DE19722125A1 - Schaltungsanordnung einer Stromversorgungseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung einer Strom­ versorgungseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Computeranlagen oder Personalcomputer mit hoher Datenverar­ beitungsleistung erfordern mehr und mehr Stromversorgungssy­ steme mit hohen Leistungen. Zur Anwendung kommen Stromversor­ gungssysteme, die mit Stromversorgungseinheiten aufgebaut sind, die parallel zusammenschaltbar sind, um so einerseits nur einen Typ von Stromversorgungseinheit zu haben, anderer­ seits aber trotzdem jeweils gemäß den Anforderungen den Strombedarf decken zu können. Es reicht aber nicht mehr aus, nur den Strombedarf zu decken. Es muß auch sichergestellt werden, daß eine gleichmäßige Aufteilung der Stromanteile, die die Stromversorgungseinheiten jeweils zu einem Gesamt­ strom liefern, gegeben ist. Dadurch wird eine gleichmäßige Belastung und damit eine möglichst lange Lebensdauer der Stromversorgungseinheiten erzielt. Weiter wird aber auch eine Redundanz in dem Stromversorgungssystem verlangt, so daß, wenn doch einmal eine Stromversorgungseinheit ausfällt, das Stromversorgungssystem weiterhin ohne Ausfall oder Einbruch der Systemspannungen die Computeranlage oder den Personal­ computer betreibt.

Aus EP 0 432 754 B1 ist eine Schaltungsanordnung einer Strom­ versorgungseinheit bekannt, die den obigen Kriterien ent­ spricht. Sie ist parallel zu einem redundanten Stromversor­ gungssystem zusammenschaltbar mit einer auf die jeweiligen Stromversorgungseinheiten gleichmäßigen Aufteilung der Aus­ gangsstromanteile. In dieser Stromversorgungseinheit stellt eine als Regelstrecke bezeichnete Komponente ein Leistungs­ teil dar, das auf einer Ausgangsleitung eine Ausgangsspannung liefert, die zusammen mit den Ausgangsspannungen der jeweils anderen an einem Stromversorgungssystem beteiligten Stromver­ sorgungseinheiten auf einer gemeinsamen Ausgangsspannungslei­ tung eine gemeinsame Ausgangsspannung liefern. Für die rich­ tige Regelung der Ausgangsspannung steht die Regelstrecke mit ersten Mitteln gebildet aus einem Spannungsregler in Verbin­ dung, mit dem eine Spannungsabweichung zwischen der Aus­ gangsspannung und einer Sollausgangsspannung in Form einer Referenzspannung erfaßt wird. Ein Mittelwertbildner in Form eines Widerstandes erzeugt als ein zweites Mittel aus der vom Spannungsregler erfaßten Spannungsabweichung eine ein Maß für einen gemittelten Sollstrom darstellende elektrische Füh­ rungsgröße auf einer für alle an einem Stromversorgungssystem beteiligten Stromversorgungseinheiten gemeinsamen Parallel­ steuerbusleitung. Schließlich dienen dritte Mittel in Form eines Stromreglers dazu, einen auf der Ausgangsleitung flie­ ßenden Iststrom auf den durch die zweiten Mittel in Form der elektrischen Führungsgröße dargestellten Sollstrom einzustel­ len. Dazu steuert der Stromregler direkt die Regelstrecke in einer entsprechenden Weise, beispielsweise durch eine Tast­ verhältnissteuerung von in dem Leistungsteil enthaltenen Schalttransistoren.

Nachteilig bei dieser Stromversorgungseinheit ist, daß eine kleine Überspannung auf der gemeinsamen Ausgangsspannungslei­ tung infolge eines defekten Stromreglers oder eines defekten Leistungsteils innerhalb einer der an einem Stromversorgungs­ system beteiligten Stromversorgungseinheiten die Spannungs­ regler der Stromversorgungseinheiten, in denen kein Defekt aufgetreten ist, die gemeinsame Parallelsteuerbusleitung auf Null Volt regeln. Dadurch werden die jeweiligen Stromregler in den jeweils nicht defekten Stromversorgungseinheiten die Ausgangsspannungen der jeweils zugehörigen Leistungsteile ebenfalls auf Null Volt regeln. Es besteht dann die Gefahr, daß die nicht defekten Stromversorgungseinheiten, weil davon auszugehen ist, daß die Stromversorgungseinheiten mit einer Unterspannungsabschalteinrichtung ausgestattet sind, abschal­ ten. Wird infolge eines oben angesprochenen Defekts eine grö­ ßere Überspannung an der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung erzeugt, besteht die Gefahr, daß nach einiger Zeit die de­ fekte Stromversorgungseinheit abschaltet, weil davon auszu­ gehen ist, daß die Stromversorgungseinheiten auch eine in­ terne Fehlererkennungsschaltung haben, die dann einsetzt. Die gemeinsame Ausgangsspannung auf der gemeinsamen Ausgangsspan­ nungsleitung ist in der Regel über einen Gesamtausgangsspan­ nungskondensator gepuffert und sinkt deshalb nicht schlagar­ tig auf Null Volt ab. Sinkt die gemeinsame Ausgangsspannung auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung infolge der Feh­ lerabschaltung unter eine Nennspannung ab, die dem Stromver­ sorgungssystem an sich zugrunde liegt, wird die Spannung auf der gemeinsamen Parallelsteuerbusleitung von Null Volt wieder auf einen entsprechenden Spannungswert angehoben. Die nicht defekten Stromversorgungseinheiten beginnen wieder zu arbei­ ten und müssen nun ihre Ausgangsspannungen von Null Volt auf die Nennspannung anheben. Dies dauert relativ lange, so daß die gemeinsame Ausgangsspannung auf der gemeinsamen Ausgangs­ spannungsleitung kurzzeitig zu viel unter den Nennwert sinkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Stromver­ sorgungseinheit der eingangs genannten Art anzugeben, mit der Stromversorgungssysteme der oben genannten Art aufgebaut wer­ den können mit der technischen Eigenschaft, daß bei Proble­ men der vorhin beschriebenen Art im gegebenen Fall wesentlich schneller wieder ihre Nennausgangsspannungen einregeln.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Danach wird mit Hilfe eines entsprechenden Spannungsteilers am Ausgang der Stromversorgungseinheit mit entsprechender Zusatzbeschaltung erreicht, daß in einem Überspannungsfall der früher beschriebenen Art die nicht de­ fekten Stromversorgungseinheiten eines betreffenden Stromver­ sorgungssystems mit einer jeweiligen Ausgangsspannung betrie­ ben wird, die sich im Leerlauf befindet und nur wenig unter­ halb der eigentlichen Nennspannung des Stromversorgungssys­ tems liegt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung mit einer einzigen Figur erläutert.

In der Figur ist ein Stromversorgungssystem mit zwei paral­ lelgeschalteten, identischen Stromversorgungseinheiten SA und SB zu sehen. Die Anzahl der parallel geschalteten Stromver­ sorgungseinheiten ist für die Beschreibung der Erfindung un­ erheblich, da sich die Erfindung auf die Stromversorgungs­ einheit an sich bezieht und die Zahl Zwei nur stellvertretend für eine mögliche größere Anzahl steht. Weiter beschränkt sich die nachfolgende Beschreibung auf die Beschreibung der in der Figur an erster Stelle gezeichneten Stromversorgungs­ einheit SA, da die weiteren Stromversorgungseinheiten, wie gesagt, identisch sind. Soweit also Bezugszeichen mit dem Endbuchstaben A angegeben werden, gelten diese auch für die anderen Stromversorgungseinheiten mit der Maßgabe, daß der Endbuchstabe durch einen entsprechenden weiteren fort laufen­ den Buchstaben ersetzt ist. Für die in der Figur zum Beispiel an zweiter Stelle angegebenen Stromversorgungseinheit ist das beispielsweise der Buchstabe B.

Die in der Figur an erster Stelle angegebene Stromversor­ gungseinheit SA weist ein Leistungsteil LSTA auf, das mit ei­ ner Eingangswechselspannung ACin versorgt wird. Das Leis­ tungsteil LSTA ist an einem Ausgang mit einer Ausgangsleitung verbunden, auf der von dem Leistungsteil LSTA eine Aus­ gangsspannung Ua (LSTB: Ub) erzeugt ist. Die Ausgangsleitun­ gen sind am Ausgang des Stromversorgungssystems über eine ge­ meinsame Ausgangsspannungsleitung miteinander verbunden. Auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung stellt sich eine ge­ meinsame Ausgangsspannung Ug ein. Je nach vorherrschender Strombelastung auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung fließt auf der Ausgangsleitung der Stromversorgungseinheit SA ein Stromanteil, der als ein Iststrom IistA aufzufassen ist.

Alle die Istströme der in einem Stromversorgungssystem vor­ handenen Stromversorgungseinheiten liefern einen Stromanteil zum gesamten Laststrom auf der gemeinsamen Ausgangsspan­ nungsleitung. Solange dieser Laststrom erzeugt werden kann, ist ein von dem Stromversorgungssystem zu betreibendes Gerät funktionstüchtig.

In der Ausgangsleitung der Stromversorgungseinheit SA ist ei­ ne Entkopplungsdiode D1A vorgesehen, die die Funktion hat, daß die Stromversorgungseinheit SA im laufenden Betrieb des Stromversorgungssystems dazugeschaltet oder abgekoppelt wer­ den kann.

Das Leistungsteil LSTA weist einen Steuereingang SEA auf, über den zu Steuerungszwecken eine elektrische Führungsgröße zugeführt wird. Abhängig von der elektrischen Führungsgröße regelt das Leistungsteil LSTA auf der Ausgangsleitung den Iststrom IistA ein.

Im Detail erfolgt die Einregelung des Iststromes IistA da­ durch, daß über einen Spannungsteiler SPTA die gemeinsame Ausgangsspannung Ug auf der gemeinsamen Ausgangsspannungs­ leitung abgegriffen und durch einen Spannungsregler SPRA mit einer Sollspannung, die durch eine Referenzspannung UrefA zur Verfügung gestellt wird, verglichen wird. Die gemeinsame Aus­ gangsspannung Ug ist dabei dem Spannungsregler SPRA am Minus­ eingang und die Referenzspannung UrefA am Pluseingang zuge­ führt. Als Ergebnis des Vergleichs wird eine Spannung er­ zeugt, die über einen Widerstand R5A auf eine gemeinsame Par­ allelsteuerbusleitung PSBL geführt wird. Es handelt sich des­ halb um eine gemeinsame Parallelsteuerbusleitung, weil diese Leitung alle entsprechenden Punkte der anderen am Stromver­ sorgungssystem beteiligten Stromversorgungseinheiten mitein­ ander verbindet und parallel schaltet. Der Widerstand R5A stellt für die Stromversorgungseinheit SA einen Mittelwert­ bildner dar, weil sich durch diesen Widerstand in Verbindung mit den jeweils entsprechenden Widerständen der anderen am Stromversorgungssystem beteiligten Stromversorgungseinheiten auf der gemeinsamen Parallelsteuerbusleitung PSBL eine Span­ nung als eine elektrische Führungsgröße einstellt, die ein Maß für einen gemittelten Sollstrom darstellt. Anhand des ge­ mittelten Sollstromes stellen alle Stromversorgungseinheiten ihre Stromanteile an den zugehörigen Ausgangsleitungen ein, so daß letztlich alle Stromversorgungseinheiten bis auf bau­ teiltechnisch bedingte Toleranzunterschiede den gleichen Stromanteil liefern.

Ein Stromregler STRA greift über seinen Pluseingang diesen gemittelten Sollstrom ab und vergleicht diesen mit dem Ist­ strom IistA des Leistungsteils LSTA. Dazu ist der Stromregler STRA über einen Strommeßpunkt SPA mit der Ausgangsleitung des Leistungsteils LSTA verbunden. In Abhängigkeit von dem Vergleich erzeugt dann der Stromregler STRA die elektrische Führungsgröße, die das Leistungsteil LSTA dahingehend steu­ ern, daß auf der Ausgangsleitung ein Iststrom IistA fließt, der dem gemittelten Sollstrom auf der gemeinsamen Parallel­ steuerbusleitung PSBL entspricht.

Wird infolge eines Defekts beispielsweise des Leistungsteils LSTA oder des Stromreglers STRA der Stromversorgungseinheit SA eine überhöhte gemeinsame Ausgangsspannung Ug erzeugt, treten die eingangs genannten Effekte auf. Um diese zu ver­ hindern, weist der nach der Entkopplungsdiode D1A gegen Masse an die Ausgangsleitung angeschlossene Spannungsteiler SPTA beispielsweise eine Dreiteilung mit den Teilwiderständen R1A, R2A, R3A auf, wobei zwischen dem zweiten und dritten Teilwi­ derstand R2A und R3A der Minuseingang des Spannungsreglers SPRA und zwischen dem ersten und zweiten Teilwiderstand R1A und R2A eine Ableitdiode D2A angeschlossen ist. Die Ableitdi­ ode D2A ist dabei in der Weise angeschlossen, daß sie im Vergleich zur Entkopplungsdiode D1A antiparallel zur Entkopp­ lungsdiode D1A, das heißt in Gegenrichtung zur Ausgangsspan­ nung Ua der Stromversorgungseinheit SA, geschaltet ist. Auf diese Weise ist die Ableitdiode D2A mit ihrer Kathodenseite vor der Entkopplungsdiode D1A mit der Ausgangsleitung der Stromversorgungseinheit SA verbunden. Gleichzeitig ist die Kathodenseite der Ableitdiode D2A über einen Ableitwiderstand R4A mit Masse der Stromversorgungseinheit SA verbunden.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Ableitdiode D2A und der zugehörigen Beschaltung näher erläutert.

Steigt die gemeinsame Ausgangsspannung Ug der Stromversor­ gungseinheiten SA und SB wegen einer defekten Stromversorgung SA an, fällt zunächst die innere Ausgangsspannung Ub der Stromversorgungseinheit SB ab, bis D2B zu leiten beginnt. Ist der Teiler allgemein der Teilwiderstände R1, R2 und R3 und damit im speziellen der der Teilwiderstände R1B, R2B und R3B z. B. auf R3B=45%, R2B=45% und R1B=10% dimensioniert, so be­ ginnt die Ableitdiode D2B der Stromversorgungseinheit SB ab einer Ausgangsspannung Ub von kleiner als (0,9*Ugnenn-UD2B) zu leiten. Ugnenn ist die Nennspannung der gemeinsamen Aus­ gangsspannung Ug, und UD2B ist der Spannungsabfall über der Ableitdiode D2B im leitenden Zustand.

Wenn die Ableitdiode D2B leitet, wird die Eingangsspannung von Spannungsregler SPRB von der Ausgangsspannung Ub des Lei­ stungsteils LSTB bestimmt. Daher fällt die innere Aus­ gangsspannung Ub nicht mehr weiter ab, die Stromversorgungs­ einheit SB bleibt im Regelbereich und kann wesentlich schnel­ ler wieder auf die Nennausgangsspannung hochregeln, wenn die defekte Stromversorgungseinheit SA abgeschaltet hat. Es be­ steht auch nicht mehr die Gefahr des Abschaltens der Strom­ versorgungseinheit SB wegen einer eingebauten Unterspannungs­ überwachung, solange die Unterspannungsgrenze unterhalb der Ausgangsspannung Ub= (0,9*Ugnenn-UD2B) liegt.

Solange der Überspannungsfall nicht eintritt, sperren die Ab­ leitdioden D2A bzw. D2B und der Spannungsteiler R1, R2, R3 erfaßt die gemeinsame Ausgangsspannung Ug.

Der Teilwiderstand R1A bzw. R1B muß einerseits so dimensio­ niert sein, daß bei Kurzschluß in der Stromversorgungsein­ heit (z. B. Ausgangsspannungskondensator CA der Stromversor­ gungseinheit SA kurzgeschlossen) nur ein geringer Strom durch den Ableitwiderstand D2A bzw. D2B zurück in die Stromversor­ gungseinheit fließt, andererseits soll er nur einen geringen Anteil des Gesamtwiderstandes der den Spannungsteiler SPTA bzw. SPTB bildenden Teilerkette darstellen (z. B. 5% oder 10%).

Der Ableitwiderstand R4 (R4A bzw. R4B) soll sicherstellen, daß der Strom durch den Teilwiderstand R1 (R1A bzw. R1B) und die Ableitdiode D2 (D2A bzw. D2B) und der Leckstrom durch die Entkopplungsdiode D1 (D1A bzw. D1B) gegen Masse abfließt, da­ mit nicht die Ausgangsspannung Ua bzw. Ub um mehr als die so­ genannte Leerlaufspannung im externen Überspannungsfall an­ gehoben werden kann. Oft ist dieser Widerstand aber schon als Grundlastwiderstand in der Stromversorgungseinheit vorhanden.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung einer Stromversorgungseinheit, paral­ lel zusammenschaltbar mit gleichartigen Stromversorgungsein­ heiten zu einem redundanten Stromversorgungssystem mit auf die jeweiligen Stromversorgungseinheiten gleichmäßig aufge­ teilten Ausgangsstromanteilen, mit wenigstens einer, eine Entkopplungsdiode zum gegenseitigen Entkoppeln jeweiliger parallelgeschalteter Stromversorgungseinheiten aufweisenden Ausgangsleitung für eine mit einem Leistungsteil erzeugte Ausgangsspannung, zu deren Regelung erste Mittel zum Erfassen einer Spannungsabweichung gegenüber einer Sollausgangs­ spannung, zweite Mittel zum Erzeugen einer von der erfaßten Spannungsabweichung beeinflußten, ein Maß für einen gemit­ telten Sollstrom darstellenden elektrischen Führungsgröße auf einer für die an einem Stromversorgungssystem beteiligten Stromversorgungseinheiten gemeinsamen Parallelsteuerbuslei­ tung und dritte Mittel zum Einregeln eines auf der Ausgangs­ leitung fließenden Iststromes auf den gemittelten Sollstrom durch Steuern des Leistungsteils vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Entkopplungsdiode (z. B. D1A), bezogen auf ein Bezugspotential der Schaltungs­ anordnung, ein mit einem Teilabgriff mit den ersten Mitteln verbundener Spannungsteiler (z. B. SPTA) vorgesehen ist, der einen weiteren Teilabgriff für eine antiparallel zur Entkopp­ lungsdiode (z. B. D1A) geschaltete Ableitdiode (z. B. D2A) auf­ weist, deren Ausgang über einen Ableitwiderstand (z. B. R4A) mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu den ersten Mitteln ein Spannungs­ regler (z. B. SPRA) mit einem Minus- und einem Pluseingang ge­ hört, dessen Minuseingang mit dem Spannungsteiler (z. B. SPTA) verbunden und dessen Pluseingang mit einer Referenzspannung (z. B. UrefA) als Maß für die Sollausgangsspannung (Ua) beauf­ schlagt ist, daß zu den zweiten Mitteln ein Widerstand (z. B. RA) gehört, der zwischen einem Ausgang des Spannungsreglers (z. B. SPRA) und der Parallelsteuerbusleitung (PSBL) angeord­ net ist, daß zu den dritten Mitteln ein Stromregler (z. B. STRA) gehört, der mit einem Minuseingang zum Überwachen des Iststromes (z. B. IistA) mit der Ausgangsleitung des Lei­ stungsteils (z. B. LSTA) und mit einem Pluseingang mit der Parallelsteuerbusleitung (PSBL) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spannungsteiler (z. B. SPTA) ge­ gen Masse geschaltet ist und drei Teilwiderstände (z. B. R1A, R2A, R3A) aufweist, die mit dem Spannungsteiler (z. B. SPTA) und der Ableitdiode (z. B. D2A) in der Weise zusammengeschal­ tet sind, daß zwischen dem ersten und zweiten Teilwiderstand (z. B. R1A und R2A) die Ableitdiode (z. B. D2A) und zwischen dem zweiten und dritten Teilwiderstand (z. B. R2A und R3A) der Minuseingang des Spannungsreglers (z. B. SPRA) angeschlossen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Teilwiderstände (z. B. R1A, R2A, R3A) Widerstandswerte aufweisen, die größenordnungsmäßig dem Verhältnis 10 : 45 : 45 entsprechen.