电源的制作方法
【专利摘要】本发明可提供一种电源，尤其是一种现场总线电源，包括：多个电源模块，每个电源模块被设置为在多个通道上输出功率；电流分担控制器，其被设置为跨多个电源模块分担输出电流需求，并且其中；每个模块中多个通道的至少一个第二通道被设置为追踪每个相应模块中多个通道的第一通道的负载，且从而可为每个模块提供降低功率处理需求的多通道和多模块电源。
【专利说明】电源
[0001 ] 本发明涉及电源，尤其涉及但不仅仅涉及现场总线电源。
[0002]常常需要电源来将电能传送给处于遥远位置的远程设备/系统，且尤其相对于现场总线电源会产生这种需求。
[0003]采用这种电源从中心控制/电源位置传送电能，有时是数据等，到遥远位置的现场设备。远程设备可采用任何所需设备的形式，诸如传感器、致动器、控制开关等，可以在比如加工厂内的不同位置发现这样的设备。所有这样的设备都需要电力，且通常需要连接到中央控制位置的通信，且要在危险(例如可能爆炸的)环境中发现这样的现场设备并不是罕见的，在这种环境下避免或淬灭电花/弧可证明是重要的。
[0004]目前现场总线电源被广泛熟知，且通常包括提供一个或多个通道的一个或多个电源模块，该一个或多个通道用来将电能传送给对应数目的现场总线通道。在每个模块内，多个通道常常被隔离并且具有它们自身专用的电源单元(PSU)和调节器电路，以便根据需要馈送每个相应的现场总线通道。
[0005]同样被广泛认识的是，某种程度的容错是合乎需要的，从而确保一个或也许更多电源模块发生故障时远程定位的现场设备的连续操作。为达到此目的，已知将冗余级别构建到现场总线电源中。
[0006]在一种已知的配置中，每个模块由冗余模块形成镜像，由此形成冗余对。在这种配置的正常操作中，成对模块之一供电给所需的现场总线通道。如果供给电源的模块发生故障，那么可接入该对中先前的冗余模块用于操作以满足通道的供电需求，同时调查发生故障的模块来酌情修复或替换。
[0007]在一个可选系统中，可设置两个模块以通常基于50 / 50地分担电能需求从而用于正常操作；但是其中当另一个模块发生故障时，每个模块都具有承担100%需求的能力。
[0008]无论如何，使用备用电源系统都被广泛公知于设法保持各种可能的电能需求，无论是否在现场总线环境内，US-A-2007 / 0162771就公开了一个这样的例子。当上述冗余的级别被认为是包括2N个设备(其中N是满足正常操作期间电源需求所需设备的数目)时；该文献内的冗余的级别包括N+1个体系结构，同样地其中N是能共同地满足正常操作期间总的电能需求的设备的数目。
[0009]考虑到所需电路和电路元件的高度复制性，且还由于相对高的负载需求(这能导致操作特性(诸如加热)需要可能昂贵的和/或低效的和/或空间消耗的补偿特征，诸如热同步需求等)，已知的电源(诸如如上所述的现场总线电源)能证明就它们的通用结构和冗余性质而言是不利的和受限的。
[0010]因此，本发明认识到期望对更高效率和/或成本效益和/或紧凑设计的考虑。
[0011]本发明设法提供一种电源，诸如现场总线电源，该电源优于已知的这种电源。
[0012]根据本发明的一个方面，提供了一种电源，包括:多个电源模块，每个电源模块被设置为在多个通道上供电；
[0013]电流分担控制器，其被设置为跨所述多个电源模块而分担输出电流需求；以及
[0014]每个模块中多个通道的至少一个第二通道，其被设置为追踪所有负载条件下每个相应模块中多个通道的第一通道的输出电压。
[0015]在模块之间产生的负载分担证明在降低每个模块中的功率处理特性(诸如散热)方面是有利的。特别地，在本发明的配置中，任何时候都没有一个单独的模块需要承担所有的负载。因此，每个模型的最大功率消耗低于可能的用来提高可靠性和降低功率处理特性(诸如但不局限于，散热)的其他情况。
[0016]此外，通过通道追踪/跟随，在多通道环境内易于复制这种优点。
[0017]这种电源可包括冗余电源功能，尤其是N+1个冗余体系结构。
[0018]有利的是，可以跨各个电源模块的第一通道来控制电流分担。
[0019]在一种特定配置中，所述第一通道可以用作调节通道。
[0020]依照此方式，第二通道和任何后继通道中的每一个可以被认为是非调节通道。
[0021]有利的是，电流分担控制器被设置为在多个电源模块之间平衡负载分担。
[0022]可以包括控制反馈功能以用于电流分担，此外，每个模块可以包括电流分担控制器和控制反馈配置。
[0023]作为进一步特征，每个模块可以采用在调节通道上并且通过单个外部分担线进行内部调整。
[0024]可以实现一种特别紧凑的配置，其中每个模块采用单个电源单元。
[0025]该配置可以包括单相变压器，该变压器为每个模块内的第一、第二和任何后继通道所共用。
[0026]视情况而定，每个模块可以包括开关式电源控制器和单相变压器。
[0027]应该理解的是，本发明尤其与采用任何形式的多输出电源系统有关，这还得益于几余和通道追踪。
[0028]在一个特定的实施例中，本发明包括现场总线电源。根据本发明的另一个方面，提供了一种电源，包括多个电源模块，每个电源模块被设置为在多个通道上输出电能，还包括电流分担控制器，其被设置为跨多个电源模块分担输出电流需求。
[0029]根据这个方面，每个模块中多个通道的至少一个第二通道被设置为追踪每个相应模块中多个通道的第一通道的负载。
[0030]同样地，这特征可以有利地包括现场总线电源。
[0031]此后进一步将仅仅通过举例并参照附图来描述本发明，其中:
[0032]图1是根据本发明一个实施例的多通道现场总线电源的示意图；以及
[0033]图2是根据本发明另一实施例的多通道现场总线电源的示意性框图。
[0034]首先转向图1，以框图示意性形式示出了多通道现场总线电源10，其大致被设置为通过N个电源模块在Z个通道上供电。为了易于参考，在示出的例子中，Z=4，N=3。
[0035]尽管没有特别地示出，冗余的N+1个级别也被合并入电源10，如此使得还可包括另外的(冗余)电源模块，以在三个电源模块之一发生故障时分担电源10的电源负载。
[0036]假定没有任何故障的正常操作，四条现场总线通道12被设置为通过电源10的三个电源模块14、16、18进行供电。
[0037]在这个示出的实施例中，电源模块14、16、18的每一个是另一个的镜像，且因此仅仅就电源模块14来讨论和示出每一个电源模块的全部功能构造细节。
[0038]值得注意的是，每个电源模块包括多通道模块来向四个通道12供电。[0039]随着下面更详细所讨论地，每个模块(14、16、18)内四个通道中的第一通道包括主要(调节)通道，而剩余三个通道包括有利地设置为跟随调节通道动作的附加(未调节)通道。
[0040]电源模块(14、16、18)的四个通道中的每一个通道与另一个模块的相应四个通道中的每一个通道组合，从而分担对于12处输出的每个通道的电源需求。
[0041]特别地参考具有其PSU的电源模块14，提供了开关式电源(SMPS)控制器20和相关开关22，用来通过变压器24、整流器26和O形环二级管28限定调节通道反馈，以在被调节的四个现场总线通道12之一上提供电源电流。
[0042]本发明的重要考虑在于，12处的四个通道中每一个通道的需求要被多个(在示出例子中是三个)电源模块满足，如此使得跨那三个模块分担现场总线通道的电流和负载需求。
[0043]通过电流分担32、相关联的控制反馈30、用来实现负载平衡的动态调整的电路以平衡的方式有利地实现这种分担，如此使得没有模块(14、16、18)试图单方地经由四个通道12的第一通道36驱动负载。
[0044]如下面进一步讨论地，这有利地提高了本发明的效率和可靠性。
[0045]也就是说，模块14内的电流分担和控制反馈功能30、32在每个模块16、18中形成镜像，从而实现上述跨所有三个模块14、16、18的动态负载平衡。
[0046]因此，在每个模块中跨调节通道施加有效的电流分担控制，如下文将进一步讨论的，因此响应于此跨三个模块14、16、18的所有相应相关的未调节通道——并引至通道50、52、54，以特别有效的方式来实现类似的电流分担功能——。
[0047]如将从每个模块的示意图所理解的，但是具体参考模块14，从同一变压器24馈送形成模块14的三个未调节通道的整流器对38，44 ;40，46和42，48中的每一对，作为形成调节通道的一部分。整流器对可包括二极管对或任何其他合适的整流器配置，诸如采用MOSFET的那些整流器配置。
[0048]因此，每个未调节通道以能通过变压器绕组的合理配置被准确定义和控制的方式追踪/跟随调节通道。
[0049]因此，至于每个模块的主要(调节)通道分担它们相关的现场总线通道36的电流/负载需求，每个第二至第四现场总线通道50、52、54的每个相应的第二至第四(未调节)通道也是如此。
[0050]因此，四个现场总线通道12能够以特别有效的方式被提供所需的电流。
[0051 ] 与已知的电源配置相比较，因而不需要为每个通道复制PSU和调节器电路，通过电流分担技术，可以有利地降低每个模块的功率处理需求，从而减少设计限制、改进成本效益并以特别高效和成本有效的方式满足功能特性，诸如散热。
[0052]如因此从所示实施例可以理解的，本发明设想的布局采用N+1个模块，其中N是满足每个通道的输出需求所需要的模块的数目。每个模块具有一个完整的PSU，其在被连接至电流分担电路时，允许N+1个模块分担所需的输出电流。每个PSU内的控制反馈和电流分担电路一起确保在模块之间的负载分担保持平衡。
[0053]因为在每个模块中仅仅有一个SMPS控制器和一个变压器，每个附加通道共享由主要(调节)通道使用的单相变压器。作为特别的优点，变压器的结构允许每个模块内的附加(未调节)通道追踪/跟随主要(调节)通道的相对负载。变压器的这种结构要求每个附加的次级通道紧密耦合到主要(调节)次级通道，从而实现所需的追踪。有利地，本发明因而可对每一模块仅仅需要一个SMPS控制器和一个控制器反馈环路，以便能够在模块内获得每个附加通道，该附加通道只会稍稍影响单个通道的设计考虑和实际成本。
[0054]在本发明示出的例子中，且为实现所需的输出电压追踪，电源的输入级包括馈送隔离的变压器初级绕组的单个开关式电路。值得注意的是，变压器还具有互相隔离但以多丝方式缠绕的两个或更多次级绕组以最大化耦合，且由此实现所需的电压追踪。每个次级绕组馈送整流器电路以提供DC电压输出。输出之一是通过反馈电气隔离的控制信号给开关式电路而调节的电压。其它输出将随后趋向追踪这种调节的输出。
[0055]电流分担电路动态地调整负载平衡，如此使得没有一个模块试图单方地驱动负载，这提高了本发明的效率和可靠性。
[0056]由此，且如本发明所示实施例那样，可以通过单个电流分担控制和连接N个共享电源的调节通道的监控线来实现电流分担。这种控制和监控线是由N个电源的每一个中的电流监控电路驱动的，以提供表示组合输出电流的电压反馈。监控电流分担线路，以便每个电源能自动地调整其输出电压，以实现近似相同的与其他电源的电流分担来满足负载的要求。
[0057]此外，至于以跨三个模块的每一个模块的分担方式来满足每个现场总线通道12的电流供应需求，每个模块的单个功率处理需求由此被降低。这对每个模块的操作特性具有特别有益的效果，特别地，必须采取步骤来满足散热需求。这种需求比在通过单个模块在每个通道上供电的情况要少得多。
[0058]对诸如那些如上所述的追踪和电流分担方案的使用有利地提供任何所需数目的未调节通道，这些未调节通道可以N+1形式连接在一起以实现所需的电流分担。
[0059]现在转向图2，示出了与第一实施例共享相似度的本发明的第二实施例56。
[0060]电源的第二实施例56同样图示了供给四个现场总线通道的三个独立的模块，尽管在此实施例中，提供单个电流分担级58来跨三个模块并分别与三个模块的每一个相应的控制反馈电路60、62、64对接，如图所示。
[0061]然而图2示出的电源56的操作功能，尤其关于主要(调节)通道的功率分担和通道电流跟随方面，保持与上述相对于图1实施例所描述的一致。
[0062]应该理解的是，本发明的各个实施例可以根据需要提供有DC或AC电源，且没有任何对本发明其它特征的设计考虑的影响。特别地，处理AC电源的实施例可以作为选择被设置，以非常容易地处理DC电源。
[0063]由此，本发明可以提供一种电源，尤其是一种现场总线电源，其被设置为在多个通道上输出功率，其中每个模块中多个通道的至少一个第二通道被设置为追踪多个电源模块的每个相应模块中多个通道的第一通道的负载，且从而为每个模块提供降低功率处理需求的多通道和多模块电源。
[0064]实际上，应该理解的是，本发明不局限于前述实施例的详细说明。
[0065]例如，可以提供涉及任何适合的冗余形式和任何所需数目的被设置为供给任何所需数目的现场总线通道的电源模块的任何适合的电源配置。
[0066]因此，可以连同实现跨三个模块并通过附加(次级)通道追踪/跟随的所需电流分担和负载平衡的任何适当装置一起，提供任何适合的配置或在每个模块内实现调节通道。
【权利要求】
1.一种电源,包括: 多个电源模块，每个电源模块被设置为在多个通道上输出功率； 电流分担控制器，其被设置为跨所述多个电源模块而分担输出电流需求； 每个模块中所述多个通道的至少一个第二通道，其被设置为追踪所有负载条件下每个相应模块中多个通道的第一通道的输出电压。
2.如权利要求1所述的电源，其特征在于，包括冗余电源功能。
3.如权利要求2所述的电源，其特征在于，包括N+1个冗余体系结构。
4.如权利要求1、2或3所述的电源，其特征在于，跨相应电源模块的第一通道来控制电流分担。
5.如在前述权利要求的任何一个或更多个权利要求所述的电源，其特征在于，所述第一通道包括调节通道。
6.如权利要求5所述的电源，其特征在于，第二通道和任何后继通道中的每一个包括非调节通道。
7.如在前述权利要求的任何一个或更多个权利要求所述的电源，其特征在于，电流分担控制器被设置为在所述多个电源模块之间平衡负载分担。
8.如在前述权利要求的任何一个或更多个权利要求所述的电源，其特征在于，包括用于电流分担的控制反馈装置。
9.如权利要求8所述的电源，其特征在于，每个模块包括电流分担控制器和控制反馈配置。
10.如权利要求9所述的电源，其特征在于，每个模块采用通过单个外部分担线在调节通道上进行内部调整。
11.如在前述权利要求的任何一个或更多个权利要求所述的电源，其特征在于，每个模块采用单个电源单元。
12.如在前述权利要求的任何一个或更多个权利要求所述的电源，其特征在于，在每个模块内为第一、第二和任何后继通道采用通用变压器。
13.如权利要求12所述的电源，其特征在于，每个模块包括开关式电源控制器和单相变压器。
14.一种电源，包括多个电源模块，每个电源模块被设置为在多个通道上输出功率，还包括电流分担控制器，其被设置为跨所述多个电源模块分担输出电流需求。
15.如权利要求14所述的电源，其特征在于，所述电源被设置为使得每个模块中多个通道的至少一个第二通道被设置为追踪每个相应模块中多个通道的第一通道的输出电压。
16.如权利要求15所述的电源，其特征在于，包括如权利要求2-13中的任何一个或更多个权利要求。
17.如在前述权利要求的任何一个或更多个权利要求所述的电源，其特征在于，包括现场总线电源。
18.—种电源，包括多个电源模块，以及在上文中基本上参照并如附图所示进行描述。
【文档编号】H02J1/10GK103858069SQ201280028358
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2011年6月27日
【发明者】L·普莱斯, S·福尔斯顿, D·G·威廉姆斯 申请人:库柏技术公司