专利名称：在对并联电源之间的负载共享的控制中使用数字通信的制作方法
技术领域：
本发明涉及对并联电源之间的负载共享的控制，且更特定来说，涉及在对并联电源 之间的负载共享的控制中使用数字通信。
背景技术：
许多大的电子系统，例如计算机服务器、磁盘存储阵列、电信设施等，需要大量的 操作功率，且此操作功率必须高度可靠。系统设计者的常用方法是将系统电源建构为多 个较小的电源模块。所述多个较小的电源模块的输出并联连接在一起，以提供所需的操 作功率。通常在系统功率系统中存在比为现有负载供电所需的电源模块多的电源模块。 此布置使得能够在电子系统正在操作且可能不影响其操作的同时移除(例如，拔出)出 故障的电源模块。可将替换的电源模块(例如，新的或经修理的)插回到系统电源中以 维持所需量的冗余电源容量。
当电源模块输出并联连接时，不可能确保每一并联连接的电源模块具有相同的输出 电压。在布线、电压参考、温度和其它因数方面总是存在容限，其可能导致在电源模块 之间输出电压稍微不同。因此电源模块中具有稍微较高输出电压的一个或一个以上电源 模块将倾向于为系统负载的主体供电。因此，电源模块中的一些可能以全功率操作，而 其它模块可能几乎不提供功率。以全功率操作的电源模块将较热，且因此较容易出故障。 如果存在瞬变负载，那么以全功率操作的电源模块"饱和"且无法供应额外的功率。而 且，其它的供应极少或不供应功率的电源模块可能并非在开关模式转换器电源的理想状 态中操作。轻微加载的电源模块可能不具有对瞬变负载的所要响应。为了最佳可靠性和 性能，每个电源模块都应承载系统负载的均匀分布的共享。
已通过使用模拟信令来实施在电源模块之间实现系统负载的均匀分布共享的尝试。 举例来说，"主"装置(控制器)可监视总负载，并接着可发出模拟命令到每个电源模块，以尝试在这些电源模块之间均匀散布工作负载。主控制装置可提供表示成为每个电 源模块的目的的目标功率输出的电压。此主控制装置对每个模块的控制电压可为模拟电 压，其可用于调节电源模块的参考电压，并借此可调节来自模块的所得输出功率。此类 型的功率流动信令控制可能倾向于单点故障。如果主控制器出故障，那么电源系统可能 变为不可用和/或不可操作。另一实例是当模拟总线(电线)连接到所有电源模块时。每 个电源模块提供与所述模块的功率输出成比例的模拟电压输出信号。这些指示电压的模 拟"功率电平"加在一起而产生模拟总线(电线)上的平均电压。每个模块接着读取相 加的模拟值并增加或减小其输出功率以与模块群组的整体一致。
这些现有的功率负载共享控制实施方案需要模拟电路来产生负载平衡信号，需要电 路来将这些信号加到模拟"总线"上，且需要模拟电路来读取模拟和电压和/或对其进行 处理，其为模拟到数字转换器(ADC)和/或运算放大器("opamp")，这取决于电源设 计。在电源模块之间共享负载信息的模拟总线可能易受噪声影响。
多数现代技术的电源使用以数字电路控制的切换调节器。为了产生模拟控制信号， 需要数字到模拟转换器(DAC)来产生模拟功率指示信号，且可能需要ADC来将模拟 控制信号转换为数字值。DAC可能较大且昂贵，如同op-amp、 ADC以及例如精确电压 参考的其它模拟电路。
发明内容
因此需要一种纯数字方法来实施并联连接电源模块的负载平衡(例如，负载共享)。 数字通信模块，例如(但不限于)^C模块、UART模块、SPI模块等，是串行数字通信 装置的较小且廉价的实施方案。这些串行通信装置屮的任-者可与类似的通信装置互连 而产生可与电源模块一起集成的数字通信信道。数字通信信道可为各种电源模块提供共 享其输出负载和其它信息的手段。因此每个电源模块可基于所接收的系统负载信息(例 如，每个电源模块的输出电流的和、操作的电源模块的数目等)控制其功率输出。负载 共享信息使得这些电源模块的组合件能够以其可成比例地共享系统负载的负担的方式 连接在一起。如果这些电源模块中的--者或一者以上出故障，那么其它剩余的起作用的 电源模块可动态地调节其输出电流以补偿先前由出故障的电源模块供应的可用电流中 的损失。
预期且在本发明的范围内，任何类型的串联、并联和/或无线(例如，蓝牙、红外线 等)数字通信信道都可用于传送每个电源模块的实际输出电流、最大电流输出能力、操 作状态、控制等。而且数字通信信道可耦合到数字系统(例如，计算机服务器)以用于每个电源模块的管理员系统管理、控制和/或状态报告。来自操作电源模块的总可用电流 可由例如(但不限于)系统管理软件在配置和/或控制数字系统功率用途时使用，例如， 如果足够多的电源模块停止服务(例如，没有足够的功率容量)，那么系统管理软件可 关闭或闲置各个数字系统负载，以便不超过来自电源系统(例如，起作用的并联连接的 电源模块)的最大可用功率容量。
可由所有电源模块接收来自每个电源模块经由数字通信信道的广播，并可包括(但 不限于)每个电源模块的功率输出电平，例如作为每个模块的最大功率的百分数的功率 电平。所有电源模块可接收这些广播，且可使用运行的求和滤波器来产生平均功率电平。 每个电源模块接着可调节其功率输出以达到成比例功率输出的所要冃标。
功率输出调节(例如，平衡)过程可缓慢发生。用于此调节过程的控制回路可基于 热时间常数而操作。因此响应时间可能为例如(但不限于)大约1秒。假定通信模块(Pc、 SPI、 UART等)可以100 KHz操作，且传输单个字节数据，那么1个字节将花费大约 200微秒。如果电源系统包含24个电源模块(大电源系统)，那么对于所有电源模块来 说将需要4.8毫秒来广播。如果提供最大所需速率的10倍的广播速率来确保不受噪声影 响，那么发送状态包的总时间将为每秒的48毫秒。因此，总线利用率将仅为大约5%。 此低总线利用率可能使来自电源模块的任何总线冲突最小化。
举例来说，每个电源模块可向所有其它电源模块每100毫秒广播一个数据值。数据 可具有以下格式其中数据值OO (十六进制)指示模块正在供应0%的输出功率，且值 FF指示电源模块正在供应100%的其额定输出功率。每个模块可接收所有状态包，并执 行所有状态值的运行求和平均。运行求和平均值接着可用于调节每个电源模块的功率输 出。还可广播每个电源模块的状态和/或身份，使得也可辨识可用电源模块的数目及其最 大可用容量。这对于系统管理软件和远程管理员系统管理来说可能也是有利的。使用数 字信息用于电源模块之间的负载平衡/共享增强了信息的精确性，并可以与目前模拟方法 相比较低的成本提供更佳的可重复行为。
根据本发明的特定示范性实施例， 一种电源系统可包括多个电源模块，所述多个电 源模块中的每一者具有并联耦合的输出和用于与所述多个电源模块中的每一者通信的 数字接口，其中所述多个电源模块中的每一者具有数字控制器，所述数字控制器使用经 由数字接口供应的信息来控制其输出处的电压。
通过结合附图参看以下描述可获得对本发明的更全面的理解，其中图1说明根据本发明特定示范性实施例的多个电源模块的示意性框图，其输出并联 连接且使用数字通信以用于将信息供应到每个电源模块以确定负载共享的参数。
尽管本发明容许具有各种修改和替代形式，但已在图式中展示并在本文中详细描述 了其特定示范性实施例。然而应了解，本文对特定示范性实施例的描述不希望将本发明 限于本文所揭示的特定形式，相反，本发明将涵盖由所附权利要求书界定的所有修改和 等效物。
具体实施例方式
现参看图式，示意性说明特定示范性实施例的细节。图中的相同元件将由相同标号 表示，且类似元件将由具有不同小写字母下标的相同标号表示。
参看图1，其描绘根据本发明特定示范性实施例的多个电源模块的示意性框图，其 输出并联连接且使用数字通信将信息供应到每个电源模块以确定负载共享的参数。数字 系统102(例如，计算机服务器)可由电源系统104供电。电源系统104可包含多个电 源模块106。所述多个电源模块106中的每一者可将其功率输出耦合到电力总线110。 电力总线IIO还耦合到数字系统102。电力总线IIO上可具有一个以上操作电压(未图 示)。
所述多个电源模块106中的每一者可具有微控制器和数字通信模块108。数字通信 模块108可具有数字串行接口，例如I2。 UART、 SPI、 USB等。数字通信模块108可 具有数字并行接口。且/或数字通信模块108可具有无线数字接口，例如蓝牙、红外线等。 所有负载共享、功率输出、电源模块状态等均可以数字格式广播传输。数字格式较不易 受噪声和信号及组件容限影响。而且数字格式不需要大的消耗功率的模拟装置，例如 ADC、 DAC、电压参考等。
图1展示标准串行通信协议^C总线112。PC总线112可使用称为SDA(串行数据) 和SCL (串行时钟)的两条线(电线)。这两条线中的每一者可连接到所有数字通信模 块108。另外，I2C总线112可耦合到数字系统102。 SDA禾fl SCL线可由上拉电阻器114 上拉到+V，且可由数字通信模块108中的任一者单独地下拉到接地。数字系统也可经由 ^C总线112与所述多个电源模块106通信。
所述多个电源模块106中的每一者可周期性地(通常每100毫秒)向所有其它多个 电源模块广播(例如)信息包，所述信息包指示正进行广播的电源模块的功率输出电平。 其它电源模块中的每一者可接收所述广播，并可维持最近"M"个广播功率电平的列表。 (其中M是由电源模块制造商选择的参数)。各自电源模块106中的每个控制器可计算最近"M"个广播值的平均值。所述平均值表示所有电源模块106的目标输出功率电平。 其输出功率电平高于平均值的那些电源模块106可非常轻微地减小其输出电压以减小传 送到负载的输出电流，同时正输出少于平均值的功率的其它电源模块106可稍微地升高 其输出电压以增加其传送到负载的电流。
假如电源模块106出故障，那么其它剩余的操作电源模块106可确定故障电源模块 106的出现，并相应调节其输出电压以便维持对所连接数字系统102的所需功率输出。 电源模块106中的一些电源模块可能通过制造尺寸或输出容量改变而具有比电源模块 106中的其它一些电源模块大的对局部故障(例如，温度过高、功率组件损耗等)的容 量。根据本发明，可对所述多个电源模块106进行自动调节以补偿失灵或移除(停止服 务)的电源模块106的状态的任何改变。也可通知数字系统102关于所述多个电源模块 106正发生何种情况，且如果没有足够的来自电源系统104可用的功率，便可向管理员 系统管理程序作出异常报告和/或修改数字系统102的操作。
预期且在本发明的范围内，可从服务中移除失灵的电源模块106，且剩余电源模块 106可继续操作而无需中断数字系统102。
尽管己经参考本发明示范性实施例描绘、描述且界定了本发明的实施例，但这些参 考并不暗示对本发明的限制，且不推断任何这种限制。所揭示的标的物允许有形式和功 能上的显著修改、替换和等效，如所属领域的且受益于本发明的技术人员将了解。所描 绘和描述的本发明实施例仅是实例，且并没有详尽描述本发明的范围。
权利要求
1.一种电源系统，其包括多个电源模块，所述多个电源模块中的每一者具有并联耦合的输出以及用于与所述多个电源模块中的每一者通信的数字接口，其中所述多个电源模块中的每一者具有数字控制器，所述数字控制器使用经由所述数字接口供应的信息来控制所述多个电源模块的每一者的所述输出处的电压。
2. 根据权利要求l所述的电源系统，其中所述信息包括来自所述多个电源模块中的每 一者的输出电流。
3. 根据权利要求1所述的电源系统，其中所述控制器中的每一者计算来自所述多个电 源模块的所述输出的所有电流的和，并使用所述和来确定所述多个电源模块中的各 自一者的输出处的电压。
4. 根据权利要求1所述的电源系统，其中所述数字接口中的每一者耦合到数字串行通 信总线。
5. 根据权利要求1所述的电源系统，其中所述数字串行通信总线是I2C总线。
6. 根据权利要求1所述的电源系统，其中所述数字串行通信总线是SPI总线。
7. 根据权利要求1所述的电源系统，其中所述数字接口中的每一者耦合到数字并行通 信总线。
8. 根据权利要求1所述的电源系统，其中所述数字接口中的每一者是数字无线接口。
9. 根据权利要求1所述的电源系统，其中所述数字无线接口是蓝牙接口。
10. 根据权利要求1所述的电源系统，其中所述数字无线接口是红外线接口。
11. 根据权利要求1所述的电源系统，其进一步包括耦合到数字系统的所述数字接口以 及连接到所述数字系统的所述并联耦合的输出。
全文摘要
为了负载平衡的目的，通过数字通信信道控制其输出并联耦合的多个电源模块。所述数字通信信道可为有线数字串行或并行总线，和/或例如蓝牙、红外线等无线数字通信信道。所述多个电源模块中的每一者可广播其各自的输出电流，且所有所述多个电源模块可确定供应到负载的总电流，且借此确定适当的输出电压以用于成比例地贡献所述总电流。
文档编号G06F1/26GK101297257SQ200680039505
公开日2008年10月29日 申请日期2006年10月25日 优先权日2005年10月25日
发明者布赖恩·克里斯 申请人:密克罗奇普技术公司