TWI505592B

TWI505592B - 電源供應器系統及方法、及電源供應器單元

Info

Publication number: TWI505592B
Application number: TW099109580A
Authority: TW
Inventors: Hsin-Chih Lee; David P Mohr; Zachary J Gerbozy
Original assignee: Hewlett Packard Development Co
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2015-10-21
Also published as: US8645726B2; US20120029722A1; TW201044737A; WO2010126522A1

Description

電源供應器系統及方法、及電源供應器單元

發明領域

本發明係關於用於多重電源供應器系統之負載分擔的方法及系統。

發明背景

許多電子系統，像是機架型伺服器系統或是資料儲存系統，都需要大量的電力才能運作。在某些情況下，這些大量的電力，由數個相互並聯的電源供應器所提供。負載於此等多個電源供應器之間分攤；然而，當其中一個電源供應器故障，剩下的電源供應器，就要提供額外的電力，系統才能繼續運作。當數個電源供應器間分攤負載，就會希望去平衡及調節此等數個電源供應器間的負載。

發明概要

依據本發明之一可行實施例，係特地提出一種系統，其包含有：一第一電源供應器單元，包含一第一粗調電路，該第一粗調電路係組構來調整該第一電源供應器單元之輸出電流；一第二電源供應器單元，係耦接至該第一電源供應器單元，該第二電源供應器單元包含一第二粗調電路，該第二粗調電路係組構來調整該第二電源供應器單元之輸出電流；以及一細調電路，係通訊式地耦接至該第一與該第二電源供應器單元，該細調電路係組構來接收表示該第一與該第二電源供應器之該等輸出電流的數值；其中，該細調電路更組構來計算表示該等輸出電流之該等數值的差值，並且該細調電路係組構來發送一命令至該第一與該第二電源供應器單元的其中至少一者，以根據表示該等輸出電流之該等數值的差值，修改該輸出電流達一修改量；並且其中，該第一與該第二電源供應器單元的其中至少一者，係組構來回應其個別粗調電路而修改輸出電流，並係組構來回應來自該細調電路的該命令而調整輸出電流。

圖式簡單說明

為對一些例示性實施例作詳細說明，現在將參照附圖進行敘述，而在附圖中：第1圖顯示了依據該等實施例中至少某些實施例的一電源供應系統；第2圖顯示了依據該等實施例中至少某些實施例配有細調電路的一電源供應系統；以及第3圖顯示了依據該等實施例中至少某些實施例的一種方法。

較佳實施例之詳細說明

某些用語使用於以下描述和申請專利範圍全文中，以表示特定系統組件。如同熟於此技者將會體認到的，許多電腦公司可能會用不同名稱來稱呼一組件。此申請文件不試圖區別名稱不同而非功能不同的組件。在以下討論及申請專利範圍中，”包括”及”包含”等詞，係以一開放方式使用，並應闡釋為”包含但不限於”。此外，”耦接(合)”之意，係指間接、直流、光學或無線式的電氣連接；因此，若有第一裝置耦接至第二裝置，其連接可能是透過直接電氣連接、透過經由其他設備或連接的間接電氣連接、透過光學電氣連接、或透過無線式電氣連接。

”低垂分擔電路”係意指在一種多重電源供應器系統內的一電源供應器中的負載分擔電路，其根據該電源供應器的固定參考電壓及監測下的輸出電壓，調整該電源供應器之輸出電流。

”主動電流分擔電路”係意指在一種多重電源供應器系統內的一電源供應器中的負載分擔電路，其基於在多個電源供應器間共用的一參考信號(例如：表示多重電源供應器中的最高輸出電流的參考電壓)以及該一電源供應器的實際輸出電流，來調整該一電源供應器之輸出電流。

以下討論係針對本發明的多種實施例，儘管這些實施例中的一個或多個是較佳的，所揭露實施例仍不應被詮釋或以它種方式使用，作為包含申請專利範圍的本說明書揭露的範圍之限制。此外，熟於此技者將會理解到以下的描述有廣泛的應用，並且任一實施例的討論，僅是用於例示該實施例，且無暗示包含申請專利範圍的本說明書揭露內容的範圍係限制於該實施例之意。

第1圖顯示出依據本發明的諸實施例中至少某些實施例的一例示性電源供應系統100，特別地，該電源供應器系統100包含電氣耦合並聯的一第一電源供應器單元102A及一第二電源供應器單元102B。該第一電源供應器單元102A及該第二電源供應器單元102B，供應電力至共同稱呼為負載106的一個或多個耗電設備。雖然第1圖係顯示了有兩個電源供應器單元102的電源供應器系統100，但仍可有兩個或更多個電源供應器單元在電源供應器系統100中被相同提出。在至少一些該等實施例中，電源供應器單元102中的每個，在其輸出供應直流電，繼而該負載106使用直流電以達其運作。第1圖更係顯示該等電源供應器單元102中的每個耦接至一電力來源104。在一些實施例中，該電力來源104可為直流電來源，意即每個電源供應器單元102包含直流-直流轉換器電路。在另一些實施例中，該電力來源104可為一交流信號，意即每個電源供應器單元102包含交流-直流轉換器電路。在至少一些該實施例中，為防該等電源供應器單元102中的一者故障，該等電源供應器單元102係組構來提供多餘量；希望供應至負載106的全部電力，在各種電源供應器單元102間可大體平均分配。

為了將電源電力轉換成供應給負載的直流電，並為了控制輸出電力，該等電源供應器單元102中的每個，包含有一轉換器電路108(配有一開關控制(SC)電路114)及一耦接至該轉換器電路的粗調電路110。對輸出電力調整的動作，係至少部分根據從粗調電路110發送至轉換器電路108之內部命令，由轉換器電路108來做(且更特別地，是由開關電路114進行)。特別地，在一些實施例中，該粗調電路係一低垂分擔電路。在該低垂分擔實施例中，該粗調電路監測相對於一固定參考電壓的該電源供應器102之輸出電壓，並且，該粗調電路發送內部命令至該轉換器電路108，以調整輸出電壓(因而連帶亦調整輸出電流)。

在其他實施例中，該粗調電路110係一主動電流分擔電路。在主動電流分擔實施例中，該粗調電路110透過一參考信號120耦接至其他電源供應器；在這些實施例中，該參考信號120具有表示由多個電源供應器102中的任一個所提供最高輸出電流之一數值。若一特定的電源供應器之輸出電流小於最高輸出電流，該粗調電路110即發送命令至轉換器電路，以增加輸出電壓，試圖平衡供應器間的電流。在所例述的該等實施例中，針對每個電源供應器的輸出電流，係由該粗調電路110來測量，粗調電路110耦接至一電阻器112及測量跨過此電阻器112生成的電壓，該電阻器112係與輸出電流的流路串聯耦接，並且該電阻器112有一相當小數值(如：0.01歐姆或更小)。跨過電阻器112產生的差分電壓，代表個別轉換器電路108的輸出電流，且輸出電壓和輸出電流成反比。其他用來測量輸出電流的機構：如霍爾效應感測器及比流器，亦同樣可被使用。

不管是哪一種粗調電路，開關電路114接收粗調電路110傳來的改變輸出電壓的命令，且開關電路114會藉由修改一輸出控制信號，去改變輸出電壓。在一些實施例中，輸出控制信號靠著使用諸如脈寬調變(PWM)、相移調變(PSM)或頻率調變(FM)的調變方式受調變。為了解說，先考慮下例：針對電源供應器單元102的輸出控制信號，係使用PWM方式來調變；開關電路114繼而藉由修改該經脈寬調變(PWM)信號的任務週期，來改變輸出電壓，該經脈寬調變信號控制個別轉換器電路108之輸出電壓。儘管，所示範實施例討論了藉由修改PWM信號來改變該輸出電壓，但該輸出電壓，還是可藉由修改控制該輸出電壓的任何信號，諸如用於線性電壓調節器的一參考電壓，而予以改變。修改PWM信號的任務週期，即調整了各個轉換器電路108的輸出電壓，因而成比例地調整了轉換器電路108的輸出電流。轉換器電路108的輸出電流之調整，使電源供應器系統100，可以供電給大體在各種電源供應器單元102間平均分配的負載106上。在本示範實施例中，所介紹的該電源供應器系統100，保證有在約10%以內的負載平衡效果。舉例來說，在輸出電流調整(亦即，藉由修改PWM信號的任務週期，成比例地調整輸出電壓)完後，所例示電源供應器系統100的電源供應器單元102A之輸出電流，係在電源供應器單元102B的輸出電流的約10%以內。然而，當供應大量負載時，在諸電源供應器單元間的約10%之負載差異，是顯著的。

第2圖係顯示在諸電源供應器單元間達到較佳負載分擔效果之一電源供應器系統200。特別地，第2圖顯示和第1圖的實施例相似之一電源供應器系統200，但它還含有一細調電路210。該電源供應器系統200，包含一第一電源供應器單元102A及一第二電源供應器單元102B，此後兩者電氣地並聯耦合供電給負載106。雖然第2圖顯示出帶有兩個電源供應器單元102的電源供應器系統200，但仍可有兩個或更多個電源供應器單元102可等效地呈現在該電源供應器系統200中。該等電源供應器單元102中的每個，包含測量輸出電流的粗調電路110(如：低垂分攤電路或主動電流分擔電路)。如圖上所繪示地，粗調電路110透過一串聯電阻器112來測量輸出電流，但當然其他電流測量機構也可使用。在所例示的串聯電阻器的範例中，跨過電阻器112生成的電壓，指出轉換器電路108的輸出電流，並且如前述實施例中，粗調電路110發送一內部命令至開關電路114以修改一輸出控制信號，該輸出控制信號在有需要時控制個別轉換器電路108的輸出電壓(而連帶亦調整輸出電流)。為了解說，考慮下例：電源供應器單元102的輸出控制信號使用PWM方式調變；開關電路114繼而修改該PWM信號，該PWM信號在有需要時控制個別轉換器電路108的輸出電壓。在特定實施例中，粗調電路110係類比電路，而在其他實施例中，粗調電路110則為數位電路。

電源供應器系統200亦包含一細調電路210，並且，在一些實施例中，該細調電路210係在諸電源供應器單元102外。細調電路210藉由一通訊通道240通訊式地耦接至諸電源供應器單元102中的每一者。特別地，細調電路210藉由通訊通道220及一相應的通訊埠230，通訊式地耦接至該等電源供應器單元102的開關電路114。儘管第2圖的示範實施例繪示兩個通訊通道220及240，在其他實施例中，細調電路210可藉由相同通訊通道，通訊式地耦接至該等電源供應器單元102及該等開關電路114。在一些實施例中，該等通訊通道220及240為數位串列通訊匯流排(如：積體電路間(I² C)、通用異步接收器/發送器(UART)或通用串列匯流排(USB))。在其他實施例中，通訊通道220及240可為任何通訊通道，如無線通訊通道。該細調電路210係組構來從該等電源供應器單元102中之每一者，接收表示個別電源供應器102的輸出電流之一數值。根據表示輸出電流的諸數值，並且若有需要，該細調電路210透過通訊通道220發送一外部命令至該等開關電路114，以修改個別轉換器電路108的輸出電壓(連帶亦調整輸出電流)。所以，在特定的實施例中，每個開關電路114接收來自其粗調電路110之一內部命令、及來自細調電路210之一外部命令；諸開關電路114根據此等內部命令及外部命令調整個別轉換器電路108之輸出電壓。

細調電路210計算表示諸轉換器電路108的輸出電流的諸數值間之差值，並且判定計算出的差值是否大於一預定臨界(閾)值。在諸實施例中的至少一些中，該預定臨界值係至少根據諸電源供應器單元102，並且指示所計算差值的上限。若在表示該等轉換器電路108的輸出電流之諸數值間所計算的差值，小於該預定臨界值，則該細調電路210便不發送外部命令至該等開關電路114以修改該等轉換器電路108的輸出電壓。換言之，負載實質上，係由該兩個電源供應器單元102平等地分擔。

若在表示該等轉換器電路108的輸出電流的諸數值間之該計算所得差值，大於預定臨界值(如：0.1%~3%)，則該細調電路210比較計算得出的差值與一預定電流步階值。該預定電流步階值係至少基於該等電源供應器單元102。特別地，該細調電路210比較該計算得出之差值與該預定電流步階值，以判定計算出的差值是否大於或小於該預定電流步階值。在諸實施例中的至少一些中，根據計算得出的差值與該預定電流步階值間之比較結果，該細調電路210利用兩個不同方式的其中一個，來決定用以施用到例如控制轉換器電路108的輸出電壓(連帶亦調整輸出電流)之PWM信號的修改量。

若該計算出的差值大於該預定電流步階值，則該細調電路210為每一個該等電源供應器單元102決定一修改量。為了解說，考慮下例：該電源供應器系統200帶有兩個如第2圖所示之電源供應器單元102A-B，以及控制個別轉換器電路108的輸出電壓(連帶亦調整輸出電流)之輸出控制信號係使用PWM方式調變。若表示該電源供應器102A的該輸出電流的數值，高於表示該電源供應器單元102B的輸出電流的數值，則該修改量即從控制該電源供應器單元102A的輸出電壓之PWM信號的任務週期中減去，並增加至控制該電源供應器單元102B的輸出電壓之PWM信號的任務週期中。該細調電路210藉由該通訊通道220，發送一外部命令至該等電源供應器單元102，以對該等電源供應器單元102提供其個別修改量。在特定實例中，開關電路114A透過通訊埠230A接收該外部命令，且開關電路114B透過通訊埠230B接收該外部命令。

開關電路114基於由來自細調電路210之外部命令及來自其粗調電路110之內部命令所提供的修改量，來修改控制個別轉換器電路108的輸出電壓(連帶亦調整輸出電流)之該PWM信號。以第2圖的該示範實施例繼續說明，開關電路114A基於來自該細調電路210之外部命令(亦即：自任務週期減除)及來自該粗調電路110A之內部命令，修改該轉換器電路108A的PWM信號之任務週期，並且開關電路114B基於來自該細調電路210之外部命令(亦即：加至該任務週期)及來自該粗調電路110B之內部命令，修改該轉換器電路108B的PWM信號之任務週期。藉由修改PWM信號的任務週期，該開關電路114控制該等電源供應器單元102的輸出電壓，並連帶亦控制該等電源供應器單元102的輸出電流。

若該計算出的差值小於該預定電流步階值，則該細調電路210基於表示該輸出電流的數值判定修改量是否為一設定值。再次考慮第2圖的該例示實施例，若表示該電源供應器102A的該輸出電流的數值，高於表示該電源供應器單元102B的輸出電流的數值，則該修改量會使控制該電源供應器單元102A的輸出電壓(連帶亦調整輸出電流)之PWM信號的任務週期減少該設定值(如：0.33%)，並且會使控制該電源供應器單元102B的輸出電壓(連帶亦調整輸出電流)之PWM信號的任務週期增加該設定值(如：0.33%)。該細調電路210經由通訊通道220，發送一外部命令至該等電源供應器單元102，以對該等電源供應器單元102提供其個別之修改量。在特定例子中，開關電路114A透過該通訊埠230A接收該外部命令，並且開關電路114B透過該通訊埠230B接收該外部命令。

該等開關電路114基於由來自細調電路210之外部命令及來自其粗調電路110之內部命令所提供的修改量，修改控制個別轉換器電路108的輸出電壓之該等PWM信號。以第2圖的該示範實施例來繼續說明，開關電路114A基於來自該細調電路210之外部命令(亦即：減少任務週期)及來自該粗調電路110A之內部命令，修改轉換器電路108A的PWM信號之任務週期；並且開關電路114B基於來自該細調電路210之外部命令(亦即：增加任務週期)及來自該粗調電路110B之內部命令，修改轉換器電路108B的PWM信號之任務週期。藉由修改PWM信號的任務週期，該等開關電路114便控制該等電源供應器單元102的輸出電壓，並亦連帶控制該等電源供應器單元102的輸出電流。

依照各種的實施例，不管該細調電路210使用以決定該修改量的方式為何，該細調電路210發送一外部命令至該等電源供應器單元102的該等開關電路114，並且該等開關電路114基於其粗調電路110的外部命令、及來自該細調電路210的該外部命令，調整該等電源供應器單元108的輸出電壓(連帶亦調整輸出電流)。

第3圖顯示出依照至少一些該等實施例的一方法。特別地，該方法開始(方塊310)，並繼續進行決定表示對控制一第一電源供應器單元的輸出電流之脈寬調變信號欲施加的變化之數值，該決定由在該第一電源供應器單元內的第一粗調電路所進行(方塊320)。接下來，決定表示對控制一第二電源供應器單元的輸出電流之脈寬調變信號欲施加變化之數值，該數值係由在該第二電源供應器單元內的一第二粗調電路所決定(方塊330)。在至少一些該等實施例中，該第一以及該第二電源供應器單元係電氣地並聯耦接，及包含於如第2圖的實施例所示之電源供應器系統中。繼而，一細調電路接收表示該第一以及該第二電源供應器單元的每一者之該輸出電流的一數值(方塊340)。

接下來，由該細調電路計算表示輸出電流的諸數值間之差值(方塊350)，並且由該細調電路發送一命令給該第一與該第二電源供應器單元的其中至少一者(方塊360)。最後，基於表示由該粗調電路所計算出變化的數值及來自細調電路的該命令，藉由該第一與該第二電源供應器單元的至少其中之一者，修改該脈寬調變信號(方塊370)；而後該方法結束(方塊380)。在該等實施例中的至少一些中，第3圖實施例中所例示之該方法，可重複實施直到表示該第一與該第二電源供應器單元的輸出電流之數值間的差值小於一預定臨界值為止。

以上討論係用於例示說明本發明的原理及各式實施例。一旦以上的揭露被完全理解，熟於此技者將可輕易思及很多的變化及修改。舉例來說，雖然該細調電路係顯示於該等電源供應器102的外部，在其他實施例中，該細調電路可置於該等電源供應器102的其中之一者內。此外，雖然該等不同的實施例係關於該輸出電壓控制信號使用脈寬調變方案予以調變；然而，諸如相移調變(PSM)或調頻(FM)等的任何其他調變方案，亦可等效地被使用。現欲將後附申請專利範圍解釋為包含所有此類的變化和改變。

100、200．．．電源供應器系統

102(A~B)．．．電源供應器單元

104．．．電力來源

106．．．負載

108(A~B)．．．轉換器電路

110(A~B)．．．粗調電路

112(A~B)．．．電阻器

114(A~B)．．．開關電路

120．．．參考信號

210．．．細調電路

220．．．通訊通道

230(A~B)．．．通訊埠

240．．．通訊通道

310-380．．．方塊

第1圖顯示了依據本發明實施例中至少某些實施例的一電源供應系統；

第2圖顯示了依據本發明實施例中至少某些實施例配有細調電路的一電源供應系統；以及

第3圖顯示了依據本發明實施例中至少某些實施例的一種方法。

100‧‧‧電力供應系統

102A~B‧‧‧電源供應器單元

104‧‧‧電力來源

106‧‧‧負載

108A~B‧‧‧轉換器電路

110A~B‧‧‧粗調電路

112A~B‧‧‧電阻器

114A~B‧‧‧開關電路

120‧‧‧參考信號

Claims

一種電源供應器系統，包含：一第一電源供應器單元，包含一第一粗調電路，該第一粗調電路係組配來調整該第一電源供應器單元之輸出電流；一第二電源供應器單元，係耦接至該第一電源供應器單元，該第二電源供應器單元包含一第二粗調電路，該第二粗調電路係組配來調整該第二電源供應器單元之輸出電流；以及一細調電路，係通訊式地耦接至該第一與該第二電源供應器單元，該細調電路係組配來接收表示該第一與該第二電源供應器之該等輸出電流的數值；其中，該細調電路更組配來計算表示該等輸出電流之該等數值的差值，比較該差值與一第一臨界值，並基於該差值大於該第一臨界值而比較該差值與一電流步階值，並且該細調電路係組配來發送一命令至該第一與該第二電源供應器單元的其中至少一者，以根據表示該等輸出電流之該等數值的差值與該電流步階值的一關係，修改該輸出電流達一修改量；並且其中，該第一與該第二電源供應器單元的其中至少一者，係組配來回應其個別粗調電路而修改輸出電流，並係組配來回應來自該細調電路的該命令而調整輸出電流。
如申請專利範圍第1項之系統，其中，該細調電路更組配來發送一命令至該第一與該第二電源供應器單元的其中至少一者，以修改控制該輸出電流的一脈寬調變信號之任務週期。
如申請專利範圍第1項之系統，其中，該細調電路更組配來發送一命令至該第一與該第二電源供應器單元的其中至少一者，以根據表示該等輸出電流的該等數值來增加或減少控制該輸出電流之一脈寬調變信號之任務週期。
如申請專利範圍第1項之系統，其中，該第一與該第二粗調電路係為一類比負載分擔電路。
如申請專利範圍第1項之系統，其中，該細調電路經由從由下列項目組成的群組中選出之任一或更多者，而通訊式地耦接至該第一與該第二電源供應器單元：一積體電路間(I² C)串列通訊匯流排、一通用異步接收器/發送器(UART)、以及一通用串列匯流排(USB)。
一種用於電源供應器之方法，包含下列步驟：決定表示對控制一第一電源供應器單元的輸出電流之一脈寬調變信號欲施加之一變化的一數值，該決定步驟係由該第一電源供應器單元內的一第一粗調電路所為；決定表示對控制一第二電源供應器單元的輸出電流之一脈寬調變信號欲施加之一變化的一數值，該決定步驟係由該第二電源供應器單元內的一第二粗調電路所為；由一細調電路，從該第一與該第二電源供應器單元中之每一者，接收表示該第一與該第二電源供應器單元中的每一者之該輸出電流的一數值；由該細調電路計算表示該等輸出電流的該等數值間之一差值；由該細調電路比較表示該等輸出電流的該等數值間之該差值與一臨界值；由該細調電路，基於該差值大於該第一臨界值，比較表示該等輸出電流的該等數值間之該差值與一電流步階值；由該細調電路，基於表示該等輸出電流的該等數值間之該差值與該電流步階值的一關係，決定欲施加之一修改量；由該細調電路發送命令至該第一與該第二電源供應器單元中該修改量欲施加的至少一者；以及根據表示由該粗調電路所計算出之該變化的該數值與來自該細調電路之該命令，由該第一與該第二電源供應器單元的其中該至少一者修改該脈寬調變信號。
如申請專利範圍第6項之方法，更包含在該細調電路發送命令前，判定表示輸出電流之該等數值間的該差值是否大於一預定電流步階值。
如申請專利範圍第7項之方法，其中，若該差值係大於該預定電流步階值，便由該細調電路發送一命令至該第一與該第二電源供應器單元的其中至少一者，以修改該脈寬調變信號之任務週期。
如申請專利範圍第7項之方法，其中，若該差值係小於該預定電流步階值，便由該細調電路發送一命令至該第一與該第二電源供應器單元的其中至少一方，以增加或減少該脈寬調變信號之任務週期。
如申請專利範圍第6項之方法，更包含重複該決定、該接收、該計算以及該修改之步驟，直到表示輸出電流的該等數值間之該差值小於一預定臨界值為止。
一種電源供應器單元，包含：一開關電路；耦接至該開關電路的一粗調電路，該粗調電路係組配來發送一內部命令至該開關電路，以修改控制該電源供應器單元的輸出電流之一脈寬調變信號；以及耦接至該開關電路之一通訊埠，其中，該電源供應器單元係組配來透過該通訊埠而從一外部裝置接收一外部命令，以修改該開關電路的該脈寬調變信號，其中用以修改之該命令包括一電流步階值與該開關電路之輸出電流和一第二開關電路之一輸出電流間的一差值之間的一關係，用以修改之該命令係進一步基於該開關電路之該輸出電流和該第二開關電路之該輸出電流間的該差值大於一臨界值；及其中，該電源供應器單元係組配來根據該外部命令與來自該粗調電路的該內部命令，修改該輸出電流達一修改量。
如申請專利範圍第11項之電源供應器單元，其中，該電源供應器單元係更組配來接收一命令，以修改該脈寬調變信號之任務週期。
如申請專利範圍第11項之電源供應器單元，其中，該粗調電路係為從由下列項目組成的群組中所選出的一類比負載分擔電路：一低垂分擔電路、與一主動電流分擔電路。