用于无均流母线电源单元的冗余热备电源管理装置的制作方法

本发明一般地涉及用于无均流母线电源单元的冗余电源管理装置。更具体地，涉及用于多个无均流母线的电源单元的冗余电源管理装置，其能够同时实现具有电流均流和远端补偿功能的冗余热备结构的电源管理方案。

背景技术：
为了改善系统的可靠性，电子系统的一个主要特征是提供冗余热备结构的电源方案。冗余热备结构的电源方案不是仅仅将多个电源单元并行地放在一起。不同电源单元之间的电流均流是冗余热备结构电源方案的基本要求之一。同时，在使用长电缆的应用情况中还期望冗余热备结构电源方案具备远端补偿电源单元的输出电压降的特征。图1、2示出了两种常见的电源单元的冗余结构电源方案。如图1所示的第一种常见方案，各个电源单元具备电流共享总线。在图1所示的电源单元的冗余结构电源方案中，所有的电源单元共享一条电流共享总线，所述电流共享总线内部地调整各个PSU内部的基准电压以达到各个PSU外部的输出电压相同。如图2所示的第二种常见方案，各个电源单元不具备均流母线。在图2所示的电源单元的冗余电源结构方案中，通过调整电源单元提供的两个外部远端补偿的差分检测信号线的连接方式，调节附加的电阻器Radj里所通过的电流来调整电源单元内部的远端补偿器正端电平以获得电流均流。如图2所示。在一些现有的系统的平台中，一个背板上仅有一个电源单元(PowerSupplyUnit---PSU)，PSU仅提供单端电压检测信号，该单端电压检测信号只能补偿电源线路中正端电压线路上的压降，但是无法补偿沿电源返回线路上的负端线路上的压降。因此，这在严格意义上不是完整的远端补偿。现有的系统的平台中的电源单元(PSU)通常没有均流母线，因此如果在现有平台的、没有均流母线的现有的PLC系统中采用上述图1所示的方案用于冗余热备目的，则现有平台的电源单元(PSU)和电源背板都需要修改，并且上述图1所示的方案不能提供电源单元的输出电压降的严格意义上的远端补偿功能。图1、2中所示的两种电源单元本身不具备同时均流和远端补偿的冗余热备功能。具体而言，图1中的电源单元虽然提供了均流功能，但没有远端补偿功能；图2中的电源单元虽然能够通过外接均流芯片实现均流，但目前该类型的均流管理芯片都没有提供远端补偿的功能。为了更好地复用现有平台的电源单元并使对现有系统的修改尽量的少，本申请提供了一种能够实现在电源单元没有均流母线的情况下同时实现电流均流和远端补偿功能的冗余热备的电源管理结构方案。为此，本专利申请提出了一种能够同时实现均流和远端补偿的冗余电源管理结构。

技术实现要素：
本发明的目的是针对没有均流母线的PSU提供一种新的冗余电源结构方案，与不能提供远端补偿功能的图2所示方案相比，本发明的冗余热备的电源结构方案同时具有电流均流和远端补偿的功能，同时，对既有系统引入的修改最小，是一种较理想的选择方案。根据本发明的一方面，提供一种用于多个无均流母线的电源单元的冗余电源管理装置，包括：差分放大器，用于检测负载两端的电压；多个均流调节器，用于接收差分放大器所检测的负载两端电压，并检测所述电源单元的电流，基于所检测的所述电源单元的电流和差分放大器所检测的负载两端电压来调整与对应的电源单元的输出电压电平；电压并或功能块，用于实现所述电源单元的冗余热备；以及用于为上述组成部分提供工作电压的基准电压。其中每一个所述均流调节器采用均流拓扑结构或主/从拓扑结构来实现。其中当每一个所述均流调节器采用电流均流拓扑结构实现时，每一个所述均流调节器包括：电源单元插入检测和电压基准延迟接入软启动子部分，监测并入的电源单元的输出来检测电源单元插入事件，并且递送软启动斜坡电压基准；差分放大器，用于放大电源单元的电流取样电阻上的电压；均流误差放大器，用于比较从每一个电源单元和电源管理装置内部的均流母线递送的电流，并输出放大后的误差作为微小调节信号；误差放大器，其负输入端接收差分放大器所检测的负载两端电压，其正输入端接收来自均流误差放大器的微小调节信号、电源单元插入检测和电压基准延迟接入软启动子部分递送的软启动斜坡电压基准，调整通过与其输出端相连的晶体管的电流，相应地调整与其对应的电源单元的输出电压电平。其中电压并或功能块包括由电压电平比较器控制的MOSFET开关。附图说明通过以下仅作为示例的并且结合附图的所写描述，对于本领域一位技术人员来说，本发明的示例实施例将更好理解并且更明显，附图中：图1示出了常见的具备均流母线的电源单元的冗余电源结构方案。图2示出了常见的不具备均流母线的电源单元的冗余电源结构方案。图3示出了根据本发明的不具备均流母线的冗余电源结构方案的第一实施例。图4示出了根据本发明的不具备均流母线的冗余电源结构方案的第二实施例。图5示出了根据本发明的用于实现电源单元之间的电流均流和远端补偿功能的电源管理装置中包含的差分放大器的一个例子。图6示出了根据本发明的用于实现电源单元之间的电流均流和远端补偿功能的电源管理装置中包含的误差放大器的一个例子。图7示出了根据本发明的用于实现电源单元之间的电流均流和远端补偿功能的电源管理装置中包含的电源单元插入检测和电压基准延迟接入软启动子部分的性能图。图8示出了根据本发明的不具备均流母线的冗余电源结构方案的第一实施例的仿真曲线图。具体实施方式图3示出了根据本发明的不具备均流母线的电源单元的冗余热备电源结构方案的第一实施例。图4示出了根据本发明的不具备均流母线的电源单元的冗余热备电源结构方案的第二实施例。图3、4中仅画了2个电源单元以示说明，根据具体需要，可以包括用于冗余的多个电源单元。图3和图4中左侧的两个电源单元PSU1、PSU2不具备均流母线。如图3、4所示，根据本发明，在左侧的电源单元PSU1、PSU2和右侧的负载之间增加一个能够实现电源单元PSU1、PSU2的冗余热备、远端补偿以及电流均流功能的电源管理装置。所述电源管理装置可以通过一段电缆配置在现有系统的背板上，也可以直接实施在需要复用原有不具备均流功能的电源单元的新背板上。首先说明图3的第一实施例和图4的第二实施例中共同的部分，即背板上的电源管理装置。所述电源管理装置包括差分放大器U7、多个均流调节器Adj1、Adj2、电压并或功能块U8、U9、以及用于为上述组成部分提供工作电压的基准电压Vref。所述电源管理装置包括的差分放大器U7用于检测(假设经过了比较长的电源导线后的)负载两端的实际电压，差分放大器U7的具体实现电路如图5的示例。所述电源辅助装置包括的多个均流调节器Adj1、Adj2分别接收差分放大器U7的输出信号，图3、4中仅画了2个均流调节器以示说明，根据具体需要，可以电源管理装置可以包括多个均流调节器。具体而言，在每个均流调节器中，将差分放大器U7所检测的电压送到均流调节器内部的误差放大器U1的负输入端(即图6中标有“来自外部差分放大器U7的远端检测”的端口)，误差放大器U1的示例电路如图6所示，该误差放大器U1的正输入端提供了系统所需的参考电压基准，分别来自主要源头和微调源头，主要源头是从均流调节器6号端口输入的并经过各自延时的来自同一个的电源基准源Vref(输入到图6误差放大器标有“来自U4的参考电压”的端口)；微调源头来自各自均流误差放大器U2输出的微小调节所得的信号(输入到图6误差放大器的标有“来自U2的电流检测”的端口)，均流误差放大器U2比较从每一个PSU和电源管理装置内部的均流母线递送的电流，并输出放大后的误差以轻微调整误差放大器U1的正输入端的电压电平。差分放大器U3用于放大电源单元的电流取样电阻Rs1/Rs2上的电压，经其放大后再送给各自的均流误差放大器U2的负端。差分放大器U3的具体实现电路也可如图5的示例。误差放大器U1比较其两个输入端的电压并调整通过与其输出端相连的晶体管Q1的电流，相应地调整与其对应的PSU的输出电压电平。如果来自一个PSU的电流低于另一个PSU的电流，则Q1通过PSU内部的R1吸取更多的电流，相应地这将使得PSU提升它的输出。因此，对于均流共享拓扑结构来说，来自该PSU的电流将升高，直到在每一个PSU之间几乎没有电流差异为止。当两路或多路电源输出电流相同时(假设本申请案中采用的是平均均流法，即目标是每一路输出的电流理论上严格相等)，那么各个均流调节器Adj1/Adj2中误差放大器U1在正输入端所得的微调电压基准将相同，那么如果负载端电压下降，则误差放大器U1负端输入信号也下降，于是误差放大器U1的输出将不得不提高，从而导致晶体管Q1中的电流增加，于是均流调节器Adj1/Adj2的1号端口的输出电压降随之下降，这样电源单元PSU1/PSU2内部必然有所动作，不允许上述电压的下降；反之，即负载端电压上升时，其趋势也能通过该申请案的电路结构反馈到左侧的电源单元PSU1/PSU2内部，促使电源单元内部作相应的调整，从而实现了供电线路的远端补偿的功能。当负载端电压稳定时，负载上所得的电流不变。若在某个时刻，其中一电源单元PSU的输出降低时，譬如说PSU1的输出因温度变化而略微下降，则电源单元PSU1贡献的电流必然减小，但因负载端还没来得及跟进，即系统总的输出电流保持不变，这样与电源单元PSU1对应的均流调节器Adj1内部的均流误差放大器U2的输出将增大，从而提高了误差放大器U1的电压基准，于是误差放大器U1输出增大，晶体管Q1内部电流也随之增大，均流调节器Adj1的1号端口的输出电压降低，从而迫使PSU1调高在电源端口的输出电压，最终抑制了输出电流减小的趋势；反之亦然。这就是本申请案所实现的均流功能。图3、4中简单地通过均流拓扑结构来示出均流误差放大器U2、差分放大器U3组成的电流均流放大器，也可以采用诸如主/从拓扑结构的其他结构来实现电流共享放大器。其中用于远程检测负载两端电压的差分放大器U7可以通过经典的差分放大器来实现，如图5所示。用于检测电源单元的电流的差分放大器U3也可以通过经典的差分放大器来实现，如图5所示。误差放大器U1可以是具有补偿元件的放大器，这样对于系统的动态响应不会产生负面影响。图6示出了误差放大器U1的一个例子。所述均流调节器包括的电源单元插入检测和电压基准延迟接入软启动子部分U4，通过监测所并入的电源单元PSU的输出来检测PSU插入事件，并且接着将软启动斜坡电压基准递送到均流调节器内部的误差放大器U1。图7示出了基准插入延迟和软启动子部分U4的性能图，基准插入延迟和软启动子部分U4使得确保该冗余电源管理系统能够递送稳定的输出电压。所述电源管理装置包括的电压并或功能块(U8、U9)可以通过由电压电平比较器控制的MOSFET开关来实现。当左侧比右侧高时，MOSFET导通；否则MOSFET截止。如此，实现了冗余热备电源系统。接着说明图3的第一实施例和图4的第二实施例的不同点。图3和图4的不同之处在于左边所接的电源单元PSU1/PSU2的内部结构不同，图4中左边电源单元的负远端补偿线与电源回路(即通常所说的负端)相短路，而图3中没有此短路连接而已，因为图3中左边电源单元没有负端补偿。具体地，图3中的电源单元PSU1/PSU2对外接口中只有1个补偿信号S，这种模块在带载时只能补偿+端在电源传输导线上的压降；而图4中的电源单元PSU1/PSU2，具有正负2个远端补偿信号Sence+、Sence-，带载时能同时补偿正负两端来去电源导线上的压降。与现有技术中图2所示的方案相比，根据本发明的图4的冗余电源电路结构能够同时提供电流均流以及负载电压的远端补偿两种功能。本发明的均流效果的仿真结果如图8所示，图8示出了根据本发明的不具备均流母线的冗余电源结构方案的第一实施例的仿真曲线图。图8中的上面关于电流的仿真中，R15、R16表示图3中的电流检测电阻器Rs1/Rs2，I(Rload1)+I(Rload2)是递送到负载的总的电流，V(VSN+,VSN-)是负载侧的电压。图8所示的仿真假设电源单元PSU2首先启动，然后在10ms之后，电源单元PSU1插入到图3所示的具有根据本发明的电源管理装置的背板中。30ms之后，电源单元PSU1然后被拔出。从图8的仿真曲线可以看出，在最初的6ms期间，电压基准延迟接入和软启动子部分U4没有启动，落在功率导线上的压降非常显著，这里功率导线电阻Rw1/Rw2假设约为0.5ohm。从6ms时间点开始，电压基准延迟接入和软启动子部分U4开始启动，上述导线上的电压降基本被完全补偿。在电源单元PSU1插入之后从24ms到30ms，两个电源单元之间均流的电流基本彼此相等。本领域技术人员将理解，可以对特定实施例进行其他改变和/或修改，而不脱离如宽泛地描述的本发明的精神或范围。因此，无论从哪一点来看都要将本实施例认为是说明性的而不是限制性的。