CN107681870A - 一种并联均流的电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种并联均流的电源系统。电源系统包括两个电源系统模块和两个电阻。第一电源系统模块的输出功率单元输入端和第二电源系统模块的输出功率单元输入端短接并与电源系统的电源端连接。第一电源系统模块的输出功率单元输出端和第二电源系统模块的输出功率单元输出端短接并与电源系统的供电端连接。第一电阻的一端与第一电源系统模块的参考电流端口连接，另一端与第二电源系统模块的感应输出端口连接。第二电阻的一端与第一电源系统模块的感应输出端口连接，另一端与第二电源系统模块的参考电流端口连接。本发明实现了高精度均流，负载能力的提升，具有较高的冗余性、可靠性高。

Description

一种并联均流的电源系统
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种并联均流的电源系统。
背景技术
随着大量电子设备系统的集成度越来越高，特别是计算机、通讯、空间站等的广泛应用，对于供电系统的要求越来高：负载能力提升，要求电源模块提供更高的负载；电源的可靠性，要求设计的电源系统具有更高冗余备份。
大功率输出和分布式电源，使供电系统并联技术得以迅速发展。然而一般情况下不允许供电系统之间直接进行并联，必须采用均流技术以确保每个模块分担相等的负载电流，否则并联的模块有的轻载运行，有的重载甚至过载运行，输出电压低的模块不但不为负载供电，反而成了输出电压高的模块的负载，热应力分配不均，极易损坏。
在电源系统内部，有专门用于过流保护功能。传统过流保护箝位电路如图1所示，包括输出功率单元、采样单元、参考电流单元、电流比较单元、箝位电路单元。在功率传输中，采样单元对输出功率单元进行电流采样，即输出功率的大小与采样电流Is正比，采样电流Is与参考电流Iref进行比较。若Is大于Iref时，则会触发箝位电路单元，对输出功率单元进行箝位，限制功率输出，起到保护系统的作用。现有的这种结构的过流保护箝位电路无法实现扩展，若负载电流较大时，单个负载系统难以满足应用需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种结构简单、负载能力强、均流精度高、冗余性强、可靠性高的并联均流的电源系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种并联均流的电源系统，所述电源系统具有用于接入外部电源的电源端和用于向外供电的供电端。所述电源系统包括两个电源系统模块和两个电阻，两个电源系统模块分别为第一电源系统模块和第二电源系统模块，两个电阻分别为第一电阻和第二电阻。
两个电源系统模块中每一电源系统模块均包括输出功率单元、采样单元、可编程参考电流单元、电流复制单元、电流比较单元和箝位电路单元。
所述输出功率单元具有与所述电源端连接的输入端和与供电端连接的输出端，所述输出功率单元用于向外部负载输出功率。
所述采样单元与输出功率单元连接，所述采样单元用于采集输出功率单元的电流形成采样电流输出。
所述电流复制单元与采样单元的输出端连接，所述电流复制单元具有感应输出端口，所述电流复制单元用于复制采样电流形成第一复制电流和第二复制电流，第一复制电流经感应输出端口向外输出。
所述可编程参考电流单元用于与外部的电阻配接形成参考电流，所述可编程参考电流单元具有参考电流端口。
所述电流比较单元分别与电流复制单元、可编程参考电流单元和箝位电路单元连接，所述电流比较单元分别获取、比较第二复制电流和参考电流的大小并将比较结果传输给箝位电路单元。
所述箝位电路单元与输出功率单元的控制端连接，所述箝位电路单元用于对输出功率单元进行箝位。
所述第一电源系统模块的输出功率单元输入端和第二电源系统模块的输出功率单元输入端短接并与电源系统的电源端连接。
所述第一电源系统模块的输出功率单元输出端和第二电源系统模块的输出功率单元输出端短接并与电源系统的供电端连接。
所述第一电阻的一端与第一电源系统模块的参考电流端口连接，另一端与第二电源系统模块的感应输出端口连接。
所述第二电阻的一端与第一电源系统模块的感应输出端口连接，另一端与第二电源系统模块的参考电流端口连接。
具体的，所述电流比较单元的比较结果具有第二复制电流大于等于参考电流的第一结果和第二复制电流小于参考电流的第二结果，当电流比较单元的比较结果为第一结果时，所述箝位电路单元进入触发状态对输出功率单元进行箝位；当电流比较单元的比较结果为第二结果时，所述箝位电路单元进入非触发状态。
具体的，所述输出功率单元包括输出功率管，所述采样单元包括第一PMOS管，所述箝位电路单元包括第四PMOS管；
所述输出功率管的栅极为输出功率单元的控制端，所述输出功率管的栅极和第一PMOS管MP1的栅极一起与电源系统的调整信号连接，所述输出功率管的源级与所述电源端连接，所述输出功率管的漏级与所述输出功率单元的输出端连接；
所述第一PMOS管MP1的漏级与所述电流复制单元连接，所述第一PMOS管MP1的源级与所述电源端连接；
所述第四PMOS管的栅极与电流比较单元连接，所述第四PMOS管的漏级与电源系统的调整信号连接，所述第四PMOS管的源级与所述电源端连接。
进一步的，所述电流复制单元包括第一运算放大器、第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一运算放大器的正端、第一NMOS管的漏级和第一PMOS管的漏级相互连接，所述第一运算放大器的负端与所述输出功率单元的输出端连接，所述第一运算放大器的输出端、第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极以及电流比较单元的输入端连接，第一NMOS管的源级和第二NMOS管的源级分别接地，所述第二NMOS管的漏级与所述感应输出端口连接。
进一步的，所述电流比较单元包括第二PMOS管和第三NMOS管，第二PMOS管的栅极与可编程参考电流单元连接，第二PMOS管的漏级、第三NMOS管的漏级和第四PMOS管的栅极连接，第二PMOS管的源级与所述电源端连接，第三NMOS管的栅极与所述第一运算放大器的输出端、第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极连接，第三NMOS管的源级接地。
进一步的，所述可编程参考电流单元包括第二运算放大器、第四NMOS管和第三PMOS管，第二运算放大器的正端与电源系统的内部参考电压连接，第二运算放大器的负端和第四NMOS管的源级与所述参考电流端口连接，第二运算放大器的输出端和第四NMOS管的栅极连接，所述第四NMOS管的漏级、第三PMOS管的栅极和第三PMOS管的漏极连接，第三PMOS管的源级与所述电源端连接。
优选的，所述电源系统还包括内部电流限制模块，所述内部电流限制模块与所述可编程参考电流单元连接，所述内部电流限制模块用于限制参考电流的大小。
进一步的，所述内部电流限制模块包括第五NMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和内部参考电流漏，第五NMOS管的漏级、第六PMOS管的漏级和第七PMOS管的栅极连接，第五NMOS管的栅极、第五PMOS管的漏级和内部参考电流漏的正极连接，第五NMOS管的源级接地，第五PMOS管的栅极、第六PMOS管的栅极、第七PMOS管的漏级和第三PMOS管的栅极连接，内部参考电流漏的负极接地，第五PMOS管、第六PMOS管和第七PMOS管的源级分别与所述电源端连接。
本发明的有益效果是：本发明中的并联均流的电源系统采用两个电源系统模块并联均流的结构，两个电源系统模块相互感应工作，实现了两个电源系统模块并联工作时高精度均流，不但实现了两倍负载能力的提升，而且两个电源系统模块不分主从，能够实现双备份的效果，具有较高的冗余性、可靠性高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为传统内部过流箝位保护的电源系统原理结构图；
图2为本发明的一电源系统模块的原理结构图；
图3为本发明的一电源系统模块的结构原理图；
图4为本发明并联均流的电源系统的双路并联均流原理结构图；
图5为内部电流限制模块连接可编程参考电流单元的结构原理图；
图6为本发明并联均流的电源系统的并联均流曲线。
其中，1、输出功率单元；2、采样单元；3、可编程参考电流单元；4、电流复制单元；5、电流比较单元；6、箝位电路单元；7、内部电流限制模块；100、第一电源系统模块；200、第二电源系统模块。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图2至图6所示，本发明所述的一种并联均流的电源系统，所述电源系统具有用于接入外部电源的电源端和用于向外供电的供电端。所述电源系统包括两个电源系统模块和两个电阻，两个电源系统模块分别为第一电源系统模块100和第二电源系统模块200，两个电阻分别为第一电阻R1和第二电阻R2。
两个电源系统模块中每一电源系统模块均包括输出功率单元1、采样单元2、可编程参考电流单元3、电流复制单元4、电流比较单元5、箝位电路单元6以及内部电流限制模块7。
所述输出功率单元1具有与所述电源端连接的输入端IN和与供电端连接的输出端OUT，所述输出功率单元1用于向外部负载输出功率。如图3所示，本实施例中，所述输出功率单元1包括输出功率管MPPass。
所述采样单元2与输出功率单元1连接，所述采样单元2用于采集输出功率单元1的电流形成采样电流Is输出。本实施例中，所述采样单元2包括第一PMOS管MP1。
所述电流复制单元4与采样单元2的输出端OUT连接，所述电流复制单元4具有感应输出端口，所述电流复制单元4用于复制采样电流Is形成第一复制电流I1和第二复制电流I2，第一复制电流I1经感应输出端口向外输出。本实施例中，所述电流复制单元4包括第一运算放大器A1、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2。
所述可编程参考电流单元3用于与外部的电阻配接形成参考电流IPCL，所述可编程参考电流单元3具有参考电流端口。所述可编程参考电流单元3包括第二运算放大器A2、第四NMOS管MN4和第三PMOS管MP3。
所述电流比较单元5分别与电流复制单元4、可编程参考电流单元3和箝位电路单元6连接，所述电流比较单元5分别获取、比较第二复制电流I2和参考电流IPCL的大小并将比较结果传输给箝位电路单元6。本实施例中，所述电流比较单元5包括第二PMOS管MP2和第三NMOS管MN3。
所述箝位电路单元6与输出功率单元1的控制端连接，所述箝位电路单元6用于对输出功率单元1进行箝位。所述箝位电路单元6包括第四PMOS管MP4。
所述内部电流限制模块7与所述可编程参考电流单元3连接，所述内部电流限制模块7用于限制参考电流IPCL的大小。所述内部电流限制模块7包括第五NMOS管MN5、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7和内部参考电流漏Iref。
如图3至图5所示，在每一电源系统模块中，
所述输出功率管MPPass的栅极为输出功率单元1的控制端。所述输出功率管MPPass的栅极和第一PMOS管MP1的栅极一起与电源系统的调整信号Vgate连接。所述输出功率管MPPass的源级与所述电源端连接，所述输出功率管MPPass的漏级与所述输出功率单元1的输出端OUT连接。
所述第一PMOS管MP1的漏级与所述电流复制单元连接，所述第一PMOS管MP1的源级与所述电源端连接。
所述第一运算放大器A1的正端、第一NMOS管MN1的漏级和第一PMOS管MP1的漏级相互连接。所述第一运算放大器A1的负端与所述输出功率单元1的输出端OUT连接，所述第一运算放大器A1的输出端、第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的栅极以及电流比较单元5的输入端IN连接，第一NMOS管MN1的源级和第二NMOS管MN2的源级分别接地，所述第二NMOS管MN2的漏级与所述感应输出端口连接。
第二PMOS管MP2的栅极与可编程参考电流单元3连接，第二PMOS管MP2的漏级、第三NMOS管MN3的漏级和第四PMOS管MP4的栅极连接，第二PMOS管MP2的源级与所述电源端连接，第三NMOS管MN3的栅极与所述第一运算放大器A1的输出端、第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的栅极连接，第三NMOS管MN3的源级接地。
第二运算放大器A2的正端与电源系统的内部参考电压连接，第二运算放大器A2的负端和第四NMOS管MN4的源级与所述参考电流端口连接，第二运算放大器A2的输出端OUT和第四NMOS管MN4的栅极连接，所述第四NMOS管MN4的漏级、第三PMOS管MP3的栅极和第三PMOS管MP3的漏极连接，第三PMOS管MP3的源级与所述电源端连接。
所述第四PMOS管MP4的栅极、第二PMOS管MP2的漏级以及第三NMOS管的漏级一起连接。所述第四PMOS管MP4的漏级与电源系统的调整信号Vgate连接。所述第四PMOS管MP4的源级与所述电源端连接。
第五NMOS管MN5的漏级、第六PMOS管MP6的漏级和第七PMOS管MP7的栅极连接。第五NMOS管MN5的栅极、第五PMOS管MP5的漏级和内部参考电流漏Iref的正极连接。第五NMOS管MN5的源级接地。第五PMOS管MP5的栅极、第六PMOS管MP6的栅极、第七PMOS管MP7的漏级和第三PMOS管MP3的栅极连接。内部参考电流漏Iref的负极接地。第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7的源级分别与所述电源端连接。
如图4所示，两个电源系统模块之间的连接方式如下所述：
所述第一电源系统模块100的输出功率单元1输入端IN和第二电源系统模块200的输出功率单元1输入端IN短接并与电源系统的电源端连接；
所述第一电源系统模块100的输出功率单元1输出端OUT和第二电源系统模块200的输出功率单元1输出端OUT短接并与电源系统的供电端连接；
所述第一电阻R1的一端与第一电源系统模块100的参考电流端口连接，另一端与第二电源系统模块200的感应输出端口连接；
所述第二电阻R2的一端与第一电源系统模块100的感应输出端口连接，另一端与第二电源系统模块200的参考电流端口连接。
所述电流比较单元5的比较结果具有第二复制电流I2大于等于参考电流IPCL的第一结果和第二复制电流I2小于参考电流IPCL的第二结果，当电流比较单元5的比较结果为第一结果时，所述箝位电路单元6进入触发状态对输出功率单元1进行箝位；当电流比较单元5的比较结果为第二结果时，所述箝位电路单元6进入非触发状态。
本实施例中，单个电源系统模块的基本工作原理如下所述：在可编程参考电流单元3中，第二运算放大器A2与第四NMOS管MN4形成反馈环路确保参考电流端口电压始终为Vref，参考电流端口接阻值不同的电阻，即可实现对参考电流IPCL的设定。输出功率管MPpass对外输出负载时，第一运算放大器A1与第一NMOS管MN1形成反馈环路，使输出功率管MPpass的漏极与第一PMOS管MP1的漏极电压相等，确保第一PMOS管MP1对输出功率管MPpass进行精确采样，并且使第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2对采样电流Is进行复制。一路形成第一复制电流I1，即感应电流漏，表征负载的大小，另一路形成第二复制电流I2与参考电流IPCL进行电流比较，若I2大于等于IPCL时，则会将第四PMOS管MP4的栅极拉低，第四PMOS管MP4开启，将调整信号Vgate信号上拉，对输出负载进行限流。
本实施例中，两个电源系统模块相互并联后形成的并联均流的电源系统的基本工作原理如下所述：
第一电源系统模块100的感应输出端口感应负载电流的变化，导致流入感应输出端口的第一复制电流I1与负载电流成比例增大；第一电源系统模块100的感应输出端口通过第一电阻R1与第二电源系统模块200的参考电流端口连接，导致第二电源系统模块200的参考电流IPCL增大，增大了第二电源系统模块200的过流保护阈值。同样的对第二电源系统模块200，负载增大也会第二电源系统模块200的感应输出端口感应负载电流的变化，同样使第一电源系统模块100的参考电流IPCL增大，同样增大了第一电源系统模块100的过流保护阈值，最终两个模块相互感应工作。可见，本发明中的电源系统采用并联均流模式，两个电源系统模块相互感应工作，实现了两个电源系统模块并联工作时高精度均流，不但实现了两倍负载能力的提升，而且两个电源系统模块不分主从，能够实现双备份的效果，具有较高的冗余性、可靠性高。
但对于一个并联均流的电源系统，两个电源系统模块相互感应工作，为了系统本身及其负载电路，其负载电流不能无限制地提高。如图5所示，本实施例中，在可用于并联均流的电源系统模块中，加入了内部电流限制模块7，防止两个电源系统模块并联均流配置时，参考电流IPCL无限制地提高，起到并联均流系统的过流保护作用。
所述内部电流限制模块7的工作原理如下所述：当并联均流的电源系统处于如图4所示的并联工作模式时，负载电流增大时，对第一电源系统模块100，其参考电流IPCL随着第二电源系统模块200的第一复制电流I1的增大而增大，当其参考电流IPCL大于内部参考电流漏Iref的电流时，如图5所示，内部电流限制模块7中的第五NMOS管MN5的栅极被拉高，从而将第七PMOS管MP7的栅极拉低，触发内部电流箝位。同样的情况，第二电源系统模块200的内部电流箝位也会被触发，最终起到过流保护作用。
如图6所示，为已验证的本实施例的并联均流的电源系统的并联均流曲线，其中X轴表示电源系统的总负载电流，Y轴为通道负载电流占总负载电流的百分比，Iout1为第一电源系统模块100的负载电流，Iout2为第二电源系统模块200的负载电流。通过测试可以发现，对于单个电源系统模块，其最大负载电流为3A，当两个电源系统模块处于并联均流模式时，由于两个电源系统模块相互感应工作，随着负载电流的增加，两个电源系统模块的负载电流分别趋向总体的负载电流50%，实现了两个电源系统模块并联工作时高精度均流，负载电流达到了6A，实现了两倍负载能力的提升。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种并联均流的电源系统，所述电源系统具有用于接入外部电源的电源端和用于向外供电的供电端，其特征在于，所述电源系统包括两个电源系统模块和两个电阻，两个电源系统模块分别为第一电源系统模块和第二电源系统模块，两个电阻分别为第一电阻和第二电阻；
两个电源系统模块中每一电源系统模块均包括输出功率单元、采样单元、可编程参考电流单元、电流复制单元、电流比较单元和箝位电路单元；
所述输出功率单元具有与所述电源端连接的输入端和与供电端连接的输出端，所述输出功率单元用于向外部负载输出功率；
所述采样单元与输出功率单元连接，所述采样单元用于采集输出功率单元的电流形成采样电流输出；
所述电流复制单元与采样单元的输出端连接，所述电流复制单元具有感应输出端口，所述电流复制单元用于复制采样电流形成第一复制电流和第二复制电流，第一复制电流经感应输出端口向外输出；
所述可编程参考电流单元用于与外部的电阻配接形成参考电流，所述可编程参考电流单元具有参考电流端口；
所述电流比较单元分别与电流复制单元、可编程参考电流单元和箝位电路单元连接，所述电流比较单元分别获取、比较第二复制电流和参考电流的大小并将比较结果传输给箝位电路单元；
所述箝位电路单元与输出功率单元的控制端连接，所述箝位电路单元用于对输出功率单元进行箝位；
所述第一电源系统模块的输出功率单元输入端和第二电源系统模块的输出功率单元输入端短接并与电源系统的电源端连接；
所述第一电源系统模块的输出功率单元输出端和第二电源系统模块的输出功率单元输出端短接并与电源系统的供电端连接；
所述第一电阻的一端与第一电源系统模块的参考电流端口连接，另一端与第二电源系统模块的感应输出端口连接；
所述第二电阻的一端与第一电源系统模块的感应输出端口连接，另一端与第二电源系统模块的参考电流端口连接。
2.根据权利要求1所述的并联均流的电源系统，其特征在于，所述电流比较单元的比较结果具有第二复制电流大于等于参考电流的第一结果和第二复制电流小于参考电流的第二结果，当电流比较单元的比较结果为第一结果时，所述箝位电路单元进入触发状态对输出功率单元进行箝位；当电流比较单元的比较结果为第二结果时，所述箝位电路单元进入非触发状态。
3.根据权利要求1所述的并联均流的电源系统，其特征在于，所述输出功率单元包括输出功率管，所述采样单元包括第一PMOS管，所述箝位电路单元包括第四PMOS管；
所述输出功率管的栅极为输出功率单元的控制端，所述输出功率管的栅极和第一PMOS管MP1的栅极一起与电源系统的调整信号连接，所述输出功率管的源级与所述电源端连接，所述输出功率管的漏级与所述输出功率单元的输出端连接；
所述第一PMOS管MP1的漏级与所述电流复制单元连接，所述第一PMOS管MP1的源级与所述电源端连接；
所述第四PMOS管的栅极与电流比较单元连接，所述第四PMOS管的漏级与电源系统的调整信号连接，所述第四PMOS管的源级与所述电源端连接。
4.根据权利要求3所述的并联均流的电源系统，其特征在于，所述电流复制单元包括第一运算放大器、第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一运算放大器的正端、第一NMOS管的漏级和第一PMOS管的漏级相互连接，所述第一运算放大器的负端与所述输出功率单元的输出端连接，所述第一运算放大器的输出端、第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极以及电流比较单元的输入端连接，第一NMOS管的源级和第二NMOS管的源级分别接地，所述第二NMOS管的漏级与所述感应输出端口连接。
5.根据权利要求4所述的并联均流的电源系统，其特征在于，所述电流比较单元包括第二PMOS管和第三NMOS管，第二PMOS管的栅极与可编程参考电流单元连接，第二PMOS管的漏级、第三NMOS管的漏级和第四PMOS管的栅极连接，第二PMOS管的源级与所述电源端连接，第三NMOS管的栅极与所述第一运算放大器的输出端、第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极连接，第三NMOS管的源级接地。
6.根据权利要求5所述的并联均流的电源系统，其特征在于，所述可编程参考电流单元包括第二运算放大器、第四NMOS管和第三PMOS管，第二运算放大器的正端与电源系统的内部参考电压连接，第二运算放大器的负端和第四NMOS管的源级与所述参考电流端口连接，第二运算放大器的输出端和第四NMOS管的栅极连接，所述第四NMOS管的漏级、第三PMOS管的栅极和第三PMOS管的漏极连接，第三PMOS管的源级与所述电源端连接。
7.根据权利要求1所述的并联均流的电源系统，其特征在于，所述电源系统还包括内部电流限制模块，所述内部电流限制模块与所述可编程参考电流单元连接，所述内部电流限制模块用于限制参考电流的大小。
8.根据权利要求6所述的并联均流的电源系统，其特征在于，所述电源系统还包括内部电流限制模块，所述内部电流限制模块与所述可编程参考电流单元连接，所述内部电流限制模块用于限制参考电流的大小。
9.根据权利要求8所述的并联均流的电源系统，其特征在于，所述内部电流限制模块包括第五NMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和内部参考电流漏，第五NMOS管的漏级、第六PMOS管的漏级和第七PMOS管的栅极连接，第五NMOS管的栅极、第五PMOS管的漏级和内部参考电流漏的正极连接，第五NMOS管的源级接地，第五PMOS管的栅极、第六PMOS管的栅极、第七PMOS管的漏级和第三PMOS管的栅极连接，内部参考电流漏的负极接地，第五PMOS管、第六PMOS管和第七PMOS管的源级分别与所述电源端连接。
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