过电压保护系统及方法
【专利摘要】公开了电源系统和方法。所述系统包括响应于脉宽调制(PWM)信号和DC主电压产生输出电压的电源。所述系统还包括基于AC输入电压产生所述DC主电压的AC/DC转换器。所述系统进一步包括基于与所述输出电压关联的反馈产生PWM信号的电源控制器。所述电源控制器包括故障控制器，其检测与所述电源关联的过电压情况，并响应于所述过电压情况促使所述AC/DC转换器停用所述DC主电压。
【专利说明】过电压保护系统及方法
【背景技术】
[0001]多种计算机系统实现DC电压以向处理器和/存储器提供电力。为了提供电力，计算机系统典型地实现分布式电力系统以提供电力给一组处理器和/或存储器系统。基于在计算机系统中施加于多动力系高电流中央处理单元(CPU)或存储器电压调节器的输入端处的分布式DC主电力，相关联电源中(诸如在高边开关处)的短路可将输入源直接联接到输出负载。这可导致输出过电压情况，如果没有箝位，则过电压情况会损害相应的负载。紧接着检测到过电压情况(诸如通过外部过电压检测电路)，分布式DC主电力可被停用以对负载进行实质性保护。
【专利附图】
【附图说明】
[0002]图1图解了电源系统的实例。
[0003]图2图解了电源的实例。
[0004]图3图解了 DC/DC转换器系统的实例。
[0005]图4图解了用于显著减轻并检修电源系统中的过电压情况的实例方法。
【发明内容】
[0006]图1图解了电源系统10的实例。举例来说，电源系统10可在多种计算机系统和/或诸如便携式电脑或平板电脑的便携式电子设备或在无线通讯设备中实现。电源系统10包括配置成基于AC电压Vac产生DC主电压Vmain(例如12伏特)的AC/DC转换器12。在图1的实例中，AC电压Vac通过AC电源14产生。DC主电压Vmain提供给多个(N个)电源16中的每一个，这里N是正整数。电源系统10还包括配置成控制多个电源16的电源控制器18。电源控制器18也配置成针对与电源系统10关联的过电压情况提供过电压保护，如本文更详细地描述。
[0007]在图1的实例中，多个电源16中的每一个配置成产生提供电力给各自的负载& I到I的各自的输出电压Vtot」到Vott N。举例来说，负载Ru到I可配置为存储器系统、处理器或者存储器系统和处理器的组合。电源控制器18配置成产生各个脉宽调制(PWM)信号PWM_1到PWM_N，以使得电源16配置成基于信号PWM_1到PWM_N和DC主电压V_产生各自的输出电压I到VOT—N。
[0008]例如，电源16中的每一个可包括基于信号PWM_1到PWM_N被交替激励的高边开关和低边开关，以引导电流穿过电感器来产生各自的输出电压Vtot」到Vtot N。举例来说，电源控制器18可配置成基于与各输出电压Vtot」到Vott N相关联的反馈而产生信号PWM_1到PWM_N，其中与各输出电压Vtot」到Vot N相关联的反馈在图1的实例中示范为反馈电压Vfb I到VFB—N。尽管在图1的实例中示范了电源系统10包括多个电源16，但应当理解和意识到电源系统10可替代地仅包括单个电源16。此外，应当理解多个电源16不限于产生各自的输出电压Vtm」到Vtm N，而且可替代地配置为备用的电源16，其配置成产生单个输出电压VTOT。
[0009]图2图解了电源50的实例。电源50可对应于图1实例中的电源16中的给定电源，被表示为电源“X”(即N个电源16中的第X个)。因此，在图2的实例的随后描述中参考图1的实例。
[0010]电源50包括栅极驱动器52。栅极驱动器52配置成响应于信号PWM_X，诸如从图1的实例中的电源控制器18提供的信号，产生开关信号SW1和SW2。开关信号SW1和SW2分别提供给闻边开关和低边开关，其在图2的实例中不范为晶体管N1和N2。晶体管N1互连DC主电SVmain和开关节点54，并且晶体管N2互连开关节点54和低电压轨，低电压轨在图2的实例中示范为接地。电源50还包括互连开关节点54和在其上提供输出电压Vqut x的输出端56的电感器Lqut。因此，图2的实例中的电源50配置为基于晶体管N1和N2的交替开关而产生输出电压Vtot x的降压转换器，其中晶体管N1和N2的交替开关由信号PWM_X提供以产生穿过电感器Lotit的电流。
[0011]举例来说，输出电压Vtm x可以是与图1实例中的电源16中的给定电源相对应的输出电压。作为另一个实例，输出电压VoUT—x可例如基于图1实例中的电源系统10中被配置成备用的电源16，而对应于单个输出电SVtm，以使得输出节点56联接到与全部电源16相关联的输出节点。此外，电源50包括互连输出节点56和低电压轨并且被配置成产生反馈电压Vfb x的一对反馈电阻R1和R2。反馈电压Vfb x因此而具有与输出电压Vtm x成比例的幅值。反馈电压Vfbx可进而被提供给图1实例中的电源控制器16。因此，反馈电压Vfbx可被实现为产生用于维持输出电压Vtm x的幅值的信号PWM_X。在图2的实例中，电源50包括彼此串联连接并与输出电感器Lotit并联连接的电阻R3和电容器C.。电源控制器18可进而可替代地或附加地配置成通过输出电容器Qm两端的电压Vsns x而监控流经电源16的电流的幅值，诸如用于产生信号PWM_X。
[0012]返回参照图1的实例，电源系统10包括配置成产生启动电压Vstkt的DC/DC转换器20。紧接着电源系统10的初始化，电源系统10可被配置成引导启动过程。在启动过程期间，AC/DC转换器12可被配置成初始产生辅助电压VAUX。举例来说，辅助电压Vaux可由AC/DC转换器12基本上持续地产生，并且可提供电力给关联的电子系统中包括电源系统10的数个系统。DC/DC转换器20可进而基于辅助电压Vaux产生启动电压VSTKT。举例来说，启动电压Vstkt可基于启动信号STRT初始化，启动信号STRT可被实现为控制启动电压Vstkt的转换速率。启动电压Vstkt进而被提供给电源控制器18的系统控制22，以在启动过程期间及其以后提供电力给系统控制22。举例来说，系统控制22可对应于电源控制器18的智能控制系统。尽管给系统控制22的电力在图1的实例中被示范为通过启动电压Vsm提供，但应当理解系统控制22可替代地由诸如不与AC/DC转换器12关联的独立电压供电。
[0013]图3图解了 DC/DC转换器系统100的实例。DC/DC转换器系统100可对应于图1的实例中的DC/DC转换器20。因此，在图3的实例的随后描述中参考图1的实例。
[0014]DC/DC转换器系统100包括电源102。电源102可布置为降压DC/DC开关转换器，其配置成基于辅助电压Vaux产生开关电压Vsw。例如，电源102可配置成将辅助电压Vaux从大约12伏特逐步降低到较低幅值的开关电压Vsw，诸如3.3伏特。DC/DC转换器系统100还包括转换速率控制器104，其配置成控制开关S1以基于启动信号STRT控制开关电压Vsw的增大速率。例如，转换速率控制器104配置成通过开关S1选通开关电压Vsw而在电容器Csw两端产生启动电压VSTKT。因此，DC/DC转换器系统100可配置成显著减轻到图1的实例中的电源控制器18的浪涌电流。
[0015]此外，开关S1还可通过电源系统10实现为将启动电压Vsm与电源控制器18的系统控制22断开，以实质上减轻与系统控制22关联的静态功耗。例如，在电源系统10处于备用模式时，电源系统10可打开开关S1 (例如通过转换速率104)以将启动电压Vstkt与系统控制22断开。因此，备用模式期间静态功耗可显著减轻。
[0016]返回参照图1的实例，紧接着系统控制22通过启动电压Vsm而被提供足够的电力且被初始化以备于运行，系统控制22提供使能信号EN给AC/DC转换器12。在响应中，AC/DC转换器12开始产生DC主电压VmiN。因此，DC主电压Vmain提供给电源16中的每一个。DC主电压Vmain除了通过高边开关(例如高边开关N1)提供为电源16的输入电压之外，DC主电压Vmain还诸如基于DC主电压Vmain被逐步降低到较低幅值的电压(未示出)，而提供电力给各电源16的栅极驱动器(例如栅极驱动器52)。因此，在信号EN被使能之后，电源系统10可进入斜线上升阶段，在此阶段期间DC主电压Vmain开始从零幅值增加，并在各电源系统16的栅极驱动器具有开始激励各高边和低边开关的足够电力之前达到全幅值。因此，在斜线上升阶段之后，DC主电压Vmain处在基本最大的幅值，并且栅极驱动器具有足够的电力用于激励高边和低边开关，以使得电源16中的每一个可开始产生各自的输出电压Vtot」到
VoUT—N。
[0017]举例来说，电源16的一个之中的短路，诸如跨相应的高边开关，诸如图2的实例中的高边开关N1的短路，可导致过电压情况。例如，跨高边开关N1的短路可通过电感器Ltot将DC主电压Vmain直接联接到电源50的输出端56。因此，输出电压Vqut x的幅值可增加到大于可接受幅值的幅值。因此，诸如处理器或存储器系统的相应负载Rui可被过电压情况损害。
[0018]为了检测并显著减轻过电压情况的影响，电源控制器18包括故障控制器24，其配置成检测与电源16中的一个相关联的过电压情况。举例来说，故障控制器24可配置成监控反馈电压Vfb」到Vfb n的幅值以确定是否各电源16中的一个遭受过电压情况。例如，故障控制器24可包括比较器(未示出)，其配置成将相应的反馈电压Vfb i到Vfb N与对应于各输出电压Vtot」到Vott N的可接受幅值的参考电压(未示出)进行比较。过电压情况的检测可发生在电源系统10的斜线上升阶段期间，诸如基于各输出电压Vtot x，并因而在高边和低边开关被激励之前各反馈电压Vfb x随着DC主电压Vmain增加而增加。尽管已经描述了故障控制器24监控反馈电压VfbJ到Vfb N以确定相应的过电压情况，但应当理解故障控制器24可实现其它反馈信息以确定过电压情况的存在，诸如图2的实例中的感应电压Vsns x或甚至是输出电压Votit i到VOT—N本身的幅值。
[0019]响应于检测到过电压情况，故障控制器24配置成发信号给系统控制22以使使能信号EN无效。因此，AC/DC转换器12终止DC主电压V_的产生，以使得DC主电压Vmin下降到基本为零的幅值。因此，包括短路的各电源16的各输出电压Vottx同样地下降。因此，各负载Rui不遭受可导致对应于负载Rui的各部件(例如处理器或存储器系统)的损害的过电压。此外，在图1的实例中，故障控制器24包括存储器26。举例来说，存储器26可包括故障寄存器，其配置成存储在过电压情况发生时与过电压情况关联的故障信息。例如，存储器26可存储与电源16中哪个电源导致过电压情况故障(因而具有跨高边开关的短路)相关联的信息，以及与过电压情况有关的任何各种其它数据。因此，紧接着过电压情况的发生，故障控制器24可将与过电压情况相关联的数据写入存储器26，并且可指示通过信号FAULT表不的故障给各种外部系统(例如处理器或显不系统)。
[0020]在图1的实例中，故障控制器24示范为通过启动电压Vsm接收电力。因此，紧接着使能信号EN被无效以导致AC/DC转换器12停用DC主电压Vmain,故障控制器24可基于辅助电压Vaux继续被提供电力，并且因而在缺少DC主电压Vmain时继续被提供启动电压VSTKT。因此，在DC主电压Vmain停用之后，存储器26可被遥测地存取，由信号FLT_ACC表示。因此，在电源系统10依然故障的同时，过电压情况的原因可基于存取存储器26中的数据而被检修。换句话说，因为给故障控制器24的电力不基于DC主电压Vmain,因而存储器26不基于DC主电压Vmain，所以在电源系统10故障但是仍然接收足够的电力的同时，故障控制器24可提供必须的信息以解决导致过电压情况的潜在问题。此外，紧接着与过电压情况关联的数据被从存储器26存取，启动电压Vstkt可通过开关S1被停用以显著减轻静态功耗，与前述的类似。例如，信号FLT_ACC可向在其中包括电源系统10的计算机系统所关联的多种中央非易失性存储器系统中的任意一种，提供与过电压情况关联的数据，以使得即使在启动电压Vstkt停用以保存电力之后，与过电压情况关联的数据也可通过中央存储器存取和分析。
[0021]除了在电源系统10的初始化的斜线上升阶段期间进行工作之外，故障控制器24可同样地配置成检测并显著减轻电源系统10的正常工作期间过电压情况的影响。例如，在电源系统10的正常工作期间，电源16的高边和低边开关通过经由各自的栅极驱动器52的信号PWM_1到PWM_N激励和无效，以基于DC主电压V_产生各自的输出电压Vqut i到VQUT—N。
[0022]在电源系统10的这种正常工作期间，短路可跨电源16之一的高边开关而发展，以使得各输出电压Votjilx基于通过输出电感器Lotjt与DC主电压Vmah的直接联接而开始增大。因此，类似于本文的描述，故障控制器24可通过反馈电压Vfb x检测过电压情况(例如基于与对应于幅值可接受范围的参考的比较)，并且通过使能信号EN的无效使DC主电压Vmain被停用。此外，在电源系统10的正常工作期间，各栅极驱动器52具有足够的电力以控制电源16的高边和低边开关。因此，故障控制器24可进一步配置成锁住各故障电源16的低边开关(例如低边开关㈦的激励以从输出电感器Lott更快速地放电。因此，各输出电压VOTT—X可更快速地下降以进一步减轻对各负载Rui的损害。故障控制器24还可将关于过电压情况的有关数据写入存储器26，如前所述。
[0023]因此，如本文所述，电源系统10可以有效的方式、并且以允许在各故障之后检修过电压情况的原因的方式，为电源16提供过电压保护。例如，因为故障控制器24和系统控制22基于辅助电力VAUX(并且因而是启动电压Vstkt)被供电，所以在电源系统10的正常工作之前电源系统10初始化的斜线上升阶段期间，故障控制器24可检测过电压情况，并对过电压情况作出反应。因此，在过电压情况有机会损害各负载Ru到Ru之前，过电压情况可被检测到并被修正，并且还不像在典型的过电压保护系统中那样依赖高边和/或低边开关的激励和/或无效。此外，这样的系统例如可使高边开关无效，以减轻对于减轻跨高边开关的短路导致的过电压情况来说无效的过电压。还有，相对于实现外部电路和/或齐纳二极管的典型系统，本文描述的故障控制器24可在电源控制器18内部实现，因而节省空间、成本以及电力。举例来说，依赖齐纳二极管的典型过电压保护方案通常要求仔细地选择适当规格的齐纳二极管，并且通常可导致齐纳二极管的灾难性故障，并因而使各电源系统故障。此外，因为故障控制器24和关联的存储器26可在去除DC主电压Vmain之后维持供电，所以过电压情况的原因可被检修，这与去除各电源控制器的全部电力且可导致遥测信息丢失的系统相反。
[0024]考虑到上文描述的前述结构和功能特征，实例方法参照图4将更容易理解。虽然为了解释简明的目的，图4的方法示出和描述为连续地执行，但是应当理解和意识到方法不受图解顺序的限制，方法的部分可以以与本文示出和描述的不同的顺序和/或同时发生。
[0025]图4图解了用于显著减轻并检修电源系统中的过电压情况的实例方法150。在152，在启动过程期间，基于AC电压(例如电压Vac)产生的DC启动电压(例如启动电压Vstkt)被提供给电源控制器(例如电源控制器18)。在154，紧接着启动过程的完成，基于AC电压产生的DC主电压(例如DC主电压Vmain)被提供。在156，脉宽调制(PWM)信号(例如信号PWM_1到PWM_N)被提供给电源(例如电源16)以通过电源基于PWM信号和DC主电压产生输出电压(例如输出电压Vtot」到Vtot N)。在158，响应于检测到与电源关联的过电压情况(例如通过故障控制器24)，DC主电压被停用。在160，紧接着DC主电压被停用，从电源控制器存取(例如经过存储器26)与过电压情况相关联的故障信息。
[0026]上面已经描述的是实例。当然不可能描述元件或方法的每一种组合，但是本领域普通技术人员将认识到许多进一步的组合和排列是可能的。因此，发明意欲包含落在这个申请的范围内的、包括落在所附权利要求书中的所有这样的变更、修改和变型。如本文使用的，术语“包括”意思是包括但不限于，术语“包含”意思是包含但不限于。术语“基于”意思是至少部分地基于。另外，说明书或权利要求书中记载“一”、“一个”、“第一”或“另一个”元件，或其等同物的情况，应当解释为包括一个或多个这样的元件，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。
【权利要求】
1.一种电源系统,包括: 电源，基于脉宽调制(PWM)信号和DC主电压产生输出电压； AC/DC转换器，基于AC输入电压产生所述DC主电压； 电源控制器，基于与所述输出电压关联的反馈产生PWM信号，所述电源控制器包括故障控制器，所述故障控制器检测与所述电源关联的过电压情况，并响应于所述过电压情况促使所述AC/DC转换器停用所述DC主电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电源控制器基于与所述输出电压关联的反馈电压检测所述过电压情况。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述AC/DC进一步基于所述AC输入电压产生DC辅助电压，并且在停用所述DC主电压之后继续维持所述辅助电压。
4.根据权利要求3所述的系统，进一步包括DC/DC转换器，所述DC/DC转换器基于所述辅助电压产生启动电压，所述启动电压被提供给所述电源控制器以提供电力给所述故障控制器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述电源控制器基于所述启动电压而开始启动过程，并且紧接着所述启动过程的完成，提供使能信号给所述AC/DC转换器以命令所述AC/DC转换器提供所述DC主电压给所述电源。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述电源控制器响应于所述过电压情况，使所述使能信号无效以停用所 述DC主电压。
7.根据权利要求4所述的系统，其中所述DC/DC转换器包括转换速率控制器，所述转换速率控制器控制所述启动电压的增大速率来显著减轻到所述故障控制器的浪涌电流。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述故障控制器包括存储器，所述存储器存储与所述过电压情况关联的故障信息，所述存储器在所述DC主电压被停用之后可存取。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述电源包括通过开关节点联接的高边开关和低边开关以及互连所述开关节点和输出端的电感器，所述电源控制器在所述电源系统的正常工作期间，进一步响应于检测到所述过电压情况而锁住所述低边开关的激励。
10.一种用于显著减轻并检修电源系统中的过电压情况的方法，所述方法包括: 在启动过程期间提供基于AC电压产生的DC启动电压给电源控制器； 紧接着所述启动过程的完成提供基于所述AC电压产生的DC主电压； 提供脉宽调制(PWM)信号给电源，以通过电源基于所述PWM信号和所述DC主电压产生输出电压； 响应于检测到与所述电源关联的过电压情况，停用所述DC主电压；以及 紧接着所述DC主电压被停用，从所述电源控制器存取与所述过电压情况关联的故障信息。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括: 通过PWM信号和与所述输出电压关联的反馈电压产生所述输出电压；以及 通过电源控制器基于所述反馈电压检测所述过电压情况。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括: 提供所述DC启动电压给与所述电源控制器关联的故障控制器；以及 在停用所述DC主电压之后维持所述DC启动电压。
13.—种电源系统,包括: 电源，响应于脉宽调制(PWM)信号和DC主电压产生输出电压； AC/DC转换器,响应于使能信号基于AC输入电压产生所述DC主电压,并基于所述AC输入电压产生DC辅助电压； DC/DC转换器，基于所述DC辅助电压产生启动电压； 电源控制器，产生使能信号，并且基于与所述输出电压关联的反馈电压产生PWM信号，所述电源控制器包括故障控制器，所述故障控制器由所述启动电压供电，并且检测与所述电源关联的过电压情况，并响应于所述过电压情况而使所述使能信号无效以停用所述DC主电压，所述故障控制器包括存储与所述过电压情况关联的故障信息，所述存储器在所述DC主电压被停用之后可存取。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述电源控制器基于所述反馈电压检测所述过电压情况。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述电源包括通过开关节点联接的高边开关和低边开关以及互连所述开关节点和输出端的电感器，所述电源控制器进一步在所述电源系统的正常工作期 间，响应于检测到所述过电压情况而锁住所述低边开关的激励。
【文档编号】H02H7/12GK104081611SQ201280068684
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年4月20日 优先权日:2012年4月20日
【发明者】雷纳尔多·P·多明戈 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业