KR20080069580A - 병렬연결된 전원공급장치들 간의 부하 분담 제어에서의디지털 통신 - Google Patents

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Abstract

부하 밸런싱 목적을 위해 디지털 통신 채널을 통해 병렬로 연결된 출력들을 갖는 복수의 전원공급모듈들이 제어된다. 디지털 통신 채널은 와이어드 디지털 직렬 또는 병렬 버스, 및/또는 무선 디지털 통신 채널(예를 들면, 블루투스, 적외선 등)일 수 있다. 복수의 전원공급모듈들 각각은 각 출력 전류들을 방송하고 복수의 전원공급모듈들 모두는 부하로 공급되는 총전류를 판단하여 총전류에 균형있게 제공하기 위한 적절한 출력 전압을 판단할 수 있다.
전원공급장치, 부하, 분담

Description

병렬연결된 전원공급장치들 간의 부하 분담 제어에서의 디지털 통신{USING DIGITAL COMMUNICATIONS IN THE CONTROL OF LOAD SHARING BETWEEN PARALLELED POWER SUPPLIES}
본 발명은 병렬연결된 전원공급장치들 간의 부하 분담 제어에 관한 것으로, 특히 병렬연결된 전원공급장치들 간의 부하 분담 제어에의 디지털 통신 이용에 관한 것이다.
대다수 전자 시스템들(예를 들면, 컴퓨트 서버들, 디스크 스토리지 어레이들, 무선통신장치 등)은 상당한 양의 동작 전원이 필요하며 이 동작 전원은 신뢰도가 매우 높아야 한다. 시스템 설계자의 공통적인 접근방식은 복수의 소형 전원공급모듈들로 시스템 전원공급장치를 구현하는 것이다. 복수의 소형 전원공급모듈들의 출력들은 서로 병렬로 연결되어 필요한 동작 전원을 제공한다. 일반적으로, 시스템 전원 시스템에는 현재의 부하에 공급하는데 필요한 것보다 많은 전원공급모듈들이 있다. 이러한 구성에 의해 전자 시스템의 동작에 영향을 주지 않으면서 전자 시스템이 동작하는 동안 결함있는 전원공급모듈들을 제거(예를 들면, 언플러그)할 수 있다. 원하는 여분의 전원공급 용량을 유지하기 위해 교체 전원공급모듈들(예를 들면, 새로운 전원공급모듈 또는 수리된 전원공급모듈)이 시스템 전원공급장치에 다 시 플러깅될 수 있다.
전원공급모듈 출력들이 병렬로 연결되면, 병렬 연결된 각 전원공급모듈이 동일한 출력 전압을 갖는다는 것을 보장하는 것은 불가능하다. 전원공급모듈들 간에 출력전압들이 약간 다르도록 하게 하는 배선 오차, 기준전압, 온도 등의 팩터들이 항상 있다. 따라서, 약간 높은 출력 전압을 갖는 전원공급모듈들중 하나 이상은 시스템 부하의 대부분을 공급할 것이다. 따라서, 전원공급모듈들중 일부는 풀파워로 동작하는 반면에, 나머지들은 전원을 거의 공급하지 않을 수 있다. 풀파워로 동작하는 전원공급모듈은 뜨거워지고, 따라서 고장나기 쉬워진다. 풀파워로 동작하는 전원공급모듈들은 "포화 상태"가 되어 과도 부하가 있으면 추가 전원을 공급할 수 없다. 또한, 약간의 전원을 공급하거나 전원을 공급하지 않는 나머지 전원공급모듈들은 스위치 모드 컨버터 전원공급의 이상적인 상태에서 동작하지 않을 수 있다. 약간 부하가 걸린 전원공급모듈은 과도 부하에 대한 원하는 응답을 갖지 않을 수 있다. 최적의 신뢰도와 성능을 위하여, 전원공급모듈들 각각은 시스템 부하의 균등 분배 분담을 수행하여야 한다.
전원공급모듈들 간의 시스템 부하의 균등 분배 분담을 이루려는 시도들은 아날로그 시그널링을 이용하여 수행되고 있다. 예를 들면, "마스터" 디바이스(제어기)는 전체 부하를 감시하고 이들 전원공급모듈들 간의 작업 부하를 균등하게 퍼지게 하려고 전원공급모듈들 각각에 아날로그 명령어들을 낼 수 있다. 마스터 제어 디바이스는 각 전원공급모듈의 대상 전원 출력 목적을 나타내는 전압을 제공할 수 있다. 모듈들 각각으로의 이 마스터 제어 디바이스 제어 전압은 전원공급모듈의 기 준 전압을 조절하고 그로 인해 모듈로부터의 출력 전원을 조절하는데 사용될 수 있는 아날로그 전압일 수 있다. 이러한 타입의 전원 흐름 시그널링 제어는 신호점 고장에 걸리기 쉬울 수 있다. 마스터 제어기가 고장나면, 전원공급 시스템은 사용할 수 없게 되거나 기능하지 않게 될 수 있다. 다른 예는 아날로그 버스(와이어)가 모든 전원공급모듈에 연결된 경우이다. 각 전원공급모듈은 모듈의 전원 출력에 비례하는 아날로그 전압 출력 신호를 제공한다. 전압들을 나타내는 이들 아날로그 '전원 레벨'은 아날로그 버스(와이어)에서의 평균 전압을 만들기 위해 모두 합산된다. 그리고, 각 모듈은 합산된 아날로그 값을 읽고 모듈 그룹의 합의와 일치하는 출력 전원을 증가 또는 감소시킨다.
이러한 종래의 전원 부하 분담 제어 구성들은 전원공급 설계에 따라 부하 밸런싱 신호들을 만들기 위한 아날로그 회로, 아날로그 "버스"로의 이들 신호들을 합산하기 위한 회로, 및 아날로그 합산 전압을 읽고(ADC:analog-to-digital converter) 및/또는 아날로그 합산 전압을 처리(operational amplifiers)하기 위한 아날로그 회로를 필요로 한다. 전원공급모듈들 간의 부하 정보를 공유하는 아날로그 버스는 노이즈를 일으킬 수 있다.
대부분의 종래기술의 전원공급장치들은 디지털 회로들로 제어되는 스위칭 레귤레이터를 이용한다. 아날로그 제어 신호를 생성하기 위해, DAC(digital-to-analog converter)는 아날로그 전원 지시 신호를 만들기 위해 필요하고, ADC는 아날로그 제어 신호를 디지털값들로 변환하는데 필요할 수 있다. DAC들은 OP-앰프들, ADC들, 및 그 외의 아날로그 회로들(예를 들면, 기준전압회로)이 그랬던 것처럼 크 고 고가일 수 있다.
따라서, 병렬 연결된 전원공급모듈들의 부하 밸런싱(예를 들면, 부하 분담)을 수행하기 위한 전적으로 디지털 접근방식이 필요하다. 디지털 통신 모듈들(예를 들면, 그에 한정되지는 않지만, I2C 모듈, UART 모듈, SPI 모듈 등)은 직렬 디지털 통신 디바이스들의 소형, 저가의 예들이다. 이들 직렬 통신 디바이스들중 어떤 것들은 전원공급모듈들에 통합될 수 있는 디지털 통신 채널을 만들기 위해 유사한 통신 디바이스들과 상호연결될 수 있다. 디지털 통신 채널은 그 출력 부하들과 다른 정보를 공유하기 위해 다양한 전원공급모듈들을 위한 수단을 제공할 수 있다. 따라서, 각 전원공급모듈은 수신한 시스템 부하정보(예를 들면, 전원공급모듈들 각각의 출력전류들의 합, 사용중인 전원공급모듈들의 개수 등)를 기초로 하여 그 전원 출력을 제어할 수 있다. 부하 분담 정보에 의해 이들 전원공급모듈의 조립체는 전원공급모듈들이 시스템 부하의 부담을 균형있게 분담할 수 있게 서로 연결될 수 있다. 이들 전원공급모듈들 중 하나이상이 고장나면, 기능중인 나머지 전원공급모듈들은 고장난 전원공급모듈 또는 모듈들에 의해 이전에 공급되었던 전류 손실을 보상하기 위해 출력전류들을 동적으로 조절할 수 있다.
전원공급모듈들 각각의 실제 출력 전류, 최대 전류 출력 용량, 사용중 상태, 제어 등을 전달하는데 모든 타입의 직렬, 병렬, 및/또는 무선(예를 들면, 블루투스, 적외선 등) 디지털 통신 채널 또는 채널들이 이용될 수 있다는 것은 본 발명의 범위내에 있다. 또한, 디지털 통신 채널은 전원공급모듈들 각각에 대한 관리자 시스템 관리, 제어 및/또는 상태 보고를 위한 디지털 시스템(예를 들면, 컴퓨터 서버)에 연결될 수 있다. 사용중인 전원공급모듈들로부터 이용가능한 총전류는, 예를 들어 그에 한정되지는 않지만, 디지털 시스템 전원 이용을 구성 및/또는 제어할 때 시스템 관리 소프트웨어로 이용될 수 있으며, 예를 들어 충분한 수의 전원공급모듈들이 중지되면(예를 들면, 불충분한 전원 용량), 시스템 관리 소프트웨어는 전원 공급 시스템(예를 들면, 사용중인 병렬 연결된 전원공급모듈들)이 최대 이용가능한 전원 용량을 초과하지 않도록 다양한 디지털 시스템 부하들을 정지시킬 수 있다.
디지털 통신 채널을 통한 전원공급모듈들로부터의 방송들은 모든 전원공급모듈들에 의해 수신될 수 있고, 그에 한정되지는 않지만, 전원공급모듈들 각각의 전원 출력 레벨들(예를 들면, 각 모듈에 대한 최대 전원 대비 전원 레벨들)을 포함할 수 있다. 모든 전원공급모듈들은 이들 방송들을 수신하고 평균 전원 레벨을 만들기 위해 실행 합산 필터를 이용할 수 있다. 그리고, 각 전원공급모듈은 그 전원 출력을 조절하여 균형잡힌 전원 출력의 원하는 목표에 도달할 수 있다.
전원 출력 조절(예를 들면, 밸런싱) 처리가 느리게 일어날 수 있다. 이 조절 처리를 위한 제어루프는 열시간 상수(thermal time constant) 기반으로 동작할 수 있다. 따라서, 응답시간은, 예를 들어 그에 한정되지는 않지만, 약 1초이다. 통신 모듈(I2C,SPI,UART 등)이 100㎑로 동작하고 단일 바이트의 데이터가 전달되면, 1 바이트는 약 200㎲ 걸릴 것이다. 전원 공급 시스템이 24개의 전원공급모듈들로 구성되면(대형 전원공급 시스템), 모든 전원공급모듈들이 방송하는데 4.8㎳가 필요할 것이다. 노이즈에 대한 면역을 위해 최소 요구 속도의 10×의 방송 속도가 제공되면, 상태 패킷들을 전달하는 총시간은 48㎳/s 일 것이다. 따라서, 버스 이용도는 약 5% 뿐이다. 이러한 낮은 버스 이용도는 전원공급모듈들로부터의 어떠한 버스 충돌도 최소화할 수 있다.
예를 들면, 각 전원공급모듈은 100㎳ 마다 데이터 값을 나머지 전원공급모듈들 모두에게 방송할 수 있다. 이 데이터는, 00(16진수)의 데이터 값은 모듈이 0%의 출력 전원을 공급한다는 것을 나타내고 (FF)의 값은 전원공급모듈이 100%의 출력 전원을 공급한다는 것을 나타내는 포맷일 수 있다. 각 모듈은 모든 상태 패킷들을 수신하고, 모든 상태 값들의 가동 합산 평균을 낼 수 있다. 그리고, 가동 합산 평균값은 각 전원공급모듈의 전원 출력을 조절하는데 사용될 수 있다. 또한, 이용가능한 전원공급모듈들의 개수와 그 최대 이용가능 용량이 인식될 수 있도록 각 전원공급모듈들의 상태 및/또는 식별이 방송될 수 있다. 이는 시스템 관리 소프트웨어 및 원격 관리자 시스템 관리에 유리할 수 있다. 전원공급모듈들 간의 부하 밸런싱/분담을 위한 디지털 정보의 이용은 정보의 정확도를 개선시키고 종래의 아날로그 방법들에 비하여 낮은 비용으로 우수한 반복 행위를 제공할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 전원공급 시스템은 복수의 전원공급모듈들을 포함하고, 복수의 전원공급모듈들 각각은 병렬로 연결된 출력과 복수의 전원공급모듈들 각각과 통신하기 위한 디지털 인터페이스를 가지며, 복수의 전원공급모듈들 각각은 디지털 인터페이스를 통해 공급된 정보를 이용하여 출력에서의 전압을 제어하기 위한 디지털 제어기를 갖는다.
첨부한 도면과 함께 다음의 설명을 참조하면 본 발명을 보다 완전히 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른, 병렬로 연결된 출력들을 가지며, 부하 분담을 위한 파라미터들의 결정시 전원공급모듈들 각각으로의 정보 공급을 위해 디지털 통신을 이용하는 복수의 전원공급모듈들의 블록도.
본 발명은 다양한 변형물 및 대체 형태들이 가능하지만, 특정 실시예들이 도면에 도시되고 여기에 상세히 기술되어 있다. 하지만, 특정 실시예들의 설명은 여기에 개시된 특정 형태들로 본 발명을 한정하려는 것이 아니고, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 한정된 것과 같은 모든 변형물들과 등가물들을 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면중에서 동일한 구성요소들은 동일한 부호로 나타내고 유사한 구성요소들은 아래첨자를 달리하여 동일한 부호로 나타낸다.
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른, 병렬로 연결된 출력들을 가지며, 부하 분담을 위한 파라미터들의 결정시 전원공급모듈들 각각으로의 정보 공급을 위해 디지털 통신을 이용하는 복수의 전원공급모듈들의 블록도이다. 디지털 시스템(102)(예를 들면, 컴퓨터 서버)은 전원공급 시스템(104)으로부터 전원공급될 수 있다. 전원공급 시스템(104)은 복수의 전원공급모듈들(106)을 포함할 수 있다. 복 수의 전원공급모듈들(106) 각각은 전원 버스(110)에 연결된 전원 출력을 가질 수 있다. 또한, 전원 버스(110)는 디지털 시스템(102)에 연결된다. 전원 버스(110)는 하나 이상의 동작 전압(도시하지 않음)을 가질 수 있다.
복수의 전원공급모듈들(106) 각각은 마이크로컨트롤러 및 디지털 통신 모듈(108)을 가질 수 있다. 디지털 통신 모듈(108)은 디지털 직렬 인터페이스(예를 들면, I2C, UART, SPI, USB 등)를 가질 수 있다. 디지털 통신 모듈(108)은 디지털 병렬 인터페이스를 가질 수 있다. 및/또는 디지털 통신 모듈(108)은 무선 디지털 인터페이스(예를 들면, 블루투스, 적외선 등)를 가질 수 있다. 디지털 포맷으로 전달된 모든 부하 분담, 전원 출력, 전원공급모듈 상태 등이 방송될 수 있다. 디지털 포맷은 노이즈와, 신호 및 소자 오차에 거의 영향받지 않는다. 또한, 디지털 포맷은 대형의 전력소모 아날로그 디바이스들(예를 들면, ADC, DAC, 기준전압회로 등)을 필요로 하지 않는다.
도 1에 표준 직렬 통신 프로토콜 I2C 버스(112)가 도시되어 있다. I2C 버스(112)는 두 라인들(선들), 즉 SDA(Serial Data)와 SCL(Serial Clock)을 이용할 수 있다. 이들 두 선들 각각은 디지털 통신 모듈들(108) 모두에 연결될 수 있다. 또한, I2C 버스(112)는 디지털 시스템(102)에 연결될 수 있다. SDA와 SCL 라인들은 풀-업 저항(114)에 의해 +V로 풀업되고, 디지털 통신 모듈(108)의 어떤 것에 의해 접지로 개별적으로 풀다운될 수 있다. 또한, 디지털 시스템은 I2C 버스(112)를 통해 복수의 전원공급모듈들(106)과 통신할 수 있다.
복수의 전원공급모듈들(106) 각각은 나머지 복수의 전원공급모듈들 모두에게 주기적으로(전형적으로 100㎳ 마다) 전원공급모듈에 대한 전원 출력 레벨을 나타내는 한 패킷의 정보를 방송할 수 있다. 나머지 전원공급모듈들 각각은 방송을 수신하고 가장 최근의 "M" 방송 전원 레벨들의 리스트를 유지할 수 있다(여기서, M은 전원공급모듈 제조업자에 의해 선택된 파라미터). 개개의 전원공급모듈(106)내의 각 제어기는 가장 최근의 "M" 방송값들에 대한 평균값을 산출할 수 있다. 이 평균값은 전원공급모듈들(106) 모두에 대한 대상 출력 전원 레벨을 나타낸다. 출력 전원 레벨이 평균보다 높은 전원공급모듈들(106)은 부하로 전달되는 출력 전류를 저감시키기 위해 출력 전압을 매우 약간 저감시키는 반면에, 평균보다 낮은 전원을 출력하는 나머지 전원공급모듈들(106)은 부하로 전달되는 전류를 증가시키기 위해 출력 전압을 약간 높일 수 있다.
전원공급모듈(106)이 고장나면, 동작중인 나머지 전원공급모듈들(106)은 고장난 전원공급모듈(106)의 발생을 판단하고, 연결된 디지털 시스템(102)에 필요한 전원 출력을 유지하기 위해 출력 전압들을 조절할 수 있다. 전원공급모듈들(106)중 일부는 제조 사이즈 또는, 국부적인 오작동(예를 들면, 과온 전원 소자들의 손실 등)에 의한 출력 용량 변화에 의해 나머지 전원공급모듈들(106)보다 큰 용량을 가질 수 있다. 본 발명에 따르면, 오작동 또는 제거된(서비스 불능) 전원공급모듈(106)의 어떠한 상태 변화를 보상하기 위해 복수의 전원공급모듈들(106)의 자동 조절이 일어날 수 있다. 또한, 디지털 시스템(102)은 복수의 전원공급모듈들(106) 에 일어난 일을 통보받고 관리자 시스템 관리 프로그램에 예외 보고를 하고 및/또는 전원공급 시스템(104)으로부터 충분한 전원을 이용할 수 없으면 디지털 시스템(102)의 동작을 변경한다.
오작동 전원공급모듈(106)은 서비스에서 제거되고 나머지 전원공급모듈들(106)은 디지털 시스템(102)을 방해하지 않고 동작을 지속할 수 있다는 것은 본 발명의 범위내에 있다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되었지만, 이러한 참조는 본 발명을 한정하지 않고 그러한 한정을 의미하지도 않는다. 본 발명은 이 기술분야의 당업자에 의해 형태와 기능에 있어서 수정물, 대체물, 및 등가물이 고려될 수 있다. 본 발명의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

Claims (11)

  1. 병렬로 연결된 출력과, 상호간에 서로 통신하기 위한 디지털 인터페이스를 각각 구비한 복수의 전원공급모듈들을 포함하고,
    상기 복수의 전원공급모듈들 각각은 상기 디지털 인터페이스를 통해 공급된 정보를 이용하여 상기 출력에서의 전압을 제어하기 위한 디지털 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정보는 상기 복수의 전원공급모듈들 각각으로부터의 출력 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 디지털 제어기들의 각각은 상기 복수의 전원공급모듈들의 상기 출력들로부터의 모든 전류들의 합을 산출하고 상기 합을 상기 복수의 전원공급모듈들 각각의 상기 출력에서의 상기 전압의 판단에 이용하는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 디지털 인터페이스들 각각은 디지털 직렬 통신 버스에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 디지털 직렬 통신 버스는 I2C 버스인 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 디지털 직렬 통신 버스는 SPI 버스인 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 디지털 인터페이스들 각각은 디지털 병렬 통신 버스에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 디지털 인터페이스들 각각은 디지털 무선 인터페이스들인 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 디지털 무선 인터페이스들은 블루투스 인터페이스들인 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 디지털 무선 인터페이스들은 적외선 인터페이스들인 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 디지털 인터페이스 및 상기 병렬 연결 출력들이 디지 털 시스템에 연결되는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
KR1020087009242A 2005-10-25 2006-10-25 병렬연결된 전원공급장치들 간의 부하 분담 제어에서의디지털 통신 KR20080069580A (ko)

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