CN1105412C - 对电源设备的多个独立的电源模块进行负载均衡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对模块式电源设备(2)的多个不受外界控制地独立工作的电源模块(4、6、8)的负载均衡的方法，所述电源模块利用节点状的总线拓扑相互交联在一起。按照本发明，该方法被分为起动-仲裁-和控制阶段，其中利用起动阶段求出仲裁阶段的开始点，在仲裁阶段电源模块(4、6、8)竞争主状态并且其中接着在控制阶段求出的主-电源模块(4、6、8)对负载均衡进行控制，其中产生并发送一个脉冲宽度调制的负载均衡-信号并由从-电源模块(4、6、8)对该信号进行分析。因此获得了一种用于对多个独立的电源模块(4、6、8)进行数字负载均衡的简易方法，该方法抗干扰、耐用并且不需要昂贵的硬件支持。

Description

对电源设备的多个独立的电源模块 进行负载均衡的方法

本发明涉及一种用于对模块式电源设备的多个不受外界控制地独立工作的电源模块进行负载均衡的方法。

电源和电源设备的模块式结构对一系列应用都具有显著的优点。模块化实现了由标准的部件构成的电源设备的可变的配置。就此而言，该结构还具有未来的可扩展性，此点是十分有益的。采用模块结构的另一主要原因是，通过冗余设计可以提高电源设备的可靠性。除信息技术领域内的一些应用外，特别在电信领域内对供电系统的可用度和可靠性要求很高。

为了通过对模块式的电源设备的冗余设计实现最大的可靠性，必须将总输出功率尽可能均匀地分配给参与的模块。部件的故障概率与温度间的指数关系构成此要求的依据。在假定冷却均匀的情况下，各电源模块的温度取决于其负载。

可以采用各种途径实现对各并联的电源模块的负载的均衡。在具有稳压输出的电源中通常将负载均衡功能限定在并联模块的输出电流的均衡上。根据通常起支配作用的损耗与电流的从属关系，该限定就热负载的均匀分配而言可实现良好的结果。

已知以最低的布线和连接费用通过被动式电流补偿可实现并联的电源模块间的电流补偿。当所有的并联电源模块具有一个确定的正向内阻时，就会出现被动式电流补偿。电流补偿的质量取决于源电压的同步和并联电源模块的内阻的大小。在对各电源电压设定的一定的容限范围内，内阻越大，则输出电流与技术平均值的偏差就越小。

当然在负载波动时，由于输出电压稳定度的恶化对任意增大内阻给定的极限范围很窄。在实践中电源电压必要的窄容限，以及高的长时间的稳定度和温度稳定度都被证明是很棘手的问题。这些问题造成在实践中仅能在很有限的范围内采用简易的被动式电流补偿方法。

在尤尼特鲁德集成电路公司(Firma Unitrode Integrated Circuit)的应用报告中，尤其是在“UC 3970负载均衡集成电路简易的并联电源设计”一章中(“UC 3970 Load Share IC Simplifies Parallel Power Supply Design”)，第10-237至10-346页，揭示了另外一种用于负载均衡的模拟方法。将一个特殊的电源模块设计成主模块。主模块含有一个基准电压和输出电压的调节放大器。通过一条专用线路将调节放大器的调节参数传送给所有的从模块。从模块含有一个电流调节器并将电流馈送给一共同的总节点，该电流与由主模块传送的调节参数成比例。这些从模块的情况就象由主模块控制的电源一样。通过各自的电流调节器使并联的电源模块的输出电流相等。

该方法的主要缺点是当主模块失效时缺少备份。在主模块上的单独一个故障都会导致整个电源设备失效。另一个缺点是，必须将一个较大带宽的信号在电源设备中经很长的路径与电压调节器的调节参数连接。而要求实现大的带宽与对信号的有效的滤波是矛盾的。

在本说明书开始时提及的应用报告中公开了另外一种模拟电流补偿方法。该电流补偿方法利用了在一共同的CSR(-电流均衡-)节点上形成的输出电流平均值。采用该方法时，每个电源模块测量自己的输出电流并将一与电流成比例的电压通过电阻加在该共同的CSR节点上。因此在CSR节点上的电压体现了所有电源模块的输出电流的平均值。如果CSR节点的所有电阻上没有电流流过，则所有电源模块的输出电流相等。由调节回路实施此补偿功能，所述调节回路改变每个电源模块的电压额定值，使在CSR节点的电阻上的电压为零。采用此方法在对各串联的调节回路的同时非临界设计的情况下可实现高精度的电流补偿。如果考虑到起支配作用的大的热时间常数，可把CSR节点上的信号带宽选择得很小，则是非常有益的。

为避免由于故障或电源模块断开造成的在CSR节点上的信号的虚假，当然为此要付出一定的代价，此点是不利的。为了可以将电流双向CSR-电路分隔开，通常需要一个由监视逻辑控制的继电器。另一问题是，由于在局部扩展的电源设备中基准电平的偏移，因而可能会出现电流补偿的虚假。通常在将敏感的模拟信号用于控制目的时，会出现该问题。

在电源设备中日益增多地采用数字负载均衡方法的两个主要原因是：

一方面，用数字控制信号取代所有模拟控制信号具有许多优点。就此点而言，光缆是特别有益的。光学传输保证了良好的抗干扰和抗ESD(静电放电)脉冲的性能。电流分隔限制了在控制接口和电源模块间的取决于负载的基准电位偏移问题的出现并实现了防止短路的固有保护。

对数字负载均衡方法给予重视的另一主要原因在于，在电源中日益大量地采用微处理机用于控制。在这种微处理机控制的调节中具有用于输出电压的数字额定值产生装置。如果这时采用模拟的电流补偿方法，则将会增大对监视和信号处理的投入费用。通过采用符号微处理机要求的、纯数字的电流补偿信号的传输可以避免此附加的花费。而且还可以把数字控制输入设计得价格更合理、抗静电放电(ESD-sicher)并且可以电磁兼容(EMV-gerecht)和防短路。

有两种实用的对负载均衡信息进行数字传输的方案。采用同步或异步串行接口对信号进行传输构成一种解决方案。该方案虽然很灵活，但需要占用微处理机有限的资源。

对脉冲宽度调制的信号的传输是不太复杂的。采用此方案是非常有益的，由微处理机产生和分析计算信号很简单并且保护资源。

除信号传输方式外，用于负载均衡的总线连接的拓扑结构也起着重要的作用。在采用模拟负载均衡方法时可以相应容易地实现所有连接在电流总线上的电源模块的均衡和权利平等。但在采用数字电流补偿方法时此点是不可能的。而是必须由一个主模块对负载均衡进行控制。

在对比文献-整流技术太平洋私营有限公司(Firma RECTIFIERTECHNOLOGIES PACIFIC PTY LTD)的产品样本“RTCSU监控单元”中公开了一种采用固定控制单元进行的数字电流补偿。在采用这种数字电流补偿方法时，控制单元(主模块)通过一数字信道以定期的间隔询问所有电源单元的输出电流的实际值。计算出平均值并作为输出电流的新的额定值返送回所有连接的电源模块(从模块)。由于采用了一个必要的控制单元，因而该方法相应较为昂贵。而且还有一点不利的是，在控制单元失效时电源设备将返回被动式负载均衡方式。

在由Matthias-Eschle撰写的“适用于每种应用的正确的总线系统”(Fuerjede Anwendung das richtige Bussystem”，刊载在德国“etz”杂志，1969年第21期，18至22页中介绍了各种现场总线系统。这些现场总线系统首要的区别在于协议结构和数据传输方式(拓扑)。这些现场总线系统之一是CAN-(控制器区域网)总线。这种CAN-总线以面向目标的方式工作并且因而也可以作为多-主-结构加以实现。采用多-主-系统的这种通信的优点是，各个设备部分被设计成能不受外界控制地独立工作，并且仅交换那些所有用户都需要的数据。在一个多-主-系统中多个用户可以同时提出总线要求。而且不是以通常的方式进行寻址，而是发送优先的信息。当这时有多个也被称做节点的CAN-用户试图使用总线时，则只有其信息具有最高优先等级的某发送者有权发送。此点是在物理级采用所谓的无损逐位仲裁实现的。在此，最高的优先等级具有最少的位数。该总线-存取方法被称做CSMA/CA方法(避免冲突的载波检测多址)。此方法赋予CAN-系统以多主能力并能实现相互独立运行的在需要时可相互交换数据的控制过程。

另一现场总线系统是按主-从-存取方法工作的互联总线-S。总线主控是叠加的控制系统的接口。互联总线-S的拓扑结构是作为环状实现的，其中所有用户主动参与数据通信。环系统构成一闭合的传输路径。数据连续地由一个用户发送给另一用户。由于对每个总线站可明确地基于其在环中的物理位置进行鉴别，因而在互联总线-S中不需要对各用户寻址。在这种结构中不利的是当一个用户失效时，整个环系统将中断。

所述的这些现场总线系统在很大程度上要采用昂贵的和复杂的协议进行工作并且如果没有广泛的硬件支持是不能实现的。

本发明的目的在于，提出一种简单的用于在模块式电源设备中进行负载均衡的方法，所述方法采用数字方式传输负载均衡信息，而不必采用一固定的控制单元。

本发明的目的是通过一种用于对模块式电源设备的多个不受外界控制地独立工作的电源模块进行负载均衡的方法实现的，所述电源设备的电源模块利用一节点状的总线拓扑结构相互交联在一起，该方法步骤如下：

a)每个电源模块对总线进行检查，使得当在预定的时间(T_m)内对总线可访问时，起动一仲裁程序，

b)在开始仲裁程序时，每个电源模块检查，总线是处于从属状态，还是处于支配状态，

c)当总线处于支配状态时，则该电源模块保持在从状态并结束仲裁程序，

d)当总线处于从属状态时，则将主状态分配给该电源模块，该电源模块将总线置于支配状态并结束仲裁过程，

e)主-电源模块产生一负载信息信号并将此信号发送出去并且

f)每个从-电源模块对该接收的信号进行分析，以便改变其输出电压的额定值，从而对求出的负载不均衡进行调节。。

本发明的对一模块式电源设备的多个不受外界控制地独立工作的电源模块进行负载均衡的方法，其特征在于，用于控制节点状的总线的主-电源模块是不确定的。采用此方法，平等权利的电源模块角逐主模块的角色。角逐的结果是，正好有一个电源模块赢得主状态，而其余的模块保持在从状态。一旦结束状态分配，则主-电源模块产生一负载信息信号并将此信号发送给从-电源模块。对于该从-电源模块，所接收的负载信息信号是用于一个负载均衡调节的额定值，该负载均衡调节根据所求出的负载不均衡分别改变其输出电压的额定值，从而实现对求出的负载不均衡的调节。

在采用一种有益的方法时，每个主-电源模块在由负载决定的时间后将向总线输出的支配状态撤回并在撤回后检查，总线是否转入从属状态。如果总线仍保持在支配状态，则将把从状态分配给进行识别的主-电源模块并结束仲裁过程。当多个电源模块较长时间同步地并因而相互未察觉地拥有主状态，采用此方式解决了在对总线进行存取时的冲突问题。在此情况时，模块式电源设备的具有最大负载的电源模块获得主状态。

在采用另一有益的方法时，主-电源模块在预定的时间后释放其主状态并且在预定的时间内不再对总线进行存取。因而使总线转入从属状态并在预定的时间内保持在此状态上。在此时段过后，模块式电源设备的所有电源模块将识别一个新的仲裁周期的开始，所有的电源模块将参与此仲裁周期并试图赢得主状态。因而每个电源模块都有可能获得主状态。

在采用另一有益的方法时，在仲裁周期开始时将为每个电源模块分配一个等候时间，从而确定存取优先等级。其中为一个无故障的从-电源模块分配最高的优先等级，为一个识别出故障条件的从-电源模块分配中优先等级并为一主-电源模块分配最低的优先等级。通过等候时间，在每个仲裁周期开始时根据多个这样的周期可鉴别出一有故障的电源模块并将该电源模块排除于负载均衡控制之外。

下面将按照示意性示出的模块式电源设备的多个电源模块的交联的附图，对本发明的作进一步的说明。

图1示出一个模块式电源设备2，该电源设备具有多个不受外界控制地独立工作的电源模块4、6和8。在采用本发明的方法时，电源模块4、6和8的数量并不仅限于三个。这三个电源模块4、6和8借助一个总线10相互连接在一起，其中该总线具有一个节点式的拓扑结构。采用该总线10实现负载均衡的信息流的流动。电源模块4、6和8的结构相同并配备有必要的总线-硬件，从而既可以以写入又可以以读出方式实现对总线10的存取。通过采用下面还要加以说明的用于负载均衡的本发明的方法，一个电源模块4、6和8获得分配给其的“主”状态。具有“主”状态的该电源模块例如是电源模块6，对总线10进行控制，而此时剩余的模块例如是电源模块4和8保持在“从”状态。从-电源模块4和8读取从主-电源模块6中产生的负载信息-信号。

可以以各种物理方式实现此总线10。在此处例如可以考虑采用一个总线系统，该系统用导线连接或用光缆构成。对随机机理重要的一点是，总线10可以取两个逻辑状态，其中的一个逻辑状态是支配而另一个是退隐。当至少一个电源模块4、6或8激活主状态时，则总线10的状态是支配。当没有一个电源模块4、6或8输出支配状态时，总线10的状态是退隐。就支配状态而言，因此可实现连接或衔接。在开始时所述文章的图3中示出总线10的导线连接实现方案。当图3中所示开关中的一个闭合时，总线10处于支配状态。当所有的开关都断开时，则工作(负载)-电阻使总线10处于从属状态。

固有的负载信息由具有状态“主”的电源模块6经脉冲宽度调制，在总线10上被传递。例如脉冲频率为fp＝20Hz，从而使脉冲周期时间T_m＝50毫秒。脉冲占空因数d被定义为支配状态的时间T_d与脉宽调制的周期时间T_m的商。具有状态“主”的电源模块6用占空因数d对其相对输出负载(负载的实际值与最大值的商)编码，其中在负载的实际值与最大值之间存在一个线性关系。电源模块4和8对发送的脉冲宽度调制信号进行计算。在该从-电源模块4和8中分别有一调节回路起作用，该调节回路根据确定的负载不均衡改变某个输出电压的额定值，从而对该负载不均衡进行调整。

就电源模块的多用途组合而言，对交换的负载信息进行标准化是很有意义的。因此可以使不同输出功率的电源模块工作在一个共同的输出上。

出于安全的考虑，电流补偿调节器的输出电压可变化的调整范围受到一定限制。只要一个失效的从-电源模块4或8不能对主-电源模块6的电源额定值随动，则判定为故障状态。另一种判定故障的方案是通过限定脉冲占空因数d实现的。占空因数d在d_min和d_max之间变化，例如d_min＝5％，d_max＝95％。持续的处于支配状态将被判为故障，而持续的处于从属状态将导致重新起动仲裁。

本发明的用于对模块式电源设备2的多个不受外界控制地独立工作的电源模块4、6和8进行负载均衡的方法，可以分为三个阶段。该方法的第一阶段为起动阶段，在该阶段每个电源模块4、6和8将检查总线10的状态。如果该总线10在一预定的时间内，例如脉冲周期时间T_m内处于从属状态，即在该时段内没有一个电源模块4、6或8在总线10上进行存取，则此时起动本发明方法的第二阶段。否则电源模块4、6或8保持在其初始状态并因而处于“从”状态。可以把第二阶段称作仲裁阶段(要求阶段)。

在该仲裁阶段开始时，电源模块4、6和8将检查总线10处于那种状态。只要在询问时刻总线10处于支配状态，则相应的电源模块4、6或8被分配给“从”状态。在图中所示的模块式电源设备2中，处于“从”状态的电源模块是电源模块4和8。如果总线10处于从属状态，则对相应的电源模块4、6或8分配“主”状态。在图示实施例中，电源模块6被分配“主”状态。另外该主-电源模块将总线10置于支配状态。一旦“主”状态被分配给电源模块4、6或8，则开始本发明方法的控制阶段。

由于每个电源模块的起动和仲裁阶段不是同步进行的，因而可能会出现，多个电源模块4、6和8中至少有两个同时将总线10置于支配状态的情况，运意味着，模块式电源设备中有两个电源模块被分配有“主”状态。为解决此存取-冲突，则要对主-电源模块进行另一检查。

该另一检查是控制阶段的一个组成部分。为起始控制阶段，由主-电源模块将总线10置于支配状态。根据其相对的初始负载，对占空因数d编码，由此确定出支配状态的持续时间T_d。在时间T_d结束后，每个主-电源模块又将总线10释放。在该释放后，每个主-电源模块检查，是否总线10又转换成从属状态。只要总线10在释放时刻仍保持在支配状态，就存在冲突，即一个以上的电源模块同时提出总线10要求。鉴于持续时间T_d取决于负载，所以某个具有最大负载的主-电源模块作为最后一个重新释放总线10。所有其它的主-电源模块根据其释放确定出，总线10并未转换成从属状态。所以这时分配给这些主-电源模块的是“从”状态。

在本发明方法的控制阶段，主-电源模块6发送一个负载均衡信号，由从-电源模块4和8对该信号进行分析计算。即每个从-电源模块4及8将其负载实际值与由主-电源模块6发送的负载额定值进行比较。当出现差时，则存在负载不均衡，该负载不均衡通过对该从-电源模块4及8的输出电压的额定值的重调进行调整。

在一典型的、采用模拟负载均衡方式工作的电源设备中，某单独的电源模块未识别出的故障常常也会导致负载均衡功能的故障。本发明的方法可实现对干扰负载均衡的电源模块的选择识别和断开。

在此所述的方法利用了用于负载均衡的总线10的拓扑结构虽然是对称的，但与模拟方法不同的是，存在有一个通过分配的主状态可对负载均衡进行控制的电源模块。

由从-电源模块4和8的角度也可以进行方便的故障识别。在非稳态过程隐灭后，用由主-电源模块6要求的负载额定值与相应的实际值进行比较足以识别出故障状态。由从-模块确定出的偏差可以由多种原因造成。最简单的情况是在从-电源模块4或8中存在有被制定为故障状态的缺陷。较为复杂的情况是，在进行控制的主-电源模块6中出现一个故障并因而将错误的额定值发送给所有的从-电源模块4和8。例如有可能是，在主-电源模块6的额定值给定中存在缺陷并因而其输出负载取上限值或为零。主-电源模块6本身并不能独立识别出这类故障，这是因为它并不了解从-电源模块4和8的负载。

借助扩展的仲裁阶段可以避免由主-电源模块6造成的对负载均衡的干扰。扩展的仲裁阶段的核心是对总线10的周期重复仲裁。在结束预定的时段T_rearb后主-电源模块6自动释放其主状态，并且在预定的时间内不再对总线10进行存取。因而总线10转入从属状态。也被称做重复仲裁时间的预定时间T_rearb的典型范围为几秒至几分仲。

为对扩展的仲裁阶段进行说明，在附图中示出多个重复仲裁周期，这些周期连续地用罗马数字I至IV标示。为便于理解，在图中还加入了其它标志。标志  表示一个已识别出一个故障的电源模块4或6或8。框内的灰的底色表示电源模块4或6或8的功能故障。

在仲裁周期I中分配给电源模块6的是主状态并且分别分配给电源模块4和8的是从状态。另外根据另一标志可以看出在主-电源模块6中出现一未识别出的故障并且两个完好无损的从-电源模块4和8识别出一个故障状态，这是因为它们不能跟随由主-电源模块6预定的额定值。在持续时间T_rearb结束后，主-电源模块6撤消总线的支配状态。在总线10在预定的时间，例如脉冲周期时间T_m内保持在从属状态后，所有的电源模块4、6和8识别出一个新的仲裁周期II的开始。每个电源模块4、6和8都力求赢得主状态。由于对故障的识别，这时对每个电源模块4、6和8都设置一等候时间，其长短由模块4、6和8的实时状态决定。对重复仲裁阶段设有三种不同的等候时间t_sm、t_sfm和t_mm。重复仲裁过程的优先等级由等候时间的长度以条件为

t_sm＜t_sfm＜t_mm的递减顺序确定。

在周期I状态的基础上并根据条件t_sfm＜t_mm，在结束等候时间t_sfm后，两个电源模块4和8开始竞争仲裁。电源模块4赢得该仲裁。在本发明方法的控制阶段内，有故障的电源模块6具有从状态，并识别出一故障。因此等候时间t_sfm对有缺陷的电源模块6是有效的。通过与完好无损的从-电源模块8的较短的等候时间t_sm的竞争，有故障的电源模块6不能再次赢得主状态。在周期III中电源模块4具有从状态并且电源模块8具有主状态。从该周期开始仅两个电源模块4和8竞争主状态。因此有故障的电源模块6可以稳定地发出故障状态报警并被排除出负载均衡的控制。

只要系统中至少有两个完好的电源模块供使用，所述去耦机构就可以一直可靠地工作。一个单独工作的电源模块则连续地在主状态工作。当总线10中断时，将造成电源设备2被分成两个分部分，每个分部分都具有一个自己的主模块。当总线10上的电平固定时(例如由于短路)，则负载均衡失效并且电源设备2返回到被动式电流补偿。

用于对模块式电源设备2的多个电源模块4、6和8进行负载均衡的所述方法，具有如下优点：

-在总线10上仅传输两种逻辑状态(支配和从属状态)。

-总线10宜用于由微处理机控制的供电电源。可以由标准的微处理机且不需要昂贵的硬件分析计算和产生脉冲宽度调制信号。

-由于传输的是数字信号，因而数字负载均衡调节抗干扰且耐在采用模拟方法时可能出现的基准电位偏移的性能得到大大改善。

-采用简易的方法即可以将故障的电源模块排除于负载均衡的影响之外。

Claims (7)

1.一种用于对模块式电源设备(2)的多个不受外界控制地独立工作的电源模块(4、6、8)进行负载均衡的方法，所述电源设备的电源模块(4、6、8)利用一节点状的总线拓扑结构相互交联在一起，所述方法的步骤如下：

a)每个电源模块(4、6、8)对总线进行检查，使得当在预定的时间(T_m)内对总线(10)可存取时，起动一仲裁程序，

b)在开始仲裁程序时，每个电源模块(4、6、8)检查，总线(10)是处于从属状态，还是处于支配状态，

c)当总线(10)处于支配状态时，则该电源模块(4、6、8)保持在从状态并结束仲裁程序，

d)当总线(10)处于从属状态时，则将主状态分配给该电源模块(4、6、8)，该电源模块将总线(10)置于支配状态并结束仲裁过程，

e)主-电源模块(4、6、8)产生一负载信息信号并将此信号发送出去并且

f)每个从-电源模块(4、6、8)对该接收的信号进行分析，以便改变其输出电压的额定值，从而对求出的负载不均衡进行调节。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其还具有如下步骤：

g)每个主-电源模块(4、6、8)在由负载决定的持续时间(T_d)后撤消向总线(10)输出的支配状态，

h)每个主-电源模块(4、6、8)在撤消输出后检查总线(10)是否已转入从属状态，

i)如果总线(10)保持在支配状态，则将从状态分配给进行识别的主-电源模块(4、6、8)并且不再继续对总线(10)进行存取。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，主-电源模块在预定的持续时间(T_rearb)后释放其主状态并且在预定的时间内不再对总线(10)存取。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在仲裁程序开始时对每个电源模块(4、6、8)分配一个等候时间(t_sm、t_stm、t_mm)，从而确定存取优先等级。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，对完好的从-电源模块(4、8)分配最高的优先等级，对有故障情况的从-电源模块(6)分配中间优先等级并且对主-电源模块(4、6、8)分配最低的优先等级。

6.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，确定占空因数(d)与脉冲周期的持续时间(T_m)的乘积作为由负裁决定的持续时间(T_d)。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，应用总线随意存取的预定时间至少与脉冲宽度调制的负载信息-信号的脉冲频率(fe)成反比。