JP2011030426A

JP2011030426A - 電源並列化の補償されたドループ方法（ｃ−ドループ方法）

Info

Publication number: JP2011030426A
Application number: JP2010253309A
Authority: JP
Inventors: Emanuil Y Shvarts; ワイ．シュワルツエマニュイル
Original assignee: Power One Inc
Current assignee: Power One Inc
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-02-10
Also published as: JP4688227B2; EP1844533A4; WO2006083347A2; EP1844533B1; US20060171178A1; JP2008527961A; WO2006083347A3; EP1844533A2; US7304462B2

Abstract

【課題】電源、さらに詳細には、２つ以上の電源モジュールを並列に接続するためのドループ方法を提供すること。
【解決手段】電源は、並列に接続された複数の電源モジュールを有する。各電源モジュールは、入力電圧を受け取るために結合された入力を有する電力変換回路を有する。抵抗器が電力変換回路の出力において直列に結合されている。電流制限増幅器は、第１の抵抗器の第１の端子および第２の端子に結合された第１の入力および第２の入力を有する。フィードバック増幅器は、電源モジュールの出力電圧を受け取るために結合された第１の入力と、基準信号を受信するために結合された第２の入力と、フィードバック信号を電力変換回路に提供するために結合された出力とを有する。補償抵抗器は、電流制限増幅器の出力とフィードバック増幅器の第２の入力との間に結合されることによって、基準信号を調節し、電力変換回路の出力電流の変動に対して補償する。
【選択図】図２

Description

（国内優先権の主張）
本出願は、ＥｍａｎｕｉｌＹ．Ｓｈｖａｒｔｓによって２００５年２月２日に出願され、本明細書にその全容が援用されている米国特許出願第１１／０４９，９０９号の優先権の利益を主張する。

（発明の分野）
本発明は一般に、電源、さらに詳細には、２つ以上の電源モジュールを並列に接続するためのドループ方法に関する。

（発明の背景）
たいていの現代的な電子機器は、その中に含まれる電子コンポーネントに直流（ＤＣ）動作電位を提供するための電源を要求する。電源を使用する電子機器の普通のタイプは、パーソナルコンピュータ、エネルギーシステム、遠隔通信システム、オーディオビデオ機器、コンシューマエレクトロニクス、カーコンポーネント、および集積回路、半導体を利用し、またはそうでない場合は、ＤＣ動作電位を要求する他のデバイスを含む。全てではないにしても、たいていの半導体コンポーネントは、低電圧ＤＣ動作電位を要求する。しかしながら、多くの電力源は交流（ＡＣ）、または高電圧ＤＣであり、これらは、電子機器のために低電圧ＤＣに変換されなければならない。

１つの普通の装置においては、ＡＣ／ＤＣ電源は、ＡＣ入力電圧、例えば１１０と２４０ＶＡＣとの間を受け取り、ＡＣ入力電圧をＤＣ動作電圧に変換する。ＡＣ電圧は、全波整流器ブリッジを経由してルートされ、かつフィルタされ、高電圧ＤＣ信号を生成する。高電圧ＤＣ信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラおよび変圧器アセンブリを経由して処理され、低電圧、調整ＤＣ出力電圧を生成し、これは、半導体コンポーネント、および電子機器において低電圧ＤＣ源を要求する他のデバイスのための動作電位として使用される。低電圧ＤＣ信号は通常、１〜１２ＶＤＣの範囲である。他の場合においては、ＤＣ／ＤＣ電源は、高電圧ＤＣ信号を受信し、電子機器のために必要な低電圧ＤＣ信号を提供する。

電源は一般に、狭い範囲内で調節可能であり得る特定な電圧レベルで動作するように設計されている、高プロダクションユニットである。電源最大出力電流容量は、設計コンポーネントによって設定される。メーカーは、時として電力定格によって指定される離散出力電圧および出力電流容量の範囲で、電源を販売する。電源を選択するために、取引相手先商標製品製造業者（ＯＥＭ）はベンダ（ｖｅｎｄｏｒ）のカタログから所望の電源を選択する。利用できる電源が電子機器に対して、正しい電力定格を有していない場合、ＯＥＭは、利用できる出力電流を増加させるために、２つ以上の電源モジュールを並列に接続することが知られている。電源モジュールを並列に接続するプロセスは、ドループ方法として公知の人気のアプローチを使用して達成し得る。理論的には、２つの同一の電源モジュールを並列に接続すると、出力電流を２倍にしながら同じ出力電圧を維持することができる。

ドループ方法は、ＯＥＭが電流容量を増加させることを可能にし、かつ多くの異なる最大負荷要求に対して同じ標準電源モジュールを使用することを可能にする。しかしながら、ドループ方法は、各電源の出力電圧および負荷電流における変動が原因で、並列接続電源モジュールの間での負荷調整の低下につながる。

良好な負荷調整を維持しながら、複数の電源モジュール並列に接続する必要性が存在する。

（発明の概要）
一実施形態において、本発明は、並列に接続された複数の電源モジュールを有する電源である。各電源モジュールは、入力電圧を受け取るために結合された入力、および電源モジュールの出力電圧を提供する出力を有する電力変換回路を含む。第１の抵抗器は、電力変換回路の出力において直列に結合されている。第１の増幅器は、第１の抵抗器の第１の端子および第２の端子に結合されている第１の入力および第２の入力を有している。第２の増幅器は、電源モジュールの出力電圧を受け取るために結合された第１の入力と、第１の基準信号を受信するために結合された第２の入力と、フィードバック信号を電力変換回路に提供するために結合された出力とを有している。第２の抵抗器は、第１の増幅器の出力と第２の増幅器の第２の入力との間に結合されることにより、第１の基準信号を調節し、電源モジュールの出力電流の変動に対して補償する。

別の実施形態において、本発明は、入力電圧を出力電圧に変換するための電力変換回路を有する電源モジュールにおける補償回路である。フィードバック制御ループは、電源モジュールの出力電圧を受け取るために結合された第１の入力と、基準信号を受信するために結合された第２の入力と、フィードバック信号を電力変換回路に提供することにより、その出力電圧を制御するために結合された出力とを有する。電流センサが、電力変換回路の出力において結合され、フィードバック制御ループに結合されることにより基準信号を調節し、電源モジュールの出力電流の変動に対して補償する出力を有している。

別の実施形態において、本発明は、並列に接続された複数の電源モジュールを有する電源である。電源モジュールのうちの少なくとも１つが、入力電圧を受け取るために結合された入力、および出力電圧を提供するための出力を有する電力トレインを含む。制御回路は、電力トレインを経由してエネルギー転送を制御する。フィードバック制御ループは電力トレインの出力と制御回路の入力との間に結合されている。電流センサは、電力トレインの出力電流に応答することにより、フィードバック制御ループを補償する。

別の実施形態において、本発明は、電源モジュールの出力電圧を補償する方法であり、この方法は、電源モジュールの出力電流をモニタすることと、電源モジュールの出力電流を表現する補償電圧を生成することと、電源モジュールの出力電圧を表現する信号と基準信号とを比較することによって電源モジュールの出力電圧を制御することと、補償電圧を利用して基準信号を調節し、かつ電源モジュールの出力電流の変動に対して補償することと、を含む。
例えば、本発明は、以下の項目を提供する。
(項目１）
並列に接続されている複数の電力モジュールを有する電源システムであって、各電力モジュールは、
入力電圧に接続されている入力と、出力ドループ抵抗と電流センサとを介して負荷に接続されている出力とを有する、電力トレインと、出力電圧に接続されている負入力と、基準電圧と該電流センサの出力電圧との和に接続されている正入力とを有する、電圧フィードバック増幅器と、
電流センサの出力に接続されている１つの入力と、該電圧フィードバック増幅器の出力に接続されている第２の入力と、該電力トレインに接続されている出力を有する制御回路と
を備えている、電源システム。
(項目２）
並列に接続された複数の電源モジュールを有する電源であって、各電源モジュールは、
入力電圧を受け取るために結合されている入力と該電源モジュールの出力電圧を提供する出力とを有する電力変換回路と、
該電力変換回路の出力において直列に結合されている第１の抵抗器と、
該第１の抵抗器の第１の端子および第２の端子に結合されている第１の入力と第２の入力とを有する第１の増幅器と、
該電源モジュールの該出力電圧を受け取るように結合されている第１の入力と、第１の基準信号を受信するように結合されている第２の入力と、該電力変換回路にフィードバック信号を提供するために結合されている出力とを有する第２の増幅器と、
該第１の増幅器の出力と該第２の増幅器の該第２の入力との間に結合されている第２の抵抗器であって、該第２の抵抗器は、該電源モジュールの出力電流の変動を補償するように、該第１の基準信号を調節する第２の抵抗器と
を備えている、電源。
(項目３）
各電源モジュールは、
トリム電圧を受け取るために結合されているＩ／Ｏトリムピンと、
該Ｉ／Ｏトリムピンと前記第２の増幅器の前記第２の入力との間に結合されている第３の抵抗器と
をさらに含む、項目２に記載の電源モジュール。
(項目４）
各電源モジュールは、基準電位と前記第２の増幅器の前記第２の入力との間に結合されている第３の抵抗器をさらに含む、項目２に記載の電源モジュール。
(項目５）
各電源モジュールは、該電源モジュールの出力と前記第２の増幅器の前記第１の入力との間に結合されている第３の抵抗器をさらに含む、項目２に記載の電源モジュール。
(項目６）
入力電圧を出力電圧に変換する電力変換回路を有する電源モジュールにおいて、
該電源モジュールの該出力電圧を受け取るように結合されている第１の入力と、基準信号を受信するように結合されている第２の入力と、電力変換回路にフィードバック信号を提供するために結合されている出力とを有するフィードバック制御ループであって、該フィードバック制御ループは、該電源モジュールの出力電圧を制御するフィードバック制御ループと
該電力変換回路の出力において結合されている電流センサであって、該電流センサは、基準信号を調節して電源モジュールの出力電流の変動を補償するようにフィードバック制御ループに結合されている出力を有する、電流センサと
を備えている、補償回路。
(項目７）
前記電流センサは、
前記電力変換回路の出力において直列に結合されている第１の抵抗器と、
該第１の抵抗器の第１の端子および第２の端子に結合されている第１の入力と第２の入力とを有する第１の増幅器と、
該第１の増幅器の出力と前記フィードバック制御ループの第２の入力との間に結合されている第２の抵抗器とを含む、項目６に記載の補償回路。
(項目８）
トリム電圧を受け取るために結合されているＩ／Ｏトリムピンと、
該Ｉ／Ｏトリムピンと前記フィードバック制御ループの前記第２の入力との間に結合されている第３の抵抗器と
をさらに含む、項目７に記載の補償回路。
(項目９）
基準電位と前記フィードバック制御ループの前記第２の入力との間に結合されている第３の抵抗器をさらに含む、項目７に記載の補償回路。
(項目１０）
前記電源モジュールの出力と前記フィードバック制御ループの前記第１の入力との間に結合されている第３の抵抗器をさらに含む、項目７に記載の補償回路。
(項目１１）
並列に接続されている複数の電源モジュールであって、各電源モジュールは、前記補償回路を含む、複数の電源モジュールをさらに含む、項目６に記載の電源。
(項目１２）
並列に接続されている複数の電源モジュールを有する電源であって、該電源モジュールのうちの少なくとも１つは、
入力電圧を受け取るために結合されている入力と出力電圧を提供するための出力とを有する電力トレインと、
該電力トレインを介して、エネルギー転送を制御する制御回路と、
該電力トレインの該出力と該制御回路の入力との間に結合されているフィードバック制御ループと、
該電力トレインの出力電流に応答する電流センサであって、該フィードバック制御ループを補償する電流センサと
を備えている、電源。
(項目１３）
前記フィードバック制御ループは、フィードバック増幅器を含み、該フィードバック増幅器は、前記出力電圧を受け取るために結合されている第１の入力と、基準信号を受信するために結合されている第２の入力と、フィードバック信号を前記制御回路に提供するために結合されている出力とを有する、項目１２に記載の電源。
(項目１４）
前記電流センサは、
前記電力トレインの出力において直列に結合された第１の抵抗器と、
該第１の抵抗器の第１の端子および第２の端子に結合された第１の入力と第２の入力とを有する、第１の増幅器と、
該第１の増幅器の出力と該第２の増幅器の第２の入力との間に結合されている第２の抵抗器であって、該第２の抵抗器は、第２の電源の出力電流の変動を補償するように前記基準信号を調節する、第２の抵抗器と
を含む、項目１３に記載の電源。
(項目１５）
前記電流センサは、前記フィードバック制御ループを補償するために、前記電力トレインの前記出力電流に比例する電流センス信号を提供する、項目１２に記載の電源。
(項目１６）
電源モジュールの出力電圧を補償する方法であって、該方法は、
該電源モジュールの出力電流をモニタすることと、
該電源モジュールの該出力電流を表現する補償電圧を生成することと、
該電源モジュールの該出力電圧を表現する信号と基準信号とを比較することによって該電源モジュールの該出力電圧を制御することと、
該補償電圧を利用して該基準信号を調節し、かつ該電源モジュールの該出力電流の変動を補償することと
を包含する、方法。
(項目１７）
前記基準信号をトリム電圧で調節することをさらに包含する、項目１６に記載の方法。
(項目１８）
各電源モジュールのそれぞれの補償電圧で基準信号を調節することによって、並列に接続された複数の前記電源モジュールの負荷調整を提供することをさらに包含する、項目１６に記載の方法。
(項目１９）
複数の前記電源モジュールを並列に接続することをさらに包含する、項目１６に記載の方法。

図１は、ＤＣ電位を電子機器に提供するモジュール式の電源を図示する。図２は、２つの電源モジュールを並列に接続するドループ方法のブロック図である。図３は、図２の電圧変換ブロックの概略図である。図４は、出力電流を表現する補償電圧を使用して、フィードバック経路における基準信号を調節するドループ方法の回路概略図である。図５は、図４のＰＷＭコントローラのブロック図である。図６は、負荷電流の関数として、負荷調整を図示する。図７は、出力電流に比例する電圧を使用して負荷調整を向上させる、補償されたドループ方法のブロック図である。

本発明は、１つ以上の実施形態で、次の記述において、図面を参照して記述されるが、図面においては、同様な数字は、同じかまたは類似した要素を表す。本発明は、本発明の目的を達成するための最良のモードの観点から記述される一方、次の開示および図面によって支持される添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって規定される通りの、本発明の精神および範囲内に含まれ得るような代替案、変更例および均等物をカバーするように、本発明は意図されているということは、当業者によって理解される。

図１を参照して、電源１０は、電子機器１１にＤＣ動作電位を提供するように示されている。電源１０は、入力電圧Ｖ_ＩＮを受け取り、かつＤＣ出力電圧Ｖ_ＯＵＴを生成する。電子機器１１は、パーソナルコンピュータ、エネルギーシステム、遠隔通信システム、オーディオ−ビデオ機器、コンシューマエレクトロニクス、自動車コンポーネント、および集積回路、半導体チップを利用するか、そうでない場合は、電源からＤＣ動作電位を要求する他のデバイスの形式を取る。

電源１０のさらなる詳細は、図２に示されている。電源１０は、並列に接続された電源モジュール１２および電源モジュール１４を使用して、構成されている。入力電圧Ｖ_ＩＮは端子１６に印加され、端子１６は普通、電源モジュール１２の入力に接続され、かつさらに電源モジュール１４の入力に接続される。電源モジュール１２の出力および電源モジュール１４の出力は普通、端子１８に接続され、端子１８は、電源１０のＤＣ出力電圧Ｖ_ＯＵＴを、電子機器１１に提供する。

電源モジュール１２は、入力電圧Ｖ_ＩＮを受け取るために結合された、電力変換ブロック２０を有する。入力電圧Ｖ_ＩＮは、交流（ＡＣ）信号、例えば１１０ＶＡＣ、または直流（ＤＣ）信号、例えば４８ボルトであり得る。ＡＣ入力電圧の場合に対しては、電力変換ブロック２０は、全波整流器ブリッジ２２、例えば図３に示されているものを有する。全波整流器ブリッジ２２は、ＡＣ入力電圧をＤＣ電圧に変換する。ＤＣ入力電圧の場合においては、全波整流器ブリッジ２２は省略される。コンデンサ２４は、ＤＣ電圧を滑らかにし、かつフィルタする。ＤＣ電圧は、変圧器２６の１次側に印加される。変圧器２６の１次側はまた、電力トランジスタ２８を経由してアース端子３０へと結合されている。一実施形態において、電力トランジスタ２８は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。ＭＯＳＦＥＴ２８のゲートは、図２のパルス幅変調器（ＰＷＭ）コントローラ３２からパルス幅変調制御信号を受信する。ＰＷＭコントローラ３２と電力変換ブロック２０との組み合わせは、完成した電力変換回路を作る。変圧器２６の２次側は、整流器ダイオード３６に結合され、ノード３８において電源モジュール１２のＤＣ出力電圧Ｖ_１２を生成する。コンデンサ４０は、ＤＣ出力電圧Ｖ_１２をフィルタする。

図２に戻って、低値電力抵抗器４２、例えば１０〜１００ミリオームは、電源モジュール１２の出力において、ノード３８と端子１８との間で直列に結合されている。電源モジュール１２の出力電流Ｉ_１２は、抵抗器４２を流れる。出力電流Ｉ_１２は、抵抗器４２にわたって電圧を発生させ、この電圧は差動増幅器４４によって増幅される。増幅器４４の出力電圧は、電源モジュール１２の出力電流Ｉ_１２を表現する電流制限信号である。万一過電流状態の際は、ＰＷＭ制御サイクルを早期に終わらせるために、電流制限信号がＰＷＭコントローラ３２の電流制限入力に適用される。電流制限増幅器４４の出力電圧が、所定の閾値を超過する場合は、ＰＷＭコントローラ３２は、電力変換ブロック２０の１つ以上の充電サイクルを抑制する。

端子１８からの出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、抵抗器４８を経由して、差動増幅器５０の反転入力へ印加される。基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１は、抵抗器５２を経由して、増幅器５０の非反転入力へ印加される。同様に、トリム電圧Ｖ_{ＴＲＩＭ１}は、抵抗器５４を経由して、増幅器５０の非反転入力へ印加される。抵抗器５２へ印加される基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１と抵抗器５４を経由して印加されるトリム電圧Ｖ_{ＴＲＩＭ１}との組み合わせは、増幅器５０の非反転入力において複合基準を生成する。出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、複合基準と比較され、フィードバック信号は、ＰＷＭコントローラ３２のフィードバック入力へ適用される。

ＰＷＭコントローラ３２は、ＭＯＳＦＥＴ２８の導電時間デューティサイクルを設定して、変圧器２６の１次側にエネルギーを格納し、次に、ＭＯＳＦＥＴ２８のオフタイム中に格納されたエネルギーを２次側に転送する。出力電圧Ｖ_１２は、変圧器２６の１次側と２次側との間でのエネルギー転送によって決定される。エネルギー転送は、ＰＷＭ制御信号のＭＯＳＦＥＴ２８へのデューティサイクルを介して、ＰＷＭコントローラ３２によって調整される。増幅器５０は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴと、増幅器５０の非反転入力に適用された通りの複合基準信号との間での比較に基づいて、フィードバック制御をＰＷＭコントローラ３２に設定する。従って、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１は、ベース出力電圧Ｖ_１２を設定する。トリム電圧Ｖ_{ＴＲＩＭ１}は、±１０〜２０％の範囲にわたって出力電圧Ｖ_１２をトリムまたは調節するために使用される。

電源モジュール１４は、電源モジュール１２に対して記述されたのと類似した構成および動作を有している。電源モジュール１４は、入力電圧Ｖ_ＩＮを受け取るために結合された、電力変換ブロック６０を有する。電力変換ブロック６０は、図３の実施形態に類似し、ＤＣ出力電圧Ｖ_１４をノード６２において提供する。低値電力抵抗器６６、例えば１０〜１００ミリオームは、電源モジュール１４の出力において、ノード６２と端子１８との間で直列に結合されている。電源モジュール１４の出力電流Ｉ_１４は、抵抗器６６を流れる。出力電流Ｉ_１４は、抵抗器６６にわたって電圧を発生させ、この電圧は差動増幅器６８によって増幅される。増幅器６８の出力電圧は、電源モジュール１４の出力電流Ｉ_１４を表現する電流制限信号である。万一過電流状態の際は、ＰＷＭ制御サイクルを早期に終わらせるために、電流制限信号がＰＷＭコントローラ７０の電流制限入力に適用される。電流制限増幅器６８の出力電圧が、所定の閾値を超過する場合は、ＰＷＭコントローラ７０は、電力変換ブロック６０の１つ以上の充電サイクルを抑制する。

端子１８からの出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、抵抗器７２を経由して、差動増幅器７４の反転入力へ印加される。基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２は、抵抗器７６を経由して、増幅器７４の非反転入力へ印加される。同様に、トリム電圧Ｖ_{ＴＲＩＭ２}は、抵抗器７８を経由して、増幅器７４の非反転入力へ印加される。抵抗器７６へ印加される基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２と抵抗器７８を経由して印加されるトリム電圧Ｖ_{ＴＲＩＭ２}との組み合わせは、増幅器７４の非反転入力において複合基準を生成する。出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、複合基準と比較され、差信号は、ＰＷＭコントローラ７０のフィードバック入力へ適用される。上記のように、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２は、ベース出力電圧Ｖ_１４を設定する。トリム電圧Ｖ_{ＴＲＩＭ２}は、±１０〜２０％の範囲にわたって出力電圧Ｖ_１４をトリムまたは調節するために使用される。

電源モジュール１２および１４は、標準ユニットであり得、それぞれは、既知の入力電圧、出力電圧、出力電流定格および電力定格を有する。例えば、電源モジュールは、５アンペアで２．５ボルトまたは１０アンペアで３．３ボルトの標準出力電圧および電流を有し得る。ユーザが、所与の電圧に対してさらに多くの出力電流を必要とする場合、追加的な電流需要容量に対して、複数の電源モジュールが並列に接続される。一部の場合では、２〜６の電源モジュールが並列に接続され、所望の電流需要を達成する。

本実施形態において、かつ電子機器１１の電力需要に依存して、電源モジュール１２または電源モジュール１４は、電子機器１１に供給するのに充分な電力定格を個々には有し得ないことがあり得る。設計および製造効率のために、電源モジュール１２または１４の電力定格を増加させるかまたはカスタマイズするかの代わりに、電源モジュールは、それぞれの入力および出力を互いに結合し、電源１０の電力定格合計を増加させる。電源１０は、電子機器１１に対して、ＤＣ動作電位および電流駆動容量を提供する。

他のアプリケーションにおいては、電源モジュールは、冗長性および信頼性のために、並列に接続されている。１つのユニットが故障する場合、電子機器を動作可能に維持するために、他の電源モジュールが利用できる。

電源モジュール１２および１４を並列に接続するプロセスは、ドループ方法として知られ、この方法は、Ｎ個の並列電源モジュールの各々の出力抵抗を増加させることに基づく。ここで、Ｎは整数である。ドループ方法は、別個の電源が１つのユニットまたは他のユニットに重荷を負わせることなく、並列に稼動することを可能にする。１つの電源がより高い出力電圧を有する場合、フィードバック制御ループが、その電源にその出力電圧を維持させ、そのようにする際に、釣り合いのとれた電流の量を提供する。電源モジュールを並列にする方法は、並列モジュール間での、付随的な電力損失を伴うワイア接続がないということで、ワイアレスとしても公知である。

ドループ方法において、出力に対して直列な抵抗器は、出力電流が大きくなるにつれて、電圧降下が大きくなる。電源モジュール１２および１４のトリムされた出力電圧が異なる場合、負荷電流が増加するとき、より高い出力電圧を有する電源が、負荷電流の大半を供給する。ある時点で、抵抗器４２および６６での電圧降下は、Ｖ_１２とＶ_１４との間の差を補う。その場合、Ｖ_１２−Ｉ_１２×Ｒ_４２＝Ｖ_１４−Ｉ_１４×Ｒ_６６＝Ｖ_ｏｕｔであり、電源モジュール１２および１４は、合計出力電流において、同じ増分変化を提供する。換言すれば、出力電流の差によって引き起こされた、抵抗器４２および６６での電圧降下が、Ｖ_１２とＶ_１４との間の任意の電圧差をキャンセルすると、電源モジュールは、合計負荷電流を共有する。他の場合において、抵抗器４２および６６の値は、電源モジュール１２および１４との間の負荷平衡を最適化するために選択され得る。

ドループ方法によって、概略的なインプリメンテーションは簡潔であり、デバイスを並列に接続するための任意の特別な入力／出力（Ｉ／Ｏ）ピンはなく、これにより、システムデザインが簡略化され、かつ設計者は、標準化されたピンアウト（ｐｉｎ−ｏｕｔ）で電源モジュールを並列に接続することができる。

出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、
Ｖ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｍ−（Ｒ_ｏ×Ｉ_ｍ）（１）
としての方程式（１）で与えられ、
ここで：Ｖ_ｍは、モジュールｍの出力電圧であり、
Ｒ_ｏは、モジュールの出力抵抗であり、
Ｉ_ｍは、モジュールｍの出力電流である。

合計負荷電流Ｉ_ｏおよびモジュール出力抵抗Ｒｏによって、負荷調整は、方程式（１）に従って、並列に接続されたＮモジュールに対して、Ｉ_ＭＡＸ×Ｒ_ｏ／Ｎである。図２で記述されたドループ方法の第１に不利な点は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、増加する負荷と共に下がるという事実である。ドループ方法に対する負荷調整は、普通３〜１０％であり、これは多くのアプリケーションにおいて受け入れがたいことがあり得る。図２におけるドループ方法に対して、単一の電源が、受け入れ可能な電流共有の質を提供するためには、負荷調整は、Ｖ_ＯＵＴの全体的な許容範囲よりも５〜１０倍大きくあるべきである。許容範囲は、影響を、例えばサンプルごとのサンプル許容範囲、ライン調整、エージング許容範囲、および温度許容範囲を含み得る。

図４に転じて、電源８０は、並列に接続された電源モジュール８２および電源モジュール８４を使用して、構成されている。電源８０は、ＤＣ動作電位を、１１のような電子機器に提供している。入力電圧Ｖ_ＩＮは端子８６へ印加され、端子８６は普通、電源モジュール８２の入力へ接続され、さらに電源モジュール８４の入力へ接続される。電源モジュール８２の出力および電源モジュール８４の出力は普通、端子８８に接続され、端子８８は、電源８０のＤＣ出力電圧Ｖ_ＯＵＴを提供する。

電源モジュール８２は、入力電圧Ｖ_ＩＮを受け取るために結合された、電力変換ブロック９０を有する。ここでもまた、入力電圧Ｖ_ＩＮは、ＡＣ信号またはＤＣ信号であり得る。電力変換ブロック９０は、電力変換ブロック２０と類似の構成および動作に従い、出力電圧Ｖ_８２を提供する。低値電力抵抗器９２、例えば１０〜１００ミリオームは、電源モジュール８２の出力において、ノード９４と端子８８との間で直列に結合されている。電源モジュール８２の出力電流Ｉ_８２は、抵抗器９２を流れる。出力電流Ｉ_８２は、抵抗器９２にわたって電圧を発生させ、この電圧は差動増幅器９６によって増幅される。増幅器９６の出力電圧は、電源モジュール８２の出力電流Ｉ_８２を表現する電流制限信号である。万一過電流状態の際は、ＰＷＭ制御サイクルを早期に終わらせるために、電流制限信号がＰＷＭコントローラ９８の電流制限入力に適用される。電流制限増幅器９６の出力電圧が、所定の閾値を超過する場合は、ＰＷＭコントローラ９８は、電力変換ブロック９０の１つ以上の充電サイクルを抑制する。ＰＷＭコントローラ９８と電力変換ブロック９０との組み合わせは、完成した電力変換回路を作る。

端子８８からの出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、抵抗器１００を経由して、差動増幅器１０２の反転入力へ印加される。基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１は、抵抗器１０４を経由して、増幅器１０２の非反転入力へ印加される。同様に、トリム電圧Ｖ_ＴＲＩＭは、電源８０のＩ／Ｏピン１０６に印加され、かつ抵抗器１０８を経由して、増幅器１０２の非反転入力へ印加される。抵抗器１０４へ印加される基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１と抵抗器１０８を経由して印加されるトリム電圧Ｖ_ＴＲＩＭとの組み合わせは、増幅器１０２の非反転入力において複合基準を生成する。出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、複合基準と比較され、差信号は、ＰＷＭコントローラ９８のフィードバック入力へ適用される。

ＰＷＭコントローラ９８のさらなる詳細は、図５に示されている。発振器１１２は、のこぎり波形をＰＷＭ比較器１１４の第１の入力へ提供する。ＰＷＭ比較器１１４の第２の入力は、増幅器１０２の出力からフィードバック信号を受信する。ＰＷＭ比較器１１４は、電力変換ブロックにおいて電力ＭＯＳＦＥＴを駆動するＭＯＳＦＥＴドライバ１１６に、ＰＷＭ制御信号を提供する。増幅器９６からの電流センス信号は、増幅器１１８の非反転入力に適用される。電流制限閾値は、増幅器１１８の反転入力に適用される。増幅器１１８は、電源の出力電流が、電流制限閾値を超過するとき、信号を提供して、ＰＷＭ比較器１１４の出力を不能にする。

ＰＷＭコントローラ９８は、電力ＭＯＳＦＥＴの導電時間デューティサイクルを設定して、変圧器の１次側にエネルギーを格納し、電力ＭＯＳＦＥＴのオフタイム中に格納されたエネルギーを２次側に転送する。出力電圧Ｖ_８２は、変圧器の１次側と２次側との間でのエネルギー転送によって決定される。エネルギー転送は、電力ＭＯＳＦＥＴへのＰＷＭ制御信号のデューティサイクルを介して、ＰＷＭコントローラ９８によって調整される。増幅器１０２は、複合基準と出力電圧Ｖ_ＯＵＴとの間での比較に基づいて、フィードバック制御をＰＷＭコントローラ９８に対して設定する。従って、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ１は、ベース出力電圧Ｖ_８２を設定する。トリム電圧Ｖ_ＴＲＩＭは、±１０〜２０％の範囲にわたって出力電圧Ｖ_８２をトリムまたは調節するために使用される。

新しい特徴として、補償抵抗器１１０（Ｒ_ｃｏｍｐ）は、電流制限増幅器９６の出力とＩ／Ｏトリムピン１０６との間で接続され、Ｉ／Ｏトリムピン１０６は、抵抗器１０８を経由して、増幅器１０２の非反転入力にも接続されている。増幅器９６の出力電圧は、電源モジュール８２の出力電流Ｉ_８２に比例する。一実施形態においては、電流Ｉ_８２が０〜１０アンペアに変わるとき、増幅器９６の出力電圧は、実質的に線形に０〜１０ボルトに変わる。抵抗器１１０を、Ｉ／Ｏトリムピン１０６および抵抗器１０８へ接続することによって、増幅器９６の出力電圧は、増幅器１０２の非反転入力における有効な基準電圧に影響を与える。増幅器９６出力電圧は、増加する負荷および対応して増加する出力電流に対して、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを補償するために使用される。

負荷が、ゼロからある公称値へ増加する場合を考える。負荷が増加するにつれて、出力電流Ｉ_８２が増加し、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが減少する。出力電流Ｉ_８２が増加するにつれて、増幅器９６の出力電圧が増加する。増幅器９６の出力電圧が増加するにつれて、抵抗器１１０を通る電流は増加する。抵抗器１１０電流は、増幅器１０２の非反転入力における有効な基準電圧を増加させるように動作する。より高い基準電圧は、フィードバック信号を、基準閾値に達する前により長くアクティブにする。より長いフィードバック信号によって、ＰＷＭコントローラ９８は、電力変換ブロック９０において、ＭＯＳＦＥＴへのパルス幅を広げ、これによって、変圧器の２次側へより多くのエネルギーが転送される。電源モジュール８２の出力電圧Ｖ_８２は増加して、増加した電流要求に対して補償する。従って、抵抗器１１０と共に動作する増幅器９６の出力電圧は、電流要求を表現する、例えば電流要求と比例する補償信号を提供し、フィードバック増幅器の基準電圧を調節し、そうすることによって、電源モジュール８２の出力電圧を調節して、電流要求を満足する。電流制限増幅器９６および補償抵抗器１１０を使用することによって、負荷調整は向上し、フィードバック増幅器の基準電圧を調節し、変化する負荷に対して補償する。

電源モジュール８４は、電源モジュール８２に対して記述されたのと類似した構成および動作を有する。電源モジュール８４は、入力電圧Ｖ_ＩＮを受け取るために結合された、電力変換ブロック１２０を有する。電力変換ブロック１２０は、図３の実施形態と類似し、ノード１２２において、ＤＣ出力電圧Ｖ_８４を提供する。低値電力抵抗器１２６、例えば１０〜１００ミリオームは、電源モジュール８４の出力において、ノード１２２と端子８８との間で直列に結合されている。電源モジュール８４の出力電流Ｉ_８４は、抵抗器１２６を流れる。出力電流Ｉ_８４は、抵抗器１２６にわたって電圧を発生させ、この電圧は差動増幅器１２８によって増幅される。増幅器１２８の出力電圧は、電源モジュール８４の出力電流Ｉ_８４を表現する電流制限信号である。万一過電流状態の際は、電流制限信号が、ＰＷＭコントローラ１３０の電流制限入力に適用されることにより、ＰＷＭ制御サイクルを早期に終わらせる。電流制限増幅器１２６の出力電圧が、所定の閾値を超過する場合は、ＰＷＭコントローラ１３０は、電力変換ブロック１２０の１つ以上の充電サイクルを抑制する。ＰＷＭコントローラ１３０は、ＰＷＭコントローラ９８と類似した構成および動作に従う。ＰＷＭコントローラ１３０と電力変換ブロック１２０との組み合わせは、完成した電力変換回路を作る。

端子８８からの出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、抵抗器１３２を経由して、差動増幅器１３４の反転入力へ印加される。基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２は、抵抗器１３６を経由して、増幅器１３４の非反転入力へ印加される。同様に、トリム電圧Ｖ_ＴＲＩＭは、電源８０のＩ／Ｏトリムピン１０６へ印加され、かつ抵抗器１３８を経由して、増幅器１３４の非反転入力へ印加される。抵抗器１３６へ印加される基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２と抵抗器１３８を経由して印加されるトリム電圧Ｖ_ＴＲＩＭとの組み合わせは、増幅器１３４の非反転入力において複合基準を生成する。出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、複合基準と比較され、差信号は、ＰＷＭコントローラ１３０のフィードバック入力へ適用される。

ＰＷＭコントローラ１３０は、電力ＭＯＳＦＥＴの導電時間デューティサイクルを設定して、変圧器の１次側にエネルギーを格納し、次に、電力ＭＯＳＦＥＴのオフタイム中に格納されたエネルギーを２次側に転送する。出力電圧Ｖ_８４は、変圧器の１次側と２次側との間でのエネルギー転送によって決定される。エネルギー転送は、ＰＷＭ制御信号の電力ＭＯＳＦＥＴへのデューティサイクルを介して、ＰＷＭコントローラ１３０によって調整される。増幅器１３４は、複合基準と出力電圧Ｖ_ＯＵＴとの間での比較に基づいて、フィードバック制御をＰＷＭコントローラ１３０に対して設定する。従って、基準電圧Ｖ_ＲＥＦ２は、ベース出力電圧Ｖ_８４を設定する。トリム電圧Ｖ_ＴＲＩＭは、±１０〜２０％の範囲にわたって出力電圧Ｖ_８４をトリムまたは調節するために使用される。

別の新しい特徴として、補償抵抗器１４０（Ｒ_ｃｏｍｐ）は、電流制限増幅器１２８の出力とＩ／Ｏトリムピン１０６との間で接続され、Ｉ／Ｏトリムピン１０６は、抵抗器１３８を経由して、増幅器１３４の非反転入力に接続されている。増幅器１２８の出力電圧は、電源モジュール８４の出力電流Ｉ_８４に比例する。一実施形態においては、電流Ｉ_８４が０〜１０アンペアに変わるとき、増幅器１２８の出力電圧は、実質的に線形に０〜１０ボルトに変わる。抵抗器１４０を、Ｉ／Ｏトリムピン１０６および抵抗器１３８へ接続することによって、増幅器１２８の出力電圧は、増幅器１３４の非反転入力における有効な基準電圧に影響を与える。増幅器１２８出力電圧は、増加する負荷および対応して増加する出力電流に対して、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを補償するために使用される。

一実施形態において、Ｉ／Ｏピン１０６およびトリム電圧Ｖ_ＴＲＩＭは、抵抗器１１０および抵抗器１４０に対して共通である。トリムピンすべてを共に接続すると、正確度が向上し得る。代替案として、独立して制御されるトリム電圧は、電源モジュール８２および８４それぞれに印加され得る。

電源モジュール８２に関して上記されたように、負荷が増加するにつれて、出力電流Ｉ_８４が増加し、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが減少する。出力電流Ｉ_８４が増加するにつれて、増幅器１２８の出力電圧が増加する。増幅器１２８の出力電圧が増加するにつれて、抵抗器１４０を通る電流は増加する。抵抗器１４０電流は、増幅器１３４の非反転入力における有効な基準電圧を増加させるように動作する。より高い基準電圧は、フィードバック信号を、基準閾値に達する前により長くアクティブにする。より長いフィードバック信号によって、ＰＷＭコントローラ１３０は、電力変換ブロック１２０において、ＭＯＳＦＥＴへのパルス幅を広げ、これによって、変圧器の２次側へより多くのエネルギーが転送される。電源モジュール８４の出力電圧Ｖ_８４は増加して、増加した電流需要に対して補償する。従って、抵抗器１４０と共に動作する増幅器１２８の出力電圧は、電流需要を表現する補償信号を提供し、フィードバック増幅器の基準電圧を調節し、そうすることによって、電源モジュール８４の出力電圧を調節して、電流需要を満足する。電流制限増幅器１２８および補償抵抗器１４０を使用することによって負荷調整は向上し、フィードバック増幅器の基準電圧を調節し、変化する負荷に対して補償する。

ここで、並列に接続された電源モジュール８２および電源モジュール８４の動作を考える。上記のように、各電流制限増幅器の出力は、補償抵抗器を経由して、Ｉ／Ｏトリムピン１０６へ接続されている。出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、増加する負荷電流、すなわち電子機器１１からの電流需要と共に減少することに留意されたい。方程式（１）は、ほぼ
Ｖ_ＯＵＴ＝Ｖ_ｍ−（Ｒ_ｏ×Ｉ_ｏ）／Ｎ（２）
に等しい。
ここで：Ｖ_ｍは、モジュールｍの出力電圧であり、
Ｒ_ｏは、モジュールの出力抵抗であり、
Ｉ_ｏは、合計出力電流であり、
Ｎは、並列に接続されたモジュールの数であり、
Ｖ_ＯＵＴは、モジュールの出力電圧である。

電源モジュール８２および８４の論議において述べられたように、すべての出力電圧Ｖ_ｍは、負荷電流に依存してトリムされ、その結果、出力電圧は、
Ｖ_ＯＵＴ＝Ｖ_ｍ＋（Ｋ×Ｉ_ｏ）−（Ｒｏ×Ｉｏ）／Ｎ（３）
に等しくなる。
ここで：Ｖ_ｍは、モジュールｍの出力電圧であり、
Ｒ_ｏは、モジュールの出力抵抗であり、
Ｉ_ｏは、合計出力電流であり、
Ｎは、並列に接続されたモジュールの数であり、
Ｋは、Ｒ_ｃｏｍｐ／Ｒ_ｔｒｉｍであり、
Ｒ_ｔｒｉｍは、調節（トリミング）回路の等価内部抵抗である。

方程式（３）から、完全に補償された電圧降下に達するためには、Ｋ×Ｉ_ｏ＝Ｒ_ｏ×Ｉ_ｏ／Ｎを設定して、
Ｋ＝Ｒ_ｏ／Ｎ（４）
が導かれる。

負荷電流に伴う出力電圧の減少は、電源８０の使用によって完全に補償され得る。なぜならば、トリミング出力電圧が、負荷電流に比例して増加するからである。方程式（４）および（５）を参照されたい。電流制限増幅器および補償抵抗器は、フィードバック経路における増幅器に対する基準を調節して、各電源に対して増加する負荷電流に伴って電源出力電圧を増加させる。

図６において、電源１０および電源８０に対する負荷調整が示されている。プロット１５０は、電源１０の負荷調整を表現し、プロット１５２は、電源８０の負荷調整を表現する。電源８０は、電流制限増幅器の出力電圧を出力電流に比例するように使用して、フィードバック制御経路における基準電圧を補償し、向上した負荷調整を、すなわち、０．１％の範囲で提供する。

垂下補償回路の一般的なブロック図が、図７に示されている。唯一の電源モジュール１６０だけが示されている。１６０のような追加的な電源モジュールが、追加的な出力電流容量のために、並列に接続されることが理解される。電力トレイン１６２は、ＤＣ入力電圧Ｖ_ＩＮをＤＣ出力電圧Ｖ_ＯＵＴに変換する。電力トレイン１６２は、コンポーネントを、例えば全波整流器ブリッジ２２、コンデンサ２４、変圧器２６、電力ＭＯＳＦＥＴ２８、ダイオード３６および図３に記述されたようなコンデンサ４０などを含み得る。電力トレイン１６２の出力電圧は、出力（垂下）抵抗１６４および電流センサ１６６を経由して負荷に接続されている。

抵抗１６４は、物理的な抵抗器であり得；または「バーチャル」垂下抵抗が既知の方法によって、制御回路を変更することによって作成され得ることに留意されたい。両方の場合において、示唆される負荷調整向上が同じ方法で達成され得る。

電流センサのタイプおよび場所は重要ではない、ということにも留意された。図６で、電流センサは、負荷電流と直列で示されている；しかし、我々は、電流測定の任意の他の既知の方法、例えば、ＭＯＳＦＥＴ電流を感知すること、またはＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流を感知することなどによる方法も使用し得る。

１つの局面において、万一、電源の出力電流が電流制限閾値を超過する場合、電流センス信号は、ＰＷＭコントローラ１６８へルートされて、電力トレイン１６２を制御する。ＰＷＭコントローラ１６８は、図５において記述されたような類似の構成に従う。別の局面において、電流センサ１６６からの電流センス信号は、加算接合１７０の第１の入力に適用される。基準電圧Ｖ_ＲＥＦは、加算接合１７０の第２の入力へ印加される。電流センス信号および基準電圧Ｖ_ＲＥＦの組み合わせは、増幅器１７２の非反転入力において信号を確立する。出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、増幅器１７２の反転入力に印加される。増幅器１７２の出力信号は、ＰＷＭコントローラ１６８へのフィードバック信号であり、このフィードバック信号は、ＰＷＭ制御のデューティサイクルを制御する。このようにして、電流センス信号は、出力電流を表現し、調整ループに導入され、フィードバック増幅器の基準を調節する。一実施形態において、電流センス信号は、電源モジュールの出力電流に比例する。電流センサ１６６は、出力電流を検知し、フィードバック調整ループにおけるフィードバック増幅器の基準電圧を調節し、従来のドループ方法に固有の電圧降下を補償する。

ＰＷＭ方法が図において使用されたのは、単にそれが最も人気の方法であるからに過ぎないことに留意されるべきである。周波数変調を含んで、しかしこれに限定されず、任意の他の方法も出力電圧補償の示唆されたアイデアに対して、使用され得る。

本発明の１つ以上の実施形態が詳細に示されたが、当業者は、これらの実施形態に対する変更例と適応例が、添付の特許請求の範囲に記述される通りの本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解する。

Claims

本願明細書に記載の電源。