CN104052259A - 提供不间断电源的引入智能栅极-驱动开关电路的容错电源 - Google Patents

Abstract

一种容错电源系统包括至少一个负载开关，当负载开关接通时，用于将输入电压连接到负载开关的输出节点，以及至少一个电源通道，耦合到负载开关上，以接收输入电压。将电源通道配置成降压转换器，包括至少一个高端电源开关和一个低端电源开关。容错电源系统用于测量流经低端电源开关的电流，以确定流经低端电源开关的电流已超过电流限制阈值，并且根据流经低端电源开关的电流已超过电流限制阈值的确定结果，禁用低端电源开关和负载开关。

Description

提供不间断电源的引入智能栅极-驱动开关电路的容错电源

技术领域

本发明主要涉及电源管理系统，更确切地说，是设计一种能够提供不间断电源供应的并还引入了智能栅极-驱动开关电路的容错电源。

发明背景

许多电子系统，例如服务器或微服务器，都需要可靠的不间断电源。在提供不间断电源的电源系统中，备用或冗余电源与主电源总线并联安装。图1表示一种传统的电源系统，其中冗余电源与主电源线并联耦合。参见图1，电源系统1包括主电源线2和冗余电源3。通常利用“或（OR’ing）”方法，并联安装冗余电源3，表示为或电路（OR’ing circuit）4。备用冗余电源3在大多数情况下，都是保持休眠和待机状态，只有当为干线的主电源线2发生计划外停机或进行维修服务时，备用冗余电源3才开始工作。冗余电源3的作用是当主电源线2发生故障时，冗余电源3立即接通，从而为最终用户提供不间断操作或服务。一般来说，冗余电源3可以标记或通知系统它已被使用，从而可以在更方便地维护或服务为干线的主电源线2。

利用传统的二极管方法，可以通过或将冗余电源并联安装到干线上，当没有任何故障时，提供阻断机制。然而，发生故障时，尤其是当电源系统在高电流水平时，例如电信设备中的微服务器和其他硬件中常用的电流水平（远高于80A），整个二极管的压降会导致极大的功率损耗。

利用MOSFET开关，只需很低的导通状态电阻，就能完成冗余电源的或。使用或电路的MOSFET开关，需要精确的时间和程序管理的很好的控制和检测电路。MOSFET的体系具有较低的功率损耗，并且在发生“备份”情况时可提高效率，但是在万一发生次要（冗余）线的输入电压失败和降低时，由于MOSFET开关允许双向传导，会产生反向电流，这是不利的。虽然MOSFET开关与背靠背体二极管串联是防止发生反向电流的一种可选方案，但这需要定时电路精确的排序。

除了消耗成品电路板的空间，主要处于非活动状态的冗余系统的成本和空间之外，冗余电源和/或电路还增加了系统成本。数据中心和电信基础设施应用的目标是较低的服务器配置文件、更紧凑的机架空间、较高的功率密度设计和较低的成本。要求包含冗余线，会增加电源系统的复杂性，作为用于故障检测电路的智能控制器，用于限流的电流检测能力、反向电流探测器，形成用于精确计时的家政电路之前断路，及其他上述的电路配件需要引入到冗余电源系统中。冗余电源的复杂性增加了系统成本，占用了宝贵的PC板成品电路板空间。

发明内容

在本发明提供的一种容错电源系统中，该电源系统接收输入电压，在输出电压节点上产生输出电压，该电源系统包括：一个或多个负载开关，每个负载开关都有一个耦合到输入电压的输入节点和一个输出节点，当负载开关接通时，负载开关在输出节点提供输入电压，当负载开关断开时，负载开关使输入电压断开与输出节点的连接；以及多个电源通道，每个电源通道都有一个输入端，耦合到一个负载开关的输出节点上，以及一个输出端，耦合到电源系统的输出电压节点上，每个电源系统都包括一个驱动电路、一个高端电源开关和一个与高端电源开关串联的低端电源开关，以及一个输出电感器，电源通道和输出电容器连接在输出电压节点和地电压之间，构成一个降压转换器，其中多个电源通道的每个电源通道还包括一个电流传感电路，以测量低端电源开关中的电流，配置电流传感电路的目的是，当低端电源开关中的电流具有超过电流限制阈值的峰值电流时，产生具有第一态的第一输出信号，第一输出信号耦合到驱动电路，根据具有第一态的第一输出信号，使各自的电源通道的低端电源开关禁用，第一输出信号还耦合到与各自的电源通道相关的负载开关上，根据具有第一态的第一输出信号，使负载开关断开。

上述的容错电源系统，其中一个或多个负载开关中的每个负载开关都有一个输出节点，耦合到一个或多个电源通道的输入端。

上述的容错电源系统，每个负载开关都包括一个主开关，其输入端连接到输入节点，输出端连接到输出节点和控制端，以及一个快速开关断开电路，用于接收第一输出信号，驱动主开关的控制端，快速开关断开电路用于根据具有第一态的第一输出信号，断开主开关。

上述的容错电源系统，快速开关断开电路包括一个驱动器，可以在避免对电源系统造成损坏的时间内断开主开关。

上述的容错电源系统，快速开关断开电路包括一个驱动器，可以在纳秒级的时间内，断开主开关。

上述的容错电源系统，输出电容器包括一个单独的输出电容器，耦合到输出电压节点上。

上述的容错电源系统，电流传感电路包括：一个峰值电流探测器，耦合到低端电源开关上，用于测量通过低端电源开关的电流，并且产生输出信号，输出信号表示流经低端电源开关的电流峰值；以及一个比较器，用于比较峰值电流探测器的输出信号与电流限制阈值，当峰值电流探测器的输出信号超过电流限制阈值时，比较器产生具有第一态的第一输出信号。

上述的容错电源系统，第一输出信号包括一个高有源信号，第一态包括一个逻辑高态，电源系统还包括：一个漏极开路的NMOS晶体管，其栅极端耦合到第一输出信号，源极端耦合到地电压，漏极端提供第二输出信号，第二输出信号耦合到与各自的电源通道关联的负载开关上，根据具有第一态的第一输出信号，断开负载开关。

上述的容错电源系统，高端电源开关和低端电源开关包括MOS晶体管。

上述的容错电源系统，其特征在于，还包括：一个多相位控制器，用于为多个电源通道产生控制信号，控制电源通道的循环周期。

本发明还提供一种电源系统中的方法，如在系统中提供不间断电源的方法，其中，电源系统接收输入电压，并且在输出电压节点上产生输出电压，电源系统包括至少一个负载开关，当负载开关接通时，用于将输入电压连接到负载开关的输出节点，至少一个电源通道耦合到负载开关，以接收输入电压，将电源通道配置成降压转换器，并且包括至少一个高端电源开关和一个低端电源开关，该方法包括：测量流经低端电源开关的电流；确定流经低端电源开关的电流已经超过了电流限制阈值；并且根据确定结果，禁用电源通道的低端电源开关和负载开关。

上述的方法，禁用负载开关包括：根据确定结果，断开负载开关，使输入电压断开与负载开关的输出节点的连接。

上述的方法，根据确定结果断开负载开关包括：根据确定结果，在避免对电源系统造成损坏的时间内断开主开关。

上述的方法，根据确定结果断开负载开关包括：根据确定结果，在纳秒级的时间内断开主开关。

附图的简要说明

以下的详细说明及附图提出了本发明的各个实施例。

图1表示一种传统的电源系统，其中冗余电源并联耦合到主电源线上。

图2表示一种传统的主电源线示意图。

图3表示在本发明的实施例中，容错电源系统的示意图。

图4表示在本发明的实施例中，在耦合到负载开关上的每个电源通道中，智能栅极驱动器/MOS开关电路的详细结构示意图。

图5表示在本发明的实施例中，一种智能的栅极驱动器/MOS开关电路的电路结构示意图。

图6表示在本发明的一个示例中，一种智能的栅极驱动器/MOS开关电路操作的时序图。

详细说明

本发明可以以各种方式实现，包括作为一个工艺；一种装置；一个系统；和/或一种物质合成物。在本说明书中，这些实现方式或本发明可能采用的任意一种其他方式，都可以称为技术。一般来说，可以在本发明的范围内变换所述工艺步骤的顺序。

本发明的一个或多个实施例的详细说明以及附图解释了本发明的原理。虽然，本发明与这些实施例一起提出，但是本发明的范围并不局限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，本发明包含多种可选方案、修正以及等效方案。在以下说明中，所提出的各种具体细节用于全面理解本发明。这些细节用于解释说明，无需这些详细细节中的部分细节或全部细节，依据权利要求书，就可以实现本发明。为了简便，本发明相关技术领域中众所周知的技术材料并没有详细说明，以免对本发明产生不必要的混淆。

在本发明的实施例中，容错电源系统引入了一个带有电流检测的智能栅极驱动器/MOS开关电路，以检测有问题的电源通道，并从电源系统去耦，使电源系统可以继续工作，为输出端提供不间断的电源。在某些实施例中，智能栅极驱动器/MOS开关电路用于在低端MOS开关处检测直流大电流浪涌，当电流超过检测的指定阈值时，产生故障信号。利用故障信号，断开低端MOS开关，终止浪涌电流。故障信号还可用于产生故障标志信号，断开负载开关，使输入到电源通道的输入电源断开连接。同时，电源系统剩余的电源通道继续工作，产生输出电压。电源系统的多相位控制器监控输出电压，利用剩余的功能性电源通道，调节其电源操作。

图2表示一种传统的主电源线示意图。参见图2，主电源线10接收输入直流电压V_IN（节点11），并产生输出电压V_OUT（节点22）。主电源线10通常含有多个电源通道（通道1至通道N）。电源通道在不同的相位工作，由多相位脉冲宽度调制（PWM）控制器12控制。每个电源通道都包括一个控制电路14，接收来自控制器12的PWM控制信号。每个电源通道还包括驱动电路18，驱动一对MOS开关S1和S2，作为高端开关和低端开关。控制电路14产生用于驱动电路18的栅极驱动信号，驱动MOS开关S1和S2。开关S1和S2之间的公共节点15耦合到电感器L1上。全部电源通道的电感器的输出节点（节点22）都接合在一起，并耦合到输出电容器C_OUT上，产生输出电压V_OUT。电源通道作为降压转换器。我们已知降压转换器工作，在节点15处产生开关信号，可以推广至以下内容。降压转换器包括一对电源开关S1和S2，接通和断开电源开关S1和S2，产生等于参考电压的输出电压。更确切地说，还可选择接通和断开电源开关，在公共节点（也称为开关输出节点）处产生开关输出电压。开关输出节点耦合到LC滤波电路上，LC滤波电路包括一个输出电感器和输出电容器，产生相同幅值的输出电压。然后，利用输出电压驱动负载。

确切地说，接通高端电源开关，将电源加载到输出滤波电路的输出电感器上，使流经电感器的电流增大。当断开高端电源开关时，电感器上的电压反转，此时流经电感器的电流降低。因此，电感器电流在额定输出电流以上和以下脉动起伏。通过输出电容器维持相对稳定的输出电压。接通和断开低端电源开关，进行同步控制操作。

主电源线10的公共故障模式是高端电源开关S1的短路条件。然而，当一个电源通道中只有一个电源开关失效时，整个主电源线都降低，冗余电源将上线提供电源，直到可以进行主电源线修复时为止。

在本发明的实施例中，容错电源系统提供不间断的连续电流，无需冗余或备用电源系统。当省去冗余电源系统时，或电路及相关的控制电路也可以省去。因此，本发明所述的冗余电源系统可用于提供不间断电源，同时降低了系统成本，减少了所占面积。重要的是，大多数情况下，冗余电源都处于休眠状态，容错电源系统消除了这种低效率情况。

图3表示在本发明的实施例中，一种容错电源系统的示意图。参见图3，在本说明中，当主电源线接收输入电压V_IN（节点51）并提供输出电压V_OUT（节点62）时，可使用容错电源系统50（“电源系统50”）。输入电压V_IN可通过节点51和接地GND间的输入电容器C_IN滤波。在输入电压节点51处使用输入电容器C_IN是可选的，在本发明的其他实施例中可以省略。容错电源系统50包括N个电源通道，每个电源通道都配置成降压转换器，含有一个驱动电路，驱动高端电源开关和低端电源开关。在本实施例中，高端和低端电源开关都利用MOS晶体管配置，有时也称为“高端MOS开关”或“低端MOS开关”。在本说明中，驱动高端MOS开关和低端MOS开关的驱动电路组合有时也称为栅极驱动器/MOS开关电路，或简称为“驱动器/MOS电路”。在某些应用中，驱动器/MOS电路也作为单片集成电路。此外，在某些实施例中，低端MOS开关和高端MOS开关为NMOS晶体管。

已知降压转换器的运行情况，可概况如下。降压转换器包括一对电源开关S1（高端MOS开关）和S2（低端MOS开关）串联。输入电压V_IN耦合到高端MOS开关S1的漏极端。接通和断开电源开关S1和S2，产生等于参考电压的输出电压V_OUT。更确切地说，可以交替接通和断开电源开关S1和S2，在公共节点（也称为开关输出节点）处产生开关输出电压。开关输出节点耦合到LC滤波电路上，LC滤波电路包括一个输出电感器和一个输出电容器，产生具有相同幅值的输出电压。然后，利用输出电压驱动负载。在本说明中，图中只表示出了降压转换器中与本发明有关的一部分电路元件。应理解，电源系统和降压转换器还包括图中没有表示出的其他电路元件或其他控制电路，以促进电源系统和每个电源通道中降压转换器的正常运行。

在电源系统50中，电源通道在不同的相位中工作，并且由多相位控制器52控制，在某些实施例中，多相位控制器52可以是多相PWM控制器。多相位控制器52产生控制信号53，例如PWM控制信号，耦合到每个电源通道上，控制每个电源通道的工作周期。在某些实施例中，电源通道具有相同或不同的额定电流。电源通道汇总至公共输出电压节点62，产生输出电压V_OUT，输出电压V_OUT在负载电流的范围内具有基本恒定的幅值。当输出需要较高的电流时，多相位控制器52调节PWM控制信号53的工作周期，使全部电源通道均匀地促进输出。在某些情况下，控制器52采用热和电流平衡性能，控制器给比其他温度更低的相位或通道重新分配电流分担任务。在一个实施例中，容错电源系统50包括8个电源通道。每个电源通道都为输出电压节点62提供20-30A。输入电压V_IN可以为12V至24V，输出电压V_OUT可以为1.2V至5V。

在本发明的实施例中，容错电源系统50包括一组负载开关55，每个负载开关55都连接到一对电源通道56（也称为“电源通道对”）。确切地说，电源通道对56包括两个并联的电源通道，每个电源通道都至少包括驱动电路、高端MOS开关、低端MOS开关和输出电感器。在本实施例中，每个负载开关55都耦合到两个电源通道上，构成电源通道区54。在其他实施例中，负载开关可以耦合到一个单独的电源通道上，或耦合到两个或多个电源通道上。此外，在本实施例中，负载开关55配置成快速断开负载开关（Fastturn-off load switch，FLSW），引入快速开关断开电路，触发时，促进负载开关的快速断开。

在本实施例中，负载开关55串联在输入电压V_IN（节点51）和电源通道对56之间，确切地说，是连接到每个电源通道中降压转换器的输入电压节点。运行时，接通负载开关55，将输入电压V_IN耦合到电源通道的高端MOS开关的漏极端。每个电源通道都产生一个开关输出电压，由各自电源通道处的电感器和输出电压节点62处的输出电容器C_OUT滤波，C_OUT连接在节点62和接地GND间。在本实施例中，电源通道的输出节点在输出电压节点62处，共同连接到公共输出电容器C_OUT上。在其他实施例中，每个电源通道或一组电源通道都带有一个单独的输出电容器。在输出电压节点62处的输出电容器C_OUT的具体配置，对于实施本发明来说并不重要。

依据本发明的实施例，电源系统50引入了配有智能栅极驱动器/MOS开关电路的电源通道。更确切地说，每个电源通道中的栅极驱动器/MOS开关电路都引入了容错能力，当检测到故障时，产生容错信号，用于断开低端MOS开关以及与电源通道有关的负载开关。多数情况下，电源系统50中的常见故障是在高端MOS开关处发生短路。当高端MOS开关短路时，形成从输入电压V_IN到接地端的直接通路，当低端MOS开关接通时，电源开关上产生过量的电流。过量的电流会对MOS开关电路产生不可逆的损坏。依据本发明的实施例，每个电源通道中的栅极驱动器/MOS开关电路在低端MOS开关处检测过电流情况，并且断开与电源通道有关的低端MOS开关和负载开关，防止更大的电流。

在一个实施例中，检测到电流情况时，每个电源通道中的驱动器/MOS电路产生故障信号，利用故障信号，断开驱动器/MOS开关本身的低端MOS开关。驱动器/MOS电路还产生故障标志信号（节点57）。故障标志信号（节点57）耦合到负载开关55上，作为负载开关失效或禁用（Load switch disable，LS_Dis）信号，使负载开关失效或断开。在本实施例中，当利用驱动器/MOS电路的故障检测，打开或断开负载开关时，一对电源通道也会失效。

断开负载开关55时，由于驱动器/MOS电路的故障检测，使一个或多个电源通道失效，则多相位控制器52调节用于其他电源通道的PWM信号53的工作周期，从而维持所需的输出电压V_OUT。在这种情况下，为输出电压节点62提供不间断的输出电压和电流。更重要的是，电源系统50可以提供不间断电源，无需传统结构中的冗余电源系统。

图4表示在本发明的实施例中，耦合到负载开关上的每个电源通道中的智能栅极驱动器/MOS开关的具体结构示意图。参见图4，电源通道区54包括一个耦合到电源通道对56上的负载开关55。负载开关55将输入电压V_IN（节点51）连接到每个电源通道中MOS开关的输入电压节点。电源通道的输入电压节点通常是高端MOS开关的漏极端。更确切地说，负载开关55包括一个主开关S10，主开关S10的一个输入节点IN连接到电源通道对56的电源通道的输入电压V_IN（节点51），主开关S10的一个输出节点OUT连接到输入电压节点（节点58）。当主开关S10闭合时，电源通道对56中的电源通道连接到输入电压V_IN。当主开关S10断开时，电源通道不再连接到输入电压V_IN。在开关控制电路64的控制下，驱动器61驱动主开关S10。配置开关控制电路64，根据电源系统50的控制信号，接通或断开主开关S10。在本实施例中，负载开关55为快速起效的负载开关，触发时可以迅速断开。为此，负载开关55包括一个快速开关断开电路66，用于当负载开关禁用信号LS_Dis（节点57）触发时，快速断开主开关S10。当电源通道的驱动器/MOS电路处检测到过电流情况时，显示负载开关禁用信号，这将在下文中详细介绍。

在电源通道对56中，每个电源通道都包括一个智能栅极驱动器/MOS开关电路60和一个电感器L1。这对电源通道的输出节点耦合到输出电压节点62，输出电容器C_OUT也耦合到输出电压节点62上。在特定的工作周期下，电源通道对56中的电源通道在来自多相位控制器52的PWM控制信号53的控制下运行。智能栅极驱动器/MOS开关电路60引入一个电流检测电路68，检测低端MOS开关处的直流大电流浪涌，低端MOS开关表示在驱动器/MOS电路处的过电流情况。确切地说，电流检测电路检测低端MOS开关中的峰值电流。当电流浪涌时，或电流超过特定阈值时，会在低端MOS开关处检测到，智能栅极驱动器/MOS开关电路60断开低端MOS开关，并且/或者将低端MOS开关切换到三态模式（Tri-state mode）。此外，栅极驱动器/MOS开关电路60产生耦合到负载开关55上的负载开关禁用信号LS_Dis（节点57），激活快速开关断开电路66，以断开负载开关55。确切地说，当由禁用信号LS_Dis（节点57）触发时，快速开关断开电路66快速打开或断开主开关S10，中断主开关S10的输入节点IN和输出节点OUT之间的连接。因此，电源通道的输入电压节点58不再连接到V_IN输入电压（节点51）。于是，负载开关55使有问题的电源通道断开与电源系统的连接，因此利用剩余的电源通道电源系统可以继续运行，为输出电压节点提供不间断电源。在这种情况下，当系统的电源通道出现故障时，本发明所述的电源系统50实现了容错设计，使电源系统可以继续运行，而不是彻底瘫痪。

在本发明的实施例中，容错电源系统50中的电源通道作为可互换零件，可以热插拔，因此可以在其余电源通道继续正常运行时，替换有故障的电源通道。在某些实施例中，电源通道的驱动器/MOS电路形成一个可热插拔模块。当有故障的高端MOS开关导致电源通道失效时（例如短接的高端MOS开关），可以在其余的电源通道为输出电压节点提供所需电源的同时，替换掉驱动器/MOS电路模块。电源系统50在继续正常运行的同时，有故障的驱动器/MOS电路被替换掉。在替换上的电源通道重新通电启动之前，替换上的驱动器/MOS电路模块安装后即可通电（例如通过软启动操作）至工作电压。电源系统50的多相位控制器52监控输出电压V_OUT，并且调节为每个电源通道提供的PWM信号的相位，以产生所需的输出电压值。

在一些实施例中，智能的栅极驱动器/MOS开关电路产生一个故障标志信号，作为电源系统的输出信号，故障标志用于警告故障电源通道的电源系统的操作员。

图5表示在本发明的实施例中，在每个电源通道中，以及耦合到这对电源通道上的负载开关中，引入一个智能栅极驱动器/MOS开关电路的电路结构示意图。在本实施例中，每个电源通道都配置成降压转换器。电源通道对中的电源通道都按相同的方式配置，一个电源通道的说明也适用于其他的电源通道。参见图5，电源通道区54包括一个负载开关55，耦合到一对电源通道56a、56b上。在本实施例中，负载开关55的配置方式与图4以及上述所示的负载开关相同。负载开关电路的说明在此不再重复。简言之，负载开关55连接或断开输入电压V_IN（节点51）到电源通道56a、56b的输入电压节点58的连接。

在本实施例中，电源通道56a包括一个驱动器/MOS电路56a，以及配置为降压转换器的电感器L1。电源通道56a连接到输出电容器C_OUT的输出电压节点62。输出电容器C_OUT通常是全部电源通道或一组电源通道共享的公共输出电容器。驱动器/MOS电路60a含有一个驱动电路71，接收PWM控制信号PWM1。驱动电路71为高端栅极驱动器74和低端栅极驱动器75产生控制信号。在本实施例中，驱动电路71产生的控制信号与其他控制信号（例如电源通道的启动信号EN）进行逻辑与，譬如驱动电路71产生的控制信号与启动信号EN分别输入到与门72所包含的两个输入端，以及驱动电路71产生的控制信号与启动信号EN也分别输入到与门73所包含的两个输入端，与门72和73用于限制一个或多个控制信号，它们分别相对应地为高端栅极驱动器74和低端栅极驱动器75产生栅极驱动信号。高端栅极驱动器74用于驱动高端MOS开关S1的栅极，而低端栅极驱动器75用于驱动低端MOS开关S2的栅极，S1、S2串接在输入电压节点58和接地端GND之间。高端MOS开关S1和低端MOS开关S2之间的公共节点80切换输出节点80，并且耦合到电感器L1的一个端口。电感器L1的其他端口也耦合到公共输出电压节点62上，用于电源系统50。输出电容器C_OUT，可以是一个或多个或全部电源通道的公共输出电容器，也耦合到输出电压节点62上。驱动器/MOS电路60a中的控制电路（例如驱动电路71）和与逻辑门72、73仅用于表示说明。在其他的实施例中，驱动器/MOS电路中的控制电路可能还有其他的电路布局。

在降压转换器中，高端MOS开关S1和低端MOS开关S2由驱动电路71控制，包括高端栅极驱动器74和低端栅极驱动器75，以至于一次仅接通一个MOS开关，避免两个MOS开关同时接通。因此正常运行时，输入电压V_IN（节点58）和接地端之间没有直接的电流通路。然而，当高端MOS开关S1短路时，产生很大的浪涌电流，当低端MOS开关S2接通时，从输入电压V_IN到接地端形成直接的电流通路。因此，当高端MOS开关S1短路时，发生很大的浪涌电流，当高端MOS开关S1断开时，低端MOS开关S2接通。本发明所述的智能栅极驱动器/MOS开关电路感应到低端MOS开关S2处的浪涌电流，检测电源通道处的故障情况，启动过电流保护操作。

传统的电源系统有时采用传统的负载开关与输入电压串联。在某些情况下，发生短路时，负载开关会承受很大的电流，最终导致系统严重受损。一些传统的负载开关含有限流功能，可以报警并触发关机功能，但是关闭负载开关的过程（或“打开”开关）通常需要相当长一段时间才能完成，例如上百微秒。响应限流事件，打开负载开关的时间内，可能电源系统已经不可挽回地损坏了。

一些传统的负载开关设计有电流钳位功能，负载开关的内部控制网络触发一个不能超过的固定的最大电流水平，以防止对系统造成进一步的损坏。然而，由于电流钳位功能将破坏输出电压，因此电流钳位负载开关不能用于多相位/多通道电源系统。

在本发明的实施例中，容错电源系统引入具有过电流检测和保护功能的智能栅极驱动器/MOS开关电路。此外，在一些实施例中，容错电源系统引入带有快速断开性能的负载开关。在一个实施例中，负载开关具有在纳秒范围内的整体断开时间，例如大约100ns（在温度变化范围内）。断开时间是指从检测到故障开始，到负载开关完全断开的时间。一般来说，本发明所述的电源系统中引入的负载开关具有足够短的整体断开时间，避免形成峰值电流，使电源系统的零部件超过它们的热极限。换言之，负载开关可以快速响应，从而避免形成过量的峰值电流，对电源系统造成损坏。确切地说，快速方便地断开有故障的电源通道，可以减轻和尽量减少由沿降压转换器旁边寄居的寄生电感和电容产生的峰值电流积聚，负载电流积聚可能损坏其他电源通道和电源系统的其他电路。

参见图5，智能栅极驱动器/MOS开关电路60a或60b引入了一个电流传感电路，用于传感低端MOS开关S2处的电流。在一个实施例中，电路传感电路包括一个跨接低端MOS开关S2的源极和漏极端的峰值电流探测器76，以及一个比较器77，用于比较传感信号和阈值水平。确切地说，峰值电流探测器76检测流经低端MOS开关S2电流的峰值。峰值电流探测器76产生传感电压信号V_SNS，V_SNS表示整个低端MOS开关S2上的传感峰值电流值。传感电压信号V_SNS耦合到比较器77的正输入端，以便与耦合到比较器77的负输入端上的阈值电压V_ILIM相比较。阈值电压V_ILIM代表电源通道的过电流阈值极限。

当传感电压信号V_SNS小于阈值电压V_ILIM时，表示低端MOS开关S2处的电流低于过电压阈值极限，比较器77的输出信号失效或处于逻辑低。因此，反相器79的输出端有效或处于逻辑高，反相器79的该输出端连接到与门73除了接收驱动电路71产生的控制信号和EN信号的两个输入端以外的另一个输入端，与门73仅基于其他控制信号运行，也就是说，基于来自驱动电路71的PWM控制信号和启动信号EN。当低端MOS开关S2处的电流超过过电流阈值极限时，也就是说检测到过电流情况时，比较器77产生故障信号（节点78），作为比较器输出信号，用于断开低端MOS开关S2。确切地说，比较器77的输出信号被反相器79反转，反转的故障信号耦合到与逻辑门73，以限制用于低端MOS开关的栅极驱动信号。

更确切地说，当传感电压信号V_SNS等于或大于阈值电压V_ILIM时，表示低端MOS开关S2的电流等于或大于过电流阈值极限，比较器77的输出信号有效或处于逻辑高。因此反相器79的输出端失效或处于逻辑低，与门73失效。在这种情况下，低端栅极驱动器75也失效，应断开低端MOS开关S2。按照这种方式，当电流传感电路在低端MOS开关S2处检测到过电流情况时，电流传感电路将产生故障信号（节点78），断开低端MOS开关S2，或者将低端MOS开关S2置于三态模式。

同时，故障信号（Fault signal）也在驱动器/MOS电路60a的外部耦合，作为故障标志信号（Fault flag signal）。在一个实施例中，故障信号（节点78）为高有效信号。故障信号（节点78）耦合到漏极开路NMOS（Open-drain NMOS）晶体管Q3的栅极。Q3的源极处于低电位例如接地GND（如图5），当故障信号（节点78）有效时，NMOS晶体管Q3接通，拉低晶体管Q3的漏极节点，从而产生故障标志信号作为低有效信号（Activelow signal）。晶体管Q3的漏极端提供故障标志信号（节点57），故障标志信号耦合到负载开关55上，作为负载开关禁用信号LS_Disable，控制负载开关55的断开电路，以断开负载开关。

在一个实施例中，耦合负载开关禁用信号LS_Disable（节点57），触发负载开关55的快速开关断开电路。在本发明的实施例中，在负载开关电路中，开关控制电路64用于接通负载开关，例如在软启动时。由于负载开关中的主开关S10是一个大型器件，因此快速开关断开电路66含有一个可以快速断开负载开关的大型驱动器。在一个实施例中，快速开关断开电路66含有一个有源下拉装置。在一些实施例中，快速开关断开电路66是一个NMOS晶体管，用于拉低主开关S10的栅极（譬如拉低至低于NMOS管阈值电压的低电位），以断开负载开关。快速开关断开电路66能够在对电源系统造成不可挽回的损坏之前，快速断开负载开关。

按照这种方式，当电源通道的高端MOS开关S1处发生短路时，只能在栅极驱动器/MOS开关电路60检测到浪涌电流，当低端MOS开关接通时，可以快速断开低端MOS开关S2和负载开关55，以避免对电源系统的其他组件造成损坏。在一个实施例中，过电流检测、故障识别、驱动器禁用和负载开关断开操作都可以在很短的时间内（例如100ns以内）配置。

图6表示本发明示例中的智能栅极驱动器/MOS开关电路运行情况的时序图。参见图6，曲线102表示过电流限制阈值，曲线104表示检测到的电压信号V_SNS，用于指示流经低端MOS开关S2的电流。曲线106表示用于控制高端MOS开关的高端栅极驱动信号，曲线108表示开关电压节点LX（相当于开关S1、S2之间的连接节点80），曲线110表示用于控制低端MOS开关的低端栅极驱动信号。曲线112表示故障标志信号，用作负载开关禁用信号LS_Disable。曲线114表示负载开关的接通或断开状态。曲线116表示负载开关的输出节点。

正常运行时，接通负载开关（接通状态）（曲线114）。可以通过软启动操作，接通负载开关，是输出节点缓慢升高至整个输入电压V_IN（曲线116）。当负载开关的输出节点加满电时，电源通道开始工作。在T1时刻，上一个周期的低端栅极驱动信号失效，使低端MOS开关断开。在T2时刻，高端栅极驱动信号（曲线106）有效，使高端MOS开关接通，LX节点（曲线108）切换到高。当没有检测到过电流情况时，故障标志信号（曲线112）（为有源低信号（active low signal））高有效。一个特定的工作循环后，在T3时刻，高端栅极驱动信号断开，开关输出节点LX也切换到低。然后，在T4时刻，低端栅极驱动信号有效，使低端MOS开关接通。工作循环以正常的工作模式重复进行。

然而，当高端MOS开关发生短路时，即使高端MOS开关断开（T3时刻的事件1），开关输出节点LX将仍然保持在高位。由于发生短路，当低端MOS开关在T4时刻接通时，检测到的电压V_SNS会增大（曲线104）。在一些点，检测到的电压V_SNS会超过过电流限制阈值（曲线102、事件2）。由于检测到的电压V_SNS超过了过电流限制阈值，在T5时刻，智能驱动器/MOS电路中的故障信号有效，故障标志处于低位（曲线112，事件3）。检测到故障时，低端栅极驱动信号会拉低（事件4），使低端MOS开关失效。同时，故障标志信号也使负载开关断开（曲线114，事件5）。由于负载开关通常是一个大型器件，因此断开负载开关还需要一定的时间。在T6时刻，负载开关终于断开，负载开关输出信号OUT最终降低（事件6），这表明输入电压V_IN已经与负载开关输出节点断开连接。在本说明中，从检测到故障情况（T5）到负载开关断开（T6）的时间T_OFF约为100ns，从而确保不会对电源系统造成不可挽回的损坏。

本发明所述的容错电源系统具有许多优势。首先，在需要不间断电源的电源系统中省去了冗余或备用电源系统。省去备用电源系统节省了大量成本和实际空间。本发明所述的容错电源系统在每个电源通道中引入了智能栅极驱动器/MOS开关电路，利用这种容错电源系统代替备用电源系统配置主电源线。

第二，在每个电源通道配对的输入端配置负载开关，防止干线上的整个系统故障。干线电源系统配有断电机制，能在发生不可挽回的损坏之前，断开有故障的电源系统与其他部分的连接。

第三，在一些实施例中，本发明所述的容错电源系统在检测到过电流情况并且电源不间断之后，提出了一个故障标志。该故障标志可直接作为禁用信号，使有故障的驱动器/MOS电路禁用，以至于三态MOS开关，及其他必须禁用的子电路，并且断开负载开关。该故障标志也用于提醒系统或故障电源通道的用户。

最后，本发明所述的容错电源系统可以和热插拔电源通道组件一起配置，使得在系统保持全面运行的同时维修有故障的电源系统。

虽然为了表述清楚，以上内容对实施例进行了详细介绍，但是本发明并不局限于上述细节。实施本发明还有许多可选方案。文中的实施例仅用于解释说明，不用于局限。

Claims (14)

1.一种容错电源系统，其特征在于，该电源系统接收输入电压，在输出电压节点上产生输出电压，该电源系统包括：

一个或多个负载开关，每个负载开关都有一个耦合到输入电压的输入节点和一个输出节点，当负载开关接通时，负载开关在输出节点提供输入电压，当负载开关断开时，负载开关使输入电压断开与输出节点的连接；以及

多个电源通道，每个电源通道都有一个输入端，耦合到一个负载开关的输出节点上，以及一个输出端，耦合到电源系统的输出电压节点上，每个电源系统都包括一个驱动电路、一个高端电源开关和一个与高端电源开关串联的低端电源开关，以及一个输出电感器，电源通道和输出电容器连接在输出电压节点和地电压之间，构成一个降压转换器；

其中多个电源通道的每个电源通道还包括一个电流传感电路，以测量低端电源开关中的电流，配置电流传感电路的目的是，当低端电源开关中的电流具有超过电流限制阈值的峰值电流时，产生具有第一态的第一输出信号，第一输出信号耦合到驱动电路，根据具有第一态的第一输出信号，使各自的电源通道的低端电源开关禁用，第一输出信号还耦合到与各自的电源通道相关的负载开关上，根据具有第一态的第一输出信号，使负载开关断开。

2.权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，一个或多个负载开关中的每个负载开关都有一个输出节点，耦合到一个或多个电源通道的输入端。

3.权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，每个负载开关都包括一个主开关，其输入端连接到输入节点，输出端连接到输出节点和控制端，以及一个快速开关断开电路，用于接收第一输出信号，驱动主开关的控制端，快速开关断开电路用于根据具有第一态的第一输出信号，断开主开关。

4.权利要求3所述的容错电源系统，其特征在于，快速开关断开电路包括一个驱动器，可以在避免对电源系统造成损坏的时间内断开主开关。

5.权利要求3所述的容错电源系统，其特征在于，快速开关断开电路包括一个驱动器，可以在纳秒级的时间内，断开主开关。

6.权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，输出电容器包括一个单独的输出电容器，耦合到输出电压节点上。

7.权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，电流传感电路包括：

一个峰值电流探测器，耦合到低端电源开关上，用于测量通过低端电源开关的电流，并且产生输出信号，输出信号表示流经低端电源开关的电流峰值；以及

一个比较器，用于比较峰值电流探测器的输出信号与电流限制阈值，当峰值电流探测器的输出信号超过电流限制阈值时，比较器产生具有第一态的第一输出信号。

8.权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，第一输出信号包括一个高有源信号，第一态包括一个逻辑高态，电源系统还包括：

一个漏极开路的NMOS晶体管，其栅极端耦合到第一输出信号，源极端耦合到地电压，漏极端提供第二输出信号，第二输出信号耦合到与各自的电源通道关联的负载开关上，根据具有第一态的第一输出信号，断开负载开关。

9.权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，高端电源开关和低端电源开关包括MOS晶体管。

10.权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，还包括：

一个多相位控制器，用于为多个电源通道产生控制信号，控制电源通道的循环周期。

11.一种电源系统中的方法，其特征在于，电源系统接收输入电压，并且在输出电压节点上产生输出电压，电源系统包括至少一个负载开关，当负载开关接通时，用于将输入电压连接到负载开关的输出节点，至少一个电源通道耦合到负载开关，以接收输入电压，将电源通道配置成降压转换器，并且包括至少一个高端电源开关和一个低端电源开关，该方法包括：

测量流经低端电源开关的电流；

确定流经低端电源开关的电流已经超过了电流限制阈值；并且

根据确定结果，禁用电源通道的低端电源开关和负载开关。

12.权利要求11所述的方法，其特征在于，禁用负载开关包括：

根据确定结果，断开负载开关，使输入电压断开与负载开关的输出节点的连接。

13.权利要求12所述的方法，其特征在于，根据确定结果断开负载开关包括：

根据确定结果，在避免对电源系统造成损坏的时间内断开主开关。

14.权利要求12所述的方法，其特征在于，根据确定结果断开负载开关包括：

根据确定结果，在纳秒级的时间内断开主开关。