CN108880205A - 用于在通电期间控制电流的系统和方法 - Google Patents

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M·奥沙利文
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Abstract

本公开涉及用于在通电期间控制电流的系统和方法。使用各种电路和方法，当使用两个充电路径将电路板插入到供电系统中时可以控制电流，使得在第一时间段期间在电源电压和负载之间的第一充电路径中可以供应第一电流，和在第二时间段期间在电源电压和负载之间的第二充电路径中可以提供第二电流。

Description

用于在通电期间控制电流的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及用于使电力能够被供应到电力负载的控制器装置。
背景技术
有些情况下，需要将电负载连接到已通电的带电电源或电源(AC或DC)。由于负载的电容组件充电，这可会产生较大的浪涌电流。这种电容组件可能是实际或寄生组件。
这些浪涌电流会干扰电源和负载的运行，可能导致电路内的保护措施跳闸。此外，浪涌电流可能会给连接到电源的其他负载供电时产生扰动，这些扰动可能会影响这些电路的工作。另外，如果新引入的负载出现故障，其故障也可能影响电源和连接到电源的其他负载或电路的操作。为了解决这些问题，“热插拔”电路可以调节或控制流向负载的电流，这种负载最新引入到电源中，使负载能够安全地通电。
发明内容
本公开描述了当电路板插入到供电系统中时可以用于控制电流的技术，例如，当卡插入到供电服务器机架中时。更具体地，本公开描述了可以包括两条路径来对负载充电的架构。
在一些例子中，本公开涉及一种用于控制负载充电的控制器装置，所述控制器装置被配置为耦合到功率转换器电路和至少一个电子开关，所述装置被配置为控制所述转换器电路的操作和所述至少一个电子开关的操作，以在控制负载充电中限制励磁涌流。控制器装置包括：转换器控制输出，被配置为提供第一控制信号以控制所述转换器电路的操作，从而在第一时间段期间在电源电压与所述负载之间的第一路径中供应第一电流；和开关控制输出，被配置为提供第二控制信号以控制所述至少一个电子开关，从而在第二时间段期间在所述电源电压与所述负载之间的第二路径中供应第二电流，其中所述第二时间段在所述第一时间段开始之后开始。
在一些例子中，本公开涉及一种通过控制转换器电路的操作和至少一个电子开关的操作以在控制负载充电中限制励磁涌流的方法。该方法包括：控制所述转换器电路的操作，从而在第一时间段期间在电源电压与所述负载之间的第一路径中供应第一电流；和提供控制信号以控制所述至少一个电子开关，从而在第二时间段期间在所述电源电压与所述负载之间的第二路径中供应第二电流，其中第二时间段在所述第一时间段开始之后开始。
在一些例子中，本公开涉及用于控制负载充电的控制器装置，所述控制器装置被配置为耦合到至少一个电子开关，并且控制所述至少一个电子开关的操作以在控制负载充电中限制励磁涌流。控制器装置包括：功率转换器电路，包括转换器输出，被配置为在第一时间段期间在电源电压与负载之间的第一路径中供应第一电流。控制器装置还包括：开关控制输出，被配置为提供控制信号以控制所述至少一个电子开关，从而在第二时间段期间在所述电源电压与所述负载之间的第二路径中供应第二电流，其中所述第二时间段在所述第一时间段开始之后开始。
本概述旨在提供本专利申请的主题的概述。它并不打算提供对本发明的排他或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的进一步信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。举例来说，附图通常以举例的方式而非限制性地说明本文件中所讨论的各种实施例。
图1是使用本公开的各种技术的用于使负载能够连接到电源的电路的示例。
图2示出了使用本公开的各种技术使负载能够连接到电源的电路。
图3是通过控制至少一个电子开关的操作和功率转换器电路的操作来控制负载的充电以限制励磁涌流以控制负载的充电的方法的示例。
具体实施方式
图1示出了使用本公开的各种技术的用于使负载12能够连接到电源14的电路10。电源和负载也可以提供其他组件，为简单起见，这些组件已被省略。
负载12可以包括一个或多个电容性组件，其在连接到电源14时可以在一个或多个电容性组件充电时导致大的涌入电流。电路10可以包括控制器装置16(或“热插拔控制器”或“控制器”)以控制负载12的充电。
电路10可以包括被配置为测量到负载的电流的表示的感测电路18。例如，感测电路18可以包括电流感测电阻器20，该电流感测电阻器20具有耦合到装置16的第一输入端22和第二输入端24的已知值，以允许装置16通过测量电阻器20两端的电压来监测电流。
控制器装置16可以包括耦合到一个或多个电可控电流装置或电子开关30A-30N(例如晶体管)的相应控制端子28A-28N的开关控制输出26。例如，开关控制输出26可以耦合到晶体管30A-30N(其可以并联连接)中的每一个的相应栅极端子，例如场效应晶体管(FET)、双极结晶体管或其他晶体管。在一些例子中，每个晶体管30可以有一个感应元件。
在使用中，当负载12和控制器装置16连接到电源14时，电源的电压可以提供给控制器装置16，由此向其供电并且还启动用于负载12。控制器装置16可以将控制信号施加到一个或多个晶体管30A-30N的相应控制端子，例如FET的栅极端子，以使电流能够流向负载12。控制器装置16可以监视电流感测电阻器20两端的电压，并且在闭环中可以控制晶体管30A-30N的栅极电压，使得电流的变化率可以被控制为目标值或者幅值的电流可以被控制到目标值。这可以防止由负载12吸取过多的励磁涌流。当负载12不再能够获得电流增加的速率或电流达到目标值或电容负载完全充电至输入电源的电压时，可假定负载12已充分供电。
电子功率器件，如场效应晶体管，如果暴露于超出其安全操作区域(SOA)的应力下，可能会受到损坏。SOA可以定义多个区域，例如两个SOA区域，例如设备可以承受的绝对最大电压和电流，还可以定义一个“线性”区域，其中电压、电流和脉冲时间的组合可以超过该区域而发生损害。线性SOA区域的主要失效机理是过热。
可以实施各种电流限制和保护方案，以确保SOA不被侵犯，包括电流折返、FET健康状况等。然而，这些方案可能存在缺陷。例如，FET通常过大，因为并联组合中的任何一个FET的尺寸合适，以在启动期间处理整个应力并且不违反SOA。这是由于一个FET的阈值电压，例如栅极电压Vgs(th)可能不同于另一个FET，因此，一个FET可能在另一个FET之前导通。适当选择这些FET的尺寸会导致相当长的设计时间，并且现场测试可能会非常耗时且耗时。
此外，因为FET可以被加大尺寸以在启动期间处理整个应力，所以考虑到这些特性经常彼此冲突，晶体管的最佳可能导通电阻(例如，FET的RDS(on))与FET封装尺寸/SOA可能难以实现。最后，FET的SOA曲线和降额可能因FET而异，性能可能与FET供应商有关，从而导致单一采购和容量问题。
本公开描述了可用于最小化或消除上述缺点的技术。使用本公开的各种技术，当电路板插入到供电系统中时(例如当一个卡插入到供电服务器机架中时)，控制电流的电路架构可以包括两个充电路径，使得第一电流可以在第一时间段期间在电源电压和第一充电路径中的负载之间提供并且第二电流可以在第二时间段期间在电源电压和第二充电路径中的负载之间供应。
根据本公开，图1的控制器装置16可以与功率转换器电路32通信，功率转换器电路32可以包括转换器输出端34，转换器输出端34可以经由第一路径36耦合到负载12。该路径可以与FET 30A至30N并联。例如“热插拔”控制器的控制器装置16可以包括转换器控制输出38，转换器控制输出38被配置为提供第一控制信号以控制功率转换器电路32的操作以在第一时间段期间在电源电压14和负载12之间的第一路径36中提供第一电流“I1”。例如，当电路10和控制器16加电时，例如在卡插入到供电单元中之后，控制器16可以经由控制线40将第一控制信号输出到功率转换器32。当在输入端42接收到第一控制信号时，功率转换器可以开启并在第一时间段期间开始将第一路径36中的第一电流I1提供给负载。
在一些例子中，控制器16可以包括负载电压输入44，负载电压输入44被配置为跨负载12接收负载电压的表示。在图1所示的示例性实施方式中，包括电阻器46、48的电阻分压器可以跨过负载12耦合以将负载电压的表示提供给控制器16。
在一些示例实施方式中，控制器16可以监测经由负载电压输入44接收到的负载电压的表示，并确定负载电压正在增加。当控制器16确定负载电压足够高时，例如5伏时，控制器16可以通过控制线40向功率转换器32输出控制信号以停止供给第一电流。
在第一时间段开始之后的第二时间段内(控制器装置16可以启动该第二时间段)，控制器16可以通过开关控制输出26输出第二控制信号，以控制一个或多个电子开关30A-30N的操作。第二控制信号可以控制一个或多个电子开关30A-30N以在第二时间段(例如在第一时间段已经开始后)期间在电源电压14和负载12之间的第二路径中提供第二电流“I2”。在一些例子中，第二时间段可以在负载电压的表示超过电压极限例如5V时开始。
在一些示例实现中，第一控制信号可以被配置为控制功率转换器32的操作以在第二时间段开始时停止供应第一电流I1。在其他示例性实施方式中，可能希望第一电流和第二电流至少在有限的时间内被供给，同时避免对负载12充电时的小的但有限的中断。
使用这些技术，可以使用电路架构来初始控制负载12的充电，例如输出大容量电容器，使用功率转换器32通过与主路径50分离的路径(第一路径36)，这可以消除励磁涌流。该分开的路径(第一路径36)可以独立于主路径(第二路径50)。在一些例子中，第一路径36可以并联于第二路径50。例如电子开关30A-30N中的一个或多个的主传输晶体管当负载12两端的输出电压达到一定的电压电平时可以导通。此时，控制器16可以控制功率转换器32以经由并行路径36停止供应电流。因此，并行路径36可以在大部分时间保持关闭。
在一些示例实现中，功率转换器32可以是电压转换器。例如，功率转换器32可以包括例如降压转换器，但不限于降压转换器。在一些例子中，降压转换器可以包括例如隔离转换器，但不限于反激转换器。在一些例子中，功率转换器32可以包括升压转换器电路。功率转换器32可以是DC-DC转换器或AC-DC转换器。
在一些例子中，控制器16可以直接监视功率转换器32的输出电压。在其他示例中，控制器16保持功率转换器32工作并向负载12供应电流可能就足够了。如上所述，控制器16可以例如监测经由负载电压输入44接收到的负载电压的表示并且确定负载电压正在增加。
例如，功率转换器32可以以电流模式操作。在一些示例配置中，可能期望以恒定电流模式操作转换器32，从而允许负载12(例如，输出大容量电容器)以恒定速率充电。另外，在恒定电流模式下，功率转换器32的输出侧的故障不会导致功率转换器32发生故障，因为它以恒定电流模式工作，因为电流不会超过一个值(例如一个编程值)。一些示例实现可以包括用于控制功率转换器32以在故障持续时间长于特定时间长度(例如，长于1-5秒)时关闭的电路。这样的配置可以包括打嗝计时器，其可以尝试重启功率转换器32以查看故障是否已经清除。
在恒定电流模式下，功率转换器32可以以峰值电流模式或平均电流模式或者峰值电流模式和平均电流模式的组合运行。在峰值电流模式下，功率转换器32可以控制其提供给负载的电流，使得所提供的电流不超过最大或峰值输出电流水平。这可以防止在输出短路的情况下损坏电路。
在平均电流模式下，功率转换器32可以控制其供应给负载的电流，使得供应的电流不超过平均输入或输出电流水平。在一些例子中，功率转换器32可以使用峰值电流和平均电流模式的组合来控制电流。例如，功率转换器32可以以平均电流模式操作，但转换器可以包括峰值电流限制。
图2示出使用本公开的各种技术的用于使负载12能够连接到电源14的另一电路60。在图2所示的示例配置中，功率转换器电路60可以形成控制器装置62的一部分。如图2所示，控制器装置62可以包括功率转换器电路60。
类似于图1中的控制器装置16，图2的控制器装置62可以控制功率转换器电路60的操作以在第一时间段期间在电源电压14和负载12之间的第一路径64中提供第一电流I1。功率转换器电路60可以包括转换器输出34以在第一路径64中提供第一电流I1。图2的功率转换器电路60可以类似于图1的功率转换器电路32，并且为了简明起见，不会再详细描述。在一些示例实现中，功率转换器电路60的一个或多个组件可以在电路60外部。
控制器装置62可以包括开关控制输出26，其被配置为提供第二控制信号以控制一个或多个电子开关30A-30N以在第二时间段在电源电压14和负载12之间的第二路径50中供应第二电流I2。在一些例子中，控制器装置62可以在第一时间段开始之后启动第二时间段。
图3是通过控制至少一个电子开关的操作和功率转换器电路的操作来控制负载的充电以限制励磁涌流以控制负载的充电的方法70的示例。当电路板插入到电力系统中时，例如，当卡插入到供电的服务器机架中时，控制器装置(例如图1的控制器装置16或图2的控制器装置62)可以通电。在框72处，方法70可以包括控制所述转换器电路的操作，从而在第一时间段期间在电源电压与所述负载之间的第一路径中供应第一电流。
例如，在图1中，控制器装置16可以输出第一控制信号以控制功率转换器电路42的操作，以在第一时间段在电源电压14和负载12之间的第一路径36中提供第一电流I1。又如，在图2中，控制器装置62可控制功率转换器电路60在第一时间段期间在电源电压14与负载12之间的第一路径64中提供第一电流I1。在框74处，控制器装置可以可选地经由例如图1的负载电压输入44在一些例子中接收负载电压的表示。
在框78处，如果所接收的负载电压超过电压极限(判定框76的“是”分支)，则控制器装置可以提供控制信号以控制电子开关，例如图1和2的开关30A-30N，以在第二时间段期间在电源电压14与负载12之间的第二路径50中供应第二电流I2，其中第二时间段在所述第一时间段开始之后开始。在框72，如果所接收的负载电压没有超过电压限制(判定框76的“否”分支)，则控制器装置可以继续控制功率转换器电路的操作。
如上所述，在一些示例实现中，该方法可以包括以电流模式操作所述功率转换器电路，例如平均电流模式、峰值电流模式或者平均电流模式和峰值电流模式的混合。
上述技术可以提供一个或多个优点。例如，通过使用功率转换器电路来控制流向负载的电流，可以最小化或消除励磁涌流。另外，因为功率转换器电路已经建立了输出电压，所以可以快速地导通传输晶体管(例如，电子开关30A-30N中的一个或多个)，从而消除先前状态中的复杂启动电路控制器装置的艺术体系结构。作为另一个例子，可以主要或甚至仅基于RDS(ON)值而不是SOA曲线来选择传输晶体管，由此例如使得设计对多晶体管供应商更灵活。作为另一示例，例如，在通路晶体管上由于功率转换器电路(图1中的功率转换器电路32和图2中的功率转换器电路60)施加的恒定电流限制，短时间内的多次启动不会引起应力。最后，上述技术可以用于任何正或负热插拔系统，例如用于大于0伏特或小于0伏特的输入电压。
各种例子和注释
以上详细描述包括对形成详细描述的一部分的附图的参考。作为说明，附图示出了可以实践本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。这样的示例可以包括除了所示出或描述的那些之外的元件。然而，本发明人还考虑了其中仅提供了所示或所述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑了使用所示出或描述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例，或者关于特定示例(或其一个或多个方面)，或关于本文示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。
如果本文档与以引用方式并入的任何文档之间的用法不一致，则以本文档中的用法为准。
在本文件中，如在专利文件中常见的那样，使用术语“一”或“一个”来包括一个或多于一个、独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用法。在本文件中，术语“或”用于表示非排他性的，例如“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”，除非另有说明表示。在本文件中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“其中”的等同词。而且，在以下权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，也就是说，包括除权利要求中的这样的术语之后列出的那些要素之外的要素的系统、装置、物品、组合物、配方或过程仍然被认为落入该权利要求的范围内。此外，在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求。
这里描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。一些示例可以包括用指令编码的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作用于配置电子设备以执行如以上示例中所述的方法。这种方法的实现可以包括代码，诸如微码、汇编语言代码、更高级别的语言代码等。这种代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令该代码可以形成计算机程序产品的一部分。此外，在一个示例中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，诸如在执行期间或在其他时间。这些有形的计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如光盘和数字视频盘)、磁带盒、存储卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。本领域普通技术人员在查看以上描述时可以使用其他实施例。摘要提供符合37C.F.R.§1.72(b)，允许读者快速确定技术公开的性质。提交时的理解是，它不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。而且，在上面的详细描述中，各种特征可以被组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意图无理要求披露的功能是任何权利要求必不可少的。相反，发明主题可能在于少于特定公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求由此作为示例或实施例并入到具体实施方式中，每个权利要求自身作为单独的实施例，并且预期这些实施例可以以各种组合或置换相互组合。本发明的范围应该参考所附权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来确定。

Claims (20)

1.一种用于控制负载充电的控制器装置，所述控制器装置被配置为耦合到功率转换器电路和至少一个电子开关，所述装置被配置为控制所述转换器电路的操作和所述至少一个电子开关的操作，以在控制负载充电中限制励磁涌流，所述控制器装置包括：
转换器控制输出，被配置为提供第一控制信号以控制所述转换器电路的操作，从而在第一时间段期间在电源电压与所述负载之间的第一路径中供应第一电流；和
开关控制输出，被配置为提供第二控制信号以控制所述至少一个电子开关，从而在第二时间段期间在所述电源电压与所述负载之间的第二路径中供应第二电流，其中所述第二时间段在所述第一时间段开始之后开始。
2.权利要求1所述的控制器装置，其中所述功率转换器电路包括电压转换器电路，并且其中所述电压转换器电路包括降压转换器电路。
3.权利要求2所述的控制器装置，其中所述降压转换器电路包括降压DC-DC转换器电路。
4.权利要求1所述的控制器装置，其中所述功率转换器电路包括电压转换器电路，并且其中所述电压转换器电路包括升压转换器电路。
5.权利要求1所述的控制器装置，其中所述功率转换器电路被配置为以电流模式操作。
6.权利要求1所述的控制器装置，其中所述第一路径与所述第二路径并联连接。
7.权利要求1所述的控制器装置，还包括：
负载电压输入，被配置为接收负载电压的表示，其中所述第二时间段在所述负载电压的表示超过电压极限时开始。
8.权利要求7所述的控制器装置，其中所述第一控制信号被配置为当所述第二时间段开始时控制所述电压转换器电路的操作以停止供应所述第一电流。
9.一种通过控制转换器电路的操作和至少一个电子开关的操作以在控制负载充电中限制励磁涌流的方法，该方法包括：
控制所述转换器电路的操作，从而在第一时间段期间在电源电压与所述负载之间的第一路径中供应第一电流；和
提供控制信号以控制所述至少一个电子开关，从而在第二时间段期间在所述电源电压与所述负载之间的第二路径中供应第二电流，其中所述第二时间段在所述第一时间段开始之后开始。
10.权利要求9所述的方法，还包括：以电流模式操作所述功率转换器电路。
11.权利要求10所述的方法，其中以电流模式操作所述功率转换器电路包括：以平均电流模式操作所述功率转换器电路。
12.权利要求10所述的方法，其中以电流模式操作所述功率转换器电路包括：以峰值电流模式操作所述功率转换器电路。
13.权利要求9所述的方法，包括：接收负载电压的表示，其中所述第二时间段在所述负载电压的表示超过电压极限时开始。
14.用于控制负载充电的控制器装置，所述控制器装置被配置为耦合到至少一个电子开关，并且控制所述至少一个电子开关的操作以在控制负载充电中限制励磁涌流，所述控制器装置包括：
功率转换器电路，包括转换器输出，被配置为在第一时间段期间在电源电压与负载之间的第一路径中供应第一电流，所述控制器装置还包括：
开关控制输出，被配置为提供控制信号以控制所述至少一个电子开关，从而在第二时间段期间在所述电源电压与所述负载之间的第二路径中供应第二电流，其中所述第二时间段在所述第一时间段开始之后开始。
15.权利要求14所述的控制器装置，其中所述功率转换器电路包括电压转换器电路，并且其中所述电压转换器电路包括降压DC-DC转换器电路。
16.权利要求15所述的控制器装置，其中所述降压DC-DC转换器电路包括buck转换器电路。
17.权利要求15所述的控制器装置，其中所述降压DC-DC转换器电路包括隔离的转换器电路。
18.权利要求1所述的控制器装置，其中所述功率转换器电路被配置为以电流模式操作。
19.权利要求1所述的控制器装置，还包括:
负载电压输入，被配置为接收负载电压的表示，其中所述第二时间段在所述负载电压的表示超过电压极限时开始。
20.权利要求7所述的控制器装置，其中所述第一控制信号被配置为当所述第二时间段开始时控制所述电压转换器电路的操作以停止供应第一电流。
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