CN103178703A - 电源模块和具有该电源模块的多重供电装置 - Google Patents

电源模块和具有该电源模块的多重供电装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供电源模块和具有该电源模块的多重供电装置。所述多重供电装置包括多个彼此并联连接并供应预设功率的电源模块，每个电源模块包括：DC/DC转换单元，将输入功率转换成预设的DC功率；输出控制单元，根据所述DC/DC转换单元的DC功率的电压电平与施加在负载端的电压电平之间的差而被接通或断开以控制所述DC功率的输出；以及控制单元，在替换所述电源模块的热插拔期间开始所述DC/DC转换单元的软启动操作，而当所述输出控制单元接通时停止所述DC/DC转换单元的软启动操作。

Description

电源模块和具有该电源模块的多重供电装置
相关申请的引用
本申请要求2011年12月22日向韩国知识产权局提交的10-2011-0140039号韩国专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及能够抑制热插拔期间产生突入电流这一现象的电源模块，和具有该电源模块的多重供电装置。
背景技术
一般，满足用户各种需求的各种电子装置被多样化地实现。这些电子装置可以使用供电装置来供应运行功率以实现其中的各种功能。
由于诸如功率转换效率、微型化等优点，供电装置大都会采用开关模式供电方案。
作为这种供电装置，为了向要求大容量功率的电子装置（如服务器）提供大容量功率，存在具备多个电源模块的多重供电装置。
图1是示出一般多重供电装置的配置的示意图。
参照图1，一般多重供电装置可包括彼此并联连接的第一到第N电源模块，而第一电源模块可包括电磁干扰（EMI）滤波单元、整流单元、功率因数补偿单元、DC/DC转换单元和输出开关。
由于在该多重供电装置中可能会产生故障，故电源模块可以被单独替换。这样，由于容易保养、维修和升级，故可使用仅移除故障电源模块并插入新电源模块而不用整体地切断电源的热插拔方法。
不过，当多重供电装置工作时单个电源模块被热插拔时，在新插入的电源模块中会产生过量突入电流，如图2所示。
参照图2，彼此并联连接的多个电源模块的电流分配可以被控制。可以确定，在负载端的电压电平低于在正常工作环境下以热插拔方式新插入的电源模块的电压电平的情况下，相比于之前运行的电源模块的输出电流IO1和IO2，在新插入的电源模块的输出电流IO_NEW中产生了突入电流。
如上所述地在热插拔期间产生突入电流的原因是多个彼此并联连接的电源模块的输出电压彼此并不一致。过量突入电流可引起由于过电流的热插拔失败或对电源模块的元件的损坏。
发明内容
本发明的一个方面提供能够抑制产生突入电流这一现象的电源模块（power module）以及具有该电源模块的多重供电装置，该电源模块通过当在电源模块的热插拔期间电源模块的输出功率的电压电平（voltagelevel）高于施加于负载的功率的电压电平时停止软开关（soft switching）并固定电压命令值（voltage command value）来抑制热插拔期间产生突入电流这一现象。
根据本发明的一个方面，提供了一种电源模块，包括：DC/DC转换单元，将输入功率转换成预设直流功率；输出控制单元，根据所述DC/DC转换单元的DC功率的电压电平与施加于负载端的电压电平之间的差而接通或断开以控制DC功率的输出；以及控制单元，在热插拔期间开始DC/DC转换单元的软启动操作，当输出控制单元被接通时停止DC/DC转换单元的软启动操作。
根据本发明的另一方面，提供了一种多重供电装置，包括：多个彼此并联连接并供应预设功率的电源模块，多个电源模块中的每一个都包括：DC/DC转换单元，将输入功率转换成预设直流功率；输出控制单元，根据所述DC/DC转换单元的DC功率的电压电平与施加于负载端的电压电平之间的差被接通或断开以控制DC功率的输出；以及控制单元，在电源模块被替换的热插拔期间开始所述DC/DC转换单元的软启动操作，当所述输出控制单元被接通时停止所述DC/DC转换单元的软启动操作。
所述控制单元在控制软启动操作的同时可增加所述DC/DC转换单元的电压命令值并在控制软启动操作的停止的同时将相应的电压命令值固定为最终电压命令值。
所述控制单元可包括模拟数字转换器，将DC功率的电压电平、输出控制单元的输出功率的电流电平和被传输至功率耦接线中的功率的电流电平转换成各自的数字信号，在所述功率耦接线（power coupling line）中所述输出功率被耦接至另一输出功率；开关控制器，基于由模拟数字转换器转换的数字信号控制所述DC/DC转换单元的软启动操作；以及突入电流防止控制器，当所述输出控制单元被接通或DC功率的电压电平高于施加到负载端的电压电平时控制所述开关控制器停止所述DC/DC转换单元的软启动操作。
输出控制单元可包括：输出开关，根据开关控制信号被接通或断开以输出DC/DC转换单元的DC功率；和输出开关控制器，提供允许输出开关被接通或断开的开关控制信号。
电源模块可进一步包括：电磁干扰（EMI）滤波单元，从AC功率中滤除EMI；整流单元，整流滤波后的AC功率；功率因数补偿单元，调整整流后的功率的电压与电流的相位差以补偿功率因数。
DC/DC转换单元可包括：开关单元，开关输入功率；变换单元，包括具有接收开关电源的初级绕组和形成关于初级绕组的预设匝数比的次级绕组的变换器以变换电压电平；以及整流/稳定单元，整流并稳定来自所述变换单元的功率。
开关单元可有半桥式、全桥式或推挽式开关结构。
整流/稳定单元可包括：第一和第二同步整流元件，分别被接到变换器的次级绕组的两端的以整流输出功率；以及电感器和电容器，被连接至次级绕组中心抽头以稳定输出功率。
附图说明
本发明上述的以及其他的方面、特色和其他优点在结合附图的以下具体的描述中将被更清楚地理解，其中：
图1是示出一般多重供电装置的配置的示意图；
图2是热插拔期间所产生的突入电流的曲线图；
图3是示出根据本发明实施方式的多重供电装置配置的示意图；
图4是示出根据本发明实施方式的多重供电装置中使用的电源模块的具体配置的图；
图5是根据本发明实施方式的多重供电装置中使用的电源模块的用于抑制突入电流的操作流程图；
图6A和6B分别是示出电源模块的负载端电压高于输出电压情况下和电源模块的负载端电压低于输出电压情况下的电流曲线图；以及
图7是根据本发明实施方式的多重电源装置中的电源模块的电流曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述实施方式，以便与本发明相关的技术领域的技术人员可容易地实现本发明。
不过，公知的功能或配置的详细描述将被省略以避免不必要地模糊本发明的主题。
另外，相同的参考数字用于描述整个附图中具有相同或近似功能的元件。
在整个本说明中，应理解的是，当元件被提及“连接至”另一元件时，该元件可以是直接连接至其他元件或可以是通过置于其间的元件间接连接至其他元件。
此外，除非有明确的相反说明，表述“包括”应当被理解为包含所指出的元件，但是并不排除任何其他元件。
现将参照附图详细描述本发明的实施方式。
图3是示出根据本发明实施方式的多重供电装置的配置的示意图。
参照图3，根据本发明实施方式的多重供电装置可包括第一到第N电源模块。
第一到第N电源模块的输出功率可合并为单个电源，且第一到第N电源模块可执行电源模块可在多重供电装置加电的状态下被替换的热插拔功能。
将以示例方式描述第一至第N电源模块中的第一电源模块100。
电源模块100可包括电磁干扰（EMI）滤波单元110、整流单元120、功率因数补偿单元130、DC/DC转换单元140、输出控制单元150和控制单元160。
EMI滤波单元110可从AC功率中滤除电磁干扰（EMI）。
整流单元120可对被EMI滤波单元110滤波的AC功率整流。
功率因数补偿单元120可调整来自整流单元120的整流后的功率的电压与电流之间的相位差以补偿功率因数。
DC/DC转换单元140可切换来自功率因数补偿单元130的输入功率以将输入功率转换成预设DC功率。
输出控制单元150可根据来自DC/DC转换单元140的DC功率的电压电平与施加到负载端的电压电平之间的差而接通或断开，从而控制DC功率的输出。
控制电源160可控制DC/DC转换单元140的功率转换操作。具体地，控制单元160在热插拔期间可开始DC/DC转换单元140的软启动操作，而当输出控制单元150接通时停止DC/DC转换单元140的软启动操作。
图4是示出根据本发明实施方式的多重供电装置中使用的电源模块的详细配置的图；而图5是根据本发明实施方式的多重供电装置中使用的电源模块的用于抑制突入电流的操作流程图。
参照图4，根据本发明实施方式的多重供电装置中使用的电源模块100的DC/DC转换单元140可包括开关单元141、变换单元142和整流/稳定单元143。
开关单元141可包括多个开关以开关输入功率Vs并且例如具有全桥式开关结构，其中该结构如图4所示，包括在被施加输入功率Vs的输入功率端子的两端间彼此串联连接的第一和第二开关QA和QB、以及在输入功率端子的两端间彼此串联连接的第三和第四开关QC和QD，并且第三和第四开关QC和QD与第一和第二开关QA和QB并联连接。尽管未被示出，但开关单元141可具有诸如半桥型开关结构、推挽型开关结构等不同的开关结构。
变换单元142可包括变换器。变换器可具有初级绕组NP，其两端分别连接至第一和第二开关QA和QB间的连接点以及第三与第四开关QC和QD间的连接点并接收从开关单元141开关的功率；以及次级绕组NS，关于初级绕组NP形成预设的匝数比以变换开关功率（switched power，开关电源）的电压电平。另外，变换器可包括漏感组件Llkg，而次级绕组NS可具有中心抽头。
整流/稳定单元143可包括分别连接至次级绕组NS的两端的第一和第二同步整流元件SRA和SRB、以及连接至次级绕组NS的中心抽头的电感器LO和电容器CO。
第一和第二同步整流元件SRA和SRB可与开关单元141的开关同步并可交替地开关以整流来自次级绕组NS的输出功率。
电感器Lo和电容器Co可稳定被第一和第二整流元件SRA和SRB整流的功率以输出DC功率。
输出控制单元150可包括输出开关QOR和输出开关控制器CON。
输出开关QOR可根据开关控制信号接通或断开以执行控制来输出或阻断来自DC/DC转换单元140的DC功率。
输出开关控制器CON可提供控制输出开关QOR的接通或断开的开关控制信号，并且当DC/DC转换单元140的DC功率的电压电平高于负载端的电压电平时控制输出开关QOR使其接通。
控制单元160可包括模拟数字转换器161、开关控制器162和突入电流防止控制器163。
模拟数字转换器161可将DC/DC转换单元140的DC功率的电压电平VO、输出控制单元150的输出功率的电流电平（current level）IO、和被传输至功率耦接线的电流电平ILS转换成数字信号，在功率耦接线中输出功率被耦接至另一输出功率。
DC功率的检测电压VO[k]、输出功率的检测电流IO[k]和功率耦接线的检测电流ILS[k]可被传输至开关控制器162。
开关控制器162可基于DC功率的检测电压VO[k]、输出功率的检测电流IO[k]和功率耦接线的检测电流ILS[k]控制开关单元141的开关以及第一和第二同步整流元件SRA和SRB的开关。
此外，开关控制器162可基于DC功率的检测电压VO[k]、输出功率的检测电流IO[k]和功率耦接线（S1）的检测电流ILS[k]控制开关单元141的软启动操作。即，开关控制器162可根据电源模块被替换的热插拔期间的电压命令值VREF[k]控制开关单元141的开关程度，从而使得DC/DC转换单元140的DC功率的电压电平与电压命令值一致，并逐步地增加电压命令值以控制DC功率的电压电平缓慢升高（S3）。
在DC/DC转换单元140的DC功率的电压电平VO高于负载端的电压电平或者输出开关控制器CON提供使得输出开关QOR被接通的开关控制信号的情况下（S2），突入电流防止控制器163可将上述情况下的电压命令值固定为最终电压命令值，然后传输固定的电压命令值至开关控制器162，而开关控制器162可由此停止开关单元141的软启动操作（S4）。
图6A和6B分别是示出电源模块的负载端电压高于输出电压的情况下和电源模块的负载端电压低于输出电压情况下的电流曲线图。
参照图6A，电源模块的负载端电压高于输出电压的情况下，不会产生突入电流。更具体地，当假定在第一电源模块正常工作的情况下插入第二电源模块时，第一电源模块的输出电压VO1可能会根据负载端电压VO和由于输出开关QOR的电压降而改变。这里，在所插入的第二电源模块的电压命令值VREF2高于负载端电压VO的情况下，第二电源模块的软启动操作在时间t2之前结束，而第二电源模块的输出电压VO2被分配第一和第二电源模块的输出电流的电流分配控制器升高，这样第一和第二电源模块的电流IO1和IO2被平衡，从而不会产生突入电流。
不过，参照图6B，所插第二电源模块的电压命令值VREF2低于负载端电压VO时，进行第二电源模块的软启动操作直到时间t3，且第二电源模块的电流IO2在第二电源模块的输出电压VO2高于负载端电压VO的时间t1开始流动，而第一和第二电源模块的电流IO1和IO2在时间t2彼此交叉，这样由于第二电源模块的输出电压VO2的继续升高，可能会产生突入电流直到时间t3。
图7是根据本发明实施方式的多重电源装置中使用的电源模块的电流曲线图。
与图6B相比，参照图7，在根据本发明的实施方式的电源模块中，在DC/DC转换单元140的DC功率的电压电平高于负载端的电压电平、或者输出开关控制器CON提供允许输出开关QOR被接通的开关控制信号的情况下，这时的电压命令值被固定为最终电压命令值以停止开关单元141的软启动操作，这样避免了替换的电源模块的输出功率高于负载端的电压电平，从而避免突入电流。
如上所述，根据本发明实施方式，当电源模块热插拔期间电源模块的输出功率的电压电平高于施加到负载的电功率的电压电平时，停止软开关并将电压命令值固定，从而避免突入电流的产生。
尽管结合实施方式示出并描述了本发明，但是对本领域技术人员显而易见的是，可以在不背离所附本权利要求书所限定的本发明精神和范围的情况下进行各种修改和变更。

Claims (16)

1.一种电源模块，包括：
DC/DC转换单元，将输入功率转换成预设DC功率；
输出控制单元，根据所述DC/DC转换单元的DC功率的电压电平与施加至负载端的电压电平之间的差而接通或断开以控制所述DC功率的输出；以及
控制单元，在热插拔期间开始所述DC/DC转换单元的软启动操作，并且当所述输出控制单元被接通时停止所述DC/DC转换单元的软启动操作。
2.根据权利要求1所述的电源模块，其中，所述控制单元在控制所述软启动操作的同时增加所述DC/DC转换单元的电压命令值，并且在控制所述软启动操作的停止的同时将相应的电压命令值固定为最终电压命令值。
3.根据权利要求1所述的电源模块，其中，所述控制单元包括：
模拟数字转换器，将DC功率的电压电平、所述输出控制单元
的输出功率的电流电平、和被传输至功率耦接线中的功率的电流电平转换成各自的数字信号，在所述功率耦接线中所述输出功率被耦接至另一输出功率；
开关控制器，基于由所述模拟数字转换器转换的数字信号控制所述DC/DC转换单元的软启动操作；以及
突入电流防止控制器，当所述输出控制单元被接通或所述DC功率的电压电平高于施加到所述负载端的电压电平时，控制所述开关控制器停止所述DC/DC转换单元的软启动操作。
4.根据权利要求3所述的电源模块，其中，所述输出控制单元包括：
输出开关，根据开关控制信号被接通或断开以输出所述DC/DC转换单元的DC功率；以及
输出开关控制器，提供允许所述输出开关被接通或断开的开关控制信号。
5.根据权利要求1所述的电源模块，进一步包括：
电磁干扰（EMI）滤波单元，从AC功率中滤除EMI；
整流单元，整流滤波后的AC功率；以及
功率因数补偿单元，调整整流后的功率的电压和电流之间的相位差以补偿功率因数。
6.根据权利要求1所述的电源模块，其中，所述DC/DC转换单元包括：
开关单元，开关所述输入功率；
变换单元，包括具有接收所开关的功率的初级绕组和形成关于初级绕组的预设匝数比的次级绕组的变换器以变换电压电平；以及
整流/稳定单元，整流并稳定来自所述变换单元的功率。
7.根据权利要求6所述的电源模块，其中，所述开关单元具有半桥式、全桥式或推挽式开关结构。
8.根据权利要求6所述的电源模块，其中，所述整流/稳定单元包括：
第一和第二同步整流元件，分别连接至所述变换器的次级绕组的两端以整流输出功率；以及
电感器和电容器，连接至所述次级绕组的中心抽头以稳定所述输出功率。
9.一种多重供电装置，包括：
多个电源模块，彼此并联连接并供应预设功率，
所述多个电源模块中的每一个包括：
DC/DC转换单元，将输入功率转换成预设DC功率；
输出控制单元，根据所述DC/DC转换单元的DC功率的电压电平与施加在负载端的电压电平之间的差而接通或断开以控制所述DC功率的输出；以及
控制单元，在所述电源模块被替换的热插拔期间开始所述DC/DC转换单元的软启动操作，并且当所述输出控制单元被接通时停止所述DC/DC转换单元的软启动操作。
10.根据权利要求9所述的多重供电装置，其中，所述控制单元在控制所述软启动操作的同时增加所述DC/DC转换单元的电压命令值，并且在控制所述软启动操作的停止的同时将相应的电压命令值固定为最终电压命令值。
11.根据权利要求9所述的多重供电装置，其中，所述控制单元包括：模拟数字转换器，将DC功率的电压电平、所述输出控制单元的输出功率的电流电平、和被传输至所述多个电源模块的功率耦接线的功率的电流电平转换成各自的数字信号；
开关控制器，基于由所述模拟数字转换器转换的数字信号控制所述DC/DC转换单元的软启动操作；以及
突入电流防止控制器，当所述输出控制单元被接通或所述DC功率的电压电平高于施加到所述负载端的电平时，控制所述开关控制器停止所述DC/DC转换单元的软启动操作。
12.根据权利要求11所述的多重供电装置，其中，所述输出控制单元包括：
输出开关，根据开关控制信号被接通或断开以输出所述DC/DC转换单元的DC功率；以及
输出开关控制器，提供允许所述输出开关被接通或断开的开关控制信号。
13.根据权利要求9所述的多重供电装置，其中，所述多个电源模块中的每一个进一步包括：
电磁干扰（EMI）滤波单元，从AC功率中滤除EMI；
整流单元，整流滤波后的AC功率；以及
功率因数补偿单元，调整整流后的功率的电压和电流之间的相位差以补偿功率因数。
14.根据权利要求9所述的多重供电装置，其中，所述DC/DC转换单元包括：
开关单元，开关所述输入功率；
变换单元，包括具有接收所开关的功率的初级绕组和形成关于初级绕组的预设匝数比的次级绕组的变换器以变换电压电平；以及
整流/稳定单元，整流并稳定来自所述变换单元的功率。
15.根据权利要求14所述的多重供电装置，其中，所述开关单元具有半桥式、全桥式或推挽式开关结构。
16.根据权利要求14所述的多重供电装置，其中，所述整流/稳定单元包括：
第一和第二同步整流元件，分别连接至所述变换器的次级绕组的两端以整流输出功率；以及
电感器和电容器，连接至所述次级绕组的中心抽头以稳定所述输出功率。
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