TWI519021B - 提供不間斷電源的引入負載開關的容錯電源 - Google Patents

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Description

提供不間斷電源的引入負載開關的容錯電源
本發明主要涉及電源管理系統，更確切地說，是設計一種能夠提供不間斷電源供應的並還引入了負載開關的容錯電源。
許多電子系統，例如伺服器或微伺服器，都需要可靠的不間斷電源。在提供不間斷電源的電源系統中，備用或冗餘(Redundant)電源與主電源匯流排並聯安裝。第1圖表示一種傳統的電源系統，其中冗餘電源與主電源線並聯耦合。參見第1圖，電源系統1包括主電源線2和冗餘電源3。 通常利用“或(OR’ing)”的方法，並聯安裝冗餘電源3，表示為或電路(OR’ing circuit)4。備用冗餘電源3在大多數情況下，都是保持休眠和待機狀態，只有當作為幹線的主電源線2發生計畫外停機或進行維修服務時，備用冗餘電源3才開始工作。冗餘電源3的作用是當主電源線2發生故障時，冗餘電源3立即接通，從而為終端使用者提供不間斷操作或服務。一般來說，冗餘電源3可以標記或通知系統它已被使用，從而可以在更方便地維護或服務作為幹線的主電源線2。
利用傳統的二極體方法，可以通過或將冗餘電源並聯安裝到幹線上，當沒有任何故障時，提供阻斷機制。然而，發生故障時，尤其是 當電源系統在高電流水準時，例如電信設備中的微伺服器和其他硬體中常用的電流水準(遠高於80A)，整個二極體的壓降會導致極大的功率損耗。
利用MOSFET開關，只需很低的導通狀態電阻，就能完成冗餘電源的或。使用或電路的MOSFET開關，需要精確的時間和程式管理的很好的控制和檢測電路。MOSFET的或體系具有較低的功率損耗，並且在發生“備份”情況時可提高效率，但是在萬一發生次要(冗餘)線的輸入電壓失敗和降低時，由於MOSFET開關允許雙向傳導，會產生反向電流，這是不利的。雖然MOSFET開關與背靠背體二極體串聯是防止發生反向電流的一種可選方案，但這需要定時電路精確的排序。
除了消耗成品電路板的空間，主要處於非活動狀態的冗餘系統的成本和空間之外，冗餘電源和或電路還增加了系統成本。資料中心和電信基礎設施應用的目標是較低的伺服器設定檔、更緊湊的機架空間、較高的功率密度設計和較低的成本。要求包含冗餘線，會增加電源系統的複雜性，作為用於故障檢測電路的智慧智慧控制器，用於限流的電流檢測能力、反向電流探測器，形成用於精確計時的家政電路之前斷路，及其他上述電路配件需要引入到冗餘電源系統中。冗餘電源的複雜性增加了系統成本，佔用了寶貴的PC板成品電路板空間。
在本發明的一種容錯電源系統中，其中，該電源系統接收輸入電壓，在輸出電壓節點上產生輸出電壓，該電源系統包括：一個或多個負載開關電路，每個負載開關電路都有一個耦合到輸入電壓的主開關輸入節點和一個主開關輸出節點，當負載開關電路接通時，負載開關電路在主 開關輸出節點提供輸入電壓，當負載開關電路斷開時，負載開關電路使輸入電壓斷開與主開關輸出節點的連接；以及多個電源通道，每個電源通道都有一個耦合到一個負載開關電路的輸出節點上的輸入端，以及一個耦合到電源系統的輸出電壓節點上的輸出端，每個電源系統都包括一個驅動電路、一個高端電源開關和一個與高端電源開關串聯的低端電源開關，以及一個輸出電感器，電源通道和輸出電容器連接在輸出電壓節點和地電壓之間，構成一個降壓轉換器，其中一個或多個負載開關電路的每個負載開關電路還包括一個電流檢測電路，以測量主開關中的電流，配置電流檢測電路的目的是，當主開關中的電流具有超過電流限制閥值的峰值電流時，產生具有第一態的第一輸出信號，耦合第一輸出信號，根據具有第一態的第一輸出信號，斷開主開關，第一輸出信號還耦合到與負載開關電路相關的電源通道的驅動電路上，根據具有第一態的第一輸出信號，使低端電源開關斷開。
上述的容錯電源系統，其中，一個或多個負載開關電路中的每個負載開關電路都有一個主開關輸出節點，耦合到一個或多個電源通道的輸入端。
上述的容錯電源系統，其中，在每個負載開關電路中都配置電流檢測電路，測量主開關輸出節點處的電流，作為主開關中的電流。
上述的容錯電源系統，其中，在每個負載開關電路中都配置電流檢測電路，測量主開關輸入節點和主開關輸出節點處的電流，作為主開關中的電流。
上述的容錯電源系統，其中，每個負載開關電路還包括：一 個主開關，具有耦合到輸入電壓的主開關輸入節點，和具有主開關輸出節點和一個控制端；以及一個開關斷開電路，用於接收第一輸出信號，驅動主開關的控制端，開關斷開電路用於根據具有第一態的第一輸出信號，斷開主開關。
上述的容錯電源系統，其中，開關斷開電路包括一個驅動器，可以在避免對電源系統造成損壞的時間內斷開主開關。
上述的容錯電源系統，其中，開關斷開電路包括一個驅動器，可以在納秒級的時間內，斷開主開關。
上述的容錯電源系統，其中，主開關包括一個第一NMOS電晶體，其漏極端作為主開關輸入節點，源極端作為主開關輸出節點，柵極端作為控制端，該負載開關電路還包括：一個電荷泵浦電路，用於當第一NMOS電晶體接通時，將第一NMOS電晶體的柵極端驅動到高於第一NMOS電晶體的漏極和源極端處的電壓值。
上述的容錯電源系統，其中，開關斷開電路的驅動器包括一個第二NMOS電晶體，用於拉低主開關的控制端，根據具有第一態的第一輸出信號，斷開主開關。
上述的容錯電源系統，其中，輸出電容器包括一個耦合到輸出電壓節點的一個單獨的輸出電容器。
上述的容錯電源系統，其中，每個負載開關電路中的電流檢測電路包括：一個耦合到主開關上的電流傳感放大器，用於測量流經主開關輸入節點和主開關輸出節點的電流，電路傳感放大器用於產生輸出信號，輸出信號表示測得的電流值，以及一個比較器，用於比較電流傳感放 大器的輸出信號與電流限制閥值，根據電流傳感放大器的輸出信號超過電流限制閥值時，比較器產生具有第一態的第一輸出信號。
上述的容錯電源系統，其中，第一輸出信號包括一個高有源信號，第一態包括一個邏輯高態，每個負載開關電路還包括：一個漏極開路的NMOS電晶體，其柵極端耦合到第一輸出信號，源極端耦合到地電壓，漏極端提供第二輸出信號，第二輸出信號耦合到與負載開關電路關聯的驅動電路上，根據具有第一態的第一輸出信號，至少斷開低端電源開關。
上述的容錯電源系統，其中，第一輸出信號耦合到與負載開關電路有關的電源通道的驅動電路上，根據具有第一態的第一輸出信號，斷開高端電源開關和低端電源開關。
上述的容錯電源系統，其中，高端電源開關和低端電源開關包括MOS電晶體。
上述的容錯電源系統，其中，還包括：一個多相位控制器，用於為多個電源通道產生控制信號，控制電源通道的循環週期。
在本發明提供的一種電源系統中的方法中，如在系統中提供不間斷電源的方法，其中，電源系統接收輸入電壓，並且在輸出電壓節點上產生輸出電壓，電源系統包括至少一個負載開關電路，用於當負載開關電路接通時，通過一個主開關將輸入電壓連接到負載開關電路的輸出節點，並且至少一個電源通道耦合到負載開關電路，以接收輸入電壓，將電源通道配置成降壓轉換器，並且包括至少一個高端電源開關和一個低端電源開關，該方法包括：測量流經負載開關電路的主開關的電流；確定流經負載開關電路的主開關的電流已經超過了電流限制閥值；並且根據確定結 果，禁用負載開關電路的主開關以及電源通道的低端電源開關。
上述的方法，其中，禁用負載開關電路的主開關包括：根據確定結果，斷開主開關，使輸入電壓斷開與負載開關電路的輸出節點的連接。
上述的方法，其中，根據確定結果斷開主開關包括：根據確定結果，在避免對電源系統造成損壞的時間內斷開主開關。
上述的方法，其中，根據確定結果斷開主開關包括：根據確定結果，在納秒級的時間內斷開主開關。
1‧‧‧電源系統
2、10‧‧‧主電源線
3‧‧‧冗餘電源
4‧‧‧電路(OR’ing circuit)
11、15、22、51、57、58、62、65、68、207、209、SS‧‧‧節點
12‧‧‧控制器
14‧‧‧控制電路
18‧‧‧驅動電路
50‧‧‧電源系統
52‧‧‧多相位控制器
53‧‧‧控制信號
54‧‧‧電源通道區
55‧‧‧負載開關
55’‧‧‧負載開關電路
56、56a、56b‧‧‧電源通道對
60、60a、60b‧‧‧驅動器/MOS電路
61‧‧‧驅動器
64‧‧‧開關控制電路
66‧‧‧快速開關斷開電路
67‧‧‧電流檢測電路
74‧‧‧高端柵極驅動器
75‧‧‧低端柵極驅動器
102、104、106、108、110、112‧‧‧曲線
200‧‧‧負載開關電路
201‧‧‧浮動電源軌道
202‧‧‧電荷泵浦電路
204‧‧‧電流檢測放大器(Current sense amplifier，CSA)
206‧‧‧比較器
208‧‧‧故障檢測和閉鎖電路
210‧‧‧快速斷開電路
212‧‧‧輸入節點
214‧‧‧輸出節點
216‧‧‧漏極節點
C3、C4‧‧‧電容
CIN‧‧‧輸入電容器
CLK‧‧‧時鐘信號
COUT‧‧‧輸出電容器
DEN‧‧‧禁用信號(Disable)
FLSW‧‧‧快速斷開負載開關(Fast turn-off load switch)
IN‧‧‧輸入節點
ISNS‧‧‧傳感電路
L1‧‧‧電感器
M1‧‧‧NMOS電晶體
OCD‧‧‧電流檢測(Over-current detect)
OTP‧‧‧過熱保護器
OUT‧‧‧輸出節點
PWM‧‧‧脈衝寬度調製
Q1‧‧‧電晶體
R1‧‧‧電阻
S1、S2‧‧‧開關
S10‧‧‧主開關
VIN‧‧‧輸入電壓
VOC‧‧‧閥值電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
UVLO‧‧‧欠壓閉鎖比較器
Vcc、Vdd‧‧‧電源電壓
Vref‧‧‧參考電壓
VSNS‧‧‧傳感電壓信號
以下的詳細說明及附圖提出了本發明的各個實施例。
第1圖表示一種傳統的電源系統，其中冗餘電源並聯耦合到主電源線上。
第2圖表示一種傳統的主電源線示意圖。
第3圖表示在本發明的實施例中，容錯電源系統的示意圖。
第4圖表示在本發明的實施例中，耦合到一對電源通道上的智慧負載開關電路的詳細結構示意圖。
第5圖表示在本發明的實施例中，耦合到一對電源通道上的智慧負載開關電路的電路結構示意圖。
第6圖表示在本發明的一個示例中，耦合到一對電源通道上的智慧負載開關電路的時序圖。
第7圖表示在本發明的實施例中，一種快速起效的負載開關的示意圖。
本發明可以以各種方式實現，包括作為一個製程；一種裝置；一個系統；和/或一種物質合成物。在本說明書中，這些實現方式或本發明可能採用的任意一種其他方式，都可以稱為技術。一般來說，可以在本發明的範圍內變換所述製程步驟的順序。
本發明的一個或多個實施例的詳細說明以及附圖解釋了本發明的原理。雖然，本發明與這些實施例一起提出，但是本發明的範圍並不侷限於任何實施例。本發明的範圍僅由申請專利範圍限定，本發明包含多種可選方案、修正以及等效方案。在以下說明中，所提出的各種具體細節用於全面理解本發明。這些細節用於解釋說明，無需這些詳細細節中的部分細節或全部細節，依據申請專利範圍，就可以實現本發明。為了簡便，本發明相關技術領域中眾所周知的技術材料並沒有詳細說明，以免對本發明產生不必要的混淆。
在本發明的實施例中，容錯電源系統引入了一個帶有電流檢測的智慧負載開關電路，以檢測有問題的電源通道，並斷開它與電源系統的連接，使電源系統可以繼續工作，為輸出端提供不間斷電源。在某些實施例中，智慧負載開關電路用於在負載開關處檢測大電流浪湧，當電流超過檢測的指定閥值時，斷開負載開關，使輸入電壓源不再對有問題的電源通道供電。同時，電源系統剩餘的電源通道繼續運行，產生輸出電壓。電源系統的多相位控制器監控輸出電壓，利用剩餘的功能性電源通道，調節其電源操作。
第2圖表示一種傳統的主電源線示意圖。參見第2圖，主電源 線10接收直流輸入電壓VIN(節點11)，並產生輸出電壓VOUT(節點22)。主電源線10通常含有多個電源通道(通道1至通道N)。電源通道在不同的相位工作，由多相位脈衝寬度調製(PWM)控制器12控制。每個電源通道都包括一個控制電路14，接收來自控制器12的PWM控制信號。每個電源通道還包括驅動電路18，驅動一對MOS開關S1和S2，作為高端開關和低端開關。 控制電路14產生用於驅動電路18的柵極驅動信號，驅動MOS開關S1和S2。 開關S1和S2之間的公共節點15耦合到電感器L1上。全部電源通道的電感器的輸出節點(節點22)都接合在一起，並耦合到輸出電容器COUT上，產生輸出電壓VOUT。電源通道作為降壓轉換器。我們已知降壓轉換器工作，在節點15處產生開關信號，可以推廣至以下內容。降壓轉換器包括一對電源開關S1和S2，接通和斷開電源開關S1和S2，產生等於參考電壓的輸出電壓。 更確切地說，還可選擇接通和斷開電源開關，在公共節點(也稱為開關輸出節點)處產生開關輸出電壓。開關輸出節點耦合到LC濾波電路上，LC濾波電路包括一個輸出電感器和輸出電容器，產生相同幅值的輸出電壓。然後，利用輸出電壓驅動負載。
確切地說，接通高端電源開關，將電源載入到輸出濾波電路的輸出電感器上，使流經電感器的電流增大。當斷開高端電源開關時，電感器上的電壓反轉，此時流經電感器的電流降低。因此，電感器電流在額定輸出電流以上和以下脈動起伏。通過輸出電容器維持相對穩定的輸出電壓。接通和斷開低端電源開關，進行同步控制操作。
主電源線10的公共故障模式是高端電源開關S1的短路條件。然而，當一個電源通道中只有一個電源開關禁用時，整個主電源線都 降低，冗餘電源將上線提供電源，直到可以進行主電源線修復時為止。
在本發明的實施例中，容錯電源系統提供不間斷的連續電流，無需冗餘或備用電源系統。當省去冗餘電源系統時，或電路及相關的控制電路也可以省去。因此，本發明所述的冗餘電源系統可用於提供不間斷電源，同時降低了系統成本，減少了所占面積。重要的是，大多數情況下，冗餘電源都處於休眠狀態，容錯電源系統消除了這種低效率情況。
第3圖表示在本發明的實施例中，一種容錯電源系統的示意圖。參見第3圖，在本說明中，當主電源線接收輸入電壓VIN(節點51)並提供輸出電壓VOUT(節點62)時，可使用容錯電源系統50(“電源系統50”)。輸入電壓VIN可通過輸入電容器CIN濾波，CIN連接在節點51和接地端GND間。在輸入電壓節點處使用輸入電容器CIN是可選的，在本發明的其他實施例中可以省略。容錯電源系統50包括N個電源通道，每個電源通道都配置成降壓轉換器，含有一個驅動電路，驅動高端電源開關和低端電源開關。 在本實施例中，高端和低端電源開關都利用MOS電晶體配置，有時也稱為“高端MOS開關”或“低端MOS開關”。在本說明中，驅動高端MOS開關和低端MOS開關的驅動電路組合有時也稱為柵極驅動器/MOS開關電路，或簡稱為“驅動器/MOS電路”。在某些應用中，驅動器/MOS電路也作為單片積體電路。此外，在某些實施例中，低端MOS開關和高端MOS開關為NMOS電晶體。
已知降壓轉換器的運行情況，可概況如下。降壓轉換器包括一對電源開關S1(高端MOS開關)和S2(低端MOS開關)串聯。輸入電壓VIN耦合到高端MOS開關S1的漏極端。接通和斷開電源開關S1和S2，產生等 於參考電壓的輸出電壓VOUT。更確切地說，可以交替接通和斷開電源開關，在公共節點(也稱為開關輸出節點)處產生開關輸出電壓。開關輸出節點耦合到LC濾波電路上，LC濾波電路包括一個輸出電感器和一個輸出電容器，產生具有相同幅值的輸出電壓。然後，利用輸出電壓驅動負載。在本說明中，圖中只表示出了降壓轉換器中與本發明有關的一部分電路元件。 應理解，電源系統和降壓轉換器還包括圖中沒有表示出的其他電路元件或其他控制電路，以促進電源系統和每個電源通道中降壓轉換器的正常運行。
在電源系統50中，電源通道在不同的相位中工作，並且由多相位控制器52控制，在某些實施例中，多相位控制器52可以是多相PWM控制器。多相位控制器52產生控制信號53，例如PWM控制信號，耦合到每個電源通道上，控制每個電源通道的工作週期。在某些實施例中，電源通道具有相同或不同的額定電流。電源通道匯總至公共輸出電壓節點62，產生輸出電壓VOUT，輸出電壓VOUT在負載電流的範圍內具有基本恒定的幅值。 當輸出需要較高的電流時，多相位控制器52調節PWM控制信號53的工作週期，使全部電源通道均勻地促進輸出。在某些情況下，控制器52採用熱和電流平衡性能，控制器給比其他溫度更低的相位或通道重新分配電流分擔任務。在一個實施例中，容錯電源系統50包括8個電源通道。每個電源通道都為輸出電壓節點62提供20-30A。輸入電壓VIN可以為12V至24V，輸出電壓VOUT可以為1.2V至5V。
在本發明的實施例中，容錯電源系統50包括一組智慧負載開關55，連接到電源通道上。在本實施例中，每個負載開關55都連接到一對電源通道56(也稱為“電源通道對”)。確切地說，電源通道對56包括兩個 並聯的電源通道，每個電源通道都至少包括驅動電路、高端MOS開關、低端MOS開關和輸出電感器。在本實施例中，每個負載開關55都耦合到兩個電源通道上，構成電源通道區54。在其他實施例中，負載開關可以耦合到一個單獨的電源通道上，或耦合到兩個或多個電源通道上。此外，在本實施例中，負載開關55配置成快速斷開負載開關(Fast turn-off load switch，FLSW)，引入快速開關斷開電路，觸發時，促進負載開關的快速斷開。
在本實施例中，負載開關55串聯在輸入電壓VIN(節點51)和電源通道對56之間，確切地說，是連接到每個電源通道中降壓轉換器的輸入電壓節點。運行時，接通負載開關55，將輸入電壓VIN耦合到電源通道的高端MOS開關的漏極端。每個電源通道都產生一個開關輸出電壓，由各自電源通道處的電感器和輸出電壓節點62處的輸出電容器COUT濾波，COUT連接在節點62和接地端GND間。在本實施例中，電源通道的輸出節點在輸出電壓節點62處，共同連接到公共輸出電容器COUT上。在其他實施例中，每個電源通道或一組電源通道都帶有一個單獨的輸出電容器。在輸出電壓節點62處的輸出電容器COUT的具體配置，對於實施本發明來說並不重要。
依據本發明的實施例，電源系統50配有智慧負載開關電路。 更確切地說，與一個或多個電源通道有關的負載開關電路引入了容錯能力，當檢測到故障時，產生容錯信號，用於斷開低端MOS開關以及與負載開關電路。多數情況下，電源系統50中的常見故障是在高端MOS開關處發生短路。當高端MOS開關短路時，形成從輸入電壓VIN到接地端的直接通路，當低端MOS開關接通時，電源開關上產生過量的電流。過量的電流會對MOS開關電路產生不可逆的損壞。依據本發明的實施例，每個電源通道 中的柵極驅動器/MOS開關電路在低端MOS開關處檢測過電流情況，並且斷開與電源通道有關的低端MOS開關和負載開關電路，防止更大的電流。
在一個實施例中，檢測到過電流情況時，負載開關電路55’產生故障信號，利用故障信號，快速斷開負載開關，使浪湧電流終止。負載開關電路還產生一個故障標誌信號。故障標誌信號耦合到驅動器/MOS電路上，作為禁用(節點57)信號，使低端MOS開關禁用或斷開。在本實施例中，當利用負載開關電路處的故障檢測，打開或斷開負載開關時，一對電源通道也會禁用。
斷開負載開關55時，由於驅動器MOS電路的故障檢測，使一個或多個電源通道禁用，則多相位控制器52調節用於其他電源通道的PWM信號53的工作週期，從而維持所需的輸出電壓VOUT。在這種情況下，為輸出電壓節點62提供不間斷的輸出電壓和電流。更重要的是，電源系統50可以提供不間斷電源，無需傳統結構中的冗餘電源系統。
第4圖表示在本發明的實施例中，耦合到負載開關上的每個電源通道中的智慧柵極驅動器/MOS開關的具體結構示意圖。參見第4圖，電源通道區54包括一個耦合到電源通道對56上的負載開關55。負載開關55將輸入電壓VIN(節點51)連接到每個電源通道中MOS開關的輸入電壓節點。電源通道的輸入電壓節點通常是高端MOS開關的漏極端。更確切地說，負載開關55包括一個主開關S10，S10的輸入節點IN連接到電源通道對56的電源通道的輸入電壓VIN(節點51)，S10的輸出節點OUT連接到輸入電壓節點(節點58)。當主開關S10閉合時，電源通道對56中的電源通道連接到輸入電壓VIN。當主開關S10斷開時，電源通道不再連接到輸入電壓VIN。在開 關控制電路64的控制下，驅動器61驅動主開關S10。配置開關控制電路64，根據電源系統50的控制信號，接通或斷開主開關S10。在本實施例中，負載開關55為快速起效的負載開關，觸發時可以迅速斷開。為此，負載開關55包括一個快速開關斷開電路66，觸發時，快速斷開主開關S10。
在本發明的實施例中，負載開關電路55’還包括一個電流檢測電路67，用於檢測負載開關電路處的過電流情況。確切地說，電流檢測電路67檢測負載開關電路的主開關S10中的電流。在一個實施例中，電流檢測電路67探測主開關S10的輸出節點OUT處的電流。例如，電流檢測電路67會接收傳感電路ISNS(節點68)，ISNS表示主開關S10的輸出節點OUT處的電流。在一個可選實施例中，電流檢測電路67探測流經主開關S10的電流，該電流流經主開關S10的輸入節點IN和輸出節點OUT。電流檢測電路67產生一個故障信號(節點65)，當流經主開關S10的電流超過指定閥值時，故障信號有效。故障信號(節點65)耦合到快速開關斷開電路66上，以便啟動開關斷開電路，根據檢測到的過電流情況，快速斷開主開關S10。確切地說，當故障信號(節點65)觸發時，快速開關斷開電路66快速打開或斷開主開關S10，以便中斷主開關S10的輸入節點IN和輸出節點OUT之間的連接。因此，電源通道的輸入電壓節點58不再連接到輸入電壓VIN(節點51)。進一步配置電流檢測電路67，產生故障標誌信號(節點57)耦合到驅動器/MOS電路60上，作為禁用信號，斷開電源通道的低端MOS開關，這將在下文中詳細介紹。
在電源通道對56中，每個電源通道都包括一個智慧柵極驅動器/MOS開關電路60和一個電感器L1。這對電源通道的輸出節點耦合到輸出 電壓節點62，輸出電容器COUT也耦合到輸出電壓節點62上。在特定的工作週期下，電源通道對56中的電源通道在來自多相位控制器52的PWM控制信號53的控制下運行。啟動信號(EN)啟動每個電源通道對56中的驅動器/MOS電路60。依據本發明的實施例，智慧負載開關電路55’產生一個故障標誌信號，用作禁用信號(DEN)(節點57)，耦合到驅動器/MOS電路60的啟動信號端。當電流浪湧時，或電流超過特定閥值時，會在負載開關電路處檢測到，智慧負載開關電路55’至少斷開驅動器/MOS電路的低端MOS開關，並且/或者將低端MOS開關切換到三態模式(Tri-state mode)。在一些實施例中，禁用信號DEN(節點57)耦合到驅動器/MOS電路60上，斷開高端MOS開關和低端MOS開關，並且/或者將高端和低端MOS開關置於三態模式。
因此，負載開關電路55’將有問題的電源通道斷開與電源系統的連接，從而使電源系統可以繼續運行，利用剩餘的電源通道，為輸出電壓節點提供不間斷電源。在這種情況下，當系統的電源通道出現故障時，本發明所述的電源系統50實現了容錯設計，使電源系統可以繼續運行，而不是徹底癱瘓。
在本發明的實施例中，容錯電源系統50中的電源通道作為可互換零件，可以熱插拔，因此可以在其餘電源通道繼續正常運行時，替換有故障的電源通道。在某些實施例中，電源通道的驅動器/MOS電路形成一個可熱插拔模組。當有故障的高端MOS開關導致電源通道禁用時(例如短接的高端MOS開關)，可以在其餘的電源通道為輸出電壓節點提供所需電源的同時，替換掉驅動器/MOS電路模組。電源系統50在繼續正常運行的同時，有故障的驅動器/MOS電路被替換掉。在替換上的電源通道重新通電啟 動之前，替換上的驅動器/MOS電路模組組安裝後即可通電(例如通過軟啟動操作)至工作電壓。電源系統50的多相位控制器52監控輸出電壓VOUT，並且調節為每個電源通道提供的PWM信號的相位，以產生所需的輸出電壓值。
在一些實施例中，智慧負載開關電路產生一個故障標誌信號，作為電源系統的輸出信號，故障標誌用於警告故障電源通道的電源系統的操作員。
第5圖表示在本發明的實施例中，智慧負載開關電路耦合到一對電源通道上的電路結構圖。在本實施例中，每個電源通道都配置成降壓轉換器。電源通道對中的電源通道都按相同的方式配置，一個電源通道的說明也適用於其他的電源通道。參見第5圖，電源通道區54包括一個負載開關55，耦合到一對電源通道56a、56b上。
在本實施例中，負載開關電路55’的配置方式與第4圖所示的負載開關電路相同，負載開關電路55’的說明在此不再重複。簡言之，負載開關55連接或斷開輸入電壓VIN(節點51)到電源通道56a、56b的輸入電壓節點58的連接。在第5圖所示的實施例中，電流檢測電路67探測穿過主開關S10的輸入節點IN和輸出節點OUT的電流，以測量流經主開關S10的電流。 在其他實施例中，電流檢測電路67可以傳感到主開關S10的輸出節點OUT處的電流，如第4圖所示。
在本實施例中，電源通道56a(或56b)包括一個驅動器/MOS電路60a(或60b)，以及配置為降壓轉換器的電感器L1。電源通道56a連接到輸出電容器COUT的輸出電壓節點62。輸出電容器COUT通常是全部電源通 道或一組電源通道共用的公共輸出電容器。驅動器/MOS電路60a含有一個驅動電路(圖中沒有表示出)，接收PWM控制信號PWM1以及電源通道的啟動信號。驅動電路為高端柵極驅動器74和低端柵極驅動器75產生控制信號。 高端柵極驅動器74用於驅動高端MOS開關S1的柵極，而低端柵極驅動器75用於驅動低端MOS開關S2的柵極，S1、S2串接在輸入電壓節點58和接地端GND之間。高端MOS開關S1和低端MOS開關S2之間的公共節點80切換輸出節點80，並且耦合到電感器L1的一個埠。電感器L1的其他埠也耦合到公共輸出電壓節點62上，用於電源系統50。輸出電容器COUT，可以是一個或多個或全部電源通道的公共輸出電容器，也耦合到輸出電壓節點62上。驅動器/MOS電路60a中的控制電路(例如驅動電路)在本領域中，可能還有其他的電路佈局。
在降壓轉換器中，高端MOS開關S1和低端MOS開關S2由高端柵極驅動器74和低端柵極驅動器75，以至於一次僅接通一個MOS開關，避免兩個MOS開關同時接通。因此正常運行時，輸入電壓VIN(節點58)和接地端之間沒有直接的電流通路。然而，當高端MOS開關S1短路時，產生很大的浪湧電流，當低端MOS開關S2接通時，從輸入電壓VIN到接地端形成直接的電流通路。因此，當高端MOS開關S1短路時，發生很大的浪湧電流，當高端MOS開關S1斷開時，低端MOS開關S2接通。本發明所述的智慧負載開關電路感應到負載開關電路處的浪湧電流，檢測電源通道處的故障情況，啟動過電流保護操作。
傳統的電源系統有時採用傳統的負載開關與輸入電壓串聯。在某些情況下，發生短路時，負載開關會承受很大的電流，終端導致 系統嚴重受損。一些傳統的負載開關含有限流功能，可以報警並觸發關機功能，但是關閉負載開關的過程(或”打開”開關)通常需要相當長一段時間才能完成，例如上百微秒。回應限流事件，打開負載開關的時間內，可能電源系統已經不可挽回地損壞了。
一些傳統的負載開關設計有電流鉗位元功能，負載開關的內部控制網路觸發一個不能超過的固定的最大電流水準，以防止對系統造成進一步的損壞。然而，由於電流鉗位元功能將破壞輸出電壓，因此電流鉗位元負載開關不能用於多相位/多通道電源系統。
在本發明的實施例中，容錯電源系統引入具有過電流檢測和快速斷開功能的智慧負載開關電路。在一個實施例中，負載開關具有在納秒範圍內的整體斷開時間，例如大約100毫微秒(在溫度變化範圍內)。斷開時間是指從檢測到故障開始，到負載開關完全斷開的時間。一般來說，本發明所述的電源系統中引入的負載開關具有足夠短的整體斷開時間，避免形成峰值電流，使電源系統的零部件超過它們的熱極限。換言之，負載開關可以快速回應，從而避免形成過量的峰值電流，對電源系統造成損壞。 確切地說，快速方便地斷開有故障的電源通道，可以減輕和儘量減少由沿降壓轉換器旁邊寄居的寄生電感和電容產生的峰值電流積聚，負載電流積聚可能損壞其他電源通道和電源系統的其他電路。
參見第5圖，智慧負載開關電路55’探測負載開關電路的主開關處的電流，例如通過測量主開關S10的輸出節點OUT處的電流水準，或測量流經主開關S10的輸入和輸出節點(IN和OUT)的電流。當主開關S10處的傳感電流超過過電流限制閥值時(也就是檢測到過電流狀態時)，電流檢 測電路67產生一個故障信號(節點65)到快速開關斷開電路66，以斷開主開關S10，從而斷開負載開關電路55’。在負載開關電路55’中，開關控制電路64用於接通主開關S10，例如在軟啟動時。由於負載開關中的主開關S10是一個大型裝置，因此快速開關斷開電路66含有一個可以快速斷開負載開關的大型驅動器。在一個實施例中，快速開關斷開電路66含有一個有源下拉裝置。在一些實施例中，快速開關斷開電路66是一個NMOS電晶體，用於拉低主開關S10的柵極，以斷開負載開關。快速開關斷開電路66能夠在對電源系統造成不可挽回的損壞之前，快速斷開負載開關。
同時，故障信號(Fault signal)也耦合在負載開關電路55’外部，作為故障標誌信號(Fault flag signal)。在一個實施例中，故障信號(節點65)是高有源信號(Active high signal)，負載開關電路55’產生一個故障標誌信號(節點57)，故障標誌信號(節點57)為低有源信號(Active low signal)。也就是說，故障標誌信號具有邏輯低態，用於顯示故障或過電流情況。故障標誌信號(節點57)耦合到驅動器/MOS電路60上，作為啟動信號。 故障標誌信號(節點57)用作驅動器禁用信號(Disable或DEN)，斷開驅動器/MOS電路60中的高端MOS開關和低端MOS開關，將MOS開關置於三態模式。禁用信號還用於使驅動器/MOS電路或電源通道中的其他電路禁用。
在這種情況下，當電源通道的高端MOS開關S1處發生短路時，智慧負載開關電路55’探測浪湧電流，當低端MOS開關接通時，可以快速斷開負載開關電路，避免損壞電源系統的其他部分。在一個實施例中，過電流檢測、故障識別和負載開關斷開操作都可以在很短的時間內(例如100毫微秒以內)配置。
第6圖表示本發明示例中的智慧負載開關電路運行情況的時序圖。參見第6圖，曲線102表示過電流限制閥值，曲線104表示檢測到的電壓值，用於指示流經負載開關電路的主開關S10的電流。曲線106表示根據過電流情況，產生的故障信號，在本實施例中，故障信號為高有源信號。 曲線108表示負載開關電路的主開關S10的柵極信號。曲線110表示負載開關的接通或斷開狀態。曲線112表示負載開關的輸出節點OUT的信號。
正常運行時，故障信號禁用，因此處於邏輯低水準。負載開關電路的主開關S10上的柵極信號有效，接通主開關S10(曲線108)，將輸入電壓VIN連接到驅動器/MOS電路。接通負載開關(ON-狀態)(曲線110)。 通過軟啟動操作，接通負載開關，使輸出節點OUT的信號緩慢升高至整個輸入電壓VIIN(曲線112)。當負載開關的輸出節點完全加電時，電源通道開始工作。
然而，當高端MOS開關處發生短路的情況下，當低端MOS開關接通時，檢測到的電壓增大(曲線104)。在T1時刻，檢測到的電壓超過了過電流限制閥值(曲線102)。在T2時刻，由於檢測到的電壓超過了過電流限制閥值，智慧負載開關電路的故障信號就顯示為高(曲線106)。檢測到故障後，在T3時刻，故障信號使主開關S10斷開。更確切地說，主開關S10上的柵極信號在T3時刻禁用(曲線108)。由於負載開關通常是一個大型裝置，必須要一定的時間才能斷開負載開關。在T4時刻，負載開關終於斷開，負載開關的輸出節點OUT的信號降低，表示輸入電壓VIN已經與負載開關的輸出節點OUT斷開連接。在本說明中，從檢測到故障情況(T1)到負載開關斷開(T4)的時間TOFF約為100毫微秒，從而確保不會對電源系統造 成不可挽回的損壞。
在本實施例中，在T2時刻監測到故障情況，並且故障信號有效，故障標誌信號(圖中沒有表示出)也會有效，至少使驅動器/MOS電路中的低端MOS開關斷開。
第7圖表示在本發明的實施例中，一種快速起效的負載開關電路的示意圖。參見第7圖，在本發明的實施例中，將NMOS電晶體M1作為主開關，也就是作為第4圖和第5圖所示的主開關S10，製備快速起效的負載開關電路200。此外，在本發明的實施例中，NMOS電晶體M1的柵極端耦合到浮動電源軌道201上，並且由電荷泵浦電路202(charge pump)驅動。當NMOS電晶體M1接通時，電荷泵浦電路202將NMOS電晶體M1的柵極驅動到NMOS電晶體M1的源極/漏極端上方的指定電壓，確保NMOS電晶體完全打開，將輸入節點212(IN)上的輸入電壓VIN全部轉移到輸出節點214(OUT)。也就是說，當電晶體M1接通時，NMOS電晶體M1的柵極端由電荷泵浦電路202驅動到輸入或輸出節點212、214處的電壓水準上方。例如，當輸入電壓VIN為12V時，NMOS電晶體M1作為主開關將12V轉移至輸出節點OUT，NMOS電晶體M1的柵極由電荷泵浦驅動至17V，確保NMOS電晶體M1全部打開，將12V電壓從NMOS電晶體的漏極轉移到源極端。NMOS電晶體作為負載開關電路中的主開關M1有許多優於PMOS電晶體主開關的地方：NMOS電晶體具有較低的導通電阻和較小的柵極電容，斷開速度比PMOS電晶體更快。
在本實施例中，負載開關電路200包括一個快速斷開電路210，作為第4圖和第5圖中的快速開關斷開電路。在一些實施例中，快速斷 開電路210為有源拉低裝置(active pull-down device，將NMOS電晶體M1的柵極端拉低，以斷開電晶體。在一些實施例中，有源拉低裝置為大尺寸驅動器，可以快速拉低NMOS電晶體M1的柵極端。根據負載開關電路200的電流檢測電路產生的故障信號(節點209)，表示負載開關處檢測到過電流情況，故障信號209驅動快速斷開電路210。
第7圖表示負載開關電路200中引入電流檢測電路的一個實施例，用於檢測負載開關處的過電流情況。在本實施例中，電流檢測電路包括一個電流檢測放大器(Current sense amplifier，CSA)204，其負、正輸入端相對應地分別通過與主開關M1的源極和漏極端耦合，以檢測大浪湧電流的存在，比較器206用於比較傳感電壓信號和閥值水準。確切地說，電流傳感放大器204檢測流經MOS電晶體M1的電流值。電流傳感放大器204產生輸出電壓信號VSNS，表示NMOS電晶體M1上的傳感電流值。傳感電壓信號VSNS耦合到比較器206的正輸入端，與耦合到比較器206的負輸入端的閥值電壓VOC作比較。閥值電壓VOC表示電源系統的過電流閥值極限。比較器206產生過電流檢測(Over-current detect，OCD)信號(節點207)作為比較器輸出信號。
當傳感電壓信號VSNS小於閥值電壓VOC時，表示NMOS電晶體主開關M1處的電流小於過電流閥值限制，比較器206的輸出信號禁用或處於邏輯低。當主開關M1處的電流超過過電流閥值時，也就是說檢測到過電流情況時，比較器206將過電流檢測(OCD)信號(節點207)升至邏輯高。過電流檢測信號(節點207)可以耦合到故障檢測和閉鎖電路208上，產生耦合到快速斷開電路210上的故障信號(節點209)，以觸發快速斷開電路210 斷開NMOS電晶體主開關M1。故障信號(節點209)可以是高有源信號。在其他實施例中，故障檢測和閉鎖電路208可以省略，比較器206的輸出信號可以用作故障信號。
同時，故障信號用於產生故障標誌信號，故障標誌信號用作禁用信號，至少使驅動器/MOS電路中的低端MOS開關禁用。在本實施例中，故障標誌信號為漏極開路(Open-drain)NMOS電晶體Q1產生的低有源信號(Active low signal)。更確切地說，在負載開關電路200中，故障信號(節點209)耦合到漏極開路NMOS電晶體Q1的柵極。Q1的源極接低電位例如接地端GND，當故障信號(節點209)有效時，NMOS電晶體Q1接通，以拉低電晶體Q1的漏極節點216，從而產生故障標誌信號，故障標誌信號為低有源信號。電晶體Q1的漏極節點216提供故障標誌信號，耦合到驅動器/MOS電路上，作為禁用信號，至少使低端MOS開關斷開。
負載開關電路200包括其他電路元件，維持負載開關的正常工作，例如軟啟動控制等。用於負載開關電路正常運行的第7圖所示的其他電路元件，對於本發明的實施來說不是必須的，可以省略，或在其他實施例中可以使用其他的電路結構。在第7圖負載開關電路200的這些可以忽略或替換的元件中，在示範性但非必須的電路結構中，一個電容C4連接在浮動電源軌道201和接地端GND之間，C4和浮動電源軌道201之間的節點SS耦合到軟啟動控制的輸入，而軟啟動控制還分別耦合到浮動電源軌道201和耦合到M1管的輸出節點OUT。一個欠壓閉鎖比較器UVLO的正輸入端連接到浮動電源軌道201而負輸入端連接一參考電壓Vref，比較後UVLO的電平結果輸出給調節器和上電重定模組(LV regulator and POR)，另外調節器和上 電重定模組也耦合到M1管的輸入節點IN和電荷泵浦電路202的負輸入端，電荷泵浦電路202的正輸入端則連接到M1管的輸入節點IN。一個偏置/振盪器(Bias/Oscillator)接收啟動信號EN和低壓偏置單元產生的信號，並且偏置/振盪器輸出時鐘信號CLK給電荷泵浦電路202，偏置/振盪器釋放的重定信號給調節器和上電重定模組。此外，一個電源電壓Vcc為低壓偏置單元供電，一個電容C3接在電源電壓Vcc和接地端GND之間，以及一個電阻R1連接電晶體Q1的漏極節點216和一個電源電壓Vdd之間，還可以在負載開關電路200的輸出節點214(OUT)和接地端GND之間設置一個反向偏置的二極體，二極體的陽極連接到接地端GND。也可以利用一個過熱保護器(OTP)提供過熱保護信號到故障檢測和閉鎖電路208。
本發明所述的容錯電源系統具有許多優勢。首先，在需要不間斷電源的電源系統中省去了冗餘或備用電源系統。省去備用電源系統節省了大量成本和實際空間。本發明所述的容錯電源系統在每個電源通道中引入了智慧負載開關電路，利用這種容錯電源系統代替備用電源系統組態主電源線。
第二，在每個電源通道對的輸入端配置負載開關，防止幹線上的整個系統故障。幹線電源系統配有斷電機制，能在發生不可挽回的損壞之前，斷開有故障的電源系統與其他部分的連接。
第三，在一些實施例中，本發明所述的容錯電源系統在檢測到過電流情況並且電源不間斷之後，提出了一個故障標誌。該故障標誌可直接作為禁用信號，使有故障的驅動器/MOS電路禁用，以至於三態MOS開關，及其他必須禁用的子電路，並且斷開負載開關。該故障標誌也用於提 醒系統或故障電源通道的使用者。
最後，本發明所述的容錯電源系統可以和熱插拔電源通道元件一起配置，使得在系統保持全面運行的同時維修有故障的電源系統。
雖然為了表述清楚，以上內容對實施例進行了詳細介紹，但是本發明並不侷限於上述細節。實施本發明還有許多可選方案。文中的實施例僅用於解釋說明，不用於侷限。
50‧‧‧電源系統
51、57、58、62‧‧‧節點
52‧‧‧多相位控制器
53‧‧‧控制信號
54‧‧‧電源通道區
55‧‧‧負載開關
56‧‧‧電源通道對
CIN‧‧‧輸入電容器
COUT‧‧‧輸出電容器
DEN‧‧‧禁用信號(Disable)
FLSW‧‧‧快速斷開負載開關(Fast turn-off load switch)
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓

Claims (19)

  1. 一種容錯電源系統，其特徵在於，該電源系統接收輸入電壓，在輸出電壓節點上產生輸出電壓，該電源系統包括：一個或多個負載開關電路，每個負載開關電路都有一個耦合到輸入電壓的主開關輸入節點和一個主開關輸出節點，當負載開關電路接通時，負載開關電路在主開關輸出節點提供輸入電壓，當負載開關電路斷開時，負載開關電路使輸入電壓斷開與主開關輸出節點的連接；以及多個電源通道，每個電源通道都有一個耦合到一個負載開關電路的輸出節點上的輸入端，以及一個耦合到電源系統的輸出電壓節點上的輸出端，每個電源系統都包括一個驅動電路、一個高端電源開關和一個與高端電源開關串聯的低端電源開關，以及一個輸出電感器，電源通道和輸出電容器連接在輸出電壓節點和地電壓之間，構成一個降壓轉換器；其中一個或多個負載開關電路的每個負載開關電路還包括一個電流檢測電路，以測量主開關中的電流，配置電流檢測電路的目的是，當主開關中的電流具有超過電流限制閥值的峰值電流時，產生具有第一態的第一輸出信號，耦合第一輸出信號，根據具有第一態的第一輸出信號，斷開主開關，第一輸出信號還耦合到與負載開關電路相關的電源通道的驅動電路上，根據具有第一態的第一輸出信號，使低端電源開關斷開。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，一個或多個負載開關電路中的每個負載開關電路都有一個主開關輸出節點，耦合到一個或多個電源通道的輸入端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，在每個負載開關電路中都配置電流檢測電路，測量主開關輸出節點處的電流，作為主開關中的電流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，在每個負載開關電路中都配置電流檢測電路，測量主開關輸入節點和主開關輸出節點處的電流，作為主開關中的電流。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，每個負載開關電路還包括：一個主開關，具有耦合到輸入電壓的主開關輸入節點，和具有主開關輸出節點和一個控制端；以及一個開關斷開電路，用於接收第一輸出信號，驅動主開關的控制端，開關斷開電路用於根據具有第一態的第一輸出信號，斷開主開關。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的容錯電源系統，其中，開關斷開電路包括一個驅動器，可以在避免對電源系統造成損壞的時間內斷開主開關。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的容錯電源系統，其中，開關斷開電路包括一個驅動器，可以在納秒級的時間內，斷開主開關。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的容錯電源系統，其中，主開關包括一個第一NMOS電晶體，其漏極端作為主開關輸入節點，源極端作為主開關輸出節點，柵極端作為控制端，該負載開關電路還包括：一個電荷泵浦電路，用於當第一NMOS電晶體接通時，將第一NMOS電晶體的柵極端驅動到高於第一NMOS電晶體的漏極和源極端處的電壓值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的容錯電源系統，其中，開關斷開電路的驅動器包括一個第二NMOS電晶體，用於拉低主開關的控制端，根據具有第一態的第一輸出信號，斷開主開關。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，輸出電容器包括一個耦合到輸出電壓節點的一個單獨的輸出電容器。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，每個負載開關電路中的電流檢測電路包括：一個耦合到主開關上的電流傳感放大器，用於測量流經主開關輸入節點和主開關輸出節點的電流，電路傳感放大器用於產生輸出信號，輸出信號表示測得的電流值；以及一個比較器，用於比較電流傳感放大器的輸出信號與電流限制閥值，根據電流傳感放大器的輸出信號超過電流限制閥值時，比較器產生具有第一態的第一輸出信號。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，第一輸出信號包括一個高有源信號，第一態包括一個邏輯高態，每個負載開關電路還包括：一個漏極開路的NMOS電晶體，其柵極端耦合到第一輸出信號，源極端耦合到地電壓，漏極端提供第二輸出信號，第二輸出信號耦合到與負載開關電路關聯的驅動電路上，根據具有第一態的第一輸出信號，至少斷開低端電源開關。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，第一輸出信號耦合到與負載開關電路有關的電源通道的驅動電路上，根據具有第一態的第一輸出信號，斷開高端電源開關和低端電源開關。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，高端電源開關和低端電源開關包括MOS電晶體。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的容錯電源系統，其中，還包括：一個多相位控制器，用於為多個電源通道產生控制信號，控制電源通道的循環週期。
  16. 一種電源系統中的方法，其特徵在於，電源系統接收輸入電壓，並且在輸出電壓節點上產生輸出電壓，電源系統包括至少一個負載開關電路，用於當負載開關電路接通時，通過一個主開關將輸入電壓連接到負載開關電路的輸出節點，並且至少一個電源通道耦合到負載開關電路，以接收輸入電壓，將電源通道配置成降壓轉換器，並且包括至少一個高端電源開關和一個低端電源開關，該方法包括：測量流經負載開關電路的主開關的電流；確定流經負載開關電路的主開關的電流已經超過了電流限制閥值；並且根據確定結果，禁用負載開關電路的主開關以及電源通道的低端電源開關。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中，禁用負載開關電路的主開關包括：根據確定結果，斷開主開關，使輸入電壓斷開與負載開關電路的輸出節點的連接。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，根據確定結果斷開主開關包括：根據確定結果，在避免對電源系統造成損壞的時間內斷開主開關。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，根據確定結果斷開主開關包括：根據確定結果，在納秒級的時間內斷開主開關。
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