具有調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)之間的受控轉(zhuǎn)變的下垂電流共享電力轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器在操作條件下產(chǎn)生具有相應(yīng)第一和第二調(diào)節(jié)輸出值的轉(zhuǎn)換器輸出。轉(zhuǎn)換器響應(yīng)于過(guò)渡窗口中觸發(fā)信號(hào)在第一和第二觸發(fā)值之間的過(guò)渡,輸出在第一和第二輸出值之間的過(guò)渡。過(guò)渡階梯函數(shù)基于過(guò)渡幅度、過(guò)渡間隔和階梯數(shù)目,其中過(guò)渡幅度是第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間的差值,過(guò)渡間隔是第一和第二觸發(fā)值之間的差值。過(guò)渡階梯函數(shù)基于第一和第二觸發(fā)值之間的觸發(fā)信號(hào)的值,產(chǎn)生階梯狀過(guò)渡信號(hào)。在過(guò)渡窗口中的操作期間,階梯狀過(guò)渡信號(hào)包括在調(diào)節(jié)參考值中,以便產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器輸出在第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間的階梯狀過(guò)渡。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)之間的受控轉(zhuǎn)變的下垂電流共享電力轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及下垂電流共享電力轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在大型電子系統(tǒng)中,實(shí)際通常使用大約50VDC的分布電壓來(lái)向單獨(dú)系統(tǒng)卡施加電力。每個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)卡通過(guò)隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器將所述50VDC轉(zhuǎn)換為大約10VDC的較低調(diào)節(jié)中間電壓(regulated intermediate voltage)。向各個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)卡上的電路供電的負(fù)載轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)將10VDC總線用作輸入。在需要高電力的系統(tǒng)卡上,實(shí)際通常并行布置多個(gè)隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器以便滿足所述卡的電力需要。需要的是并行的DC/DC轉(zhuǎn)換器以平衡方式共享電流。可以采用進(jìn)行電流共享(current sharing)的不同方案,包括被稱(chēng)作“下垂(droop)電流共享”方案,其中并行布置的每個(gè)轉(zhuǎn)換器具有負(fù)斜率“下垂”的輸出特性。需要切換并行的DC/DC轉(zhuǎn)換器向不同調(diào)節(jié)點(diǎn)的輸出(各個(gè)輸出電壓值),以便最大化系統(tǒng)性能。由于每個(gè)并行的轉(zhuǎn)換器都是單獨(dú)器件,因此由每個(gè)轉(zhuǎn)換器檢測(cè)切換調(diào)節(jié)值的觸發(fā)條件,并在每個(gè)轉(zhuǎn)換器內(nèi)起作用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]如果期望相對(duì)于同一觸發(fā)變量移動(dòng)調(diào)節(jié)點(diǎn),則每個(gè)并行的轉(zhuǎn)換器不能夠在正好同一點(diǎn)做出響應(yīng)。這是由于組件容限和操作條件的略微差異。所有轉(zhuǎn)換器在期望轉(zhuǎn)變點(diǎn)的周?chē)鹱饔?,而不是精確地在同一點(diǎn)。從而在觸發(fā)點(diǎn)附近的值處,一些并行轉(zhuǎn)換器可能沒(méi)有轉(zhuǎn)變到新的調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)。這樣將在并行轉(zhuǎn)換器嘗試調(diào)節(jié)的單獨(dú)輸出電壓中設(shè)置偏移,可能在觸發(fā)點(diǎn)附近導(dǎo)致較大的電流失衡。
[0004]公開(kāi)了一種技術(shù),用于當(dāng)實(shí)現(xiàn)下垂電流共享時(shí),控制觸發(fā)點(diǎn)附近的調(diào)節(jié)值之間的轉(zhuǎn)變以限制電流失衡。
[0005]具體地,公開(kāi)了一種操作調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器的方法,所述電力轉(zhuǎn)換器在不同操作條件下產(chǎn)生具有相應(yīng)不同的第一和第二調(diào)節(jié)輸出值的轉(zhuǎn)換器輸出。操作采用調(diào)節(jié)反饋回路的調(diào)節(jié)參考值,轉(zhuǎn)換器輸出響應(yīng)于轉(zhuǎn)變窗口中觸發(fā)信號(hào)在第一和第二觸發(fā)值之間的轉(zhuǎn)變,相應(yīng)地在第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間轉(zhuǎn)變。在一個(gè)實(shí)施例中,觸發(fā)信號(hào)是與轉(zhuǎn)換器的輸入電壓成比例的信號(hào),所述方法用作調(diào)整比率Vout/Vin以便進(jìn)行高效操作。
[0006]基于針對(duì)轉(zhuǎn)變幅度、轉(zhuǎn)變間隔和階梯的數(shù)目的相應(yīng)值來(lái)定義轉(zhuǎn)變階梯函數(shù),其中轉(zhuǎn)變幅度是第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間的差值,轉(zhuǎn)變間隔是第一和第二觸發(fā)值之間的差值。轉(zhuǎn)變階梯函數(shù)基于第一和第二觸發(fā)值之間的觸發(fā)信號(hào)值范圍,產(chǎn)生階梯狀轉(zhuǎn)變信號(hào)。在利用在轉(zhuǎn)變窗口內(nèi)具有值的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行操作期間,在調(diào)節(jié)參考值中包括階梯狀轉(zhuǎn)變信號(hào),以便產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器輸出在第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間的階梯狀轉(zhuǎn)變。
[0007]當(dāng)由并行布置的所有電力轉(zhuǎn)換器使用時(shí),所公開(kāi)的技術(shù)通過(guò)降低下垂輸出特性中的極小失配的影響,來(lái)降低電流失衡。根據(jù)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì),可以將偏移降低到一個(gè)階梯的幅度,而不是第一和第二調(diào)節(jié)值之間全部差值的幅度。該技術(shù)還可以以并行布置和非并行布置的形式用于其它目的。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0008]如附圖所示,根據(jù)本發(fā)明特定實(shí)施例的以下描述,將清楚上述和其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn),貫穿附圖,類(lèi)似的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
[0009]圖1是采用多個(gè)并行DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)的框圖;
[0010]圖2是DC/DC轉(zhuǎn)換器的框圖;
[0011]圖3是下垂電流共享的示意性表示;
[0012]圖4是下垂電流共享的電流/電壓特性的圖;
[0013]圖5是針對(duì)在調(diào)節(jié)電壓輸出值之間有轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)換器集合的電壓輸出對(duì)電壓輸入的圖;
[0014]圖6是圖5的部分圖的圖,詳細(xì)示出了轉(zhuǎn)變窗口。
【具體實(shí)施方式】
[0015]圖1示出了電源系統(tǒng),具有在輸入電力總線12和輸出電力總線14之間并行布置的一組DC/DC轉(zhuǎn)換器10。在典型情況下,輸入電力總線12( “輸入電壓”)處的電壓高于輸出電力總線14( “輸出電壓”)的電壓。向?qū)Ρ镜刎?fù)載提供電力的一組負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器(P0L ;未示出)供應(yīng)來(lái)自輸出總線14的電力。在這種應(yīng)用下,由于輸出電力總線14的電壓通常在POL產(chǎn)生的相對(duì)較高輸入電壓和較低電壓之間,因此可以將輸出電力總線14稱(chēng)作“中間”總線。通常將這種用途的轉(zhuǎn)換器稱(chēng)作“中間總線轉(zhuǎn)換器”或IBC。轉(zhuǎn)換器10可以在較高級(jí)系統(tǒng)電力控制器的控制下(較高級(jí)控制,圖1未示出)。
[0016]通常當(dāng)電力/電子系統(tǒng)需要的電力大于一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器10所供應(yīng)的電力時(shí),期望在多種應(yīng)用中使用DC/DC轉(zhuǎn)換器10的并行集合。在這種配置下,轉(zhuǎn)換器10的輸出電壓全部本質(zhì)相同,等于輸出總線14上出現(xiàn)的輸出電壓。通過(guò)轉(zhuǎn)換器10以共享方式提供負(fù)載電流。作為采用相同電流共享的簡(jiǎn)單示例,如果存在五個(gè)相同的轉(zhuǎn)換器10且負(fù)載電流是50安培(amps),則理想地每個(gè)轉(zhuǎn)換器10提供lOamps。
[0017]需要在使用并行DC/DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中提供電流共享控制,以便確保平均分布負(fù)載電流和散熱并防止一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器過(guò)載。存在許多電流共享方法,包括利用專(zhuān)用主機(jī)進(jìn)行主從式電流編程、利用自動(dòng)主機(jī)控制進(jìn)行平均電流編程、及利用自動(dòng)主機(jī)控制和外部控制進(jìn)行最大電流編程。在一個(gè)實(shí)施例中,將當(dāng)前所公開(kāi)的轉(zhuǎn)換器10支持的電流共享方案是所謂的“下垂”方法,由于使用如下所述的轉(zhuǎn)換器輸出的向下傾斜輸出特性而這樣命名。
[0018]圖2是數(shù)字DC/DC轉(zhuǎn)換器10的框圖。如圖所示,包括初級(jí)側(cè)MOSFET電力開(kāi)關(guān)20、隔離電力變壓器22、次級(jí)側(cè)MOSFET電力開(kāi)關(guān)24和輸出濾波器26。操作由反饋路徑電路調(diào)節(jié),反饋路徑電路包括誤差放大器28、PWM發(fā)生器30、參考發(fā)生器32和隔離耦合元件34。
[0019]應(yīng)注意,PWM發(fā)生器90位于隔離邊界的次級(jí)側(cè)。將這種布置稱(chēng)作“次級(jí)側(cè)控制”。一些傳統(tǒng)數(shù)字調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器采用初級(jí)側(cè)控制,在初級(jí)側(cè)控制中將控制電路與初級(jí)側(cè)地相連接。在這種情況下,次級(jí)側(cè)組件的任何控制信號(hào)必須穿過(guò)諸如光耦合器等隔離元件,以便保持初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的隔離。光耦合器趨于遭受較低可靠性和較差的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此,相較于這種使用初級(jí)側(cè)控制的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器,所示采用次級(jí)側(cè)控制的布置能夠展示改進(jìn)的可靠性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。此外,具有次級(jí)側(cè)控制的數(shù)字調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)最佳輸出特性的操作狀態(tài),更新操作參數(shù)(即,比例積分微分或PID參數(shù))。此外,為了良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng),可以采用非線性控制。
[0020]如上所示,轉(zhuǎn)換器10可以在較高級(jí)系統(tǒng)控制器的控制下,在該情況下,轉(zhuǎn)換器10還包括對(duì)這種單獨(dú)控制器的通信接口。這種通信接口的示例包括I2C、SPI和UART。
[0021 ] 如上所示,在一個(gè)實(shí)施例中,使用下垂電流共享方法實(shí)現(xiàn)電流共享。通過(guò)針對(duì)并行布置的每個(gè)轉(zhuǎn)換器建立稍負(fù)的輸出阻抗(輸入電壓與輸出電流的比率),來(lái)實(shí)現(xiàn)這種電流共享的方法。這與典型理想的零輸出阻抗相反(轉(zhuǎn)換器在電流范圍內(nèi)保持恒定電壓)。操作中,輸出電壓作為每個(gè)轉(zhuǎn)換器的信令機(jī)制以便調(diào)整它的輸出電流,從而影響所需共享。下垂電流共享本質(zhì)上強(qiáng)制并行的電源或轉(zhuǎn)換器以所需平衡方式在它們之間共享負(fù)載電流。通過(guò)允許每個(gè)并行電源的輸出電壓隨著增加負(fù)載電流而下降(“下垂”)來(lái)進(jìn)行工作。
[0022]圖3示出了簡(jiǎn)化電路模型,作為用于描述對(duì)下垂電流共享的操作的參考。將每個(gè)轉(zhuǎn)換器建模為與下垂電阻Rdrajp串聯(lián)的相應(yīng)電壓源Vm(在該簡(jiǎn)單的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器示例中,X =^^引起相應(yīng)電流匕。負(fù)載處的電壓和電流是Vltjad和I。。
[0023]圖4是針對(duì)圖3模型中兩個(gè)不同轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V。對(duì)負(fù)載1特性的曲線,用序數(shù)I和2標(biāo)識(shí)。還示出了以下討論的設(shè)定點(diǎn)電壓Vset。線40示出了轉(zhuǎn)換器的不同特性導(dǎo)致它們不均等地共享負(fù)載電流1。( = 1i+102)。
[0024]為了分析,將稱(chēng)作每個(gè)源的“設(shè)定點(diǎn)精度”的值定義為+/_KV。此外,將每個(gè)源和負(fù)載之間的有效下垂阻抗定義為Rdrajp兩個(gè)源的可允許負(fù)載貢獻(xiàn)差值為+/_Ki。基于圖3的模型并假定不同源之間的最差情況差值,以下等式成立:
【權(quán)利要求】
1.一種操作調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器的方法,所述電力轉(zhuǎn)換器在不同操作條件下產(chǎn)生具有相應(yīng)不同的第一和第二調(diào)節(jié)輸出值的轉(zhuǎn)換器輸出,操作采用調(diào)節(jié)反饋回路的調(diào)節(jié)參考值,轉(zhuǎn)換器輸出響應(yīng)于轉(zhuǎn)變窗口中觸發(fā)信號(hào)在第一和第二觸發(fā)值之間的轉(zhuǎn)變,相應(yīng)地在第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間轉(zhuǎn)變,所述方法包括: 基于轉(zhuǎn)變幅度、轉(zhuǎn)變間隔和階梯的數(shù)目的相應(yīng)值來(lái)定義轉(zhuǎn)變階梯函數(shù),其中轉(zhuǎn)變幅度是第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間的差值,轉(zhuǎn)變間隔是第一和第二觸發(fā)值之間的差值,轉(zhuǎn)變階梯函數(shù)基于第一和第二觸發(fā)值之間觸發(fā)信號(hào)的值范圍來(lái)產(chǎn)生階梯狀轉(zhuǎn)變信號(hào);以及 在利用在轉(zhuǎn)變窗口內(nèi)具有值的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行操作期間,在調(diào)節(jié)參考值中包括階梯狀轉(zhuǎn)變信號(hào),以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器輸出在第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間的階梯狀轉(zhuǎn)變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述觸發(fā)信號(hào)是與調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器的輸入電壓成比例的信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其中所述與輸入電壓成比例的信號(hào)是表示調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器的操作占空比的信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,還包括:使用由表示占空比的信號(hào)發(fā)起的時(shí)間窗口,使得在時(shí)間上階梯化轉(zhuǎn)換器輸出的轉(zhuǎn)變,其中當(dāng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器響應(yīng)于輸入電壓的改變而檢測(cè)到占空比跳脫點(diǎn)時(shí),通過(guò)操作設(shè)定點(diǎn)在時(shí)間上的階梯化轉(zhuǎn)變來(lái)進(jìn)行響應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中階梯化轉(zhuǎn)變之前的初始反應(yīng)動(dòng)作是占空比沿與階梯化轉(zhuǎn)變方向相反方向的短暫遞增變化,短暫遞增變化使得源自調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器的電流的改變足以被與所述調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器并行布置的其它電力轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到,從而引起所有電力轉(zhuǎn)換器將它們的相應(yīng)輸出轉(zhuǎn)變到設(shè)定點(diǎn)值中具有最小歪斜的新調(diào)節(jié)點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其中所述占空比跳脫點(diǎn)是當(dāng)占空比響應(yīng)于輸入電壓的降低而增加時(shí)遇到的最大占空比,其中初始反應(yīng)動(dòng)作在設(shè)定點(diǎn)降至較小值之前將設(shè)定點(diǎn)移至較高值,以便在新降低的設(shè)定點(diǎn)處建立調(diào)節(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其中所述占空比跳脫點(diǎn)是當(dāng)占空比響應(yīng)于輸入電壓的增加而降低時(shí)遇到的最小占空比,其中初始反應(yīng)動(dòng)作在將設(shè)定點(diǎn)升高至較高值之前將設(shè)定點(diǎn)移至較低值,以便在新升高的設(shè)定點(diǎn)處建立調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,作為通過(guò)利用可用占空比的較大部分來(lái)最小化電力損耗的方案的一部分而被執(zhí)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器采用可編程的數(shù)字控制器,并且觸發(fā)信號(hào)是由所述可編程的數(shù)字控制器執(zhí)行的觸發(fā)算法的輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其中所述觸發(fā)算法響應(yīng)于在確定何時(shí)在第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間轉(zhuǎn)變時(shí)的多個(gè)操作變量來(lái)進(jìn)行操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其中所述觸發(fā)算法采用尋找算法,引起調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器以離散調(diào)節(jié)階梯自動(dòng)移至新設(shè)定點(diǎn),以便基于測(cè)量到的操作參數(shù)找到最優(yōu)操作點(diǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法,其中所述尋找算法包括下垂定位算法,以便在調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的負(fù)載線上找到期望操作點(diǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法,其中期望操作點(diǎn)是以下之一:(a)遠(yuǎn)離電流限制點(diǎn)的較低輸出電流緩解點(diǎn);(b)當(dāng)以并行布置操作調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)的期望電流平衡點(diǎn),其中若非下垂定位算法的效果,并行布置的不同電力轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)輸入電壓標(biāo)稱(chēng)相等,但彼此充分偏移從而引起電流失衡。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)下垂輸出特性,以便能夠與采用下垂電流共享的并行布置的其他電力轉(zhuǎn)換器一起使用。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法,其中所述調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器還實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器輸出處的基于輸入電壓的可變輸出電壓,以便進(jìn)行有效操作,并且觸發(fā)信號(hào)是與輸入電壓成比例的信號(hào),以便基于輸入電壓的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器輸出在第一和第二調(diào)節(jié)輸出值之間的相應(yīng)階梯狀轉(zhuǎn)變。
【文檔編號(hào)】H02M3/157GK104167920SQ201410205307
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月15日
【發(fā)明者】馬克·朱徹斯, 馬克·馬塞拉 申請(qǐng)人:百富(澳門(mén)離岸商業(yè)服務(wù))有限公司