CN1437784A - 多频配电方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种在电子系统中的配电方法，所述方法包括：在系统电源处接收第一域中的功率；将所述功率转换到具有多频率交流(AC)信号分量的第二域；以及将转换后的具有多频率交流信号分量的第二域中的功率传送到电子系统的多个交流稳压模块(VRM)。所述方法还包括从多个交流VRM接收反馈信号、并且至少部分地根据所述反馈信号调节被传送到多个VRM的交流信号分量。所述方法还包括接收来自中央处理器(CPU)的控制信号、并至少部分地根据所述控制信号调节被传送到多个VRM的交流信号分量。

Description

多频配电方法和装置
发明领域
本发明涉及计算机系统中的配电领域。更具体地说，本发明是涉及交流(AC)配电系统。
发明背景
已知的从电源到计算机系统上组件的配电方法是直流(DC)配电系统。DC配电系统通常包括主电源、稳压模块以及把主电源连接到稳压模块的连接器。主电源将从电源接收到的低频率(大约50-60Hz)交流功率转换成直流功率。然后，主电源将直流功率转换成高频率的交流功率。然后高频交流功率被降压、转换回直流功率、并且在经连接器传送到对应于计算机系统上组件的稳压模块之前被滤波。在稳压模块(VRM)处，直流功率被转换为交流功率、被降压、转换为直流，并且在送到计算机系统上的组件之前被滤波。
DC配电系统的一个缺点是它在电源转换链上采用了双重转换。双重电源转换增添了复杂性以及成本和配电系统的部件数目。更进一步地，双重电源转换减小了配电系统的效率。另外，当今的计算机系统设计有更加严格的电源规范。这些规范要求提高转换速率(电流随时间的变化)。目前的DC配电系统在可靠地支持这些要求方面遇到了困难。
此外，VRM监控功率输出并调节VRM内的功率，它需要在VRM中有控制器。因为每个VRM都有它们自己的控制器，所以系统没有集中的控制器来调节输出功率，这进一步增添了复杂性和电路。已知方法的另一个缺点是到处理器的功率是固定的，不随处理器的功率需要而改变。
发明概述
电子系统中的一种配电方法，它包括：在系统电源的第一域接收功率；将功率转换为具有多频率交流(AC)信号成份的第二域；以及将第二域中具有多频率AC信号成份的转换后的功率传送到电子系统中的多个稳压模块(VRM)。
附图的简要说明
附图中以举例的方式而不是限制的方式图解说明本发明，其中相同的参考号表示相似的元件，附图中：
图1是传统的直流配电系统的方框图；
图2是实施本发明实施例的计算机系统的方框图；
图3是举例说明根据本发明的实施例的逆变器系统电源的方框图；
图4是举例说明根据本发明另一个实施例的逆变器系统电源的方框图；
图5是举例说明根据本发明实施例的交流稳压模块中后调节器的方框图；以及
图6是举例说明根据本发明实施例的配电方法的流程图。
详细说明
在以下详细的说明中，为提供对本发明的彻底理解而提出了很多具体的细节。但本专业的技术人员将了解，没有这些具体细节也可以实践本发明，本发明不局限于所描述的实施例，并且本发明也可在各种替换实施例中实践。在其他情况下，众所周知的方法、过程、组件和电路将不加详细说明。
本说明书的一些部分将使用被本专业的技术人员普遍使用的术语来展示，以便把它们工作的实质传达给本专业的其他技术人员。
许多操作将以多个分离步骤的形式来说明，这些步骤以有助于理解本发明的方式依次说明。但是，不应将说明的顺序理解为暗含这些操作必须以其被展示的顺序来执行，甚或是与顺序相关的。最后，词句“在一个实施例中”的重复使用并不必然指相同的实施例，虽然有这种可能。
图1说明在先有技术中所熟悉的传统的直流(DC)配电系统100。DC配电系统100包括主电源110和稳压模块130。主电源110从电源(未示出)接收功率，并在将其传送到稳压模块130之前处理所述功率。主电源110包括第一整流单元111，该整流单元从电源接收低频交流(AC)域的功率。第一整流单元111将交流功率转换为直流功率。第一滤波单元112连接到第一整流单元111。第一滤波单元112减少了直流功率中的脉动并阻止由主电源110产生的噪声传输。第一开关单元113连接到第一滤波单元112。第一开关单元113从第一滤波单元112接收直流功率并将直流功率转换为高频交流功率。第一变压器114连接到第一开关单元113。第一变压器114从第一开关单元113接收高频交流功率并将该高频交流功率降压到较低电压电平。第二整流单元115连接到第一变压器114。第二整流单元115从第一变压器接收高频交流功率并将该高频交流功率转换为直流功率。第二滤波单元116连接到第二整流单元115。第二滤波单元116从第二整流单元115接收直流功率并从该直流功率滤除噪声，并将直流功率传送到稳压模块130。
稳压模块130从主电源110接收直流功率，并在将功率传送到计算机系统上的组件(未示出)之前进一步调节功率。稳压模块130包括第二开关单元131。第二开关单元131从主电源110接收直流功率并将直流功率转换为交流功率。第二变压器132连接到第二开关单元131。第二变压器从第二开关单元接收交流功率并将交流功率降压到较低电平。第三整流单元133连接到第二变压器。第三整流单元接收交流功率并将其转换为直流功率。第二滤波单元134连接到第三整流单元133。第三滤波单元134从第三整流单元133接收直流功率并滤除来自该直流功率的脉动。该直流功率被从稳压模块130传送到需要电力的组件。
因为大多数计算机系统需要有多种电压，所以变压器114需要有多个绕组。主电源110中附加的整流器和滤波器将所述功率从所述变压器的附加绕组连接到附加的连接器，后者将所述功率传送到使用点或者传送到附加的稳压模块。
图2说明计算机系统200，其上可以实现本发明的实施例。计算机系统200包括处理数据信号的处理器240。处理器240可以是复杂指令集计算机(CISC)微处理器、简化指令集计算机(RISC)微处理器、非常长指令字(VLIW)微处理器、实现指令集组合的处理器或其他处理器装置。图2显示在单处理器计算机系统200上实现的本发明示例。但是，显然，本发明可以在有多个处理器的计算机系统中实现。处理器240连接到CPU总线231，该总线在处理器240和计算机系统200中的其他组件之间传送数据信号。
计算机系统200包括内存242。内存242可以是动态随机存取内存(DRAM)装置、同步直接随机存取内存(SDRAM)装置或其他内存装置。内存242可以存储可被处理器240执行的、由数据信号代表的指令和代码。
桥接器/内存控制器241连接到CPU总线231和内存242。桥接器/内存控制器241在处理器240、内存242和计算机系统200中的其他组件之间引导数据信号、并在CPU总线231、内存242和第一输入/输出总线232之间桥接数据信号。
第一输入/输出总线232可以是单条总线或是多条总线的组合。举例来说，第一输入/输出总线232可以包括外设组件互连(PCI)总线、个人计算机内存卡国际协会(PCMCIA)总线、NuBus或其他总线。第一输入/输出总线232在计算机系统200的组件之间提供通信链接。网络控制器243连接到第一输入/输出总线232。网络控制器243将计算机系统200与计算机网络(图2中未示出)链接，并支持这些机器之间的通信。显示装置控制器244连接到第一输入/输出总线232。显示装置控制器244允许将显示装置(未示出)连接到计算机系统200，并起显示装置和计算机系统200之间的接口的作用。显示装置控制器244可以是黑白显示适配器(MDA)卡、彩色图形适配器(CGA)卡、增强图形适配器(EGA)卡、扩展图形阵列(XGA)卡或其他显示装置控制器。显示装置可以是电视机、计算机显示器、平板显示器或其他显示装置。显示装置从处理器240通过显示装置控制器244接收数据信号，并将信息和数据信号显示给计算机系统200的用户。
第二输入/输出总线233可以是单条总线或多条总线的组合。举例来说，第二输入/输出总线233可以包括PCI总线、PCMCIA总线、NuBus、工业标准体系结构(ISA)总线或其他总线。第二输入/输出总线233在计算机系统200的组件之间提供通信链接。数据存储装置246连接到第二输入/输出总线233。数据存储装置246可以是硬盘驱动器、软盘驱动器、小型光盘只读存储装置、快速存储装置或其他大容量存储装置。键盘接口247连接到第二输入/输出总线233。键盘接口247可以是键盘控制器或其他键盘接口。键盘接口247可以是专门装置或可以驻留于另一个装置中，如总线控制器或其他控制器。键盘接口247允许将键盘(未示出)连接到计算机系统200，并从键盘传送数据信号给计算机系统200。声频控制器248连接到第二输入/输出总线233。声频控制器248用来使声音的记录和播放协调。
总线桥接器245把第一输入/输出总线232连接到第二输入/输出总线233。总线桥接器245用来在第一输入/输出总线232和第二输入/输出总线233之间缓冲和桥接数据信号。
计算机系统200包括系统电源250。系统电源250从电源、诸如插座(未示出)、电池(未示出)或其他电源接收电流。在另一个实施例中，系统电源250将从电池(未示出)接收功率，不需要整流单元311。系统电源250包括逆变器251，后者处理从电源接收到的功率，并在交流母线230上以多频交流(AC)域传送该功率。此外，逆变器从控制总线255接收多路复用的数字反馈信号。此外，逆变器251在CPU总线231上从处理器240接收数据信号。计算机系统200包括多个高频交流稳压模块(HFAC VRM)260-268。HFAC VRM260-268连接到交流母线230，并传送多路复用的数字信号到控制总线255。HFAC VRM包括后调节器单元271-279，后者将所述功率调节到适合于处理器240、内存242、内存/桥接控制器241、网络控制器243、显示装置控制器244、数据存储装置246、键盘接口247、声频控制器248和总线桥接器245(在图2中显示)的电压和电流电平。应当指出，系统电源250可以在有别于计算机系统200的电子系统中实现。
图3是根据本发明的论述的系统电源250(示于图2中)中的逆变器251的一个实施例的方框图。逆变器251包括整流单元311。整流单元311从电源(未示出)接收交流功率。整流单元311将交流功率转换成直流域。整流单元311连接到第一滤波单元312。第一滤波单元312减少了直流功率中的脉动，并阻止由系统电源250产生的噪声传输。多个开关单元(单频率源)301-309被多路复用并连接到滤波单元312和集中控制器314。每个开关单元301-309接收来自滤波单元312的直流功率，并将直流功率转换成具有多频率的特定频率产生信号分量的高频交流功率。每个信号分量以特定的频率谐振并对应于一个或多个HFAC VRM。此外，每个开关单元301-309接收来自集中控制器314的控制信号，并直接调整适当的频率信号分量的振幅，所述适当的频率信号分量对应于每个适当的HFAC VRM260-268。
第二滤波单元340连接到开关单元301-309。滤波单元340从开关单元301-309接收包含多个频率的高频交流功率，并在将其传送到交流母线230之前滤除所述包含多个频率的高频交流功率中的脉动。
在所述图解说明的实施例中，集中控制器314连接到多个开关单元301-309、控制总线255以及CPU总线231。如以下所讨论的，控制器314从代表来自多个HFAC VRM的反馈的控制总线255接收多路复用的数字信号。集中控制器314将这些反馈与参考值对比并产生控制信号，这些信号直接调整每个开关单元301-309，以便调整对应于每个适当的HFAC VRM 260-268的适当频率的振幅。此外，在一个实施例中，集中控制器314经由处理器总线231接收来自CPU240的数据信号，并且CPU可以根据CPU的需要调整输送到CPU的功率。如以下所讨论的，也可以响应从CPU 240接收到的数据信号而调整每个开关单元301-309。
变压器341连接到滤波单元340和交流母线230。变压器341从交流滤波单元340接收包含多个频率的高频交流功率，将高频交流功率降压为较低电平，并将所述交流功率传送到交流母线230。
整流单元311、多个开关单元301-309、滤波单元340、集中控制器314以及变压器341可以使用任何已知电路或技术实现。根据本发明的一个实施例，整流单元311、开关单元301-309以及集中控制器314可以都驻留于单个半导体上、可以驻留在分立组件上、或可以是两者的组合。
图4示出逆变器251(示于图2中)的另一个实施例。在图解说明的实施例中，使用频率合成器450代替多个开关单元301-309(示于图3中)以产生具有多个频率的高频交流功率。在各种实施例中，可以使用许多种技术来产生多个频率的高频交流功率。
图5是根据本发明的论述在多个HFAC VRM 260-268(示于图2中)中的多个后调节器271-279之一的一个实施例的方框图。每个后调节器271-279都连接到交流母线230和控制总线255。每个后调节器271-279都包括谐振电路511和整流单元512。谐振电路511接收多个频率并滤除谐波，把所述多个频率分离为对应于计算机系统中特定组件的特定HFAC VRM的单一特定频率。整流单元512从谐振电路511接收包含单一特定频率的高频交流功率，并将高频交流功率的信号成份转换成直流域中的输出功率信号。在另一个实施例中，可以以整流单元512上的一个部件的形式包括降压变压器(未示出)，以便将高频交流功率降压为较低的功率电平。
滤波单元513连接到整流单元512。滤波单元513接收来自整流单元512的直流功率，并在经由线路220-228(示于图2中)将所述功率传送到计算机系统(未示出)上的组件之前滤除所述直流功率中的脉动。
模数转换器511连接到线路220-228和控制总线255。模数转换器511检测滤波单元513的输出电压并将其数字化，将此数字信号多路复用并将其馈送到控制总线255中。根据本发明的实施例，每个后调节器271-279可以仅仅包括整流单元512，该整流单元在将来自交流母线的高频交流功率传送到线路220-228之前，将它转换为直流域。
整流单元512、滤波单元513和模数转换器511可以使用任何已知的电路或技术实现。根据本发明的实施例，整流单元512、滤波单元513和模数转换器511可以驻留于单一半导体衬底上、可以驻留于分立的组件上、或可以是两者的组合。
系统电源250(示于图2中)和多频交流稳压模块260-268(在图2中显示)用于在包含多个频率的高频交流域中配电。在包含多个频率的高频交流域中配电可以改善计算机系统中要求高电流时间微分(DI/DT)的组件的电压调节可靠性。
系统电源250和高频交流稳压模块260-268不需要象直流配电系统所要求的那样的双重转换。而且，利用交流母线230来分配包含多个频率的高频交流功率就不需要多个转换阶段、多绕组变压器以及附加的整流单元和滤波单元。
此外，在图示的实施例中，利用由集中控制器314经由建立集中数字反馈回路(CDFL)的控制总线255、模数转换器511和处理器240控制的多个频率，就不需要多个控制回路，简化了HFAC VRM，并将智能带入电源体系结构。另外，可以根据处理器的需要动态地控制输送到处理器的功率。
图6是说明根据本发明实施例的配电方法的流程图。在步骤601，把交流域的功率从低频交流域调整到包含多个频率的高频交流域。根据本发明的一个实施例，通过将功率从交流域整流为直流域，并在多个并联的开关单元处将功率从直流域转换为高频交流域的方法，来将交流域中的功率调整到高频交流域。一个可供选择的实施例包括在频率合成器中将功率从直流域转换为高频交流域。
在步骤602，包含多个频率的高频交流功率被从系统电源传送到多个高频交流稳压模块。
在步骤603，功率被从包含多个频率的高频交流域调整到直流域。根据本发明的一个实施例，通过将所述功率降压并将功率从高频交流域整流为直流域的方法，来将功率从高频交流域调整到直流域。
在步骤604，若有必要，则将反馈信号发送到电源中的集中控制器，以便相应地调节传送到特定HFAC VRM的功率。根据本实施例，反馈信号的发送方法是：将模拟信号转换为数字信号，并经由数字总线将数字反馈信号发送到集中电源。
在前面的说明中，参考其特定的示范实施例描述了本发明。但是，显然，可以在不背离后附的权利要求书所说明的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，对其进行各种修改和变更。相应地，本说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制意义的。

Claims (26)

1.一种在电子系统中的配电方法，所述方法包括：
在系统电源中接收第一域的功率；
将所述功率转换为具有多频率交流(AC)信号分量的第二域；以及
将所述转换后的第二域的具有多频率交流信号分量的功率传送到所述电子系统的多个交流稳压模块(VRM)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
从所述多个交流VRM接收反馈信号；以及
至少部分地基于所述反馈信号来调节被传送到所述多个VRM的交流信号分量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
从中央处理器(CPU)接收控制信号；以及
至少部分地基于所述控制信号来调节被传送到所述多个VRM的交流信号分量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：调节所述各信号分量的操作还包括调节各种频率的电压电平。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一域是选择的低频交流域和直流(DC)域之一。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述交流信号分量包括对应于所述多个VRM中的至少一个VRM的功率信号分量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述多个频率包括交流高频域中的频率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述多个VRM包括动态地控制其输入电压的中央处理器(CPU)。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一域包括低频交流域，以及所述转换操作包括：
将所述功率从所述低频交流域整流为直流(DC)域；以及
将所述功率从所述直流域变换为所述多频率交流信号分量。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
在变换之前将所述多频率交流信号分量平滑化。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
在所述多个VRM中的第一个VRM处接收所述交流信号分量；以及
将所述交流信号分量之一转换成直流(DC)域中的输出功率信号。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于还包括：
基于所述输出功率信号产生反馈信号；
将所述反馈信号发送到所述系统电源；以及
在所述系统电源处基于所述反馈信号调节所述多个交流信号分量之一。
13.一种方法，它包括：
在稳压模块(VRM)处接收多个多频率交流信号分量；以及
将所述多个交流信号分量之一转换成直流(DC)域中的输出功率信号。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括：
基于所述输出功率信号产生反馈信号；以及
将所述反馈信号发送到控制器，所述控制器根据所述反馈信号来调节所述多个信号分量之一。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括：
对所述直流域中的所述输出功率信号进行滤波。
16.一种系统电源，它包括：
第一输入端口，它接收第一域中的功率；以及
逆变器，它将所述功率转换到包括多频率交流(AC)信号分量的第二域、并且将所述第二域的功率从所述系统电源发送到电子系统的多个交流稳压模块(VRM)。
17.如权利要求16所述的系统电源，其特征在于还包括：
第二输入端口，它经由控制总线从所述多个VRM接收反馈信号；以及
所述逆变器包括集中控制器，它根据所述反馈信号调节被传送到所述多个VRM的所述信号分量。
18.如权利要求16所述的系统电源，其特征在于还包括：
第二输入端口，它从中央处理器(CPU)接收控制信号；以及
调节装置，用于根据所述控制信号调节被传送到所述多个VRM的所述信号分量。
19.如权利要求16所述的系统电源，其特征在于：所述第一域是选择的低频交流域和直流(DC)域之一。
20.如权利要求16所述的系统电源，其特征在于：
所述第一域包括低频交流域；以及
所述逆变器包括整流单元，后者将来自所述低频交流域的功率整流为直流(DC)域；以及
并联的多个开关单元。
21.如权利要求16所述的系统电源，其特征在于：
所述第一域包括低频交流域；以及
所述逆变器包括整流单元，后者将来自低频交流域的电源整流为直流(DC)域；以及
频率合成器，用于将所述功率从所述直流域转换为所述多频率交流信号分量。
22.如权利要求16的系统电源，其特征在于还包括滤波单元，用以在发送之前使所述多频率交流信号分量变平滑。
23.一种稳压模块(VRM)，它包括：
输入端口，用于接收多个多频率信号分量；以及
整流器，用于将所述多个信号分量之一转换成直流(DC)域输出功率信号。
24.如权利要求23所述的VRM，其特征在于还包括：
反馈信号发生器，用于根据所述输出功率信号产生反馈信号；以及
发送单元，用于将所述反馈信号发送到系统电源，所述系统电源根据所述反馈信号调节所述多个信号分量之一。
25.一种系统，它包括：
交流(AC)总线；
多个稳压模块(VRM)；以及
系统电源，用于接收第一域中的功率，将所述功率转换到包含具有多个频率的交流信号分量的第二域，并将所述转换后的第二域中的具有多频率交流信号分量的功率传送到多个交流VRM。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于还包括用于连接所述系统电源和所述多个VRM的控制总线；
将多个信号分量之一转换成直流(DC)域中的输出功率信号；根据所述输出功率信号产生反馈信号；并且经过控制总线发送所述反馈信号的每个VRM。
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