CN114499177A - 一种多相电源主动均流电路和多相电源主动均流服务器 - Google Patents

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CN114499177A CN202210181674.0A CN202210181674A CN114499177A CN 114499177 A CN114499177 A CN 114499177A CN 202210181674 A CN202210181674 A CN 202210181674A CN 114499177 A CN114499177 A CN 114499177A
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Abstract

本发明公开了一种多相电源主动均流电路，包括：电流监测电路，电流监测电路与每相电源的输出电感并联，配置用于监测输出电感的电流，以得到对应每相电源的输出电流；累加平均电路，累加平均电路与电流监测电路相连，配置用于计算若干输出电流的平均值，以得到平均电流；以及比较控制电路，比较控制电路分别与电流监测电路和累加平均电路相连，配置用于比较每相电源的输出电流和平均电流的大小，并基于比较结果分别通过控制信号对每相电源的电源转换芯片进行均流调节。本发明还公开了一种多相电源主动均流服务器。本发明在传统供电架构基础上设计主动均流线路及根据器件电流大小自动切相线路，解决了当前供电方式无法主动均流以及效率偏低的问题。

Description

一种多相电源主动均流电路和多相电源主动均流服务器
技术领域
本发明涉及电源供电技术领域，尤其涉及一种多相电源主动均流电路和多相电源主动均流服务器。
背景技术
随着服务器部件功耗的上升，部件工作时需求的电流越来越大，服务器主板电源多为直流电源，受散热性能限制，单电源输出能力有限。常见单相电源转换方案包含主控芯片、电源转换芯片、输出电感及输出电容四个部分。
当前服务器上如内存、CPU、GPU等部件功耗越来越高，为满足部件电流需求采用多电源供电方式。图1示出的是常见单相电源转换方案示意图，如图1所示，包含主控芯片、电源转换芯片、输出电感和输出电容四个部分。通过EN信号来控制电源转换芯片开通及关断状态，通过PWM信号控制电源转换芯片中上下mos的导通关断频率及占空比来调整输出电压及电流。图2示出的是两相电源转换方案示意图，如图2所示，当部件电流超过单相电源供电能力时，可以再并联电源转换芯片以增加输出能力。
当前供电方案在多相电源使用时，由于每个电源转换芯片工作阻抗的差异，由于只能通过工作阻抗被动均流，因此均流效果较差，会存在单相电流偏差较大，导致触发单相过流保护致使系统宕机。当前供电方案在系统开机后，所有相电源都处于工作状态，但部件工作电流不是恒定的，是一个动态变化的过程，多相全开的工作模式有两方面缺点：一方面，部件在待机状态下，器件电流需求很低，这种情况下多相电源全开待机功耗大；第二方面，器件工作时电流是处于实时变化的，多相电源处于全开状时，假定每相间均流效果比较理想，当器件需求电流较小时，每相电源芯片的电流都很小，电源转换芯片在低电流时效率转换比较低。
图3示出的是常用单相电源效率曲线图，如图3所示，电流处于20A左右时效率处于最优。假设器件最大电流为80A，每相电源额定规格为30A，则需要使用三相并联供电，但由于器件电流是变动的因此当部件需求电流为12A，使用三相并联供电。此时每相电流为只有4A，效率约为92.5％，偏低。如果只用单相供电在12A时效率为96％左右有明显提升。因此，在电流较小时，多相电源供电效率较低。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提出一种多相电源主动均流电路和多相电源主动均流服务器，在传统供电架构基础上设计主动均流线路及根据器件电流大小自动切相线路，解决了当前供电方式无法主动均流以及效率偏低的问题。
基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种多相电源主动均流电路，包括：电流监测电路，所述电流监测电路与每相电源的输出电感并联，配置用于监测所述输出电感的电流，以得到对应每相电源的输出电流；累加平均电路，所述累加平均电路与所述电流监测电路相连，配置用于计算所述若干输出电流的平均值，以得到平均电流；以及比较控制电路，所述比较控制电路分别与所述电流监测电路和所述累加平均电路相连，配置用于比较所述每相电源的输出电流和所述平均电流的大小，并基于比较结果分别通过控制信号对所述每相电源的电源转换芯片进行均流调节。
在一些实施方式中，多相电源主动均流电路还包括：累加电路，所述累加电路分别与所述电流监测电路和所述比较控制电路相连，配置用于计算所述若干输出电流的和，以得到总电流；比较控制电路进一步配置用于比较所述总电流与预设阈值的大小，并基于比较结果分别通过使能信号对所述每相电源的电源转换芯片进行使能调节。
在一些实施方式中，所述电流监测电路包括监测电容和监测电阻，进一步配置用于：调节所述监测电阻，使所述输出电感与所述输出电感的等效电阻之比等于所述监测电容和所述监测电阻之积；计算调节后所述监测电容两端电压与所述输出电感的等效电阻的比值，所述比值为所述输出电感的电流。
在一些实施方式中，所述累加平均电路包括运算放大器。
在一些实施方式中，所述累加平均电路还包括由多个阻值相等的电阻构成的并联电路，所述并联电路一端与所述运算放大器相连，另一端分别与多相电源的多个电流监测电路相连，所述累加平均电路进一步配置用于：通过虚短虚断所述运算放大器，以使输出电压与反向输入电压相等；所述运算放大器的输出电流为所述多相电源的多个输出电流的平均值。
在一些实施方式中，所述比较控制电路进一步配置用于：响应于所述输出电流小于所述平均电流，则通过控制信号抬高电流；响应于所述输出电流大于所述平均电流，则通过控制信号减小电流。
在一些实施方式中，所述控制信号为脉冲宽度调制信号，所述比较控制电路进一步配置用于：响应于所述输出电流小于所述平均电流，则提高所述脉冲宽度调制信号的占空比，以抬高电流；响应于所述输出电流大于所述平均电流，则降低所述脉冲宽度调制信号的占空比，以降减小电流。
在一些实施方式中，所述比较控制电路进一步配置用于：响应于所述总电流小于第一预设阈值，则通过使能信号变高以开通至少一个电源；响应于所述总电流大于第二预设阈值，则通过使能信号变低以关断至少一个电源。
在一些实施方式中，所述比较控制电路进一步配置用于：通过所述使能信号确保至少一个电源保持开通状态。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种多相电源主动均流服务器，包括如下所述的多相电源主动均流电路：电流监测电路，所述电流监测电路与每相电源的输出电感并联，配置用于监测所述输出电感的电流，以得到对应每相电源的输出电流；累加平均电路，所述累加平均电路与所述电流监测电路相连，配置用于计算所述若干输出电流的平均值，以得到平均电流；以及比较控制电路，所述比较控制电路分别与所述电流监测电路和所述累加平均电路相连，配置用于比较所述每相电源的输出电流和所述平均电流的大小，并基于比较结果分别通过控制信号对所述每相电源的电源转换芯片进行均流调节。
在一些实施方式中，多相电源主动均流电路还包括：累加电路，所述累加电路分别与所述电流监测电路和所述比较控制电路相连，配置用于计算所述若干输出电流的和，以得到总电流；比较控制电路进一步配置用于比较所述总电流与预设阈值的大小，并基于比较结果分别通过使能信号对所述每相电源的电源转换芯片进行使能调节。
在一些实施方式中，所述电流监测电路包括监测电容和监测电阻，进一步配置用于：调节所述监测电阻，使所述输出电感与所述输出电感的等效电阻之比等于所述监测电容和所述监测电阻之积；计算调节后所述监测电容两端电压与所述输出电感的等效电阻的比值，所述比值为所述输出电感的电流。
在一些实施方式中，所述累加平均电路包括运算放大器。
在一些实施方式中，所述累加平均电路还包括由多个阻值相等的电阻构成的并联电路，所述并联电路一端与所述运算放大器相连，另一端分别与多相电源的多个电流监测电路相连，所述累加平均电路进一步配置用于：通过虚短虚断所述运算放大器，以使输出电压与反向输入电压相等；所述运算放大器的输出电流为所述多相电源的多个输出电流的平均值。
在一些实施方式中，所述比较控制电路进一步配置用于：响应于所述输出电流小于所述平均电流，则通过控制信号抬高电流；响应于所述输出电流大于所述平均电流，则通过控制信号减小电流。
在一些实施方式中，所述控制信号为脉冲宽度调制信号，所述比较控制电路进一步配置用于：响应于所述输出电流小于所述平均电流，则提高所述脉冲宽度调制信号的占空比，以抬高电流；响应于所述输出电流大于所述平均电流，则降低所述脉冲宽度调制信号的占空比，以降减小电流。
在一些实施方式中，所述比较控制电路进一步配置用于：响应于所述总电流小于第一预设阈值，则通过使能信号变高以开通至少一个电源；响应于所述总电流大于第二预设阈值，则通过使能信号变低以关断至少一个电源。
在一些实施方式中，所述比较控制电路进一步配置用于：通过所述使能信号确保至少一个电源保持开通状态。
本发明具有以下有益技术效果：在传统供电架构基础上设计主动均流线路及根据器件电流大小自动切相线路，解决了当前供电方式无法主动均流以及效率偏低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为现有技术中常见单相电源转换方案示意图；
图2为现有技术中两相电源转换方案示意图；
图3为现有技术中常用单相电源效率曲线图；
图4为本发明提供的多相电源主动均流电路的实施例的示意图；
图5为本发明提供的两相电源主动均流电路的实施例的示意图；
图6为本发明提供的两相电源主动均流电路的实施例的示意图；
图7为本发明提供的电流监测电路的示意图；
图8为本发明提供的累加平均电路的示意图；
图9为本发明提供的累加平均电路的示意图；
图10为本发明提供的比较控制电路的部分电路示意图；
图11为本发明提供的多相电源主动均流服务器的实施例的示意图。
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，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
基于上述目的，本发明实施例的第一个方面，提出了多相电源主动均流电路的实施例。图4示出的是本发明提供的多相电源主动均流电路的实施例的示意图。如图4所示，本发明实施例包括：
电流监测电路100，电流监测电路100与每相电源的输出电感并联，配置用于监测输出电感的电流，以得到对应每相电源的输出电流；
累加平均电路200，累加平均电路200与电流监测电路100相连，配置用于计算若干输出电流的平均值，以得到平均电流；以及
比较控制电路300，比较控制电路300分别与电流监测电路100和累加平均电路200相连，配置用于比较每相电源的输出电流和平均电流的大小，并基于比较结果分别通过控制信号对每相电源的电源转换芯片进行均流调节。
在本实施例中，在现有供电方案架构下通过在电感两端并联RC线路来感应输出电感上的电流即可得到每相输出电流，将每相输出电流利用OPA191芯片实现累加并做平均，将平均值作为每相电流的参考，将每相电流与平均值的比较结果给到控制芯片，通过调节PWM信号使得单相电流维持在平均值附近以实现主动均流。在实现主动均流的基础上参照电源效率曲线设定电流阈值，采用LM393及74ls32(或门)芯片搭建控制线路来控制电源芯片的导通及关断，参照电流阈值进行自动切相，最终实现效率优化及节能的目的。
在本实施例中，为了解决不均流问题，以两相并联供电方案为例，图5示出的是本发明提供的两相电源主动均流电路的实施例的示意图。如图5所示，通过监测每相电源的输出电感电流得到每相输出电流信息I1及I2，将得到的电流信息进行累加后再做平均可以得到平均电流Iavg。将Iavg作为参考值与每相电源电流进行对比，并将比较结果传递给控制芯片用以调节每相PWM信号。当单相电流值低于参考值时，提高单相PWM频率及占空比增加输出能力抬高电流。当单相电流高于参考值时降低PWM频率及占空比降低输出能力减小电流，通过实时监测及动态调整以满足每相电源之间电流均衡。
在本发明的一些实施例中，多相电源主动均流电路还包括：累加电路，累加电路分别与电流监测电路和比较控制电路相连，配置用于计算若干输出电流的和，以得到总电流；比较控制电路进一步配置用于比较总电流与预设阈值的大小，并基于比较结果分别通过使能信号对每相电源的电源转换芯片进行使能调节。
在本实施例中，在解决相间均流的问题后，需要再解决效率偏低的问题。现今电源架构造成待机功耗偏高以及运行过程中效率偏低主要原因是在任何情况下电源都是在全相运行。因此本实施例根据器件电流自动切换供电相数的控制方式，根据器件电流不同调整正在工作的电源相数，使得电源工作效率最优。当器件处于待机状态时电流较小只开一相，可以降低待机损耗，当器件正常工作时，电流增大高于设计阈值时可增加开通电源相数，电流减小低于设定阈值时可减少电源开通相数，电流阈值可参照单相电流最优效率区间进行设定，以上述常用电源方案为例，已知单相电源工作在20A左右时效率最优。因此，可以20A作为设定阈值，当电流低于20A时，采用单相供电，电流高于20A时采用两相供电，电流高于40A时采用三相供电并以此增加，在电流减少时同样可参照该阈值进行减相控制。最终通过可实现的实测效率曲线可以看出随着电流的增加整体电源效率都处于较优区间。
以两相并联供电方案为例，图6示出的是本发明提供的两相电源主动均流电路的实施例的示意图。如图6所示，将两相电流进行累加，并与设计值进行比较，当总电流达到设定阈值时EN变高开通电源芯片，总电流低于设定阈值时EN信号变低关断电源转换芯片。
在本发明的一些实施例中，电流监测电路包括监测电容和监测电阻，进一步配置用于：调节监测电阻，使输出电感与输出电感的等效电阻之比等于监测电容和监测电阻之积；计算调节后监测电容两端电压与输出电感的等效电阻的比值，比值为输出电感的电流。
图7示出的是本发明提供的电流监测电路的示意图。如图7所示，在本实施例中，由于电感都含有直流阻抗,因此常用电感可使用电感+电阻来进行等效即L+R1，在电感两端并联RC线路，I1为流经电感的电流，I2为流经电容的电流。LR两端的压降应该等于RC两端的压降，根据频域中拉普拉斯变换有：
Figure BDA0003522343190000081
即
Figure BDA0003522343190000082
已知L,C,R1值情况下，通过调节R2使得：
Figure BDA0003522343190000083
则可以得到：
Figure BDA0003522343190000084
其中
Figure BDA0003522343190000085
为电容两端电压，再除以R1便可得到流经电感的电流I1。
在本发明的一些实施例中，累加平均电路包括运算放大器。
在本发明的一些实施例中，累加平均电路还包括由多个阻值相等的电阻构成的并联电路，并联电路一端与运算放大器相连，另一端分别与多相电源的多个电流监测电路相连，累加平均电路进一步配置用于：通过虚短虚断运算放大器，以使输出电压与反向输入电压相等；运算放大器的输出电流为多相电源的多个输出电流的平均值。
图8示出的是本发明提供的电流监测电路的示意图。在本实施例中，以两相电源为例，如图8所示，使用TI OPA191搭建两路累加后平均线路，由运算放大器的虚短虚断功能当R1＝R2时可以实现输出Uout＝(U1+U2)/2，在本专利中可以得到Iref＝(I1+I2)/2。
图9示出的是本发明提供的电流监测电路的示意图。在本实施例中，以三相电源为例，如图9所示，使用TI OPA191搭建三路累加后平均线路，由运算放大器的虚短虚断功能当R1＝R2＝R3时可以实现输出Uout＝(U1+U2+U3)/3，在本专利中可以得到Iref＝(I1+I2+I3)/3。
在本发明的一些实施例中，比较控制电路进一步配置用于：响应于输出电流小于平均电流，则通过控制信号抬高电流；响应于输出电流大于平均电流，则通过控制信号减小电流。
在本发明的一些实施例中，控制信号为脉冲宽度调制信号，比较控制电路进一步配置用于：响应于输出电流小于平均电流，则提高脉冲宽度调制信号的占空比，以抬高电流；响应于输出电流大于平均电流，则降低脉冲宽度调制信号的占空比，以降减小电流。
在本发明的一些实施例中，比较控制电路进一步配置用于：响应于总电流小于第一预设阈值，则通过使能信号变高以开通至少一个电源；响应于总电流大于第二预设阈值，则通过使能信号变低以关断至少一个电源。
图10示出的是本发明提供的比较控制电路的部分电路示意图。在本实施例中，以两相电源为例，如图10所示，使用LM393双通道比较器并搭配74ls32(或门)实现EN电平控制，以两相供电为例。其中：当输出总电流Isum小于阈值Iref时EN1为高电平，第一相电源开通，当Isum高于Iref时EN2与EN1均为高电平，此时两相电源均导通。因此，改进后的供电方案既能实现多相电源间的均流又能够提高供电效率。
在本发明的一些实施例中，比较控制电路进一步配置用于：通过使能信号确保至少一个电源保持开通状态。
基于上述目的，本发明实施例的第二个方面，提出了一种多相电源主动均流服务器。图11示出的是本发明提供的多相电源主动均流服务器的实施例的示意图。如图11所示，多相电源主动均流服务器11包括本申请所述的多相电源主动均流电路12，多相电源主动均流电路12包括：电流监测电路，电流监测电路与每相电源的输出电感并联，配置用于监测输出电感的电流，以得到对应每相电源的输出电流；累加平均电路，累加平均电路与电流监测电路相连，配置用于计算若干输出电流的平均值，以得到平均电流；以及比较控制电路，比较控制电路分别与电流监测电路和累加平均电路相连，配置用于比较每相电源的输出电流和平均电流的大小，并基于比较结果分别通过控制信号对每相电源的电源转换芯片进行均流调节。
在本发明的一些实施例中，多相电源主动均流电路12还包括：累加电路，累加电路分别与电流监测电路和比较控制电路相连，配置用于计算若干输出电流的和，以得到总电流；比较控制电路进一步配置用于比较总电流与预设阈值的大小，并基于比较结果分别通过使能信号对每相电源的电源转换芯片进行使能调节。
在本发明的一些实施例中，电流监测电路包括监测电容和监测电阻，进一步配置用于：调节监测电阻，使输出电感与输出电感的等效电阻之比等于监测电容和监测电阻之积；计算调节后监测电容两端电压与输出电感的等效电阻的比值，比值为输出电感的电流。
在本发明的一些实施例中，累加平均电路包括运算放大器。
在本发明的一些实施例中，累加平均电路还包括由多个阻值相等的电阻构成的并联电路，并联电路一端与运算放大器相连，另一端分别与多相电源的多个电流监测电路相连，累加平均电路进一步配置用于：通过虚短虚断运算放大器，以使输出电压与反向输入电压相等；运算放大器的输出电流为多相电源的多个输出电流的平均值。
在本发明的一些实施例中，比较控制电路进一步配置用于：响应于输出电流小于平均电流，则通过控制信号抬高电流；响应于输出电流大于平均电流，则通过控制信号减小电流。
在本发明的一些实施例中，控制信号为脉冲宽度调制信号，比较控制电路进一步配置用于：响应于输出电流小于平均电流，则提高脉冲宽度调制信号的占空比，以抬高电流；响应于输出电流大于平均电流，则降低脉冲宽度调制信号的占空比，以降减小电流。
在本发明的一些实施例中，比较控制电路进一步配置用于：响应于总电流小于第一预设阈值，则通过使能信号变高以开通至少一个电源；响应于总电流大于第二预设阈值，则通过使能信号变低以关断至少一个电源。
在本发明的一些实施例中，比较控制电路进一步配置用于：通过使能信号确保至少一个电源保持开通状态。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多相电源主动均流电路，其特征在于，包括：
电流监测电路，所述电流监测电路与每相电源的输出电感并联，配置用于监测所述输出电感的电流，以得到对应每相电源的输出电流；
累加平均电路，所述累加平均电路与所述电流监测电路相连，配置用于计算所述若干输出电流的平均值，以得到平均电流；以及
比较控制电路，所述比较控制电路分别与所述电流监测电路和所述累加平均电路相连，配置用于比较所述每相电源的输出电流和所述平均电流的大小，并基于比较结果分别通过控制信号对所述每相电源的电源转换芯片进行均流调节。
2.根据权利要求1所述的多相电源主动均流电路，其特征在于，还包括：
累加电路，所述累加电路分别与所述电流监测电路和所述比较控制电路相连，配置用于计算所述若干输出电流的和，以得到总电流；
比较控制电路进一步配置用于比较所述总电流与预设阈值的大小，并基于比较结果分别通过使能信号对所述每相电源的电源转换芯片进行使能调节。
3.根据权利要求1所述的多相电源主动均流电路，其特征在于，所述电流监测电路包括监测电容和监测电阻，进一步配置用于：
调节所述监测电阻，使所述输出电感与所述输出电感的等效电阻之比等于所述监测电容和所述监测电阻之积；
计算调节后所述监测电容两端电压与所述输出电感的等效电阻的比值，所述比值为所述输出电感的电流。
4.根据权利要求1所述的多相电源主动均流电路，其特征在于，所述累加平均电路包括运算放大器。
5.根据权利要求4所述的多相电源主动均流电路，其特征在于，所述累加平均电路还包括由多个阻值相等的电阻构成的并联电路，所述并联电路一端与所述运算放大器相连，另一端分别与多相电源的多个电流监测电路相连，所述累加平均电路进一步配置用于：
通过虚短虚断所述运算放大器，以使输出电压与反向输入电压相等；
所述运算放大器的输出电流为所述多相电源的多个输出电流的平均值。
6.根据权利要求1所述的多相电源主动均流电路，其特征在于，所述比较控制电路进一步配置用于：
响应于所述输出电流小于所述平均电流，则通过控制信号抬高电流；
响应于所述输出电流大于所述平均电流，则通过控制信号减小电流。
7.根据权利要求6所述的多相电源主动均流电路，其特征在于，所述控制信号为脉冲宽度调制信号，所述比较控制电路进一步配置用于：
响应于所述输出电流小于所述平均电流，则提高所述脉冲宽度调制信号的占空比，以抬高电流；
响应于所述输出电流大于所述平均电流，则降低所述脉冲宽度调制信号的占空比，以降减小电流。
8.根据权利要求1所述的多相电源主动均流电路，其特征在于，所述比较控制电路进一步配置用于：
响应于所述总电流小于第一预设阈值，则通过使能信号变高以开通至少一个电源；
响应于所述总电流大于第二预设阈值，则通过使能信号变低以关断至少一个电源。
9.根据权利要求8所述的多相电源主动均流电路，其特征在于，所述比较控制电路进一步配置用于：
通过所述使能信号确保至少一个电源保持开通状态。
10.一种多相电源主动均流服务器，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的多相电源主动均流电路。
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