提供不间断电源的引入负载开关的容错电源的制作方法

提供不间断电源的引入负载开关的容错电源的制作方法
【专利摘要】一种容错电源系统包括至少一个负载开关，当负载开关接通时，利用主开关，将输入电压连接到负载开关电路的输出节点，以及至少一个电源通道，耦合到负载开关上，以接收输入电压。将电源通道配置成降压转换器，包括至少一个高端电源开关和一个低端电源开关。容错电源系统用于测量流经负载开关电路主开关的电流，以确定流经负载开关电路主开关的电流已超过电流限制阈值，并且根据流经主开关的电流已超过电流限制阈值的确定结果，禁用负载开关电路主开关和电源通道的低端电源开关。
【专利说明】提供不间断电源的引入负载开关的容错电源

【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及电源管理系统，更确切地说，是设计一种能够提供不间断电源供 应的并还引入了负载开关的容错电源。
[0002] 发明背景
[0003] 许多电子系统，例如服务器或微服务器，都需要可靠的不间断电源。在提供不间断 电源的电源系统中，备用或冗余电源与主电源总线并联安装。图1表示一种传统的电源系 统，其中冗余电源与主电源线并联耦合。参见图1，电源系统1包括主电源线2和冗余电源 3。 通常利用"或（OR'ing)"的方法，并联安装冗余电源3,表示为或电路（OR'ing circuit) 4。 备用冗余电源3在大多数情况下，都是保持休眠和待机状态，只有当作为干线的主电源 线2发生计划外停机或进行维修服务时，备用冗余电源3才开始工作。冗余电源3的作用 是当主电源线2发生故障时，冗余电源3立即接通，从而为终端用户提供不间断操作或服 务。一般来说，冗余电源3可以标记或通知系统它已被使用，从而可以在更方便地维护或服 务作为干线的主电源线2。
[0004] 利用传统的二极管方法，可以通过或将冗余电源并联安装到干线上，当没有任何 故障时，提供阻断机制。然而，发生故障时，尤其是当电源系统在高电流水平时，例如电信设 备中的微服务器和其他硬件中常用的电流水平(远高于80A)，整个二极管的压降会导致极 大的功率损耗。
[0005] 利用M0SFET开关，只需很低的导通状态电阻，就能完成冗余电源的或。使用或电 路的M0SFET开关，需要精确的时间和程序管理的很好的控制和检测电路。M0SFET的或体系 具有较低的功率损耗，并且在发生"备份"情况时可提高效率，但是在万一发生次要(冗余） 线的输入电压失败和降低时，由于M0SFET开关允许双向传导，会产生反向电流，这是不利 的。虽然M0SFET开关与背靠背体二极管串联是防止发生反向电流的一种可选方案，但这需 要定时电路精确的排序。
[0006] 除了消耗成品电路板的空间，主要处于非活动状态的冗余系统的成本和空间之 夕卜，冗余电源和或电路还增加了系统成本。数据中心和电信基础设施应用的目标是较低的 服务器配置文件、更紧凑的机架空间、较高的功率密度设计和较低的成本。要求包含冗余 线，会增加电源系统的复杂性，作为用于故障检测电路的智能控制器，用于限流的电流检测 能力、反向电流探测器，形成用于精确计时的家政电路之前断路，及其他上述电路配件需要 引入到冗余电源系统中。冗余电源的复杂性增加了系统成本，占用了宝贵的PC板成品电路 板空间。


【发明内容】

[0007] 在本发明的一种容错电源系统中，其中，该电源系统接收输入电压，在输出电压节 点上产生输出电压，该电源系统包括：一个或多个负载开关电路，每个负载开关电路都有一 个耦合到输入电压的主开关输入节点和一个主开关输出节点，当负载开关电路接通时，负 载开关电路在主开关输出节点提供输入电压，当负载开关电路断开时，负载开关电路使输 入电压断开与主开关输出节点的连接；以及多个电源通道，每个电源通道都有一个耦合到 一个负载开关电路的输出节点上的输入端，以及一个耦合到电源系统的输出电压节点上的 输出端，每个电源系统都包括一个驱动电路、一个高端电源开关和一个与高端电源开关串 联的低端电源开关，以及一个输出电感器，电源通道和输出电容器连接在输出电压节点和 地电压之间，构成一个降压转换器，其中一个或多个负载开关电路的每个负载开关电路还 包括一个电流检测电路，以测量主开关中的电流，配置电流检测电路的目的是，当主开关中 的电流具有超过电流限制阈值的峰值电流时，产生具有第一态的第一输出信号，耦合第一 输出信号，根据具有第一态的第一输出信号，断开主开关，第一输出信号还f禹合到与负载开 关电路相关的电源通道的驱动电路上，根据具有第一态的第一输出信号，使低端电源开关 断开。
[0008] 上述的容错电源系统，其中，一个或多个负载开关电路中的每个负载开关电路都 有一个主开关输出节点，耦合到一个或多个电源通道的输入端。
[0009] 上述的容错电源系统，其中，在每个负载开关电路中都配置电流检测电路，测量主 开关输出节点处的电流，作为主开关中的电流。
[0010] 上述的容错电源系统，其中，在每个负载开关电路中都配置电流检测电路，测量主 开关输入节点和主开关输出节点处的电流，作为主开关中的电流。
[0011] 上述的容错电源系统，其中，每个负载开关电路还包括：一个主开关，具有耦合到 输入电压的主开关输入节点，和具有主开关输出节点和一个控制端；以及一个开关断开电 路，用于接收第一输出信号，驱动主开关的控制端，开关断开电路用于根据具有第一态的第 一输出信号，断开主开关。
[0012] 上述的容错电源系统，其中，开关断开电路包括一个驱动器，可以在避免对电源系 统造成损坏的时间内断开主开关。
[0013] 上述的容错电源系统，其中，开关断开电路包括一个驱动器，可以在纳秒级的时间 内，断开主开关。
[0014] 上述的容错电源系统，其中，主开关包括一个第一 NM0S晶体管，其漏极端作为主 开关输入节点，源极端作为主开关输出节点，栅极端作为控制端，该负载开关电路还包括： 一个电荷泵浦电路，用于当第一NM0S晶体管接通时，将第一 NM0S晶体管的栅极端驱动到高 于第一 NM0S晶体管的漏极和源极端处的电压值。
[0015] 上述的容错电源系统，其中，开关断开电路的驱动器包括一个第二NM0S晶体管， 用于拉低主开关的控制端，根据具有第一态的第一输出信号，断开主开关。
[0016] 上述的容错电源系统，其中，输出电容器包括一个耦合到输出电压节点的一个单 独的输出电容器。
[0017] 上述的容错电源系统，其中，每个负载开关电路中的电流检测电路包括：一个耦合 到主开关上的电流传感放大器，用于测量流经主开关输入节点和主开关输出节点的电流， 电路传感放大器用于产生输出信号，输出信号表示测得的电流值，以及一个比较器，用于比 较电流传感放大器的输出信号与电流限制阈值，根据电流传感放大器的输出信号超过电流 限制阈值时，比较器产生具有第一态的第一输出信号。
[0018] 上述的容错电源系统，其中，第一输出信号包括一个高有源信号，第一态包括一个 逻辑高态，每个负载开关电路还包括：一个漏极开路的NM0S晶体管，其栅极端耦合到第一 输出信号，源极端耦合到地电压，漏极端提供第二输出信号，第二输出信号耦合到与负载开 关电路关联的驱动电路上，根据具有第一态的第一输出信号，至少断开低端电源开关。
[0019] 上述的容错电源系统，其中，第一输出信号耦合到与负载开关电路有关的电源通 道的驱动电路上，根据具有第一态的第一输出信号，断开高端电源开关和低端电源开关。
[0020] 上述的容错电源系统，其中，高端电源开关和低端电源开关包括M0S晶体管。
[0021] 上述的容错电源系统，其中，还包括：一个多相位控制器，用于为多个电源通道产 生控制信号，控制电源通道的循环周期。
[0022] 在本发明提供的一种电源系统中的方法中，如在系统中提供不间断电源的方法， 其中，电源系统接收输入电压，并且在输出电压节点上产生输出电压，电源系统包括至少一 个负载开关电路，用于当负载开关电路接通时，通过一个主开关将输入电压连接到负载开 关电路的输出节点，并且至少一个电源通道耦合到负载开关电路，以接收输入电压，将电源 通道配置成降压转换器，并且包括至少一个高端电源开关和一个低端电源开关，该方法包 括：测量流经负载开关电路的主开关的电流；确定流经负载开关电路的主开关的电流已经 超过了电流限制阈值；并且根据确定结果，禁用负载开关电路的主开关以及电源通道的低 端电源开关。
[0023] 上述的方法，其中，禁用负载开关电路的主开关包括：根据确定结果，断开主开关， 使输入电压断开与负载开关电路的输出节点的连接。
[0024] 上述的方法，其中，根据确定结果断开主开关包括：根据确定结果，在避免对电源 系统造成损坏的时间内断开主开关。
[0025] 上述的方法，其中，根据确定结果断开主开关包括：根据确定结果，在纳秒级的时 间内断开主开关。
[0026]附图的简要i兑明
[0027] 以下的详细说明及附图提出了本发明的各个实施例。
[0028] 图1表示一种传统的电源系统，其中冗余电源并联耦合到主电源线上。
[0029] 图2表示一种传统的主电源线示意图。
[0030] 图3表示在本发明的实施例中，容错电源系统的示意图。
[0031] 图4表示在本发明的实施例中，耦合到一对电源通道上的智能负载开关电路的详 细结构示意图。
[0032] 图5表示在本发明的实施例中，耦合到一对电源通道上的智能负载开关电路的电 路结构不意图。
[0033] 图6表示在本发明的一个示例中，耦合到一对电源通道上的智能负载开关电路的 时序图。
[0034] 图7表不在本发明的实施例中，一种快速起效的负载开关的不意图。
[0035] 详细说明
[0036] 本发明可以以各种方式实现，包括作为一个工艺；一种装置；一个系统；和/或一 种物质合成物。在本说明书中，这些实现方式或本发明可能采用的任意一种其他方式，都可 以称为技术。一般来说，可以在本发明的范围内变换所述工艺步骤的顺序。
[0037] 本发明的一个或多个实施例的详细说明以及附图解释了本发明的原理。虽然，本 发明与这些实施例一起提出，但是本发明的范围并不局限于任何实施例。本发明的范围仅 由权利要求书限定，本发明包含多种可选方案、修正以及等效方案。在以下说明中，所提出 的各种具体细节用于全面理解本发明。这些细节用于解释说明，无需这些详细细节中的部 分细节或全部细节，依据权利要求书，就可以实现本发明。为了简便，本发明相关【技术领域】 中众所周知的技术材料并没有详细说明，以免对本发明产生不必要的混淆。
[0038] 在本发明的实施例中，容错电源系统引入了一个带有电流检测的智能负载开关电 路，以检测有问题的电源通道，并断开它与电源系统的连接，使电源系统可以继续工作，为 输出端提供不间断电源。在某些实施例中，智能负载开关电路用于在负载开关处检测大电 流浪涌，当电流超过检测的指定阈值时，断开负载开关，使输入电压源不再对有问题的电源 通道供电。同时，电源系统剩余的电源通道继续运行，产生输出电压。电源系统的多相位控 制器监控输出电压，利用剩余的功能性电源通道，调节其电源操作。
[0039] 图2表示一种传统的主电源线示意图。参见图2,主电源线10接收输入直流电压 VIN (节点11)，并产生输出电压￥_ (节点22)。主电源线10通常含有多个电源通道(通道1 至通道N)。电源通道在不同的相位工作，由多相位脉冲宽度调制（PWM)控制器12控制。每 个电源通道都包括一个控制电路14,接收来自控制器12的PWM控制信号。每个电源通道还 包括驱动电路18,驱动一对M0S开关S1和S2,作为高端开关和低端开关。控制电路14产 生用于驱动电路18的栅极驱动信号，驱动M0S开关S1和S2。开关S1和S2之间的公共节 点15耦合到电感器L1上。全部电源通道的电感器的输出节点（节点22)都接合在一起，并 耦合到输出电容器。上，产生输出电压V TOT。电源通道作为降压转换器。我们已知降压转 换器工作，在节点15处产生开关信号，可以推广至以下内容。降压转换器包括一对电源开 关S1和S2,接通和断开电源开关S1和S2,产生等于参考电压的输出电压。更确切地说，还 可选择接通和断开电源开关，在公共节点（也称为开关输出节点）处产生开关输出电压。开 关输出节点f禹合到LC滤波电路上，LC滤波电路包括一个输出电感器和输出电容器，产生相 同幅值的输出电压。然后，利用输出电压驱动负载。
[0040] 确切地说，接通高端电源开关，将电源加载到输出滤波电路的输出电感器上，使流 经电感器的电流增大。当断开高端电源开关时，电感器上的电压反转，此时流经电感器的电 流降低。因此，电感器电流在额定输出电流以上和以下脉动起伏。通过输出电容器维持相 对稳定的输出电压。接通和断开低端电源开关，进行同步控制操作。
[0041] 主电源线10的公共故障模式是高端电源开关S1的短路条件。然而，当一个电源 通道中只有一个电源开关禁用时，整个主电源线都降低，冗余电源将上线提供电源，直到可 以进行主电源线修复时为止。
[0042] 在本发明的实施例中，容错电源系统提供不间断的连续电流，无需冗余或备用电 源系统。当省去冗余电源系统时，或电路及相关的控制电路也可以省去。因此，本发明所述 的冗余电源系统可用于提供不间断电源，同时降低了系统成本，减少了所占面积。重要的 是，大多数情况下，冗余电源都处于休眠状态，容错电源系统消除了这种低效率情况。
[0043] 图3表示在本发明的实施例中，一种容错电源系统的示意图。参见图3,在本说明 中，当主电源线接收输入电压V IN (节点51)并提供输出电压VTOT (节点62)时，可使用容错 电源系统50("电源系统50")。输入电压VIN可通过输入电容器C IN滤波，CIN连接在节点51 和接地端GND间。在输入电压节点处使用输入电容器C IN是可选的，在本发明的其他实施例 中可以省略。容错电源系统50包括N个电源通道，每个电源通道都配置成降压转换器，含 有一个驱动电路，驱动高端电源开关和低端电源开关。在本实施例中，高端和低端电源开关 都利用MOS晶体管配置，有时也称为"高端MOS开关"或"低端MOS开关"。在本说明中，驱 动高端MOS开关和低端MOS开关的驱动电路组合有时也称为栅极驱动器/MOS开关电路，或 简称为"驱动器/MOS电路"。在某些应用中，驱动器/MOS电路也作为单片集成电路。此外， 在某些实施例中，低端MOS开关和高端MOS开关为NMOS晶体管。
[0044] 已知降压转换器的运行情况，可概况如下。降压转换器包括一对电源开关S1 (高 端M0S开关)和S2 (低端M0S开关）串联。输入电压VIN耦合到高端M0S开关S1的漏极端。 接通和断开电源开关S1和S2,产生等于参考电压的输出电压V OTT。更确切地说，可以交替 接通和断开电源开关，在公共节点（也称为开关输出节点）处产生开关输出电压。开关输出 节点耦合到LC滤波电路上，LC滤波电路包括一个输出电感器和一个输出电容器，产生具有 相同幅值的输出电压。然后，利用输出电压驱动负载。在本说明中，图中只表示出了降压转 换器中与本发明有关的一部分电路元件。应理解，电源系统和降压转换器还包括图中没有 表示出的其他电路元件或其他控制电路，以促进电源系统和每个电源通道中降压转换器的 正常运行。
[0045] 在电源系统50中，电源通道在不同的相位中工作，并且由多相位控制器52控制， 在某些实施例中，多相位控制器52可以是多相PWM控制器。多相位控制器52产生控制信 号53,例如PWM控制信号，耦合到每个电源通道上，控制每个电源通道的工作周期。在某些 实施例中，电源通道具有相同或不同的额定电流。电源通道汇总至公共输出电压节点62,产 生输出电压，输出电压V TOT在负载电流的范围内具有基本恒定的幅值。当输出需要较高 的电流时，多相位控制器52调节PWM控制信号53的工作周期，使全部电源通道均匀地促进 输出。在某些情况下，控制器52采用热和电流平衡性能，控制器给比其他温度更低的相位 或通道重新分配电流分担任务。在一个实施例中，容错电源系统0包括8个电源通道。每 个电源通道都为输出电压节点62提供20-30A。输入电压V IN可以为12V至24V，输出电压 VQUT可以为1. 2V至5V。
[0046] 在本发明的实施例中，容错电源系统50包括一组智能负载开关55,连接到电源通 道上。在本实施例中，每个负载开关55都连接到一对电源通道56(也称为"电源通道对")。 确切地说，电源通道对56包括两个并联的电源通道，每个电源通道都至少包括驱动电路、 高端M0S开关、低端M0S开关和输出电感器。在本实施例中，每个负载开关55都耦合到两 个电源通道上，构成电源通道区54。在其他实施例中，负载开关可以耦合到一个单独的电源 通道上，或耦合到两个或多个电源通道上。此外，在本实施例中，负载开关55配置成快速断 开负载开关（Fast turn-off load switch, FLSW)，引入快速开关断开电路，触发时，促进负 载开关的快速断开。
[0047] 在本实施例中，负载开关55串联在输入电压VIN (节点51)和电源通道对56之间， 确切地说，是连接到每个电源通道中降压转换器的输入电压节点。运行时，接通负载开关5， 将输入电压V IN耦合到电源通道的高端M0S开关的漏极端。每个电源通道都产生一个开关 输出电压，由各自电源通道处的电感器和输出电压节点62处的输出电容器〇) υτ滤波，〇)υτ连 接在节点62和接地端GND间。在本实施例中，电源通道的输出节点在输出电压节点62处， 共同连接到公共输出电容器C TOT上。在其他实施例中，每个电源通道或一组电源通道都带 有一个单独的输出电容器。在输出电压节点62处的输出电容器〇) υτ的具体配置，对于实施 本发明来说并不重要。
[0048] 依据本发明的实施例，电源系统50配有智能负载开关电路。更确切地说，与一个 或多个电源通道有关的负载开关电路引入了容错能力，当检测到故障时，产生容错信号，用 于断开低端M0S开关以及与负载开关电路。多数情况下，电源系统50中的常见故障是在高 端M0S开关处发生短路。当高端M0S开关短路时，形成从输入电压V IN到接地端的直接通 路，当低端M0S开关接通时，电源开关上产生过量的电流。过量的电流会对M0S开关电路产 生不可逆的损坏。依据本发明的实施例，每个电源通道中的栅极驱动器/M0S开关电路在低 端M0S开关处检测过电流情况，并且断开与电源通道有关的低端M0S开关和负载开关电路， 防止更大的电流。
[0049] 在一个实施例中，检测到过电流情况时，负载开关电路55产生故障信号，利用故 障信号，快速断开负载开关，使浪涌电流终止。负载开关电路还产生一个故障标志信号。故 障标志信号耦合到驱动器/M0S电路上，作为禁用(节点57)信号，使低端M0S开关禁用或断 开。在本实施例中，当利用负载开关电路处的故障检测，打开或断开负载开关时，一对电源 通道也会禁用。
[0050] 断开负载开关55时，由于驱动器/M0S电路的故障检测，使一个或多个电源通道禁 用，则多相位控制器52调节用于其他电源通道的PWM信号53的工作周期，从而维持所需的 输出电压V TOT。在这种情况下，为输出电压节点62提供不间断的输出电压和电流。更重要 的是，电源系统50可以提供不间断电源，无需传统结构中的冗余电源系统。
[0051] 图4表示在本发明的实施例中，耦合到负载开关上的每个电源通道中的智能栅极 驱动器/M0S开关的具体结构示意图。参见图4,电源通道区54包括一个耦合到电源通道 对56上的负载开关55。负载开关55将输入电压V IN (节点51)连接到每个电源通道中M0S 开关的输入电压节点。电源通道的输入电压节点通常是高端M0S开关的漏极端。更确切地 说，负载开关55包括一个主开关S10, S10的输入节点IN连接到电源通道对56的电源通 道的输入电压VIN (节点51)，S10的输出节点OUT连接到输入电压节点（节点58)。当主开 关S10闭合时，电源通道对56中的电源通道连接到输入电压V IN。当主开关S10断开时，电 源通道不再连接到输入电压VIN。在开关控制电路64的控制下，驱动器61驱动主开关S10。 配置开关控制电路64,根据电源系统50的控制信号，接通或断开主开关S10。在本实施例 中，负载开关55为快速起效的负载开关，触发时可以迅速断开。为此，负载开关55包括一 个快速开关断开电路66,触发时，快速断开主开关S10。
[0052] 在本发明的实施例中，负载开关电路55还包括一个电流检测电路67,用于检测负 载开关电路处的过电流情况。确切地说，电流检测电路67检测负载开关电路的主开关S10 中的电流。在一个实施例中，电流检测电路67探测主开关S10的输出节点OUT处的电流。 例如，电流检测电路67会接收传感电路I SNS(节点68)，ISNS表示主开关S10的OUT节点处的 电流。在一个可选实施例中，电流检测电路67探测流经主开关S10的电流，该电流流经主 开关S10的输入节点IN和输出节点OUT。电流检测电路67产生一个故障信号(节点65)， 当流经主开关S10的电流超过指定阈值时，故障信号有效。故障信号(节点65)耦合到快速 切换断开电路66上，以便激活开关断开电路，根据检测到的过电流情况，快速断开主开关 S10。确切地说，当故障信号(节点65)触发时，快速开关断开电路66快速打开或断开主开 关S10,以便中断主开关S10的输入节点IN和输出节点OUT之间的连接。因此，电源通道的 输入电压节点58不再连接到输入电压VIN(节点51)。进一步配置电流检测电路67,产生故 障标志信号(节点57)耦合到驱动器/MOS电路60上，作为禁用信号，断开电源通道的低端 MOS开关，这将在下文中详细介绍。
[0053] 在电源通道对56中，每个电源通道都包括一个智能栅极驱动器/M0S开关电路60 和一个电感器L1。这对电源通道的输出节点耦合到输出电压节点62,输出电容器C TOT也耦 合到输出电压节点62上。在特定的工作周期下，电源通道对56中的电源通道在来自多相 位控制器52的PWM控制信号53的控制下运行。启动信号（EN)启动每个电源通道对56中 的驱动器/M0S电路60。依据本发明的实施例，智能负载开关电路55产生一个故障标志信 号，用作禁用信号（DEN)(节点57)，耦合到驱动器/M0S电路60的启动信号端。当电流浪涌 时，或电流超过特定阈值时，会在负载开关电路处检测到，智能负载开关电路55至少断开 驱动器/M0S电路的低端M0S开关，并且/或者将低端M0S开关切换到三态模式（Tri-state mode)。在一些实施例中，禁用信号DEN (节点57)耦合到驱动器/MOS电路60上，断开高端 M0S开关和低端M0S开关，并且/或者将高端和低端M0S开关置于三态模式。
[0054] 因此，负载开关电路55将有问题的电源通道断开与电源系统的连接，从而使电源 系统可以继续运行，利用剩余的电源通道，为输出电压节点提供不间断电源。在这种情况 下，当系统的电源通道出现故障时，本发明所述的电源系统50实现了容错设计，使电源系 统可以继续运行，而不是彻底瘫痪。
[0055] 在本发明的实施例中，容错电源系统50中的电源通道作为可互换零件，可以热插 拔，因此可以在其余电源通道继续正常运行时，替换有故障的电源通道。在某些实施例中， 电源通道的驱动器/M0S电路形成一个可热插拔模块。当有故障的高端M0S开关导致电源 通道禁用时(例如短接的高端M0S开关)，可以在其余的电源通道为输出电压节点提供所需 电源的同时，替换掉驱动器/M0S电路模块。电源系统50在继续正常运行的同时，有故障的 驱动器/M0S电路被替换掉。在替换上的电源通道重新通电启动之前，替换上的驱动器/M0S 电路模块安装后即可通电(例如通过软启动操作）至工作电压。电源系统50的多相位控制 器52监控输出电压VTOT，并且调节为每个电源通道提供的PWM信号的相位，以产生所需的输 出电压值。
[0056] 在一些实施例中，智能负载开关电路产生一个故障标志信号，作为电源系统的输 出信号，故障标志用于警告故障电源通道的电源系统的操作员。
[0057] 图5表示在本发明的实施例中，智能负载开关电路耦合到一对电源通道上的电路 结构图。在本实施例中，每个电源通道都配置成降压转换器。电源通道对中的电源通道都 按相同的方式配置，一个电源通道的说明也适用于其他的电源通道。参见图5,电源通道区 54包括一个负载开关55,耦合到一对电源通道56a、56b上。
[0058] 在本实施例中，负载开关电路55的配置方式与图4所示的负载开关电路相同，负 载开关电路55的说明在此不再重复。简言之，负载开关55连接或断开输入电压V IN (节点 51)到电源通道56a、56b的输入电压节点58的连接。在图5所示的实施例中，电流检测电 路67探测穿过主开关S10的输入节点IN和输出节点OUT的电流，以测量流经主开关S10 的电流。在其他实施例中，电流检测电路67可以传感到主开关S10的输出节点OUT处的电 流，如图4所示。
[0059] 在本实施例中，电源通道56a (或56b)包括一个驱动器/M0S电路60a (或60b), 以及配置为降压转换器的电感器L1。电源通道56a连接到输出电容器COTT的输出电压节点 62。输出电容器通常是全部电源通道或一组电源通道共享的公共输出电容器。驱动器 /MOS电路60a含有一个驱动电路（图中没有表示出），接收PWM控制信号PWM1以及电源通道 的启动信号。驱动电路为高端栅极驱动器74和低端栅极驱动器75产生控制信号。高端栅 极驱动器74用于驱动高端MOS开关S1的栅极，而低端栅极驱动器75用于驱动低端MOS开 关S2的栅极，S1、S2串接在输入电压节点58和接地端GND之间。高端MOS开关S1和低端 MOS开关S2之间的公共节点80切换输出节点80,并且耦合到电感器L1的一个端口。电感 器L1的其他端口也耦合到公共输出电压节点62上，用于电源系统50。输出电容器C QUT，可 以是一个或多个或全部电源通道的公共输出电容器，也耦合到输出电压节点62上。驱动器 /MOS电路60a中的控制电路(例如驱动电路）在本领域中，可能还有其他的电路布局。
[0060] 在降压转换器中，高端M0S开关S1和低端M0S开关S2由高端栅极驱动器74和低 端栅极驱动器75,以至于一次仅接通一个M0S开关，避免两个M0S开关同时接通。因此正常 运行时，输入电压VIN (节点58)和接地端之间没有直接的电流通路。然而，当高端M0S开关 S1短路时，产生很大的浪涌电流，当低端M0S开关S2接通时，从输入电压VIN到接地端形成 直接的电流通路。因此，当高端M0S开关S1短路时，发生很大的浪涌电流，当高端M0S开关 S1断开时，低端M0S开关S2接通。本发明所述的智能负载开关电路感应到负载开关电路处 的浪涌电流，检测电源通道处的故障情况，启动过电流保护操作。
[0061] 传统的电源系统有时米用传统的负载开关与输入电压串联。在某些情况下，发生 短路时，负载开关会承受很大的电流，终端导致系统严重受损。一些传统的负载开关含有限 流功能，可以报警并触发关机功能，但是关闭负载开关的过程(或"打开"开关）通常需要相 当长一段时间才能完成，例如上百微秒。响应限流事件，打开负载开关的时间内，可能电源 系统已经不可挽回地损坏了。
[0062] 一些传统的负载开关设计有电流钳位功能，负载开关的内部控制网络触发一个不 能超过的固定的最大电流水平，以防止对系统造成进一步的损坏。然而，由于电流钳位功能 将破坏输出电压，因此电流钳位负载开关不能用于多相位/多通道电源系统。
[0063] 在本发明的实施例中，容错电源系统引入具有过电流检测和快速断开功能的智能 负载开关电路。在一个实施例中，负载开关具有在纳秒范围内的整体断开时间，例如大约 100毫微秒(在温度变化范围内）。断开时间是指从检测到故障开始，到负载开关完全断开 的时间。一般来说，本发明所述的电源系统中引入的负载开关具有足够短的整体断开时间， 避免形成峰值电流，使电源系统的零部件超过它们的热极限。换言之，负载开关可以快速响 应，从而避免形成过量的峰值电流，对电源系统造成损坏。确切地说，快速方便地断开有故 障的电源通道，可以减轻和尽量减少由沿降压转换器旁边寄居的寄生电感和电容产生的峰 值电流积聚，负载电流积聚可能损坏其他电源通道和电源系统的其他电路。
[0064] 参见图5,智能负载开关电路55探测负载开关电路的主开关处的电流，例如通过 测量主开关S10的输出节点OUT处的电流水平，或测量流经主开关S10的输入和输出节点 (IN和OUT)的电流。当主开关S10处的传感电流超过过电流限制阈值时(也就是检测到过 电流状态时)，电流检测电路67产生一个故障信号（节点65)到快速开关断开电路66,以断 开主开关S10,从而断开负载开关电路55。在负载开关电路55中，开关控制电路64用于接 通主开关S10,例如在软启动时。由于负载开关中的主开关S10是一个大型器件，因此快速 开关断开电路66含有一个可以快速断开负载开关的大型驱动器。在一个实施例中，快速 开关断开电路66含有一个有源下拉装置。在一些实施例中，快速开关断开电路66是一个 NMOS晶体管，用于拉低主开关S10的栅极，以断开负载开关。快速开关断开电路66能够在 对电源系统造成不可挽回的损坏之前，快速断开负载开关。
[0065] 同时，故障信号（Fault signal)也稱合在负载开关电路55外部，作为故障标志信 号（Fault flag signal)。在一个实施例中，故障信号(节点65)是高有源信号（Active high signal),负载开关电路55产生一个故障标志信号(节点57)，故障标志信号(节点57)为低 有源信号（Active low signal)。也就是说，故障标志信号具有逻辑低态，用于显示故障或 过电流情况。故障标志信号(节点57)耦合到驱动器/M0S电路60上，作为启动信号。故障 标志信号（节点57)用作驱动器禁用信号（Disable或DEN)，断开驱动器/M0S电路60中的 高端M0S开关和低端M0S开关，将M0S开关置于三态模式。禁用信号还用于使驱动器/M0S 电路或电源通道中的其他电路禁用。
[0066] 在这种情况下，当电源通道的高端M0S开关S1处发生短路时，智能负载开关电路 55探测浪涌电流，当低端M0S开关接通时，可以快速断开负载开关电路，避免损坏电源系统 的其他部分。在一个实施例中，过电流检测、故障识别和负载开关断开操作都可以在很短的 时间内（例如100毫微秒以内）配置。
[0067] 图6表示本发明示例中的智能负载开关电路运行情况的时序图。参见图6,曲线 102表示过电流限制阈值，曲线104表示检测到的电压值，用于指示流经负载开关电路的主 开关S10的电流。曲线106表示根据过电流情况，产生的故障信号，在本实施例中，故障信 号为高有源信号。曲线108表示负载开关电路的主开关S10的栅极信号。曲线110表示负 载开关的接通或断开状态。曲线112表示负载开关的OUT节点。
[0068] 正常运行时，故障信号禁用，因此处于逻辑低水平。负载开关电路的主开关S10上 的栅极信号有效，接通主开关S10 (曲线108)，将输入电压VIN连接到驱动器/M0S电路。接 通负载开关（0N-状态）（曲线110)。通过软启动操作，接通负载开关，使输出节点OUT节点 缓慢升高至整个输入电压V IN (曲线112)。当负载开关的输出节点完全加电时，电源通道开 始工作。
[0069] 然而，当高端M0S开关处发生短路的情况下，当低端M0S开关接通时，检测到的电 压增大（曲线104)。在T1时刻，检测到的电压超过了过电流限制阈值（曲线102)。在T2时 亥IJ，由于检测到的电压超过了过电流限制阈值，智能负载开关电路的故障信号就显示为高 (曲线106)。检测到故障后，在T3时刻，故障信号使主开关S10断开。更确切地说，主开关 S10上的栅极信号在T3时刻禁用（曲线108)。由于负载开关通常是一个大型器件，必须要 一定的时间才能断开负载开关。在T4时刻，负载开关终于断开，负载开关输出信号OUT降 低，表示输入电压V IN已经与负载开关OUT节点断开连接。在本说明中，从检测到故障情况 (T1)到负载开关断开（T4)的时间约为100毫微秒，从而确保不会对电源系统造成不可 挽回的损坏。
[0070] 在本实施例中，在Τ2时刻监测到故障情况，并且故障信号有效，故障标志信号（图 中没有表示出）也会有效，至少使驱动器/M0S电路中的低端M0S开关断开。
[0071] 图7表不在本发明的实施例中，一种快速起效的负载开关电路的不意图。参见图 7,在本发明的实施例中，将NM0S晶体管Ml作为主开关，也就是作为图4和图5所示的主开 关S10,制备快速起效的负载开关电路200。此外，在本发明的实施例中，NMOS晶体管Ml的 栅极端稱合到浮动电源轨道201上，并且由电荷泵浦电路202(charge pump)驱动。当NM0S 晶体管Ml接通时，电荷泵浦电路202将NM0S晶体管Ml的栅极驱动到NM0S晶体管Ml的源 极/漏极端上方的指定电压，确保NM0S晶体管完全打开，将输入节点212 (IN)上的输入电 压VIN全部转移到输出节点214 (OUT)。也就是说，当晶体管Ml接通时，NM0S晶体管Ml的 栅极端由电荷泵浦电路202驱动到输入或输出节点212、214处的电压水平上方。例如，当输 入电压V IN为12V时，NM0S晶体管Ml作为主开关将12V转移至输出节点OUT，NM0S晶体管 Ml的栅极由电荷泵浦驱动至17V，确保NM0S晶体管Ml全部打开，将12V电压从NM0S晶体 管的漏极转移到源极端。NM0S晶体管作为负载开关电路中的主开关Ml有许多优于PM0S晶 体管主开关的地方：NM0S晶体管具有较低的导通电阻和较小的栅极电容，断开速度比PM0S 晶体管更快。
[0072] 在本实施例中，负载开关电路200包括一个快速断开电路210,作为图4和图5 中的快速开关断开电路。在一些实施例中，快速断开电路210为有源拉低器件（active pull-down device,将NM0S晶体管Ml的栅极端拉低，以断开晶体管。在一些实施例中，有 源拉低器件为大尺寸驱动器，可以快速拉低NM0S晶体管Ml的栅极端。根据负载开关电路 200的电流检测电路产生的故障信号(节点209)，表示负载开关处检测到过电流情况，故障 信号209驱动快速断开电路210。
[0073] 图7表示负载开关电路200中引入电流检测电路的一个实施例，用于检测负载 开关处的过电流情况。在本实施例中，电流检测电路包括一个电流检测放大器（Current sense amplifier, CSA) 204,其负、正输入端相对应地分别通过与主开关Ml的源极和漏极 端耦合，以检测大浪涌电流的存在，比较器206用于比较传感电压信号和阈值水平。确切地 说，电流传感放大器204检测流经M0S晶体管Ml的电流值。电流传感放大器204产生输出 电压信号V SNS，表示NM0S晶体管Ml上的传感电流值。传感电压信号VSNS耦合到比较器206 的正输入端，与稱合到比较器206的负输入端的阈值电压V。。作比较。阈值电压V。。表不电 源系统的过电流阈值极限。比较器206产生过电流检测（Over-current detect, 0CD)信号 (节点207)作为比较器输出信号。
[0074] 当传感电压信号VSNS小于阈值电压V。。时，表不NM0S晶体管主开关Ml处的电流小 于过电流阈值限制，比较器206的输出信号禁用或处于逻辑低。当主开关Ml处的电流超过 过电流阈值时，也就是说检测到过电流情况时，比较器206将过电流检测（0CD)信号(节点 207)升至逻辑高。过电流检测信号(节点207)可以耦合到故障检测和闭锁电路208上，产 生耦合到快速断开电路210上的故障信号(节点209)，以触发快速断开电路210断开NM0S 晶体管主开关Ml。故障信号(节点209)可以是高有源信号。在其他实施例中，故障检测和 闭锁电路208可以省略，比较器206的输出信号可以用作故障信号。
[0075] 同时，故障信号用于产生故障标志信号，故障标志信号用作禁用信号，至少使 驱动器/M0S电路中的低端M0S开关禁用。在本实施例中，故障标志信号为漏极开路 (Open-drain)NMOS晶体管Q1产生的低有源信号（Active low signal)。更确切地说，在负 载开关电路200中，故障信号(节点209)耦合到漏极开路NM0S晶体管Q1的栅极。Q1的源 极接低电位例如接地端GND，当故障信号(节点209)有效时，NM0S晶体管Q1接通，以拉低晶 体管Q1的漏极节点216,从而产生故障标志信号，故障标志信号为低有源信号。晶体管Q1 的漏极节点216提供故障标志信号，耦合到驱动器/MOS电路上，作为禁用信号，至少使低端 M0S开关断开。
[0076] 负载开关电路200包括其他电路元件，维持负载开关的正常工作，例如软启动控 制等。用于负载开关电路正常运行的图7所示的其他电路元件，对于本发明的实施来说不 是必须的，可以省略，或在其他实施例中可以使用其他的电路结构。在图7负载开关电路 200的这些可以忽略或替换的元件中，在示范性但非必须的电路结构中，一个电容C4连接 在浮动电源轨道201和接地端GND之间，C4和浮动电源轨道201之间的节点SS耦合到软 启动控制的输入，而软启动控制还分别耦合到浮动电源轨道201和耦合到Ml管的输出节点 OUT。一个欠压闭锁比较器UVL0的正输入端连接到浮动电源轨道201而负输入端连接一 参考电压Vref，比较后UVL0的电平结果输出给调节器和上电复位模块（LV regulator and P0R)，另外调节器和上电复位模块也耦合到Ml管的输入节点IN和电荷泵浦电路202的负 输入端，电荷泵浦电路202的正输入端则连接到Ml管的输入节点IN。一个偏置/振荡器 (Bias/Oscillator)接收启动信号EN和低压偏置单元产生的信号，并且偏置/振荡器输出 时钟信号CLK给电荷泵浦电路202,偏置/振荡器释放的复位信号给调节器和上电复位模 块。此外,一个电源电压Vcc为低压偏置单元供电，一个电容C3接在电源电压Vcc和接地 端GND之间，以及一个电阻R1连接晶体管Q1的漏极节点216和一个电源电压Vdd之间，还 可以在负载开关电路200的输出节点214 (OUT)和接地端GND之间设置一个反向偏置的二 极管，二极管的阳极连接到接地端GND。也可以利用一个过热保护器（0ΤΡ)提供过热保护信 号到故障检测和闭锁电路208。
[0077] 本发明所述的容错电源系统具有许多优势。首先，在需要不间断电源的电源系统 中省去了冗余或备用电源系统。省去备用电源系统节省了大量成本和实际空间。本发明所 述的容错电源系统在每个电源通道中引入了智能负载开关电路，利用这种容错电源系统代 替备用电源系统配置主电源线。
[0078] 第二，在每个电源通道对的输入端配置负载开关，防止干线上的整个系统故障。干 线电源系统配有断电机制，能在发生不可挽回的损坏之前，断开有故障的电源系统与其他 部分的连接。
[0079] 第三，在一些实施例中，本发明所述的容错电源系统在检测到过电流情况并且电 源不间断之后，提出了一个故障标志。该故障标志可直接作为禁用信号，使有故障的驱动器 /M0S电路禁用，以至于三态M0S开关，及其他必须禁用的子电路，并且断开负载开关。该故 障标志也用于提醒系统或故障电源通道的用户。
[0080] 最后，本发明所述的容错电源系统可以和热插拔电源通道组件一起配置，使得在 系统保持全面运行的同时维修有故障的电源系统。
[0081] 虽然为了表述清楚，以上内容对实施例进行了详细介绍，但是本发明并不局限于 上述细节。实施本发明还有许多可选方案。文中的实施例仅用于解释说明，不用于局限。
【权利要求】
1. 一种容错电源系统，其特征在于，该电源系统接收输入电压，在输出电压节点上产生 输出电压，该电源系统包括： 一个或多个负载开关电路，每个负载开关电路都有一个稱合到输入电压的主开关输入 节点和一个主开关输出节点，当负载开关电路接通时，负载开关电路在主开关输出节点提 供输入电压，当负载开关电路断开时，负载开关电路使输入电压断开与主开关输出节点的 连接；以及 多个电源通道，每个电源通道都有一个耦合到一个负载开关电路的输出节点上的输入 端，以及一个耦合到电源系统的输出电压节点上的输出端，每个电源系统都包括一个驱动 电路、一个高端电源开关和一个与高端电源开关串联的低端电源开关，以及一个输出电感 器，电源通道和输出电容器连接在输出电压节点和地电压之间，构成一个降压转换器； 其中一个或多个负载开关电路的每个负载开关电路还包括一个电流检测电路，以测量 主开关中的电流，配置电流检测电路的目的是，当主开关中的电流具有超过电流限制阈值 的峰值电流时，产生具有第一态的第一输出信号，f禹合第一输出信号，根据具有第一态的第 一输出信号，断开主开关，第一输出信号还耦合到与负载开关电路相关的电源通道的驱动 电路上，根据具有第一态的第一输出信号，使低端电源开关断开。
2. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，一个或多个负载开关电路中的每个 负载开关电路都有一个主开关输出节点，耦合到一个或多个电源通道的输入端。
3. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，在每个负载开关电路中都配置电流 检测电路，测量主开关输出节点处的电流，作为主开关中的电流。
4. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，在每个负载开关电路中都配置电流 检测电路，测量主开关输入节点和主开关输出节点处的电流，作为主开关中的电流。
5. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，每个负载开关电路还包括： 一个主开关，具有耦合到输入电压的主开关输入节点，和具有主开关输出节点和一个 控制端；以及 一个开关断开电路，用于接收第一输出信号，驱动主开关的控制端，开关断开电路用于 根据具有第一态的第一输出信号，断开主开关。
6. 权利要求5所述的容错电源系统，其特征在于，开关断开电路包括一个驱动器，可以 在避免对电源系统造成损坏的时间内断开主开关。
7. 权利要求5所述的容错电源系统，其特征在于，开关断开电路包括一个驱动器，可以 在纳秒级的时间内，断开主开关。
8. 权利要求5所述的容错电源系统，其特征在于，主开关包括一个第一 NMOS晶体管，其 漏极端作为主开关输入节点，源极端作为主开关输出节点，栅极端作为控制端，该负载开关 电路还包括： 一个电荷泵浦电路，用于当第一 NMOS晶体管接通时，将第一 NMOS晶体管的栅极端驱动 到高于第一 NMOS晶体管的漏极和源极端处的电压值。
9. 权利要求8所述的容错电源系统，其特征在于，开关断开电路的驱动器包括一个第 二NMOS晶体管，用于拉低主开关的控制端，根据具有第一态的第一输出信号，断开主开关。
10. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，输出电容器包括一个f禹合到输出电 压节点的一个单独的输出电容器。
11. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，每个负载开关电路中的电流检测电 路包括： 一个耦合到主开关上的电流传感放大器，用于测量流经主开关输入节点和主开关输出 节点的电流，电路传感放大器用于产生输出信号，输出信号表示测得的电流值；以及 一个比较器，用于比较电流传感放大器的输出信号与电流限制阈值，根据电流传感放 大器的输出信号超过电流限制阈值时，比较器产生具有第一态的第一输出信号。
12. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，第一输出信号包括一个高有源信 号，第一态包括一个逻辑高态，每个负载开关电路还包括： 一个漏极开路的NMOS晶体管，其栅极端耦合到第一输出信号，源极端耦合到地电压， 漏极端提供第二输出信号，第二输出信号耦合到与负载开关电路关联的驱动电路上，根据 具有第一态的第一输出信号，至少断开低端电源开关。
13. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，第一输出信号耦合到与负载开关电 路有关的电源通道的驱动电路上，根据具有第一态的第一输出信号，断开高端电源开关和 低端电源开关。
14. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，高端电源开关和低端电源开关包括 MOS晶体管。
15. 权利要求1所述的容错电源系统，其特征在于，还包括： 一个多相位控制器，用于为多个电源通道产生控制信号，控制电源通道的循环周期。
16. -种电源系统中的方法，其特征在于，电源系统接收输入电压，并且在输出电压节 点上产生输出电压，电源系统包括至少一个负载开关电路，用于当负载开关电路接通时，通 过一个主开关将输入电压连接到负载开关电路的输出节点，并且至少一个电源通道耦合到 负载开关电路，以接收输入电压，将电源通道配置成降压转换器，并且包括至少一个高端电 源开关和一个低端电源开关，该方法包括： 测量流经负载开关电路的主开关的电流； 确定流经负载开关电路的主开关的电流已经超过了电流限制阈值；并且 根据确定结果，禁用负载开关电路的主开关以及电源通道的低端电源开关。
17. 权利要求16所述的方法，其特征在于，禁用负载开关电路的主开关包括： 根据确定结果，断开主开关，使输入电压断开与负载开关电路的输出节点的连接。
18. 权利要求17所述的方法，其特征在于，根据确定结果断开主开关包括： 根据确定结果，在避免对电源系统造成损坏的时间内断开主开关。
19. 权利要求17所述的方法，其特征在于，根据确定结果断开主开关包括： 根据确定结果，在纳秒级的时间内断开主开关。
【文档编号】G01R19/165GK104052258SQ201410074970
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】马克·托马斯, 张之也, 张艾伦, 张光铭, 吉尔伯特·李, 松·德兰 申请人:万国半导体股份有限公司