CN108183612A - 可扩展的并联供电dc-dc电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种可扩展的并联供电DC‑DC电源装置，该装置通过多个第一DC‑DC转换模块并联输出第一直流电压，多个第二DC‑DC转换模块并联输出第二直流电压，并通过PWM相位控制模块接收所述多个第一DC‑DC转换模块输出的第一直流电压的第一反馈电压以及所述多个第二DC‑DC转换模块输出的第二直流电压的第二反馈电压，并对所述多个第一DC‑DC转换模块和多个第二DC‑DC转换模块进行PWM控制。本发明实施例实现对不同输出电压的多个DC‑DC电源模块的可扩展并联供电和均流控制，具有较好的功率适配性和灵活性，并且提高了电源装置的集成度，减小了电源装置的体积，降低了元器件成本。
Description
技术领域
本发明涉及计算设备的电源供电技术，特别是涉及一种可扩展的并联供电DC-DC电源装置。
背景技术
DC-DC电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，有降压和升压两种，其特点是可为专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列(FPGA)及其他数字或模拟负载进行供电。
实际使用中，对于大功率计算设备，往往单个的DC-DC电源模块无法满足功率和电流需求，因此通常采取多个独立的DC-DC电源模块并联供电的方式，这种并联供电的方式可以降低单个DC-DC电源模块中MOS管开关器件的电流应力和热应力，一定程度上提高了电源供电系统的稳定性和可靠性。但是，并联的DC-DC电源模块供电存在各电源模块之间均流控制和功率分配的问题，并且多个独立的DC-DC电源模块以及辅助器件的使用也导致供电元器件增多、体积增大、成本增加、可靠性降低等问题。
现有技术中存在一些并联DC-DC电源供电的技术方案。例如，公开号CN105024375A的中国专利申请公开了一种DC-DC并联供电系统的功率分配装置，其采用并联的双路DC-DC电源模块供电，并且可通过可视化界面调节双DC-DC电源模块功率分配。公开号CN105846518A的中国专利申请公开了一种无限级高压充放电串并联均衡电路，它包括若干个DC-DC电源模块及对应数量的PWM芯片，每个DC-DC电源模块均连接有所述PWM芯片，通过无限级并联满足输出电流的需求。
然而，这些现有的技术方案无法在保证各并联的DC-DC电源模块均流、稳定的基础上，同时降低元器件的数量，降低电源装置的体积，并且提高DC-DC电源装置的可配置性和灵活性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种可扩展的并联供电DC-DC电源装置，包括：
PWM相位控制模块、多个第一DC-DC转换模块以及多个第二DC-DC转换模块；
其中，所述多个第一DC-DC转换模块并联输出第一直流电压，所述多个第二DC-DC转换模块并联输出第二直流电压；所述PWM相位控制模块用于接收所述多个第一DC-DC转换模块输出的第一直流电压的第一反馈电压以及所述多个第二DC-DC转换模块输出的第二直流电压的第二反馈电压，并对所述多个第一DC-DC转换模块和多个第二DC-DC转换模块进行PWM控制。
在一些实施方式中，所述PWM相位控制模块根据所述多个第一DC-DC转换模块和多个第二DC-DC转换模块的数量来生成相同数量的不同相位的PWM控制信号。
在一些实施方式中，所述不同相位的PWM控制信号在一个周期内生成，用于分别控制不同的DC-DC转换模块。
在一些实施方式中，所述PWM控制信号通过可编程方式产生。
在一些实施方式中，所述PWM相位控制模块根据负载电流的大小来确定使能所述多个第一DC-DC转换模块和多个第二DC-DC转换模块的数量。
在一些实施方式中，所述第一DC-DC转换模块和第二DC-DC转换模块包括输入电路、开关电路、输出电路和控制电路。
在一些实施方式中，所述控制电路根据所述PWM相位控制模块输出的PWM控制信号和参考电压信号，来控制所述开关电路调节输出电路输出的直流电压。
在一些实施方式中，所述参考电压信号取决于所述第一反馈电压和第二反馈电压。
在一些实施方式中，所述控制电路还用于向所述PWM相位控制模块输出温度检测信号，所述温度检测信号用于检测所述第一DC-DC转换模块或第二DC-DC转换模块的内部封装电路的温度是否过大。
在一些实施方式中，当检测到所述第一DC-DC转换模块或第二DC-DC转换模块的内部封装电路的温度过大时，所述控制电路向所述PWM相位控制模块输出高电平信号。
在一些实施方式中，所述PWM相位控制模块还用于禁用输出所述高电平信号的DC-DC转换模块。
在一些实施方式中，所述控制电路还用于向所述PWM相位控制模块输出电流检测信号，所述电流检测信号用于检测所述第一DC-DC转换模块或第二DC-DC转换模块的开关电路是否存在短路或电流过大。
在一些实施方式中，当检测到所述第一DC-DC转换模块或第二DC-DC转换模块的开关电路存在短路或电流过大时，所述控制电路向所述PWM相位控制模块输出高电平信号。
在一些实施方式中，所述PWM相位控制模块还用于禁用输出所述高电平信号的DC-DC转换模块。
本发明实施例通过集成的PWM相位控制模块实现对不同输出电压的多个DC-DC电源模块的可扩展并联供电和均流控制，相比现有的并联DC-DC电源供电系统而言，其具有较好的功率适配性和灵活性，并且提高了电源装置的集成度，减小了电源装置的体积，降低了元器件成本。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的可扩展的并联供电DC-DC电源装置的结构示意图；
图2为根据本发明一实施例的可扩展的并联供电DC-DC电源装置中DC-DC转换模块20的电路示意图；
图3为根据本发明一实施例的可扩展的并联供电DC-DC电源装置中DC-DC转换模块30的电路示意图；
图4为根据本发明一实施例的可扩展的并联供电DC-DC电源装置中PWM相位控制模块10的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为根据本发明一实施例的可扩展的并联供电DC-DC电源装置的结构示意图。如图1所示，本发明的可扩展的并联供电DC-DC电源装置包括PWM相位控制模块10、多个并联输出的DC-DC转换模块20以及多个并联输出的DC-DC转换模块30。
多个并联输出的DC-DC转换模块20以输出电压端并联连接的方式输出第一直流电压DC_OUT1，多个并联输出的DC-DC转换模块30以输出电压端并联连接的方式输出第二直流电压DC_OUT2。PWM相位控制模块10用于连接各并联的DC-DC转换模块20和30，对各DC-DC转换模块进行脉冲宽度调制PWM控制，控制各DC-DC转换模块中的开关电路的导通和关断，从而使得各DC-DC转换模块输出转换后的直流电压。
同时，PWM相位控制模块10接收多个并联的DC-DC转换模块20输出的第一直流电压DC_OUT1的反馈电压，以及多个并联的DC-DC转换模块30输出的第二直流电压DC_OUT2的反馈电压。PWM相位控制模块10分别基于第一直流电压DC_OUT1的反馈电压和第二直流电压DC_OUT2的反馈电压，控制向各DC-DC转换模块20和30输出PWM控制信号。
在一些实施方式中，PWM相位控制模块10会根据DC-DC转换模块20和30的数量来产生相同数量的不同相位的控制信号，在一个周期内，来分别控制不同的DC-DC转换模块20和30，相对于电源输出来说，一个周期内完成了充电、放电的过程。在具体的电路应用中，可以根据负载电流的大小来决定使能DC-DC转换模块20和30的数量，负载电流小的应用，使能DC-DC转换模块的数量较少，负载电流大的应用，使能DC-DC转换模块的数量则较多。
本发明实施例中，将不同输出电压的各DC-DC转换模块分别进行并联输出，通过集成的多通道PWM相位控制模块进行PWM控制，保证了各并联DC-DC转换模块的均流控制，实现了支持不同输出电压下大功率、大电流的直流电源。并且，各并联的DC-DC转换模块可以方便根据待供电设备的功率和电流需求进行扩展，具有较好的功率适配性、灵活性和可扩展性，同时提高了电源装置的集成度，减小了电源装置的体积，降低了元器件成本。
图2为根据本发明一实施例的可扩展的并联供电DC-DC电源装置中DC-DC转换模块20的电路示意图。如图2所示，DC-DC转换模块20包括输入电路201、开关电路202、输出电路203以及控制电路204。输入电路201包括在输入电压DC_IN端和地GND之间并联连接的一组电容C1-C2，对输入电压DC_IN进行稳压滤波。
开关电路202包括上MOS管MOS1和下MOS管MOS2，MOS1的源极和MOS2的漏极通过开关节点(图中未示出)相连，输入电压DC_IN输入MOS1的漏极。MOS1的源极和MOS3的漏极之间的开关节点连接到输出电路203的电感L。MOS1的栅极连接上MOS管驱动控制信号DRVH，上MOS管驱动控制信号DRVH用于控制MOS1的导通和关断；MOS2的栅极连接下MOS管驱动控制信号DRVL，下MOS管驱动控制信号DRVL用于控制MOS2的导通和关断。MOS1的源极连接MOS2的漏极的开关节点连接开关信号SW，开关信号SW用于控制上下MOS管之间的开关节点的导通回路。
输出电路203包括一端连接到MOS1的源极和MOS2的漏极之间开关节点的电感L，以及在电感L的另一端和地GND之间并联连接的一组电容C3-C4，电容C3-C4连接电感L的一端同时输出第一直流电压DC_OUT1。当开关电路202中上MOS管MOS1在上MOS管驱动控制信号DRVH的控制下导通，下MOS管MOS2在下MOS管驱动控制信号DRVL的控制下关断时，输入电压DC_IN对电感L和电容C3-C4进行充电储能，使得第一直流电压DC_OUT1升压；当开关电路202中上MOS管MOS1在上MOS管驱动控制信号DRVH的控制下关断，下MOS管MOS2在下MOS管驱动控制信号DRVL的控制下导通时，电容C3-C4和电感L形成对地的放电回路，使得第一直流电压DC_OUT1降压。
控制电路204接收PWM相位控制模块10发送的PWM控制信号、参考电压REFIN，并基于所述PWM控制信号、参考电压REFIN输出上MOS管驱动控制信号DRVH、下MOS管驱动控制信号DRVL和开关信号SW，从而控制开关电路202的导通和关断来使得第一直流电压达到稳定的电压值。控制电路204同时还向PWM相位控制模块10返回TMON和CS信号。其中，TMON信号为温度检测信号，可以检测DC-DC转换模块内部封装电路的温度是否过大，当超过芯片结温的时候，会输出高电平信号来判断DC-DC转换模块的温度过高，可以禁用该DC-DC转换模块的工作。CS信号为电流检测信号，可以检测MOS1是否短路或者电流过大，如果MOS1发生短路或者电流过大，会输出一个高电平信号来判断DC-DC转换模块发生短路或者电流过大，可以禁用该DC-DC转换模块的工作。
图3为根据本发明一实施例的可扩展的并联供电DC-DC电源装置中DC-DC转换模块30的电路示意图。如图3所示，DC-DC转换模块30与DC-DC转换模块20的电路结构类似，同样也包括输入电路301、开关电路302、输出电路303以及控制电路304，各组成电路的功能和连接与DC-DC转换模块20一致，在此不再赘述。不同的是，DC-DC转换模块30的输出电路303输出第二直流电压DC_OUT2。
本发明一些实施例中，作为示例，C1和C2可以采用22uF/25V的贴片电容，C3-C4可以采用680uF/16V的大容量电解电容，输入电压DC_IN可以为12V，第一直流电压DC_OUT1可以为0.9V，第一直流电压DC_OUT2可以为1.5V，实际应用中可以根据需求选取电容组合，以及对输出电压进行组合配置。
图4为根据本发明一实施例的可扩展的并联供电DC-DC电源装置中PWM相位控制模块10的电路示意图。图4以PWM相位控制模块10分别连接3个DC-DC转换模块20和3个DC-DC转换模块30为例进行示意性描述。如图4所示，3个DC-DC转换模块20输出电压端并联连接，3个DC-DC转换模块30输出电压端并联连接；PWM相位控制模块10包括多组PWM控制管脚，图中仅示意性标示出PWM0-PWM5，每组PWM控制管脚分别与DC-DC转换模块20-1、20-2、20-3、30-1、30-2、30-3的控制电路连接；还包括与各DC-DC转换模块对应的CS管脚CS0-CS5，用于接收各DC-DC转换模块发送的CS信号；还包括与DC-DC转换模块20对应的TMON0管脚和与DC-DC转换模块30对应的TMON1管脚，TMON0管脚用于接收DC-DC转换模块20-1、20-2、20-3输入的TMON信号，TMON1管脚用于接收DC-DC转换模块30-1、30-2、30-3输入的TMON信号；还包括反馈电压管脚FB0和FB1，FB0用于接收DC-DC转换模块20-1、20-2、20-3并联输出的第一直流电压DC_OUT1的反馈电压，FB1用于接收DC-DC转换模块30-1、30-2、30-3并联输出的第二直流电压DC_OUT2的反馈电压。
在一些实施方式中，PWM相位控制模块10会根据DC-DC转换模块20和30的数量来产生相同数量的不同相位的控制信号，在一个周期内，来分别控制不同的DC-DC转换模块20和30，相对于电源输出来说，一个周期内完成了充电、放电的过程。PWM相位控制模块10通过参考电压REFIN来检测DC_OUT1和DC_OUT2的电压反馈，并通过可编程方式输出PWM控制信号，来调节负载电流的变化，从而确保并联输出稳定的DC_OUT1和DC_OUT2，并使得各DC-DC转换模块电流均衡。此外，PWM相位控制模块10还可以增加RC滤波来去除高频噪声，使电路更稳定。
本发明一些实施例中，可以通过扩展PWM相位控制模块的管脚配置来适配多组不同输出电压的DC-DC转换模块的并联供电，并且通过PWM的优化控制保证了并联DC-DC转换模块的电流均衡和稳压供电，具有较好的可扩展性、灵活性和功率适配性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种可扩展的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，包括：
PWM相位控制模块、多个第一DC-DC转换模块以及多个第二DC-DC转换模块；
其中，所述多个第一DC-DC转换模块并联输出第一直流电压，所述多个第二DC-DC转换模块并联输出第二直流电压；所述PWM相位控制模块用于接收所述多个第一DC-DC转换模块输出的第一直流电压的第一反馈电压以及所述多个第二DC-DC转换模块输出的第二直流电压的第二反馈电压，并对所述多个第一DC-DC转换模块和多个第二DC-DC转换模块进行PWM控制。
2.根据权利要求1所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述PWM相位控制模块根据所述多个第一DC-DC转换模块和多个第二DC-DC转换模块的数量来生成相同数量的不同相位的PWM控制信号。
3.根据权利要求2所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述不同相位的PWM控制信号在一个周期内生成，用于分别控制不同的DC-DC转换模块。
4.根据权利要求3所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述PWM控制信号通过可编程方式产生。
5.根据权利要求2所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述PWM相位控制模块根据负载电流的大小来确定使能所述多个第一DC-DC转换模块和多个第二DC-DC转换模块的数量。
6.根据权利要求5所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述第一DC-DC转换模块和第二DC-DC转换模块包括输入电路、开关电路、输出电路和控制电路。
7.根据权利要求6所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述控制电路根据所述PWM相位控制模块输出的PWM控制信号和参考电压信号，来控制所述开关电路调节输出电路输出的直流电压。
8.根据权利要求7所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述参考电压信号取决于所述第一反馈电压和第二反馈电压。
9.根据权利要求6所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述控制电路还用于向所述PWM相位控制模块输出温度检测信号，所述温度检测信号用于检测所述第一DC-DC转换模块或第二DC-DC转换模块的内部封装电路的温度是否过大。
10.根据权利要求9所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，当检测到所述第一DC-DC转换模块或第二DC-DC转换模块的内部封装电路的温度过大时，所述控制电路向所述PWM相位控制模块输出高电平信号。
11.根据权利要求10所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述PWM相位控制模块还用于禁用输出所述高电平信号的DC-DC转换模块。
12.根据权利要求6所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述控制电路还用于向所述PWM相位控制模块输出电流检测信号，所述电流检测信号用于检测所述第一DC-DC转换模块或第二DC-DC转换模块的开关电路是否存在短路或电流过大。
13.根据权利要求12所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，当检测到所述第一DC-DC转换模块或第二DC-DC转换模块的开关电路存在短路或电流过大时，所述控制电路向所述PWM相位控制模块输出高电平信号。
14.根据权利要求13所述的并联供电DC-DC电源装置，其特征在于，所述PWM相位控制模块还用于禁用输出所述高电平信号的DC-DC转换模块。
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