专利名称：具有提供数字闭环功率控制的数字电源管理器的分布式供电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及分布式供电系统的管理，更具体地，涉及对分布式供电系统内的负载点稳压器或其他非隔离式DC-DC转换器的阵列的控制和监控。
背景技术：
随着电子和通信技术的发展，供电系统变得越来越复杂。作为结果，对供电系统的功率密度以及可靠性的要求也越来越高。通常电子系统需要若干不同的相对较低的电压电平，如3. 3V、2. 5V、1. 8V、1. 2V等，并且应当精确地调节电压。同时，还需要相对较高的电流电平(例如100A)以及高电流变化率(如1000A/μ s)。由于承载高电流的线路的阻抗容易耗散电能的大部分并且有损于负载调节，长距离地将高电流运送至电子设备不是一种好的方式。因此，电源和其负载间的物理距离应当尽可能短，以避免显著的能量损耗并确保系统稳定性。这意味着，与不同负载不够接近的传统多输出电源不能满足要求。为了解决上述问题，目前广泛采用具有中间总线配置的分布式供电系统。该系统包括两级。在第一级中，对整个系统的AC输入电压进行整流，并将其转换为中间总线电压电平(典型值为8-12V)，并且还在该级中实现电气隔离。在第二级中存在多个非隔离式负载点(POL)稳压器，并且每个非隔离式负载点(POL)稳压器将中间总线电压转换至电子系统所需的多个电平中的每一个。令每个相对较低功率的POL稳压器位于特定电子设备附近的这一配置将有助于改进系统效率和可靠性。典型的分布式供电系统包括多个POL稳压器。采用该方法，对这些POL稳压器的管理将变得非常重要。需要精确地控制和监控不同的操作参数，并迅速诊断每个POL稳压器的故障情形，以获得整个分布式供电系统的良好性能。目前，主要存在三种在分布式系统中控制POL稳压器的管理器模拟控制器、数字电源系统排序器和多数字控制器。在传统供电系统中，用模拟控制方法控制所有POL稳压器。模拟控制是一种非常成熟的技术，其具有相对较低的成本，因此在分布式供电系统架构中具有广泛的应用。模拟控制系统的一个缺陷是主机难以获取每个POL稳压器的工作状态以及难以实现在线控制。为了弥补传统模拟控制的缺陷，采用包括基于数字信号处理器(DSP)或微控制单元(MCU)的数字电源系统排序器在内的控制配置。在该方法中，POL稳压器闭环电压控制仍由模拟设备实现，并且主机通过数字电源系统排序器管理所有POL稳压器。主机发送的用于对POL稳压器操作参数编程的指令以及数字电源系统排序器发送的监控数据均经由基于PMBus协议(一种开放式标准通信协议)的电源管理总线(PMBus)传输。数字电源系统排序器能够经由集成在DSP/MCU上的多种外围设备，感测输出电压，控制开/关状态， 并且为每个POL稳压器的输出电压设置顺序和设置余量。数字电源系统排序器还包括适于与主机通信的PMBus接口。可以根据集成在DSP/MCU上的外围设备的量管理POL稳压器的数量。虽然实现了在线管理，但由于模拟闭环电压控制的缘故，闭环电压控制不够灵活。
随着DSP/MCU的计算速度的增加，还使用一种具有多个数字控制器的分布式供电系统。在该系统中，多个数字控制器中的每一个负责多个POL稳压器中的每一个，以进行独立的闭环控制和各种保护。此外，作为从设备，每个数字控制器可以具有与主机的双向通信。该控制实现具有与上述方法类似的在线管理功能，并且还改进了系统设计的灵活性。然而，对于每个POL稳压器，需要具有足够集成外围设备和通信接口的相应的数字控制器。总的系统成本可能很高，并且由于系统中设备太多，通信效率可能很低。因此，具有一种控制和监控分布式供电系统内的电源转换器的管理系统和方法将是有利的。
发明内容
本发明通过提供适于控制和监控分布式供电系统中的多个电源转换器的数字电源管理器克服了现有技术中的上述和其他缺陷。在本发明的实施例中，供电系统包括多个电源块，适于向负载输送功率；以及基于数字信号处理器(DSP)或微控制单元(MCU)的数字电源管理器，适于实现独立的数字闭环控制，执行指令以对操作参数进行编程并监控多个电源块的状况。在本发明中，将以不同的方式(例如负载点(POL)稳压器和调压器模块(VRM))实现电源块(即传统非隔离式DC/ DC转换器的仅仅电源部分)。固有地，在仅提供表示输出电压、输出电流、模块温度等的有关模拟电压信号的电源块内不存在闭环控制或保护功能。因此，数字电源管理器对于闭环控制、监控和保护多个电源块是必须的。在该控制系统实现中，充分利用数字电源管理器的计算能力和外围设备资源，以将多个电源块中每一个的闭环电压控制集成至数字电源管理器中。作为结果，无需现有技术中的针对每个电源转换器的独立的模拟/数字控制器，这意味着降低了整个电子系统的成本。此外，由于数字实现的缘故，控制设计将更加灵活。在本发明的另一实施例中，至少一主机用户系统有效地耦合至数字电源管理器。主机用户系统将经由数字电源管理器控制和监控电源块操作，并获得故障报告，因此可以以低于现有技术的成本获得更好的系统性能。该数字管理的主要特征如下。1.电源块非隔离式电源块的拓扑可以是降压、升压、升降压等。除了电源转换电路和设备外，电源块包括信号采样和转换电路，可以对输出电压、输出电流、模块温度等进行采样， 并将它们转换为模拟电压信号以提供至外部控制器。另一方面，电源块中的驱动电路从外部控制器接收脉冲宽度调制(PWM)信号，以获得电源块闭环电压控制以及各种保护。电源块本身不包括闭环控制和保护电路，以便降低成本。可以直接对控制器创建至每个电源块的控制连接，而不使用串行数字通信。该进一步简化了电源块的设计，保持了其同其他方法相比相对较低的成本。不对电源块使用串行通信的另一优势在于，消除了可能的通信错误以及提高的控制带宽。2.数字闭环控制已将对多个电源块的数字闭环控制集成在数字电源管理器中。对于每个电源块， 将表示电源块输出电压的模拟信号经由模数转换器(ADC)通道输入至数字电源管理器。将数字化感测输出电压同存储在非易失性存储器中的数字参考值进行比较，以获得误差值。采用控制算法处理的该误差值将调节从数字脉冲宽度调制器(DPWM)产生的占空比。此外， 如果需要闭环电流控制和/或闭环功率控制，则不仅要处理上述误差值，而且要处理电源块的数字化感测平均/峰值输出电流，以调节占空比。数字闭环控制算法被设计为使输出电压跟踪参考电压，同时实现期望的动态性能。每个电源块将具有独立的数字参考值和闭环补偿参数。可以采用数字补偿的难以用模拟设备实现的非线性或异步控制算法，以改进系统性能。此外，数字闭环控制相对地不易受组件容差、老化、温度漂移等的影响。3.输出电压管理采用数字闭环控制，电源块自启动时起就受到精确的输出电压控制。因此，可以通过针对软开/关排序设置相关的数字参考值来方便地控制电源块开/关排序。此外，还可以通过改变数字参考值方便地修整输出电压。4.故障检测和报告数字电源管理器可以根据对不同参数的系统性能敏感度，以不同频率循环查询电源块的关键操作参数(如输出电压、输出电流、输入电压、模块温度等)。如果发生故障，数字电源管理器将根据由故障原因确定的特定优先级，立即关闭、重启或延时重启电源块，从而实现整体系统保护。同时，故障的现场信息将被存储在数字电源管理器的非易失性存储器(例如闪存)中以稍后分析。5. PMBus通信和图形用户界面(⑶I)为了实现从主机到多个电源块的全面管理，集中所有电源块信息的数字电源管理器包括PMBus接口，适于接收来自主机的编程数据并高效实时地向主机发送监控数据。主机包括图形用户界面(GUI)，图形用户界面(GUI)提供了用于对闭环控制补偿参数、保护行为的阈值、输出电压的余量和顺序进行编程，以及用于监控和获取多个电源块的故障情形报告的接口。6.引导加载器功能数字电源管理器具有非易失性存储器，用于存储定义电源系统管理器的固件和在出现故障的情况下反映现场信息的数据。可以在现场通过PMBus升级用户所需的控制系统的新固件，这被称为引导加载器功能。可以将包含固件数据的寄存器划分为三个部分应用寄存器、配置寄存器和引导寄存器。用户可以通过特定的PMBus命令升级它们中的任一个。 出于安全性的考虑，在非易失性存储器中存在相应的缓冲器应用缓冲器、配置缓冲器和引导缓冲器。在已将新固件下载至缓冲器中后，根据不同的设置，可以立即将其从缓冲器更新到寄存器中，或者在通过PMBus接收到升级命令后或在下一电源周期期间将其从缓冲器更新到寄存器中。引导加载器功能将减低开发成本和周期，同时确保系统安全操作。7.具有监控信号和可控输出电压的中间总线转换器在板上电源系统由在18和72伏特之间的标称源运行并且需要隔离的应用中，通常采用产生中间或“中间”总线的转换器。为了最大化这些应用中的数字控制系统的益处， 采用可由数字电源系统管理器控制的中间总线转换器。该中间总线转换器产生合理固定并且由数字控制系统设置的输出电压。中间总线转换器还提供允许数字控制器监控中间总线转换器的输出和/或输入电流的信号。数字控制器可以利用该信息来最优化中间总线电压以获得最佳的电源转换效率。
根据对如附图所示的本发明具体实施例的以下描述，前述以及其他目的、特征和优点将是显而易见的，在附图的所有不同视图中，相似的参考符号表示相同的部件。附图不一定是按比例绘制的，相反，重点在于示意本发明各实施例的原理。图1是具有中间总线的分布式供电系统的框图；图2是具有模拟控制系统的分布式供电系统的框图；图3是具有数字电源系统排序器的分布式供电系统的框图；图4是具有多数字控制器的分布式供电系统的框图；图5是根据本发明实施例的、具有用于分布式供电系统内的多个电源块的数字电源管理器的示例控制配置；图6以图形方式示出了电源块的示例结构以及数字电源管理器和电源块间的连接；图7是根据本发明实施例的示例POL稳压器/VRMs控制系统的框图；图8是示出了数字电源管理器的存储器的示例划分的框图；图9是用于执行电源块的启动排序的过程的示例流程图；图10是中断服务例程中的闭环控制过程的示例流程图；图11是示出了分布式供电系统内监控电源块的图形用户界面(GUI)的示例屏幕截图；图12和图13分别是示出了用于对分布式供电系统内的电源块的不同控制配置进行编程的GUI的示例屏幕截图；图14A和图14B是在负载点转换器和产生中间DC电压的转换器间不通信的电源系统的示意图；图15、图16和图17是数字电源系统控制器与产生中间DC电压的转换器通信的电源系统的备选配置的示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种用于控制和监控分布式供电系统内的电源块的数字电源管理器。在以下详细说明中，使用相似的元件编号来描述附图中所示的相似元件。首先参照图1，在分布式供电系统的第一级中，由隔离式AD/DC转换器(被示为 AC/DC) 10对AC输入电压进行整流，然后通过隔离式DC/DC转换器(DC/DC) 12，将其转换至相对较低的电压轨道，即中间总线电压(IBV)(例如12V) 14。在第二级，存在多个非隔离式负载点(POL)稳压器(POLl-POLn) 16a-16n，用以将中间总线电压14转换至电子系统所需的多个电平中的每一个(被示为DC输出χ)。POL稳压器16a-16n优选地位于相应负载附近， 以满足系统性能需求。图2以图形方式示出了模拟控制分布式供电系统的配置。多个POL稳压器16a-16n 中的每一个受到模拟闭环控制(ACTRL) 20a-20n。主机用户系统(例如主机)22无法获得 POL稳压器16a-16n的状态或者对它们的操作进行编程。图3示出了采用基于数字信号处理器(DSP)或微控制单元(MCU)的数字电源系统排序器(DIG PffR SYS SEQ) M的方案的控制系统。每个POL稳压器的闭环控制仍由模拟器件20a-20n来实现，并且数字电源系统排序器M能够经由集成在DSP/MCU上的各种外围设备来感测状态并对每个POL稳压器16a-16n的操作进行编程。排序器M还可以通过电源管理总线(PMBus) 26与主机22进行通信以实现整个系统控制。该控制系统的缺陷是不灵活的闭环控制。图4是采用多个数字控制器(DCTRL) 28a-28n的控制系统实现的框图。多个数字控制器^a-28n中的每一个负责POL稳压器16a-16n中相应的一个以进行闭环控制和各种保护。此外，作为从设备，每个数字控制器观3-2811可以具有通过PMBus沈与主机22的双向通信。但是，在系统中存在过多数字设备导致较高的成本。参照图5，根据本发明的实施例示出了分布式供电系统30。该分布式供电系统30 包括数字电源管理器(被示为DIG PffR MGR)32、前端隔离式AC/DC转换器10、前端隔离式 DC/DC转换器12以及多个电源块34a-34n。由单个数字电源管理器32向每个电源块34提供数字闭环控制(被示为DIG C-L CNTL)。以下给出闭环控制的细节。电源块34『3如仅具有传统非隔离式DC/DC转换器的电源部分，而不具有其中的闭环控制或保护电路。此处所示的电源块34^3 包括但不限于负载点稳压器、负载功率调节器、DC/DC转换器、调压器、以及所属领域技术人员公知的所有其他可编程电压或电流调节设备。每个电源块产生被供给至相应负载的所需的输出电压。电源块可以是独立的， 或者可以根据被供电负载的特性对电源块进行分组，以对高级故障管理方案进行编程并定义余量函数、监控、启动行为、以及报告约定。应当理解的是，图5中电源块的数量仅仅是为示例的目的给出的，有利地可以使用更多或更少数量的电源块。如图6所示，前端AC/DC转换器10从AC电压源汲取功率，并向前端DC/DC转换器 12提供DC电压。隔离式DC/DC转换器12将其输入DC电压调节至被提供给电源块34a-34n 的中间总线电压(IBV) 14。前端AC/DC转换器10或DC/DC转换器12可以包括多于一个的稳压器以获得期望的DC电压。数字电源管理器32从中间电压总线14或从板偏置电压源 (被示为BIAS)汲取其功率。可选地，前端AC/DC转换器10和前端DC/DC转换器12可以通过多个中间电压总线向电源块提供多个中间电压。数字电源管理器32经由串行数据总线(例如I2C)与主机用户系统22通信，以编程、设备和监控分布式供电系统30。主机用户系统可以包括直接或通过网络与与I2C接口耦合的计算机，所述计算机具有适于与数字电源管理器32通信的适当的软件。如本领域公知的，计算机可以配备有并入了可移动窗口、图标和鼠标的图形用户界面(GUI)，如基于 Microsoft Windows 的界面。如本领域公知的，⑶I可以包括用于表示文本和图形的标准预编程格式。GUI将从数字电源管理器32接收到的信息显示在计算机屏幕上，主机用户可以通过在GUI的特定屏幕上进行修改来对分布式供电系统30的操作进行编程和监控。可以使用高级和低级命令，经由GUI或直接经由I2C总线控制数字电源管理器32。图6以图形方式示出了电源块34的示例结构以及数字电源管理器32和电源块 34间的连接。虽然被示为降压转换器，但电源块34的拓扑可以是降压、升压、升降压等。 除了诸如电源开关、电感器、电容器36等电源器件，电源块34包括信号采样和转换电路 (SAMPLE/C0NV) 38，信号采样和转换电路(SAMPLE/C0NV) 38对输出电压、输出电流、模块温度等进行采样并将它们转换为被提供给外部数字电源管理器32的模拟电压信号。电源块 34上的驱动电路(DRV) 40从数字电源管理器32接收一个或多个脉冲宽度调制(PWM)信号，以实现电源块输出电压闭环控制和各种保护。图7是根据本发明实施例的分组电源块控制系统的示例。如前所述，可以根据负载特性对电源块34『3如分组。在图7的实施例中，存在两个组，负载点(POL)稳压器组42 和调压器模块(VRM)组44。虽然图7示出了两个分别具有四个组件的组，但在备选实施例中可以存在更多或更少数量的组和/或每组中更多或更少数量的电源块。受数字电源管理器32控制的POL稳压器42是电源块34的典型代表，并且VRM 44(可以由模拟或数字器件来针对其执行闭环控制)也可由数字电源管理器32控制。数字电源管理器32可以基于在其中集成了足够的外围设备和通信接口的数字信号处理器 (DSP)或微控制单元(MCU)。多个电源块的表示输出电压、输出电流、温度、操作状态等的信号(在图7中被示为与每个POL稳压器和VRM相对应的Voutl、Ioutl、Tl、PGA线路等)经由集成在数字电源管理器32中的不同的模数转换器(ADC)通道46和/或通用输入/输出 (GPIO)模块52被发送至数字电源管理器32中。如有必要，可以使用模拟复用器48将电源块的更多的感测信号引入至数字电源管理器32中。脉冲宽度调制(PWM)信号、使能信号、和电压识别认证(VID)信号(在图7中被示为与POL稳压器和VRM中的每一个相对应的PWM1、 EnaA、VIDA线路等)是从集成在数字电源管理器32中的数字脉冲宽度调制器(DPWM) 50和 /或GPIO模块52产生的，以分别控制POL稳压器和VRM。如可能在数字电源管理器32的操作程序中配置的那样，PWM信号可以是同步的或异步的。数字电源管理器32使用页面模式机制来控制和监控每组(在图7中被标识为页面0、页面1、页面2等)内的每个电源块42、44。非特定于独立电源块的设置和监控参数总是可用的，并且可以针对所有页面进行发送和接收。为了设置特定POL稳压器42或VRM 44 的参数，和/或读取特定POL稳压器42或VRM 44的感测信号，必须将页面指针设置为指向与所要编程和/或监控的POL稳压器42或VRM 44相对应的页面。此外，如图7所述，数字电源管理器32具有通过硬件或软件编程的唯一的用户可编程7位地址(ADDR)，以经由串行总线M与主机用户系统通信。为了示例的目的，图7所示的串行总线是基于开放式标准电源管理通信协议的PMBus。图8是示出了基于图7所示的页面模式的数字电源管理器32的存储器的示例划分的框图。数字电源管理器32耦合至两个存储器块，包括非易失性(N-V)存储器56(如闪存)和随机存取存储器(RAM)66。非易失性存储器56包括固件数据57和关于已发生的故障的日志数据58。包含固件数据的存储器被分段为多个部分，包括将依次描述的应用寄存器59、配置寄存器60、引导寄存器61、应用缓冲器62、配置寄存器63、引导缓冲器64、以及用户存储器65。应用寄存器59包含反映对独立POL稳压器/VRM的编程的数据值(如输出设定点、输出余量、输出电流门限、闭环补偿参数、启动/关闭排序、VID代码等)，以及反映对独立POL稳压器/VRM内的操作条件的监控的数据值(如输出电压、输出电流、模块温度、电源正常值、故障情形等)。基于如图7所示的页面模式对应用寄存器59进行分组，并且页面指针适于访问与特定POL稳压器或VRM相关的特定页面。配置寄存器60包含反映对数字电源管理器32的编程的数据值，并且定义了电源系统的配置，如组中的成员关系和组配置，故障传播配置、中断配置、中间总线电压高低阈值、软件版本、I2C地址等。
引导寄存器61包含反映在引导期间擦写非易失性存储器(如闪存)的基本层操作参数的数据值。应用缓冲器62、配置缓冲器63和引导缓冲器64包含用户所需的可以通过PMBus 下载的新固件数据。缓冲器中的数据可以根据用户的设置以不同的方式被移动至应用寄存器59、配置寄存器60和/或引导寄存器61中。用户存储器65是可用于存储诸如系统标识、制造日期、位置、应用代码版本等用户信息的用户可定义空间。用户可以通过I2C接口访问用户存储器65。在启动时，从非易失性存储器56向 RAM 66写入配置和编程数据，此后管理器访问RAM以使用该数据。在常规操作期间，将监控数据存储在RAM中。如果出现故障，将最后的监控数据记入非易失性存储器，以稍后进行分析。这使非易失性存储器56的读写周期数量最小化，从而提高了其操作寿命。更详细地，图8示出了包含应用寄存器59的副本的RAM 66中的寄存器块70，其包含每个POL稳压器/VRM的运行时条件的监控数据，所述监控数据包括输出电压(Vo) 70a、输出电流(Io) 70b、和温度(T) 70c。存在多个值(例如两个值)的环缓冲器。对参数连续采样，并将其存储在环缓冲器中，覆写最老的数据从而保持参数的最近采样的连续记录。如果系统发生故障，环缓冲器将立即存储多个监控周期的数据，并设置相关的故障标记。在电源系统关闭前，RAM 66中的连续记录将被记入非易失性存储器56。图9示出了用于对电源块的启动排序进行编程的示例过程72。排序是根据负载特性和应用需要以特定顺序向不同负载提供电压的功能。在本发明的实施例中，由用户通过 GUI对多个电源块(例如11个电源块)的启动排序(例如从控制系统启动时刻到每个电源块启动时刻的时延)进行设置。简要参考图12所示的屏幕，示出了启动排序建立的比特映射和延迟图的示例。在该示例中，存在12个POL稳压器42和4个VRM 44。示出了 11个序列条目(序列1至序列11)。每个条目包括在应开启的电源块的栏中的“1”和针对应关闭的电源块的栏的“0”。每个序列条目还包括相应的用户定义的时延(时延1至时延11)。 如以下所描述的，序列条目被用于控制11个电源块的开启时间。返回图9，起初禁用所有电源块34，并且用于闭环控制的每个电源块的所有数字参考值以及实际时延值都是零。在71，开始启动序列。注意，在图9中使用下标i作为标识每个连续序列步骤的索引。从步骤74起，过程进入循环，以根据从最后一步起的时延是否已达到来自序列条目的相应的用户定义的时延值，来确定应当立刻还是稍后开启每个电源块。如果实际时延低于用户定义的时延值，将在步骤75增加时延值，然后从步骤74起重复循环。否则，将在步骤76使能相关电源块，这意味着相应数字参考值将被设置为期望的操作值。由于所有电源块始终受闭环控制，响应于它们的数字参考值的这种设置，自动地对它们的输出电压进行调节。在步骤77，排序过程检查每个电源块是否被使能。如果否，该过程将继续循环至步骤74，直至所有电源块被使能，并且在步骤78结束。图10是在数字电源管理器32执行的中断服务例程(ISR)中的闭环电压控制过程的示例流程图。一旦中断事件发生，过程将根据中断源进入相应的ISR。在本发明的实施例中，当每个模数转换结束时过程在步骤80进入闭环控制ISR。接着，过程开始针对每个电源块重复的主循环82。在步骤84，过程从数字参考值中减去数字化的感测输出电压，以获得误差值。在步骤88，在步骤86经过比例-积分-微分(PID)控制算法处理的该误差值将调整从数字脉冲宽度调制器(DPWM)产生的占空比。除了线性闭环控制算法(如PID算法)， 在本发明的其他实施例中还将采用诸如非线性或异步控制算法等其他控制算法，以改进静态和/或动态性能。如果已经分别计算了每个电源块的每个DPWM值，闭环过程终止于步骤 90。图11示出了使用户能够监控电源块性能的⑶I。利用⑶I，用户可以对期望监控的电源块的特定性能参数(例如电源、操作标记)以及监控数据的更新频率进行编程。并且可以直观地在坐标图中显示所有参数值。图12和图13是示出了用于对电源块的控制配置进行编程的GUI的示例屏幕截图。利用图12所示的GUI，用户可以对多个电源块的启动排序以及检测电源正常和警告条件排序、电源块的重置排序和低功率关闭排序进行编程。对给定电源块的比特映射中的“1” 将以所定义的时延把该电源块与相应的电源正常/警告检测、重置条件或低功率关闭相联系；“0”将对特定信号忽略该电源块。使用图13所示的GUI，用户可以对每个电源块的输出设定点、余量配置、警告和电源正常条件门限、感测电压缩放等进行编程。图14A-17示出了还可以用数字电源管理器实现的、并且可以提供更高效的分布式电源系统操作的附加特征。图14A和14B示出了板上电源系统的一般实现。在两种情况下，创建DC总线(+VDC BUS)，用于将输入源提供至负载点(PoL)DC至DC转换器92。每个PoL转换器92提供一个或多个经调节的电压，并且每个电压被传输至关联负载。由PoL转换器提供的经调节的电压可以在例如500mV至5V的范围内。+VDC BUS可以是任意电压，在某些情况下低至3. 3V， 在其他情况下高达400V。通常5V和20V间的电压是实用的，9V和18V之间的电压是常见的。在图14A中，+VDC BUS由隔离式DC至DC转换器94得到，隔离式DC至DC转换器94从 DC源96获取其输入。隔离式DC至DC转换器94产生该+VDC BUS。可以使用产生调节、半调节、或未调节DC输出的控制方法。只要每个关联的PoL转换器92能够产生满足隔离式 DC至DC转换器94的工作条件的所期望的经调节的输出电压，上述控制方法的任何一种都是有效的。图14B示出了与图14A类似的配置，只不过+VDC BUS是由从AC干线电源100接收其输入的AC至DC电源98创建的。在上述两种实现中，产生+VDC BUS的电源转换器件和与其关联的任意PoL转换器92间不存在模拟或数字通信。此处所述的集中式控制方法(例如图幻的优点在于，采集和处理与每个PoL级有关的信息的能力。如果隔离式输入级存在相同的能力，则集中式控制器可以计算操作参数并做出最优化所有性能的调整。一种期望的最优化是总的电源转换效率。图15示出了这样的集中式控制架构。在该图中，用电源块102代替图14A和14B 的PoL转换器92。电源块102提供受如电源系统控制器104所示的单个数字电源管理器控制的电源转换。例如，如上所述，电源系统控制器104监控来自电源块102的各输出电压并产生所需控制信号，以创建经调节的来自每个电源块102的输出。每个电源块102具有至电源系统控制器104的多个连接，并且包括允许电源系统控制器104采集诸如输出电流、输出电压和操作温度等操作信息的信号。电源系统控制器104可以由这些监控信号确定每个电源块102所传输的输出功率。接着，可以由电源系统控制器104将针对每个电源块102的输出功率结果求和，以确定总的传输功率。图15中所示的系统使用允许受电源系统控制器104进行附加监控和控制的隔离式DC至DC转换器106。在这种情况下，将针对输入和输出电流的模拟监控输出添加至隔离式DC至DC转换器106，并将其连接至电源系统控制器104上的模数转换输入。电源系统控制器104上的数字至模拟转换器输出通过由R2和Rl组成的分压器连接至隔离式DC/ DC转换器106上的TRIM输入。电源块102的输入电压还通过经由R3和R4分压器至模数转换器输入的连接，受电源系统控制器104的监控。隔离式DC/DC转换器106上的TRIM输入具有与施加于该管脚的电压成正比地调整+VDC BUS电压的能力。在这种情况下，隔离式 DC/DC转换器106可以是调节或半调节式的，并且TRIM管脚上的电压将修改参考值或反馈值，以影响所传输的总线电压。对传输至+VDC BUS的电流的测量还可用于电源系统控制器 104，并且通过监控+VDC BUS电压本身，电源系统控制器104具有计算传输至每个受控电源块102的功率的装置。利用上述附加监控和控制元件，电源系统控制器104可以利用使来自电源块102 的总传输输出功率与隔离式DC/DC转换器106所提供的功率之比最优化的效率最优化例程。这可以通过使用用于调整隔离式DC至DC转换器106所传输的电压的信息以获得电源系统的尽可能好的转换效率来实现。图16示出了使用电源系统控制器104来修改隔离式DC至DC转换器106的TRIM 输入上的电压的另一方法。在该实现中，脉冲宽度调制器产生具有被电源系统控制器104 修改了的占空比的矩形波。电容器Cl用于低通滤波，并提供与通过将PWM占空比和幅度相乘确定的PWM信号的平均值成正比的DC电压。被传送至TRIM管脚的实际电压是由与R1、 R2和R3以及隔离式DC至DC转换器106内部的TRIM管脚电路所呈现的阻抗形成的分压器缩放的平均PWM值。低通滤波器不会提供理想的DC信号，但如果C3尺寸适当，存在的小量波纹电压将不会对系统的性能带来不利结果。图17示出了借助电源系统控制器104和隔离式DC至DC转换器106之间的串行端口实施实现最优化特征所需的附加通信的另一方式。该串行端口由时钟(SCL)和数据 (SDA)线组成。串行通信可以是I2C或SPI。虽然示出了时钟和数据线，但还可以用UART来替换它们。当使用串行通信时，电源系统控制器104或隔离式DC/DC转换器106可以是主设备(即发起两设备间通信协议的设备)。采用该实现，由隔离式DC至DC转换器106对监控信号进行数字化，以向电源系统控制器传输，并且不再需要用于该目的的模数转换器通道。 隔离式DC至DC转换器106通过串行总线作为数字字从电源系统控制器104接收TRIM(调整)信息。如果隔离式DC至DC转换器106具有模拟控制方案，该值将在隔离式DC至DC转换器106内部被转换为模拟信号。如果隔离式DC至DC转换器106采用数字控制方法(如由微控制器产生的占空比)，隔离式DC至DC转换器106将简单地处理该数字字以获得期望的调整结果。上述效率最优化方法基于对相对于+VDC BUS的DC至DC电源系统的传输功率和提供功率之比进行最优化。然而，如果向电源系统控制器106提供表示DC源输入端电压的附加信号，还可以针对从源到负载的整个电源转换提供该最优化。图15、16和17将隔离式DC至DC转换器示为产生+VDC BUS的装置。然而，可以以AC至DC电源实现类似的控制特征，从而实现类似的目的。
在隔离式DC至DC转换器的另一实现中，可以应用输入前馈技术。在大多数开关式 DC至DC转换器中，输出电压的近似是所施加的输入电压和开关占空比或所施加的输入电压和开关频率的函数。如果不需要极其严格的、作为所传输的输出电流的函数的调节(所示电源系统的情况)，可以简单地通过联系所施加的源电压的值调整适用的控制参数(占空比或频率)，来获得近似输出电压。在该实现中，可以使用TRIM管脚联系所施加的源电压影响这些可能的控制参数中的任一个的关系。该实现将联系对TRIM管脚施加的电压修改所传输的总线电压。如果由数字串行总线传输TRIM信息，并且TRIM信息被处理为数字信息以实现相同的装置，以上描述仍然成立。虽然具体示出和描述了本发明的各实施例，但所属领域技术人员将理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下进行形式和细节上的各种修改。
权利要求
1.一种供电系统，包括多个电源块，每个电源块适于响应于相应的脉冲宽度调制PWM控制信号，向相应的负载输送功率；以及数字电源管理器，适于(1)利用集成在所述数字电源管理器中的外围设备，对操作参数进行编程并接收所述多个电源块的监控数据，以及O)响应于所述监控数据，产生所有电源块的PWM控制信号，以实现对所述多个电源块中的每一个所输送的功率的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的供电系统，其中，所述电源块包括非隔离式DC/DC转换器的电源部分、信号采样和转换电路、以及驱动电路。
3.根据权利要求1所述的供电系统，其中，所述数字电源管理器包括模数转换器ADC、 数字脉冲宽度调制器DPWM、通用输入/输出接口、以及中央处理单元CPU。
4.根据权利要求1所述的供电系统，其中，所述电源块不具有保护功能。
5.根据权利要求4所述的供电系统，其中，所述数字电源管理器针对所述多个电源块中的每一个执行保护功能。
6.根据权利要求1所述的供电系统，其中，所述电源块是从负载点POL稳压器、调压器模块VRM、负载功率调节器以及DC/DC转换器中选取的。
7.根据权利要求1所述的供电系统，其中，所述操作参数包括输出电压设定点、排序、 故障传播配置以及余量，并且所述监控数据包括输入电压、输出电压、输出电流以及温度。
8.根据权利要求1所述的供电系统，其中，所述数字电源管理器还包括用户接口，适于接收编程数据以及发送所述监控数据。
9.根据权利要求8所述的供电系统，其中，所述用户接口还包括12C接口。
10.根据权利要求1所述的供电系统，还包括耦合至所述数字电源管理器的主机用户系统，所述主机用户系统还包括图形用户界面，提供对所述操作参数的编程以及监控所述多个电源块中每一个的所述监控数据。
11.根据权利要求1所述的供电系统，其中，所述数字电源管理器还包括包含多个寄存器的非易失性存储器。
12.根据权利要求11所述的供电系统，其中，所述多个寄存器包括应用寄存器，包含(1)对所述电源块的操作进行编程的数据值和( 对所述电源块的状态进行监控的数据值；配置寄存器，包含定义所述供电系统的配置的数据值；引导寄存器，包含反映对所述非易失性存储器的基本层操作的数据值；缓冲器，包括包含新固件数据的应用缓冲器、配置缓冲器、以及引导缓冲器；用户可定义空间；以及日志数据空间，包含出现故障时的现场信息。
13.根据权利要求1所述的供电系统，其中，所述数字电源管理器适于针对每个电源块执行相应的闭环电压控制过程，每个闭环电压控制过程包括计算参考值和表示各电源块的输出电压的感测电压间的差异作为误差值； 处理所述误差值，以产生经处理的误差值；以及基于经处理的误差值，针对相应的电源块产生PWM控制信号。
14.根据权利要求13所述的供电系统，其中，处理所述误差值包括执行从比例-积分-微分PID算法、非线性算法、迟滞算法和异步算法中选取的算法。
15.根据权利要求13所述的供电系统，其中所述处理还包括处理每个电源块的感测平均/峰值输出电流，以实现闭环电流控制和/或闭环功率控制。
16.根据权利要求1所述的供电系统，还包括转换器电路，用于将中间总线电压供应至每个电源块，并且其中，所述数字电源管理器响应于电源块的所述监控数据和表示由转换器电路供应的功率的信息，控制来自转换器电路的中间总线电压，以实现供电系统的期望的转换效率。
17.一种供电系统，包括多个电源块，每个电源块适于从中间电源总线汲取功率并向相应的负载输送功率；转换器电路，响应于电压控制信号，以与电压控制信号相对应的中间总线电压向中间电源总线供应功率；以及数字电源管理器，适于(1)利用集成在所述数字电源管理器中的外围设备对操作参数进行编程并接收所述多个电源块的监控数据，以及G)响应于电源块的所述监控数据和表示由转换器电路供应的功率的信息，产生电压控制信号以控制中间总线电压，从而实现供电系统的期望的转换效率。
18.根据权利要求17所述的供电系统，其中，所述数字电源管理器产生被供给至转换器电路的离散模拟控制信号，以控制转换器电路所产生的中间总线电压，所述离散模拟控制信号具有表示转换器电路的期望输出电压、并被转换器电路用于将其输出电源调节至期望输出电压的模拟值。
19.根据权利要求17所述的供电系统，其中，所述数字通信总线将数字电源管理器连接至转换器电路，并被数字电源管理器用于控制转换器电路所产生的中间总线电压。
全文摘要
一种包括数字电源管理器和多个电源块在内的供电系统，每个电源块向相应的负载输送功率。电源块包括非隔离式DC/DC转换器的电源部分、用于提供表示输出电压、输出电流、温度等的模拟电压信号的信号采样和转换电路、以及用于接收脉冲宽度调制(PWM)信号并驱动开关器件的驱动电路。电源块的闭环电压控制和保护功能被集成在数字电源中。数字电源管理器包括包含寄存器的非易失性存储器，所述寄存器包括数字电源管理器配置寄存器、电源块设置寄存器、电源块监控寄存器、以及用户可定义空间。数字电源管理器对每个电源块的操作进行编程和监控，并且还可以包括用户接口，如I2C接口，用于从主机用户系统接收编程数据并向其发送监控数据。
文档编号H02J13/00GK102201699SQ20101013245
公开日2011年9月28日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者周远平, 简化军, 颜佳佳, 马克·朱特拉斯 申请人:百富(澳门离岸商业服务)有限公司