CN103493323A - 中间总线架构电力系统中的动态总线电压控制 - Google Patents

中间总线架构电力系统中的动态总线电压控制 Download PDF

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Abstract

为了减少中间总线架构电力系统中的功率损耗，提供了中间总线转换器，其使用转换单元将输入电压转换成中间总线电压；接收指示转换单元输出的信号；根据指示转换单元的输出的信号确定用于减少功率损耗的中间总线电压；生成控制信号以控制转换单元将输入电压转换成确定的中间总线电压；并且根据控制信号生成中间总线电压。

Description

中间总线架构电力系统中的动态总线电压控制
技术领域
本发明涉及中间总线架构(IBA)电力系统的领域。
背景技术
中间总线架构(IBA)电力系统是用于分配电力的众所周知的系统。图1中例证了示例中间总线架构系统100。作为示例，图1中示出的系统是纯DC系统，并且从而在该系统中不包含AC/DC转换器。
在这种电力系统中，中间总线转换器(IBC)101向连接到负载(未示出)的负载点(POL)调节器102-104传递预定电压。
中间总线转换器101可以是三种通用类型-即固定比率DC/DC转换器(隔离或非隔离)、线调节DC/DC转换器或完全调节DC/DC转换器-中的一种。中间总线转换器接收输入电压Vin，其通常是36V-75V、18V-36V或18V-60V其中一个范围内的DC电压。
该中间总线转换器输出中间总线电压(VIB)，其被用作到负载点调节器的输入电压。
负载点调节器向用户系统中的负载供电。这些负载点通常是非隔离的。通常是，中间总线转换器和负载点调节器的拓扑可以是任何类型，即降压、升压、降压-升压等，隔离或非隔离的。
在这种系统中，中间总线电压正常情况下是固定的，但在数字管理的中间总线转换器和负载点调节器的新兴市场的情况下，现在存在调整中间总线电压以实现更大效率的可能性。
还有可能在中间总线转换器之间并且还在负载点调节器之间具有电流共享。这使用多个中间总线转换器和多个负载点调节器来实现。使用电流共享总线(CSB)在不同功率转换器(在同一级中)之间交易信息。在中间总线转换器级通常只存在一个此类总线。然而，在负载点调节器级，可存在许多总线。电流共享总线不是本文公开的发明的一部分，但应该注意，本发明并不以存在电流共享总线为条件。
在传统中间总线架构系统中，不基于实际负载条件针对最优化系统效率来调节中间总线电压。相反，中间总线电压保持固定，而与输出负载无关。
为了使较新的电力系统能够改变中间总线电压，有必要包含板电力管理器(BPM)110，如图1所示。板电力管理器从每一个负载点调节器接受有关它们的相应操作条件(例如输出电流和输出电压)的测量，并基于这些测量来计算适当的中间总线电压。板电力管理器110然后经由电力管理总线指令中间总线转换器或者升高其输出电压或者降低其输出电压，并由此升高或降低中间总线电压，以便最大化效率。
然而，这个方案遭遇到若干问题。例如，必需具有已经用通过到中间总线转换器的通信来控制输出电压的算法编程的板电力管理器。这个板电力管理器增加了系统的购买成本，并且还增加了系统的维护要求。此外，板电力管理器110使系统更复杂了，这是因为板电力管理器在调整来自中间总线转换器的输出电压之前需要从负载点调节器收集数据。
鉴于已知动态中间总线电压电力系统中的问题，将期望提供用于控制中间总线电压以便简化电力系统的维护和操作同时仍提供最大功率效率的设备和方法。
发明内容
本发明人已经发现，通过利用在中间总线转换器内可用的信息，无需从负载点调节器收集信息，就能确定减少功率损耗的中间总线电压。通过利用这个发现，发明人已经设计出无需使用板电力管理器而动态控制中间总线电压的设备和方法。
根据本发明，提供一种中间总线转换器，其可操作以生成中间总线电压供中间总线架构电力系统之用。中间总线转换器包括转换单元和控制单元。转换单元可操作以接收输入电压和控制信号，并可操作以基于输入电压和控制信号生成中间总线电压。控制单元可操作以接收指示所述转换单元的输出的信号、根据指示所述转换单元的输出的信号确定用于减少功率损耗的中间总线电压并且生成控制信号以便控制转换单元生成确定的中间总线电压。
而且，本发明还提供了一种控制中间总线架构电力系统中的中间总线电压的控制方法，所述方法包括中间总线架构电力系统内的中间总线转换器执行如下操作：使用转换单元将输入电压转换成中间总线电压；接收指示转换单元的输出的信号；根据指示转换单元的输出的信号确定用于减少功率损耗的中间总线电压；生成控制信号以控制转换单元将输入电压转换成确定的中间总线电压；并且根据控制信号生成中间总线电压。
作为这些特征的结果，中间总线转换器自己确定用于减少功率损耗的中间总线电压，并执行电压控制以实现确定的中间总线电压。因而，不需要板电力管理器，并且减少了维护成本。此外，在本发明的实施例中，用户可根据它们的特定要求对中间总线转换器重新编程。
附图说明
现在将参考附图仅作为示例来描述本发明的实施例，附图中：
图1是已知中间总线架构电力系统的框图，其中板电力管理器指令中间总线转换器改变中间总线电压。
图2是示出具有根据本发明第一实施例的中间总线转换器的中间总线架构电力系统的框图。
图3是示出根据本发明第一实施例的中间总线转换器的另外细节的框图。
图4a是存储在图3的表存储单元中的通用表，其将输出功率与输出电压相关。
图4b是存储在图3的表存储单元中的示范表，其将输出功率与输出电压相关。
图5是流程图，该流程图示出由图3的中间总线转换器的组件所执行的过程。
图6示出了来自比较变化的中间总线电压9V-13V的在0W与300W之间变化的负载的系统功率损耗的测试比较的实施例的实验结果。
图7是在修改的实施例中存储图3的表存储单元中的通用表，其将输出电流与输出电压相关。
具体实施方式
如将在下面详细说明的，本发明提出了一种供中间总线架构之用的中间总线转换器，其简化了中间总线架构的构造和维护，同时提供了改进的功率效率。
图2描绘了根据第一实施例的中间总线架构200电力系统的顶层框图。
参考图2，中间总线转换器201被馈送有输入电压VIN，其然后被转换成中间总线电压。中间总线电压然后被馈送到若干负载点调节器202-204中，这些调节器将中间总线电压转换成多个输出电压Vout1-Vout3，这些输出电压被施加到外部负载(未示出)。
在本发明的这个实施例中，没有必要使用板电力管理器(如图1所描绘的)，因为如下面将详细说明的，中间总线转换器本身进行适当测量、计算用于减少功率损耗的中间总线电压并且然后相应地调整其输出。
图3描绘了根据本发明第一实施例的中间总线转换器201的更详细布局。在此实施例中，中间总线转换器201包括转换单元2011和控制单元2012。此外，在此实施例中还提供了两个可选元件，即测量单元2013和表存储单元2014。
转换单元2011可操作以接收输入电压VIN和控制信号D，并可操作以基于输入电压VIN和控制信号D生成中间总线电压。
控制单元2011可操作以接收指示转换单元2011的输出的信号、根据指示转换单元2011的输出的信号确定用于减少功率损耗的中间总线电压并且生成控制信号D用于控制转换单元2011以生成确定的中间总线电压。
可选测量单元2013可操作以测量中间总线上的转换单元2011的输出，并且可操作以生成指示转换单元2011的输出的信号。在本实施例中，测量单元2013布置成测量中间总线转换器201的输出电流Iout和输出电压Vout，并生成指示这些输出的信号，不过这不是必要的，如后面所说明的。如果不提供测量单元2013，则转换单元2011的输出可被直接馈送到控制单元2012中。控制单元2012然后可使用转换单元2011的输出来确定用于减少功率损耗的中间总线电压。
在此实施例中，控制单元2011可操作以根据指示转换单元2011的输出电流的信号并根据指示转换单元2011的输出电压的信号来计算中间总线转换器201的输出功率。控制单元2011然后根据计算的输出功率来确定用于减少功率损耗的中间总线电压。
作为结果，本发明的这个实施例提供了一种设备，其允许中间总线电压的受控变化，无需与负载点调节器的任何外部通信，从而消除了对于板电力管理器的需要。
在此实施例中，控制单元布置成使用存储在表存储单元2014中的查找表来确定用于减少功率损耗的中间总线电压。该表的内容可在制造期间设置，并且如果需要的话，可使用用于通信的电力管理总线进行改变。该表的内容实际上定义了中间总线电压改变的规则。
更具体地说，表存储单元2014配置成存储将转换单元2011的相应输出与减少功率损耗的相应中间总线电压相关的表。控制单元然后可操作以通过根据指示转换单元2011的输出的信号从存储的表中读取中间总线电压来确定用于减少功率损耗的中间总线电压。
图4a示出了存储在图3的表存储单元中的通用表，其将转换单元2011的相应输出功率与输出电压(中间总线电压)相关。
作为示例，图4b示出了存储在图3的表存储单元中的、具有示范真实世界值的示范表，其将转换单元2011的相应输出功率与输出电压(中间总线电压)相关。该表示出了中间总线转换器的输出电压应该如何在（控制单元2012所计算的）各种功率范围上改变。
从而，当控制单元2012计算出转换单元2011的输出功率在范围0W-120W内时，然后控制单元2012根据该表确定将减少功率损耗的转换单元2011的输出电压(中间总线电压)应该是7V。由此，控制单元2012生成控制信号D以控制转换单元2011将输出电压设置成7V。类似地，如果所计算的转换单元的输出功率在范围120W-160W内，则控制单元2012确定用于减少功率损耗的转换单元2011的输出电压是9V。如果所计算的功率在范围160W-MAX内，则控制单元2012确定转换单元2011的输出电压应该是12V。将认识到，这些值只是示范性的，并且功率和输出电压的适当值可在制造时设置在表中，并且可由用户在操作期间根据期望用途进行设置。
从上面看，因此将理解到，输出电压改变基于由集成在DC/DC中间总线转换器中的控制单元2011接收的输出电流。这个功能被作为十六进制块配置在制造命令寄存器中，并且以线性格式。
本发明的本实施例允许用中间总线转换器上的数字控制电路在内部测量输出功率，代替从负载点调节器获得信息。这允许移除板电力管理器。
由于动态中间总线电压受表控制，因此它以与状态机类似的方式操作，并且可配置成开启或关断。作为结果，改变是快速的，从而在中间总线电压中产生了较少噪声。此外，这个动态中间总线电压功能不会影响其它功能，诸如电流限制、电流共享等。
本发明的这个目前实施例由于使用了数字控制而当改变总线电压时允许输出电压的可配置转换速率（slew rate）。这是重要的，因为它允许控制浪涌电流和电流宿，并且当使用有效电流共享时允许稳定改变，并且在突然电压阶跃的情况下不影响负载点调节器的输出电压。
控制单元2012还可作为主机工作以与其它PMBus装置通信，并使用来自负载点调节器的信息来决定如何改变输出电压。
系统加载（即中间总线电压需要供应的功率）的改变可导致中间总线电压的改变。如果负载增大，则这可引起中间总线电压增大。
控制单元2012通常将配置成连续监视指示转换单元2011的输出电压的信号和/或指示转换单元2011的输出电流的信号，并且无论何时控制单元2012检测到负载的显著改变都改变中间总线电压。
例如，如果控制单元2012检测到负载已经增大，则控制单元2012将增大中间总线电压，并且由此防止中间总线电压限制最大输出功率。
通常，控制单元2012将能够改变中间总线电压每秒一百到上千次。
确定是否应该改变中间总线电压可使用阈限来避免噪声效应。例如，中间总线电压可仅当监视的输出电压大于几百毫伏时才改变。
使用新技术，诸如数字控制和数字管理的中间总线转换器和负载点调节器，在电力系统中将有更多信息可用。该信息包含诸如瞬时输入和输出电流、输入和输出电压以及负载点调节器和中间总线转换器的占空比等信息。
中间总线电压的动态控制在电力系统上电之后很快就能发生。在斜升之后，这意味着电力系统已经接收到“电力系统初始化完成并且成功”信号(其例如可以是“电力接收良好”)，然后执行输出电流的测量，并通过表配置来设置输出电压。
图5示出了由图3的中间总线转换器201执行的、用于控制中间总线架构200电力系统中的中间总线电压的处理操作的流程图。
参考图5，在步骤S501，输入电压Vin由转换单元2011转换成中间总线电压。
在步骤S502，测量中间总线上的至少一个输出，并将其用于生成指示所测量输出的信号。在本实施例中，被测量的中间总线转换器201的输出是转换单元2011的输出电流Iout和输出电压Vout。
在步骤S503，根据指示转换单元2011的所测量输出的信号来确定用于减少功率损耗的中间总线电压。在本实施例中，根据指示转换单元2011的输出电流Iout的信号并根据指示转换单元（2011）的输出电压Vout的信号计算中间总线转换器201的输出功率。根据这个计算的输出功率来确定用于减少功率损耗的中间总线电压。
在步骤S504，生成控制信号D以控制转换单元2011将输入电压转换成确定的中间总线电压。这个控制信号D然后被发送到转换单元2011。
在步骤S505，中间总线电压由转换单元2011根据输入电压VIN和控制信号D来生成。
图5示出了从测量转换单元2011的至少一个输出到生成中间总线电压的处理操作的单个集合。处理操作的单个集合被显示为在步骤S505之后结束。
然而，如早前所描述的，控制单元2012通常将连续监视转换单元2011的至少一个输出，并且确定中间总线电压是否应该被改变。对于这种布置，这些处理操作在步骤S505之后将不结束，而是循环回步骤S501，使得这些处理操作不断重复。
实验结果
图6描绘了本发明实施例的实验结果，其示出了功率损耗如何根据各种中间总线电压的系统加载变化。
如在图表中可看到的，对于没有负载，则9V的电压最好，这是因为这最小化了功率损耗。然而，对于大于150W负载的负载，交叉点出现了，并且使用12V的中间总线电压更有利。
修改和变型
可在不脱离本发明范围的情况下对上述实施例进行许多修改和改变。
例如，测量单元2013和控制单元2012(图3中描绘的)不一定是分开的单元。相反，测量单元2013和控制单元2012可形成为整体单元。
尽管在上面实施例中测量了中间总线转换器的输出电流和输出电压(以便计算输出功率)，但不一定测量和利用这两个输出，并且相反可只测量和利用一个输出。例如，一个实施例可只是测量和利用中间总线转换器的输出电流。基于输出电流的表然后可用于确定用于减少功率损耗的中间总线电压。图7中描绘了这个表的示范版本。
可选地，控制单元2011有可能使用算法来代替表，以便通过执行算法来计算用于减少功率损耗的中间总线电压。控制单元2011由此可生成控制信号以指令转换单元2011基于执行算法的结果来改变其输出电压。
下面在等式1和2中示出了示范算法。
Figure 2011800702348100002DEST_PATH_IMAGE002
(等式1)
(等式2)
在这些等式中，VIB是来自中间总线转换器的中间总线电压输出，Pout是来自中间总线转换器的所测量输出功率，k是增益因子，并且m是偏移。
在真实世界情形下，这些常数可以是k1=3.2E-5，m1=7，k2=0.127并且m2=7。
这些等式允许在不使用表的情况下计算用于减少功率损耗的中间总线电压。
为了例证和描述目的，已经给出了本发明实施例的前述描述。它并不意图是详尽的，或将本发明局限于所公开的目前形式。可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行更改、修改和改变。

Claims (18)

1. 一种中间总线转换器(201)，可操作以生成中间总线电压(VIB)供中间总线架构(200)电力系统之用，所述中间总线转换器(201)包括：
转换单元(2011)，可操作以接收输入电压(VIN)和控制信号(D)，并可操作以基于所述输入电压(VIN)和所述控制信号(D)生成中间总线电压(VIB)；以及
控制单元(2012)，可操作以接收指示所述转换单元(2011)的输出的信号、根据指示所述转换单元(2011)的所述输出的信号来确定用于减少功率损耗的中间总线电压(VIB)并且生成控制信号(D)以便控制所述转换单元(2011)以生成确定的中间总线电压(VIB)。
2. 如权利要求1所述的中间总线转换器(201)，还包括：
测量单元(2013)，可操作以测量所述转换单元(2011)的输出，并且可操作以生成指示所述转换单元(2011)的输出的所述信号。
3. 如权利要求2所述的中间总线转换器(201)，其中所述测量单元(2013)可操作以测量所述中间总线上的输出电流(Iout)。
4. 如权利要求2或3所述的中间总线转换器(201)，其中所述测量单元(2013)可操作以测量所述中间总线上的输出电压(Vout)。
5. 如从属于权利要求3时的权利要求4所述的中间总线转换器(201)，其中所述控制单元(2012)可操作以根据所述转换单元(2011)的输出电流并根据所述转换单元(2011)的输出电压来计算所述中间总线转换器(201)的输出功率，并且其中所述控制单元(2012)可操作以根据计算的输出功率来确定用于减少功率损耗的所述中间总线电压(VIB)。
6. 如权利要求5所述的中间总线转换器(201)，其中所述控制单元(2012)可操作以检测所计算的所述中间总线转换器(201)的输出功率的改变，并根据检测到的所计算的输出功率的改变来确定所述中间总线电压(VIB)。
7. 如权利要求2至6中任一项所述的中间总线转换器(201)，其中所述控制单元(2012)和所述测量单元(2013)形成为整体单元。
8. 如以上任一权利要求所述的中间总线转换器(201)，还包括：
表存储单元(2014)，配置成存储将所述转换单元(2011)的相应输出与用于减少功率损耗的相应中间总线电压相关的表；
并且其中所述控制单元(2012)可操作以通过根据指示所述转换单元(2011)的输出的信号从存储的表中读取中间总线电压(VIB)来确定减少功率损耗的中间总线电压(VIB)。
9. 如权利要求1至7中任一项所述的中间总线转换器(201)，其中所述控制单元(2012)可操作以通过执行算法来计算用于减少功率损耗的中间总线电压。
10. 一种中间总线架构(200)电力系统，具有如以上任一权利要求所述的中间总线转换器(201)。
11. 一种控制中间总线架构(200)电力系统中的中间总线电压(VIB)的控制方法，所述方法包括所述中间总线架构(200)电力系统内的中间总线转换器(201)执行如下操作：
使用转换单元将输入电压(VIN)转换成中间总线电压(S501)；
接收指示转换单元的输出的信号(S502)；
根据指示所述转换单元的输出的信号来确定用于减少功率损耗的中间总线电压(VIB)(S503)；
生成控制信号(D)以控制所述转换单元(2011)将所述输入电压(VIN)转换成确定的中间总线电压(S504)；以及
根据所述控制信号(S505)生成中间总线电压(VIB)。
12. 如权利要求11所述的控制方法，其中：
所述方法还包括：测量所述转换单元(2011)的输出；以及
根据所测量输出生成指示所述转换单元(2011)的输出的信号。
13. 如权利要求12所述的控制方法，其中测量所述中间总线上的输出电流(Iout)。
14. 如权利要求12或13所述的控制方法，其中测量所述中间总线上的输出电压(Vout)。
15. 如从属于权利要求13时权利要求14所述的控制方法，其中：
所述方法还包括：根据所述转换单元(2011)的输出电流(Iout)并根据所述转换单元(2011)的输出电压(Vout)来计算所述中间总线转换器(201)的输出功率；以及
根据所计算的输出功率来确定用于减少功率损耗的中间总线电压(VIB)。
16. 如权利要求15所述的控制方法，其中：
所述方法还包括：检测所计算的所述中间总线转换器(201)的输出功率的改变；以及
根据检测到的所计算的输出功率的改变来确定所述中间总线电压(VIB)。
17. 如权利要求11至16中任一项所述的控制方法，其中通过根据指示所述转换单元(2011)的所述输出的所述信号从将所述转换单元(2011)的相应输出与减少功率损耗的相应中间总线电压(VIB)相关的存储表中读取值来确定用于减少功率损耗的中间总线电压(VIB)。
18. 如权利要求11至16中任一项所述的控制方法，其中通过执行算法来计算用于减少功率损耗的中间总线电压(VIB)。
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