专利名称：电流平衡电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于开关电源单元的电流平衡电路，其适于对该开关电源单元的电流与一个或更多个与该开关电源单元并联连接的开关电源单元的电流之间的平衡进行控制从而向负载施加稳定的电压。
背景技术：
通常使用单个电源单元来向诸如计算机的各种类型的电子设备提供稳定的工作电压。然而，近来，考虑到电源单元的尺寸减小以及可靠性提高，已经越来越多地使用并联工作的多个小电源单元。通常，将开关电源单元用作小电源单元以使输出电压稳定。使用并联工作的小开关电源单元使得即使在开关电源单元之一发生故障时也可以向负载提供稳定的电压。这是因为其他开关电源单元可以弥补发生故障的开关电源单元。由此实现电源单元的尺寸减小和可靠性提高。
图4表示其中开关电源单元的n个单元CONV1、CONV2、……、CONVn并联连接从而向负载施加稳定电压的系统的配置。在开关电源单元之一由于故障而不能向负载供电的情况下，开关电源单元的n-1个单元继续供电。如果开关电源单元CONV1至CONVn有能力提供更多电力，则即使在两个或更多个开关电源单元发生故障时正常工作的开关电源单元也可以保持对负载的供电。在图4中，Vin+和Vin-表示输入电压，Vout+和Vout-表示输出电压，CB表示电流平衡端子。电流平衡端子CB互相连接以对开关电源单元CONV1至CONVn的输出电流值进行比较，从而平衡开关电源单元CONV1至CONVn的输出电流。
图5是示出现有技术的开关电源单元的框图。该电源单元包括变压器51、整流电路52、平滑电路53、输出电压检测电路54、输出电流检测电路55、电流平衡电路56、控制电路57、开关晶体管Q1、以及电流平衡端子CB。Vin和Vout分别表示输入电压和输出电压。当两个或更多个这种开关电源单元并联工作时，电源单元的电流平衡端子CB如上所述地互相连接。
控制电路57控制连接到变压器51初级绕组的开关晶体管Q1的开关操作。在变压器51的次级绕组中产生的感应电压由整流电路52整流，由平滑电路53平滑，然后被作为输出电压Vout输出。输出电压Vout施加给负载。输出电压检测电路54检测输出电压Vout以将输出电压Vout输入到控制电路57。控制电路57控制开关晶体管Q1导通的时间段从而将输出电压Vout调整到预定电平，由此使输出电压Vout稳定。此外，变流器或电阻器检测到的检测值输入到输出电流检测电路55，从而输出电流检测电路55检测输出电流并将输出电流检测信号输入到电流平衡电路56。关于并联工作的其他开关电源单元的输出电流的信息输入到电流平衡电路56。电流平衡电路56将针对输出电流的控制信号输入到控制电路57，以平衡多个开关电源单元的输出电流。
图6是示出电流平衡电路56的电路图。电流平衡电路56包括电阻器R1至R4、Ra和Rb，二极管D1，以及运算放大器OPA。图5的输出电流检测电路55将输出电流检测信号输入到二极管D1。运算放大器OPA将控制信号输入到控制电路57。输出电流检测信号经由二极管D1输入到电阻器Rb，从而在电阻器Rb上产生与输出电流检测信号对应的输出电流检测电压V1。输出电流检测电压V1经由电阻器R2施加到运算放大器OPA的负端，还作为由电阻器Ra、R1和R3形成的电阻器R3上的电压降而施加到运算放大器OPA的正端。电流平衡端子CB连接到电阻器Ra与R1之间的连接点。注意连接到运算放大器OPA正端的电阻器R1、R3、Ra和Rb的电阻之间的关系是R1+R3＞Ra+Rb。由此，运算放大器OPA将输出电流检测电压V1与来自其他电流平衡电路的输出电流检测电压之间的差输入到控制电路57。
当两个或更多个上述开关电源单元互相并联地工作时，这些开关电源单元的电流平衡端子CB并联连接。如果多个开关电源单元中的一个比其他开关电源单元具有较高的输出电流检测电压，则从输出电流检测电压较低的开关电源单元中的运算放大器OPA向控制电路57输入用于使较低的输出电流检测输出电压跟随较高的输出电流检测电压的信号，从而平衡电流。在输出电流检测电压较高的开关电源单元中，从运算放大器OPA向控制电路57输入用于将电压间的差减小到预定值以下的信号，从而平衡电流。即，各个开关电源单元都将输出电流调整至相同水平，即控制电流平衡。
例如已知如专利文献1中公开的电流平衡电路。根据专利文献1，通过检测电流平衡端子互相连接的多个开关电源单元的变压器的初级侧的电流、然后对开关电源单元的初级侧的检测电流值之间的差进行积分，从而控制电流平衡。还例如已知如专利文献2中公开的配置。根据专利文献2，检测多个开关电源单元的变压器的次级侧的电流。开关电源单元的电流平衡端子互相连接以限制开关电源单元的变压器的次级侧的检测电流值之间的差，从而防止输入电流的突然改变。
<专利文献1>日本特公平6-26473号公报<专利文献2>日本特开2001-161063号公报返回参照图6，当如图4所示地将开关电源单元的电流平衡端子CB与其他开关电源单元的电流平衡端子CB并联连接时，这些开关电源单元的电阻器Ra和Rb经由电流平衡端子CB并联连接。如果开关电源单元之一发生故障，则其输出电流变为零，从而该故障开关电源单元的电流平衡电路的经由二极管D1向电阻器Rb施加的电压V1变为零。结果，其他开关电源单元的电流平衡电路的电流平衡端子CB的电位由于并联连接的电阻器Ra和Rb而减小，从而降低了正常工作期间的电流平衡控制系统的阻抗，因此显著降低电流平衡特性。
例如，参照图7A，如果开关电源单元之一是主电源(输出电流检测电压比其他开关电源单元的输出电流检测电压略高的开关电源单元)，则其他开关电源单元是从电源。主电源和从电源根据负载电流的增大而保持电流之间的平衡，同时按预定电流差进行工作。然而，如果开关电源单元之一发生故障，则如前所述，故障开关电源单元的电阻器Ra和Rb经由并联连接的电流平衡端子CB与其他开关电源单元的电阻器Ra和Rb并联连接，使得电流平衡控制系统的阻抗减小。因此，从电源的输出电流对于主电源的输出电流增大的跟随存在延迟，导致输出电流之间的差增大。即，电流平衡特性劣化。
发明内容
本发明可以解决上述至少一个问题。
此外，本发明可以用简单的结构防止电流平衡特性的劣化。
根据本发明的一方面，提供了一种用于开关电源单元的电流平衡电路，所述开关电源单元与一个或更多个其他开关电源单元按电流平衡端子互相连接的方式并联地工作从而向负载施加稳定的电压，该电流平衡电路适于通过比较这些开关电源单元的输出电流检测电压来控制输出电流之间的平衡。所述电流平衡电路包括第一电阻器，其接收经由二极管输入的输出电流检测信号并将该信号作为输出电流检测电压输出；第二电阻器，连接在电流平衡端子和第一电阻器与二极管间的连接点之间；运算放大器，其经由第二电阻器与电流平衡端子之间的连接点以及输入电阻器接收从所述其他一个或更多个开关电源单元的平衡电路施加给电流平衡端子的输出电流检测电压，并经由第一电阻器与二极管之间的连接点以及输入电阻器接收来自第一电阻器的输出电流检测电压，从而输出与从所述其他一个或更多个开关电源单元的平衡电路施加的输出电流检测电压与来自第一电阻器的输出电流检测电压之间的差对应的信号；以及开关电路。
优选地，开关电路响应于故障检测信号而将第二电阻器从电流平衡端子断开。
此外，优选地，开关电路响应于故障检测信号而将第一电阻器从地断开。
此外，优选地，上述电流平衡电路进一步包括确定电路，该确定电路监视输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、开关电源单元的部件的温度、开关电源单元的部件的工作状态、以及电流平衡端子的输出电流检测电压中的一个或更多个，并在检测到异常时输出故障检测信号以控制开关电路。
根据本发明的上述方面，如果并联工作的多个电源单元中的一个发生故障，则通过响应于故障检测信号而将第一电阻器和第二电阻器从电流平衡端子断开，防止了故障电源单元的电流平衡控制系统的阻抗的降低。
图1是示出根据本发明第一实施例的电流平衡电路的电路图；图2是示出根据本发明第二实施例的电流平衡电路的电路图；图3是示出根据本发明第三实施例的开关电源单元的框图；图4是示出并联工作的开关电源单元的框图；图5是示出根据现有技术示例的开关电源单元的框图；图6是示出根据现有技术示例的电流平衡电路的电路图；以及图7A和7B是示出电流平衡特性的图。
具体实施例方式
<第一实施例>
图1是示出根据本发明第一实施例的电流平衡电路的电路图。该电流平衡电路包括运算放大器OPA、电阻器R1至R4、第一电阻器Rb和第二电阻器Ra、二极管D1、开关电路SW1、以及电流平衡端子CB。第一电阻器Rb接收经由二极管D1输入的输出电流检测信号，并将该信号作为输出电流检测电压V1输出。第二电阻器Ra连接在电流平衡端子CB与第一电阻器Rb和二极管D1之间的连接点之间。运算放大器OPA经由第二电阻器Ra与电流平衡端子CB之间的连接点以及输入电阻器R1接收从另一电流平衡电路施加给电流平衡端子CB的输出电流检测电压，并经由第一电阻器Rb与二极管D1之间的连接点以及输入电阻器R2接收输出电流检测电压V1，从而输出与施加给电流平衡端子CB的输出电流检测电压与输出电流检测电压V1之间的差对应的信号。开关电路SW1响应于来自检测电路(没有示出)的故障检测信号，将第二电阻器Ra从电流平衡端子CB断开。
开关电源单元例如具有图5所示的配置。如上所述，来自输出电流检测电路55的输出电流检测信号经由二极管D1输入到第一电阻器Rb，并被作为输出电流检测电压V1输出。从运算放大器OPA输出的信号输入到对与变压器51的初级侧相连接的开关晶体管Q1的导通和截止进行控制的控制电路57。虽然没有示出，但是检测电路包括检测器，例如对来自控制电路57用来进行开关控制的振荡器的振荡输出信号进行检测的检测器、温度传感器、以及故障检测器，并且检测电路产生故障检测信号以断开开关电路SW1。
开关电路SW1可以具有机械连接点或者可以包括晶体管。开关电路SW1响应于表示电源在正常工作的检测信号而接通，并响应于电源停止时产生的故障检测信号而断开。由此，当电源正常工作时，电流平衡端子CB连接到另一开关电源单元的电流平衡端子CB。另一方面，当电源停止时，开关电路SW1断开，由此将电阻器Ra和Rb从电流平衡端子CB断开，以防止相对于正常工作的开关电流电源单元的电流平衡电路的阻抗降低。即，将故障的开关电流电源单元的电流平衡控制系统从正常工作的开关电流电源单元的电流平衡控制系统断开，从而主电源和从电源的输出电流特性可以保持与如图7A所示的正常工作期间的电流平衡特性相同的电流平衡特性。
<第二实施例>
图2是示出根据本发明第二实施例的电流平衡电路的电路图，其中与图1的元件相同的元件具有相同的附图标记。在第二实施例中，开关电路SW1将第一电阻器Rb连接到地并将第一电阻器Rb从地断开。开关电路响应于检测到电力故障而断开，在电源正常工作时接通。和第一实施例中一样，当电源正常工作时，开关电路SW1保持接通从而控制电流平衡。当检测电路检测到电力故障时，开关电路SW1断开从而将第二电阻器Ra和第一电阻器Rb从地断开，由此防止电流平衡控制系统的阻抗降低。虽然电流平衡端子CB经由电阻器R1和R3接地，但是这对电流平衡控制系统的阻抗降低的影响很小，因为电阻器R1、R3、Ra和Rb具有R1+R3＞Ra+Rb的关系。
<第三实施例>
图3是示出根据本发明第三实施例的开关电源单元的框图。电源单元包括变压器1、整流电路2、平滑电路3、输出电压检测电路4、输出电流检测电路5、电流平衡电路6、控制电路7、确定电路10、输入电压监视部11、输入电流监视部12、电路故障监视部13、温度监视部14、开关晶体管Q1、以及电流平衡端子CB。Vin和Vout分别表示输入电压和输出电压。电流平衡电路6可以具有图1所示的配置或图2所示的配置。
输入电压Vin施加到变压器1。控制电路7控制连接到变压器1的初级绕组的开关晶体管Q1的开关操作。在变压器1的次级绕组中产生的感应电压被整流电路2整流，被包括电容器的平滑电路3平滑，然后被作为输出电压Vout输出。输出电压Vout施加到负载(没有示出)。输出电压检测电路4检测输出电压Vout，从而将输出电压Vout输入到控制电路7。控制电路7控制开关晶体管Q1导通的时间段从而将输出电压Vout调整至预定电压，由此使输出电压Vout稳定。此外，变流器或电阻器检测到的检测值输入到输出电流检测电路5。输出电流检测电路5检测输出电流并将输出电流检测信号输入到电流平衡电路6。关于并联工作的另一开关电源单元的输出电流的信息输入到电流平衡电路6。电流平衡电路6将与输出电流对应的控制信号输入到控制电路7，从而平衡多个开关电源单元的输出电流。
当输入电压Vin降至预定值以下或者当输入电压出现中断时，输入电压监视部11将检测信号输入到确定电路10。输入电流监视部12检测流过变压器1的初级绕组的输入电流的异常，并将检测信号输入到确定电路10。电路故障监视部13检测部件的故障，并将检测信号输入到确定电路10。温度监视部14检测各部件的电路中的异常温度升高，并将检测信号输入到确定电路10。来自输出电压检测电路4的对输出电压Vout的检测信号或者对输出电压Vout的异常增大的检测信号输入到确定电路10。来自输出电流检测电路5的对输出电流的检测信号或者对过流的检测信号输入到确定电路10。来自电流平衡端子CB的电流平衡控制信号也输入到确定电路10。
确定电路10根据向其输入的检测信号确定是否存在故障。如果确定电路10确定存在故障，则确定电路10控制电流平衡电路6以切断图1或图2所示的开关电路SW1。这样，增大了来自电流平衡端子CB的内部阻抗，从而防止了正常工作的开关电源单元的电流平衡控制系统的阻抗降低，因此保持了良好的电流平衡特性。
权利要求
1.一种用于开关电源单元的电流平衡电路，所述开关电源单元与一个或更多个其他开关电源单元按电流平衡端子互相连接的方式并联地工作以向负载施加稳定的电压，该电流平衡电路适于通过对这些开关电源单元的输出电流检测电压进行比较来控制输出电流之间的平衡，其特征在于第一电阻器，接收经由二极管输入的输出电流检测信号并将该信号作为输出电流检测电压输出；第二电阻器，连接在电流平衡端子和第一电阻器与所述二极管间的连接点之间；运算放大器，经由第二电阻器与电流平衡端子之间的连接点以及一输入电阻器接收从所述其他一个或更多个开关电源单元的平衡电路施加给该电流平衡端子的输出电流检测电压，并经由第一电阻器与所述二极管之间的连接点以及一输入电阻器接收来自第一电阻器的输出电流检测电压，从而输出与从所述其他一个或更多个开关电源单元的平衡电路施加的输出电流检测电压与来自第一电阻器的输出电流检测电压之间的差对应的信号；以及开关电路。
2.根据权利要求1所述的电流平衡电路，其特征在于，开关电路响应于一故障检测信号而将第二电阻器从电流平衡端子断开。
3.根据权利要求1所述的电流平衡电路，其特征在于，开关电路响应于一故障检测信号而将第一电阻器从地断开。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的电流平衡电路，其进一步特征在于确定电路，其监视输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、开关电源单元的部件的温度、开关电源单元的部件的工作状态、以及电流平衡端子的输出电流检测电压中的一个或更多个，并在检测到异常时输出所述故障检测信号以控制开关电路。
全文摘要
公开了一种用于开关电源单元的电流平衡电路，所述开关电源单元与一个或更多个其他开关电源单元按电流平衡端子互相连接的方式并联地工作。该电流平衡电路包括第一电阻器，接收经由二极管输入的输出电流检测信号并输出电流检测电压；第二电阻器，连接在电流平衡端子与第一电阻器和所述二极管之间的连接点之间；运算放大器，输出与多个输出电流检测电压之间的差对应的信号；以及开关电路。
文档编号H02M3/28GK1835368SQ20061000801
公开日2006年9月20日 申请日期2006年2月23日 优先权日2005年3月14日
发明者板仓和彦, 大野恒宏, 山下茂治 申请人:富士通株式会社