TWI339475B - Power supply system, digital system and method for balancing power outputs - Google Patents

Power supply system, digital system and method for balancing power outputs Download PDF

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TWI339475B TW095139435A TW95139435A TWI339475B TW I339475 B TWI339475 B TW I339475B TW 095139435 A TW095139435 A TW 095139435A TW 95139435 A TW95139435 A TW 95139435A TW I339475 B TWI339475 B TW I339475B
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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
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Description

1339475 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭示内容係關於在並聯的電源供應間共享負載之护： 制’且更特定言之係關於在並聯的電源供應間共享負載之 控制上使用脈波寬度調變（PWM)。 【先前技術】 許多大型電子系統（例如計算伺服器、磁碟儲存陣列、 電訊裝置等）需要大量操作功率且此操作功率必須高度可 靠。系統設計者所用之一常見方法係將一系統電源供應實 施為複數個較小電源供應模組。將該複數個較小電源供應 模組之輸出係並聯連接在一起以提供所需之操作功率。通 常在該系統電源系統中存在比供應現有負載所需的更多電 源供應模組。此配置使得在該電子系統操作的同時可移除 (例如拔除）不良電源供應模組，而無法影響其操作。可以 將替代電源供應模組（例如新的或修復的）插回該系統電源 供應令以維持一所需數量的冗餘電源供應容量。 當並聯連接該等電源供應模組輸出時，無法確保各並聯 連接電源供應模組具有相同輸出電壓。在佈線、電壓參 考、溫度、及可以引起在該等電源供應模組之間的輸出電 塵略微不同的其他因素始終存在容限。因此，具有一略微 較尚輸出電壓之該等電源供應模組之—或多個電源供應模 組將傾向於供應大部分系統負載。因此，某些電源供應模 組可能在最大功率下操作，而其他電源供應模組可能幾乎 不提供電源。在最大功率下操作之電源供應模組將會更 115587.doc 1339475 熱’ s此有更多故障傾向。在最大功率下操作之電源供應 模組係"飽和"且若存在負載暫態，則無法供應額外電源: 而且，供a極少電源或不供應電源之其他電源供應模組無 法在一理想狀態下操作用於一切換模式轉換器電源供應。 一輕微負載電源供應模組可能對一暫態負載不具有一所需 回應。為了最佳可靠性及效能，該等電源供應模組之各電 源供應模組應承載系統負載之一平均分配的丘享。 已藉由使用類比發信來實施在該等電源供應模組之間實 現該系統負載之一平均分配的共享之嘗試。例如，一"主" 裝置（控制器）可以監控該總負載並然後向該等電源供應模 組之各電源供應模組發佈類比命令以努力將該工作負載均 勻地散佈於該些電源供應模組中。該主控制裝置可以為各 電源供應模組提供代表一目標電源輸出目標之—電麼。至 該等模組之各模組之此主控制裝置控制電壓可以係一類比 電壓，其可用於調整該電源供應模組之參考電壓並藉此可 調整該模組之最終輸出電源。此類型功率流發信控制可能 傾向於一單一點故障。若該主控制器發生故障，則該電源 供應系統可能變成不可用及/或不可操作。 大多數現代技術電源供應使用以數位電路控制的切換調 整器。為了產生一類比控制信號，需要一數位至類比轉換 器（DAC)來產生一類比電源指示信號。實施在一電源供康 系統内DAC可能太大且昂貴。 【發明内容】 需要一較低廉的實施方案用於並聯連接電源供應模組的 115587.doc 1339475 負載平衡（例如共享負載）。因此，消除一數位至類比轉換 盗（DAC)為各電源供應模組產生一類比負載信號之需要將 會減小該電源供應模組之大小、成本及複雜性。依據本揭 不内容’可以藉由使用脈波寬度調變（PWm)產生之負載指 示k號及數個低廉離散被動組件（例如用於該等電源供應 模組之各電源供應模組的電阻器及電容器）來實現具有並 聯輸出之電源供應模組間的共享負載。可以藉由該電源供 應模組之一數位積體電路控制器（例如微控制器）產生該等 PWM信號。可以將此數位積髏電路控制器用於控制該等切 換電源電晶體，使得該等用於共享負載之pwM信號功能僅 係對該電源供應模組之總成本之一微小成本增加。 依據本揭示内容之一特定示範性具體實施例，一電源供 應系統可以包含複數個電源供應模組，該複數個電源供應 模組之各電源供應模組具有一並聯耦合之輸出；該等電源 供應模組之各電源供應模組具有一控制器用於控制其電源 輸出；各控制器具有一第一類比輸入、一第二類比輸入、 一第一脈波寬度調變（PWM)輸出、及一第二pwM輸出；該 第二PWM輸出係用於代表該等電源供應模組之—相關聯電 源供應模組之一電源輸出並係耦合至一電源輸出平均電 路，該電源輸出平均電路產生-第-信號，其代表從該複 數個電源供應模組之各電源供應模組所需之一平均電.源， 該第二類比輸入係透過一低通濾波器而耦合至該第一 pwM 輸出；及該第一類比輸入係编合至該第一信號，其代表從 該複數個電源供應模組之各電源供應模組所需之一平均電 H5587.doc 【實施方式】 現在參考附圖，示意性地說明特定示範性具體實施例之 細節。該等圖式中相同元件將藉由相同數字來代表，而類 似π件將藉由有-不同小寫字母後綴之相同數字來代表。 參考圖1，描述依據本揭示内容之一特定示範性具體實 施例之複數個電源供應模組之一示意方塊圖，該複數個電 源供應模組具有其並聯連接之輸出並使用一類比匯流排用 於共享負載。一數位系統丨02(例如電腦伺服器）可以從一電 源供應系統104來供應電源。該電源供應系統1〇4可以包含 複數個電源供應模組丨〇6。複數個電源供應模組丨〇6之各電 源供應模組可以具有其耦合至一電源匯流排i 1〇之電源輸 出。該電源匯流排1 1 〇還係耦合至該數位系統丨〇2。該電源 匯流排110可以於其上具有多個操作電壓（未顯示）。 該複數個電源供應模組106之各電源供應模組可以具有 微控制器1 08。該微控制器！ 〇8可以具有複數個類比輸入 (例如輸入216及218，見圖2)及複數個脈波寬度調變（PWM) 能力輪出（例如輸出220及222，見圖2)。一類比匯流排 112(Vo)可以攜有代表該等電源供應模組ι〇6之各電源供應 模組之輸出電流值的類比信號。可以將一類比匯流排 114(Vi)連接至該等微控制器ι〇8之各微控制器之一類比輸 入216(圖2)。其中可以將代表該等電源供應模組ι〇6的輸出 電流值之和之一平均值的一類比信號在該類比匯流排114 上分配給該等微控制器1〇8之各類比輸入216。可以使用此 115587.doc 代表一平均電流值之類比信號來決定用於該等電源供應模 組106之各電源供應模組的一適當電流輸出值。 現參考圖2 ’描述圖1之一電源供應模組之一更詳細示意 性方塊圖。該電源供應模組丨〇6可以包含可藉由一微控制 器108控制的一電源電壓調整器，例如切換電晶體（未顯 示）。該微控制器108可以具有一第一類比輸入216、一第 二類比輸入218、一第一脈波寬度調變（pwM)輸出220、及 一第二脈波寬度調變（PWM)輸出222。可以將該類比匯流 排114柄合至該第一類比輸入216。 可以使用包含電阻器224及電容器228之一第一電阻器電 容器（RC)低通濾波器來將在該輸出220處的PWM信號減小 至一實夤上類比直流電流（DC)電壓值。可以使用包含電阻 器226及電容器230之一第二電阻器電容器（r〇低通濾波器 來將在該輸出222處的PWM信號減小至一實質上類比直流 電流（0(：)值。該第一及第二低通濾波器可以具有（例如但 不限於）該PWM頻率之大約萬分之一（1/1 〇,〇〇〇)的時間常 數。此點可以減小大約80 dB之PWM漣波電壓（例如每十位 20 dB，四十位頻率）。 可以透過該第一低通濾波器（電阻器224及電容器228)將 第一 PWM信號（在輸出220)耦合至該第二輸入218。可以使 用該微控制器108之一内部類比至數位轉換器（ADC)將在該 第二輸入21 8的經濾波的實質上直流信號電壓轉換成一數 位值。可以將在該第二輸入218之直流信號電壓用作一參 考電壓來補償該等PWM輸出驅動器之非理想特徵及該相關 I15587.doc 1339475 聯電源供應模組10 6之任何局部變更。 可以透過該第二低通濾波器（電阻器226及電容器230)將 '第二PWM信號（在輸出222)耦合至該類比匯流排112。該類 ' 比匯流排112可以使用一類比信號互連全部該等電源供應 模組106，該類比信號代表從該等電源供應模組1〇6之各電 源供應模組所需之一 一致或平均電源。可以藉由（例如但 不限於）一電壓相加電路及一分壓器來獲得該所需平均電 φ 源彳5號，邊分壓器可以將該等電壓之和除以所連接電源供 應模組1 0 6之數目。 忒微控制|§ 108可以計算參考直流電壓濾波pWM信號（在 輸入218)與代表從該等電源供應模組1〇6之各電源供應模 組所需之平均電源的在該匯流排u 4上的電壓之間的差。 可以將此計算差用於略微更高或更低地調整一相關聯電源 供應模組106之輸出電源電壓，使得實質上匹配該平均電 源並因而使該等電源供應模組1〇6之各電源供應模組將其 春 電源之公平分享遞送至負載（例如數位系統1〇2)。 雖然已經參考本揭示内容之示範性具體實施例顯示、說 明、及定義了本揭示内容之具體實施例，但此類參考並不 暗不本揭示内容之限制，且不應推斷任何此類限制。如習 知相關技K及得益於本揭示内$之人士所想到的所揭示 之主題内容在形式及功能上能夠進行相當大的修改、變 更及等效物。本揭示内容之所示及所述之具體實施例僅 係範例性，並不對本揭示内容之範疇包攬無遺。 【圖式簡單說明】 115587.doc • 10 · 1339475 結合該等附圖，參考上面說明已獲得本揭示内容之更全 面的理解，其中： 圖1說明係依據本揭示内容之一特定示範性具體實施例 具有其並聯連接之輸出並使用一類比匯流排用於共享負載 之複數個電源供應模組之一示意性方塊圖；及 圖2說明圖1之一電源供應模組之一更詳細示意性方塊 圖。 雖然本揭示内容可以易受各種修改及替代形式影響，但 附圖中已顯示其特定示範性具體實施例並於本文中加以詳 細說明。然而，應明白特定示範性具體實施例之本文說明 並不限於本文所揭示之特定形式之揭示内容，而相反本揭 示内容將涵蓋藉由隨附申請專利範圍所定義之全部修改及 等效物。
【主要元件符號說明】 102 數位系統 104 電源供應系統 106 電源供應模組 1 06a 電源供應模組1 106b 電源供應模組2 106η 電源供應模組N 108 微控制器/具有PWM之MCU 108a 具有PWM之MCU 108b 具有PWM之MCU 108n 具有PWM之MCU 115587.doc 1339475
110 112 114 216 218 220 222 224 226 228 230 電源匯流排 類比匯流排 類比匯流排 第一類比輸入 第二類比輸入 第一脈波寬度調變（PWM)輸出 第二脈波寬度調變（PWM)輸出 電阻器. 電阻器 電容器 電容器 115587.doc •12-

Claims (1)

  1. 十、申請專利範圍： 種電源供應系統’其包含： 複數個電源供應模組’該複數個電源供應模組之各電 源供應模組具有一並聯耦合之電源輸出； 該等電源供應模組之各電源供應模組具有一控制器用 於控制其電源輸出； 各控制器具有一第一類比輸入、一第二類比輸入一 第脈波寬度調變（PWM)輸出、及一第二pwm輸出； 其中該第二PWM輸出代表該複數個電源供應模組之一 相關聯電源供應模組之一電源輸出並係耦合至一電源平 均電路’其產生一第一信號，該信號代表從該複數個電 源供應模組之各電源供應模組所 需之一平均電源； β玄第二類比輸入係透過一第一低通濾波器而耦合至該 第—PWM輸出，其中該第一低通濾波器在該第二類比輸 入上產生一參考電壓； 及該第一類比輸入係耦合至該第一信號，該第一信號 代表從該複數個電源供應模組之各電源供應模組所需之 平均電源。 2. 如請求項1之電源供應系統，其中該第一低通濾波器係 一電阻器電容器低通濾波器。 3. 如請求項1之電源供應系統，其中該第一低通渡波器來 自該第一PWM輸出之一漣波電壓減小大約80分貝。 4. 如請求項1之電源供應系統，其中該第一信號係除以電 源供應模組之數目的該複數個電源供應模組之相關聯電 115587.doc 1339475 源供應模組之電源輸出之和。 5. 如請求項4之電源供應系統，其中該等第二PWM輸出之 各pWM輪出係透過一第二低通濾波器而耦合至該電源輸 出平均電路。 6. 如請求項5之電源供應系統，其中該第二低通濾波器係 一電阻器電容器低通濾波器。 7·如請求項5之電源供應系統，其中該第二低通濾波器將 來自該第二PWM輸出之一漣波電壓減小大約80分貝。 8. 如請求項1之電源供應系統，其中該等並聯的電源輸出 係耦合至一數位系統。 9. 如請求項I之電源供應系統，其中該控制器係一微控制 器。 10. 如請求項1之電源供應系統，其中該第一信號及參考電 壓係在該控制器中進行比較’以便補償該複數個電源供 應模組之各電源供應模組之特徵變更。 11 ‘ 一種具有冗餘電源供應之數位系統，該系統包含： 複數個電源供應模組’該複數個電源供應模組之各電 源供應模組具有並聯耗合至一數位系統之一電源輸出； 該等電源供應模組之各電源供應模組具有一控制器用 於控制其電源輸出； 各控制器具有—第一類比輸入、一第二類比輸入、一 第一脈波寬度調變（PWM)輸出、及一第二PWM輸出； 其中該第二PWM輸出代表該複數個電源供應模組之一 相關聯電源輸出且係耦合至一電源輸出平均電路，其產 115587.doc 生一第一信號’該信號代表從該複數個電源供應模組之 各電源供應模組所需之一平均電源： 該第二類比輸入係透過一第一低通濾波器而耦合至該 第- PWM輸出，其中該第一低通濾波器在該第二類比輸 入上產生一參考電壓； 及该第一類比輸入係耦合至該第一信號，該第一信號 代表從該複數個電源供應模組之各電源供應模組所需之 平均電源。 12. 如呀求項丨丨之數位系統，其中該控制器係一微控制器。 13. 如請求項U之數位系統，其中該第一低通濾波器係一電 阻器電容器低通濾波器。 14. 如清求項丨丨之數位系統，其中該第—信號係除以電源供 應模組之數目的該複數個電源供應模組之相關聯電源供 應模組之電源輸出之和。 15‘如清求項14之數位系統，其中該等第二pwM輸出之各 PWM輸出係透過—第二低通濾波器而耦合至該電源輸出 平均電路。 16. 如請求項15之數位系統，其令該第二低通濾波器係一電 阻器電容器低通濾波器。 17. 如請求項丨丨之數位系統，其中該第一信號及參考電壓係 在該控制器中進行比較以便補償該複數個電源供應模組 之各電源供應模組之特徵變更。 18. —種用於在一電源供應系統中為複數個電源供應模組平 衡電源輸出之方法’該方法包含以下步驟： 115587.doc 1339475 並聯麵合來自複數個電源供應模組之電源輸出； 將一第一類比輸入及一第二類比輸入提供至與該複數 個電源供應模組之各電源供應模組相關聯的一控制器； 從該等控制器之各控制器提供—第一脈波寬度調變 (PWM)輸出及-第二pWM輸出，其中該第二pwM輸出代 表邊複數個電源供應模組之—相關聯電源供應模組之一 電源輸出，而該第一 PWM輸出代表用於該複數個電源供
    應模組之該相關聯電源供應模組之一參考值； 透過第一低通濾波器將該第二類比輸入耦合至該第 一 PWM輸出； 提供-電源輸出平均電路用於產生一第一信號，該第 L號代表從該複數個電源供應模組之各電源供應模組 所需之一平均電源；以及
    將該第类員比輸入耦合至代表從該複數個電源供應模 組之各電源供應模組所需之平均電源的該第一信號。 19·如請求項18之方法’其中該第-信號係藉由將該複數個
    電源供應模組之該笨；(；日磁办 寻相關聯電源供應模組之該等電源輸 出相加並將該等電源輪ψ 电斤輸出之和除以電源供應模組之數目 來決定。 月求項18之方法，其進—步包含比㈣第-信號及該 多考值之步驟以便補償該複數個電源供應模組之各電源 供應模組之特徵變更。 115587.doc -4-
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