具有调节设定点之间的受控转变的下垂电流共享电力转换器的制造方法
【专利摘要】一种调节开关电力转换器在操作条件下产生具有相应第一和第二调节输出值的转换器输出。转换器响应于过渡窗口中触发信号在第一和第二触发值之间的过渡，输出在第一和第二输出值之间的过渡。过渡阶梯函数基于过渡幅度、过渡间隔和阶梯数目，其中过渡幅度是第一和第二调节输出值之间的差值，过渡间隔是第一和第二触发值之间的差值。过渡阶梯函数基于第一和第二触发值之间的触发信号的值，产生阶梯状过渡信号。在过渡窗口中的操作期间，阶梯状过渡信号包括在调节参考值中，以便产生转换器输出在第一和第二调节输出值之间的阶梯状过渡。
【专利说明】具有调节设定点之间的受控转变的下垂电流共享电力转换器
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及下垂电流共享电力转换器。
【背景技术】
[0002]在大型电子系统中，实际通常使用大约50VDC的分布电压来向单独系统卡施加电力。每个单独系统卡通过隔离的DC/DC转换器将所述50VDC转换为大约10VDC的较低调节中间电压(regulated intermediate voltage)。向各个单独系统卡上的电路供电的负载转换器的一个或多个点将10VDC总线用作输入。在需要高电力的系统卡上，实际通常并行布置多个隔离的DC/DC转换器以便满足所述卡的电力需要。需要的是并行的DC/DC转换器以平衡方式共享电流。可以采用进行电流共享(current sharing)的不同方案，包括被称作“下垂(droop)电流共享”方案，其中并行布置的每个转换器具有负斜率“下垂”的输出特性。需要切换并行的DC/DC转换器向不同调节点的输出(各个输出电压值)，以便最大化系统性能。由于每个并行的转换器都是单独器件，因此由每个转换器检测切换调节值的触发条件，并在每个转换器内起作用。
【发明内容】
[0003]如果期望相对于同一触发变量移动调节点，则每个并行的转换器不能够在正好同一点做出响应。这是由于组件容限和操作条件的略微差异。所有转换器在期望转变点的周围起作用，而不是精确地在同一点。从而在触发点附近的值处，一些并行转换器可能没有转变到新的调节设定点。这样将在并行转换器尝试调节的单独输出电压中设置偏移，可能在触发点附近导致较大的电流失衡。
[0004]公开了一种技术，用于当实现下垂电流共享时，控制触发点附近的调节值之间的转变以限制电流失衡。
[0005]具体地，公开了一种操作调节开关电力转换器的方法，所述电力转换器在不同操作条件下产生具有相应不同的第一和第二调节输出值的转换器输出。操作采用调节反馈回路的调节参考值，转换器输出响应于转变窗口中触发信号在第一和第二触发值之间的转变，相应地在第一和第二调节输出值之间转变。在一个实施例中，触发信号是与转换器的输入电压成比例的信号，所述方法用作调整比率Vout/Vin以便进行高效操作。
[0006]基于针对转变幅度、转变间隔和阶梯的数目的相应值来定义转变阶梯函数，其中转变幅度是第一和第二调节输出值之间的差值，转变间隔是第一和第二触发值之间的差值。转变阶梯函数基于第一和第二触发值之间的触发信号值范围，产生阶梯状转变信号。在利用在转变窗口内具有值的触发信号进行操作期间，在调节参考值中包括阶梯状转变信号，以便产生转换器输出在第一和第二调节输出值之间的阶梯状转变。
[0007]当由并行布置的所有电力转换器使用时，所公开的技术通过降低下垂输出特性中的极小失配的影响，来降低电流失衡。根据适当的设计，可以将偏移降低到一个阶梯的幅度，而不是第一和第二调节值之间全部差值的幅度。该技术还可以以并行布置和非并行布置的形式用于其它目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]如附图所示，根据本发明特定实施例的以下描述，将清楚上述和其他目标、特征和优点，贯穿附图，类似的附图标记表示相同的部件。
[0009]图1是采用多个并行DC/DC转换器的电源系统的框图；
[0010]图2是DC/DC转换器的框图；
[0011]图3是下垂电流共享的示意性表示；
[0012]图4是下垂电流共享的电流/电压特性的图；
[0013]图5是针对在调节电压输出值之间有转变的转换器集合的电压输出对电压输入的图；
[0014]图6是图5的部分图的图，详细示出了转变窗口。
【具体实施方式】
[0015]图1示出了电源系统，具有在输入电力总线12和输出电力总线14之间并行布置的一组DC/DC转换器10。在典型情况下，输入电力总线12( “输入电压”)处的电压高于输出电力总线14( “输出电压”)的电压。向对本地负载提供电力的一组负载点调节器(P0L ；未示出)供应来自输出总线14的电力。在这种应用下，由于输出电力总线14的电压通常在POL产生的相对较高输入电压和较低电压之间，因此可以将输出电力总线14称作“中间”总线。通常将这种用途的转换器称作“中间总线转换器”或IBC。转换器10可以在较高级系统电力控制器的控制下(较高级控制，图1未示出)。
[0016]通常当电力/电子系统需要的电力大于一个DC/DC转换器10所供应的电力时，期望在多种应用中使用DC/DC转换器10的并行集合。在这种配置下，转换器10的输出电压全部本质相同，等于输出总线14上出现的输出电压。通过转换器10以共享方式提供负载电流。作为采用相同电流共享的简单示例，如果存在五个相同的转换器10且负载电流是50安培(amps),则理想地每个转换器10提供lOamps。
[0017]需要在使用并行DC/DC转换器的系统中提供电流共享控制，以便确保平均分布负载电流和散热并防止一个或多个转换器过载。存在许多电流共享方法，包括利用专用主机进行主从式电流编程、利用自动主机控制进行平均电流编程、及利用自动主机控制和外部控制进行最大电流编程。在一个实施例中，将当前所公开的转换器10支持的电流共享方案是所谓的“下垂”方法，由于使用如下所述的转换器输出的向下倾斜输出特性而这样命名。
[0018]图2是数字DC/DC转换器10的框图。如图所示，包括初级侧MOSFET电力开关20、隔离电力变压器22、次级侧MOSFET电力开关24和输出滤波器26。操作由反馈路径电路调节，反馈路径电路包括误差放大器28、PWM发生器30、参考发生器32和隔离耦合元件34。
[0019]应注意，PWM发生器90位于隔离边界的次级侧。将这种布置称作“次级侧控制”。一些传统数字调节转换器采用初级侧控制，在初级侧控制中将控制电路与初级侧地相连接。在这种情况下，次级侧组件的任何控制信号必须穿过诸如光耦合器等隔离元件，以便保持初级侧和次级侧之间的隔离。光耦合器趋于遭受较低可靠性和较差的动态响应。因此，相较于这种使用初级侧控制的传统转换器，所示采用次级侧控制的布置能够展示改进的可靠性和动态响应。此外，具有次级侧控制的数字调节转换器可以根据最佳输出特性的操作状态，更新操作参数(即，比例积分微分或PID参数)。此外，为了良好的动态响应，可以采用非线性控制。
[0020]如上所示，转换器10可以在较高级系统控制器的控制下，在该情况下，转换器10还包括对这种单独控制器的通信接口。这种通信接口的示例包括I2C、SPI和UART。
[0021 ] 如上所示，在一个实施例中，使用下垂电流共享方法实现电流共享。通过针对并行布置的每个转换器建立稍负的输出阻抗(输入电压与输出电流的比率)，来实现这种电流共享的方法。这与典型理想的零输出阻抗相反(转换器在电流范围内保持恒定电压)。操作中，输出电压作为每个转换器的信令机制以便调整它的输出电流，从而影响所需共享。下垂电流共享本质上强制并行的电源或转换器以所需平衡方式在它们之间共享负载电流。通过允许每个并行电源的输出电压随着增加负载电流而下降(“下垂”)来进行工作。
[0022]图3示出了简化电路模型，作为用于描述对下垂电流共享的操作的参考。将每个转换器建模为与下垂电阻Rdrajp串联的相应电压源Vm(在该简单的两个转换器示例中，X =^^引起相应电流匕。负载处的电压和电流是Vltjad和I。。
[0023]图4是针对图3模型中两个不同转换器的输出电压V。对负载1特性的曲线，用序数I和2标识。还示出了以下讨论的设定点电压Vset。线40示出了转换器的不同特性导致它们不均等地共享负载电流1。( = 1i+102)。
[0024]为了分析，将称作每个源的“设定点精度”的值定义为+/_KV。此外，将每个源和负载之间的有效下垂阻抗定义为Rdrajp两个源的可允许负载贡献差值为+/_Ki。基于图3的模型并假定不同源之间的最差情况差值，以下等式成立:
【权利要求】
1.一种操作调节开关电力转换器的方法，所述电力转换器在不同操作条件下产生具有相应不同的第一和第二调节输出值的转换器输出，操作采用调节反馈回路的调节参考值，转换器输出响应于转变窗口中触发信号在第一和第二触发值之间的转变，相应地在第一和第二调节输出值之间转变，所述方法包括: 基于转变幅度、转变间隔和阶梯的数目的相应值来定义转变阶梯函数，其中转变幅度是第一和第二调节输出值之间的差值，转变间隔是第一和第二触发值之间的差值，转变阶梯函数基于第一和第二触发值之间触发信号的值范围来产生阶梯状转变信号；以及 在利用在转变窗口内具有值的触发信号进行操作期间，在调节参考值中包括阶梯状转变信号，以产生转换器输出在第一和第二调节输出值之间的阶梯状转变。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述触发信号是与调节开关电力转换器的输入电压成比例的信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述与输入电压成比例的信号是表示调节开关电力转换器的操作占空比的信号。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括:使用由表示占空比的信号发起的时间窗口，使得在时间上阶梯化转换器输出的转变，其中当调节开关电力转换器响应于输入电压的改变而检测到占空比跳脱点时，通过操作设定点在时间上的阶梯化转变来进行响应。
5.根据权利要求4所述的方法，其中阶梯化转变之前的初始反应动作是占空比沿与阶梯化转变方向相反方向的短暂递增变化，短暂递增变化使得源自调节开关电力转换器的电流的改变足以被与所述调节开关电力转换器并行布置的其它电力转换器检测到，从而引起所有电力转换器将它们的相应输出转变到设定点值中具有最小歪斜的新调节点。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述占空比跳脱点是当占空比响应于输入电压的降低而增加时遇到的最大占空比，其中初始反应动作在设定点降至较小值之前将设定点移至较高值，以便在新降低的设定点处建立调节。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述占空比跳脱点是当占空比响应于输入电压的增加而降低时遇到的最小占空比，其中初始反应动作在将设定点升高至较高值之前将设定点移至较低值，以便在新升高的设定点处建立调节。
8.根据权利要求7所述的方法，作为通过利用可用占空比的较大部分来最小化电力损耗的方案的一部分而被执行。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节开关电力转换器采用可编程的数字控制器，并且触发信号是由所述可编程的数字控制器执行的触发算法的输出。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述触发算法响应于在确定何时在第一和第二调节输出值之间转变时的多个操作变量来进行操作。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述触发算法采用寻找算法，引起调节开关电力转换器以离散调节阶梯自动移至新设定点，以便基于测量到的操作参数找到最优操作点。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述寻找算法包括下垂定位算法，以便在调节开关转换器的负载线上找到期望操作点。
13.根据权利要求12所述的方法，其中期望操作点是以下之一:(a)远离电流限制点的较低输出电流缓解点；(b)当以并行布置操作调节开关转换器时的期望电流平衡点，其中若非下垂定位算法的效果，并行布置的不同电力转换器的相应输入电压标称相等，但彼此充分偏移从而引起电流失衡。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节开关电力转换器实现下垂输出特性，以便能够与采用下垂电流共享的并行布置的其他电力转换器一起使用。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述调节开关电力转换器还实现转换器输出处的基于输入电压的可变输出电压，以便进行有效操作，并且触发信号是与输入电压成比例的信号，以便基于输入电压的转变，实现转换器输出在第一和第二调节输出值之间的相应阶梯状转变。
【文档编号】H02M3/157GK104167920SQ201410205307
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2013年5月15日
【发明者】马克·朱彻斯, 马克·马塞拉 申请人:百富(澳门离岸商业服务)有限公司