例如，在输出600上的瞬时电流增大时，第二级DC/DC转换器200将快速反应以增大到输出600的功率。反馈210确保输出电压Vout保持恒定。第二级DC/DC转换器200将从中间总线抽取更大的电流。所需的能量将从第一级DC/DC转换器100供应，但是由于此转换器可改变其变压比的速率将取决于允许输入电流改变的速率的预定最大值而受限，因此大部分能量将从电容器400供应。在电容器400放电时，中间电压Vint将降低并使第一级DC/DC转换器100增大从输入500抽取的功率，直到中间电压Vint达到稳定值。对输入电流Iin的影响是此电流将不会进行任何快速变化。
作为闭环控制的结果，第一DC/DC转换器100可控制输入电流可改变的速率以及输出电压。输入电流受到控制以保持处于或低于馈送系统设计用于的最大电流变化速率，并且将输出电压调节到平均电压和由负载电路的输入要求设置的最大界限和最小界限内。
电容器400的值决定中间总线300上的电压摆动。电容器400的电容值应根据馈送功率给电源的系统以及连接到电源的负载电路的要求来选择。具体地说，电容值将由馈送系统设计用于的电流变化速率以及电源的负载电路的最大电压要求和最小电压要求来决定。
[修改和变更]
能够对上述实施例进行许多修改和变更。
例如，虽然上述实施例中的DC/DC转换器是降压转换器，但它们的拓扑不限于此并可备选地为升压、降压-升压等。备选地，第二级DC/DC转换器(200)可以是DC/AC转换器。
而且，虽然上述实施例的电源中的第一级电压转换块和第二级电压转换块均为在其输入和输出之间提供隔离的DC/DC电压转换器，但在备选实施例中，这些电压转换块中的一个或两个可以是不提供此类隔离的电压调节器。此外，虽然上述实施例中的第一级电压转换块和第二级电压转换块均为SMPS，这些转换块的形式不限于此并且电压转换块中的一个或两个可以是(非交换)线性转换器或线性调节器。
此外，在上述实施例中，第二级DC/DC转换器200直接连接到有效载荷电路。但是，在备选实施例中，第二级转换器上的负载可由连接到其输出的一个或多个其它电压转换级提供。

Claims (7)

1.一种电源，包括：
第一级DC到DC电压转换块(100)；
第二级电压转换块(200)，其具有反馈电路(210)以调节其输出电压(Vout)，从而在负载抽取的输出电流(Iout)变化时减少所述输出电压(Vout)的变化；以及
所述第一级电压转换块与第二级电压转换块(100、200)之间连接的电容器(400)，用于在所述第二级电压转换块(200)的输入电压(Vint)由于所述第二级电压转换块(200)的输出电流(Iout)变化而变化时供应电流给所述第二级电压转换块(200)；
其中，所述第一电压转换块(100)包括：
反馈电路(110)，用于调节所述第一级电压转换块(100)的输出电压，从而在所述第二级电压转换块(200)的输入电压(Vint)由于所述第二级电压转换块(200)的输出电流(Iout)变化而变化时减少所述输出电压的变化，所述第一级电压转换块(100)的反馈电路(110)的响应比所述第二级电压转换块(200)的反馈电路(210)的响应慢；以及
速率限制电路(120)，用于通过所述反馈电路(110)调节所述第一级电压转换块(100)的输出电压的变化速率，以使得所述第一级电压转换块(100)的输入电流(Iin)的变化速率保持低于预定值。
2.如权利要求1所述的电源，其中，所述速率限制电路(120)包含用于测量所述第一级电压转换块(100)的输入电流(Iin)的电流测量装置(121)，所述速率限制电路(120)布置成使用所测量的输入电流、通过所述反馈电路(110)调节所述第一级电压转换块(100)的输出电压的变化速率。
3.如权利要求2所述的电源，其中：
所述电流测量装置(121)布置成生成表示所述测量的输入电流的信号；以及
所述速率限制电路(120)还包含用于对由所述电流测量装置(121)生成的所述信号进行滤波的高通滤波器(123)，所述速率限制电路(120)布置成使用所滤波的信号、通过所述反馈电路(110)调节所述第一级电压转换块(100)的输出电压的变化速率。
4.如权利要求1、2和3中任一项所述的电源，其中，所述第一级电压转换块(100)的所述反馈电路(110)包含低通滤波器(112)，布置成使得所述第一级电压转换块(100)的反馈电路(110)的响应比所述第二级电压转换块(200)的反馈电路(210)的响应慢。
5.如附加到权利要求3时的权利要求4所述的电源，其中：
所述第一级电压转换块(100)的反馈电路(110)包含脉宽调制控制器(102)；以及
所述速率限制电路(120)还包含加法器(124)，其布置成将所述低通滤波器(112)的输出信号与所述高通滤波器(123)输出的所述滤波信号相加，并将结果信号提供给所述脉宽调制控制器(102)。
6.如以上权利要求中的任一项所述的电源，其中，所述速率限制电路(120)布置成通过所述反馈电路(110)调节所述第一级电压转换块(100)的输出电压的变化速率，以使得所述第一级电压转换块(100)的输入电流(Iin)的变化速率保持低于10mA/μs。
7.如以上权利要求中的任一项所述的电源，其中，所述第一级电压转换块和第二级电压转换块(100、200)中的每一个是DC/DC电压调节器或DC/DC电压转换器。
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