电源系统中电压转换器的配置的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电源系统的领域，以及更具体地涉及在具有多个电压转换级(stage)的电源系统中配置电压转换器的方案。
【背景技术】
[0002]电压转换器能够被用于给各种电装置供应电力，以及通过转换在其输入端子接收的输入电压至在电压转换器的输出端子提供的输出电压来操作。电压转换装置能够使用许多不同形式中的一种，其可以取决于手边的(at hand)应用的要求而被选择。例如，开关模式电源(SMPS )是电压转换器的众所周知的类型，其很好地适合于在个人计算机或者便携式电子装置(比如蜂窝电话)中使用(例如，归功于它的小的大小和质量、以及高效率)。SMPS通过在高频(通常数十到数百kHz)开关一个或者更多开关元件(比如，功率M0SFET)来实现这些优点，所述开关的频率或者工作循环使用反馈信号来调整(在调节的SMPS的情况下)从而转换输入电压至所希望的输出电压。电压转换器可以采取例如以下形式:整流器(AC/DC转换器)、DC/DC转换器、变频器(AC/AC )或者逆变器(DC/AC )。
[0003]但是，存在单个电压转换器不能够满足其要求的应用。例如，对于不断更快的和更加复杂的信号处理的需求刺激了对于具有多个高性能处理器的新的若干代信号处理系统的需要，其特征在于它们对于多个低供应电压、高电流需求和紧密的(tight)供应电压调节要求的需要。这些需要由比如中间总线构架(IBA)电源系统的电源系统来满足，其采用多级电压转换布置，该布置具有多个电压转换器以从输入电源得到多个紧密调节的电压。
[0004]图1示出常规的IBA电源系统的示意图，其是多级电力分配系统的示例。更具体来说，图1中示出的电源系统100是三级电力分配系统的示例，其中来自初始电源的电力被馈送给一个或者更多第一级电压转换器的相应输入。在此示例中，来自干线电压源“干线A”和“干线B”的电力被馈送给多个第一级电压转换器中的每一个的输入，所述电压转换器以电力输入模块(PIM)l 10-1和110-2的示例性形式被提供。PIM 110-1和110-2还可以在干线供应“干线A”与“干线B”间实行0R操作(OR-1ng)，以及此外，提供滤波和支撑(hold-up)能力。P頂110-1和110-2的电力输出端子都经由电力总线120被连接至多个第二级电压转换器的相应输入。通过示例的方式，在图1中示出两个此类第二级电压转换器，即采用中间总线转换器(IBC) 130-1和130-2的示例性形式的两个转换器。IBC 130-1和130-2的输出经由中间电压总线(IVB) 140而被连接至多个采用负载点(P0L)调节器的示例性形式的第三级电压转换器，所述负载点(P0L)调节器的每一个输送调节的电压至负载170。通过示例的方式，在图1中示出三个此类P0L调节器，即P0L调节器150-1至150-3。但是，更通常地，取决于负载170的要求，不同数量的第三级的转换器可以在系统中存在。为简单起见，隔离屏障(isolat1n barriers)、总线驱动器、总线隔离器(Bus isolator)和信号滤波器没有在图1中示出。
[0005]P0L 调节器 150-1 至 150-3、IBC 130-1 和 130_2、P頂 110-1 和 110-2 的每一个是具有在图2中示意示出的组件的电压转换器。
[0006]在图2中示出的电压转换器200包括数字可管理的板上控制器210，其控制电压转换器操作的一个或者更多方面。如在本示例中，控制器210可以包括CPU、存储软件(该软件定义将由控制器210应用的控制)的存储器、用于接收配置控制信号(其在以下进一步讨论)以及传送监视的操作参数、故障报告等的通信模块、以及内部通信总线(其允许控制器的组件彼此通信)。
[0007]控制器210控制电压转换器200的电压转换模块220，使得实行它的核心功能，即转换在电压转换器200的输入端子230提供的输入电压Vin至在电压转换器200输出端子240提供的预定输出电压ν_。如在本示例中，在电压转换器200是SMPS的情况下，控制器210通过生成开关控制信号250来控制电压转换模块220中的一个或者更多开关元件以实现目标输出电压所要求的方式进行开关，从而控制电压转换过程。例如，如在本示例中，控制器210可以以脉冲宽度调制器(PWM)的形式被提供，其控制开关元件以工作循环来开关，所述工作循环是实现目标输出电压所要求的。备选的是，在电压转换器200是频率控制的SMPS的情况下，控制器210可以控制开关元件的开关频率。
[0008]除了开关元件以外，电压转换模块220可以包括进一步的组件(比如，隔离变压器、以及在该变压器的次级侧上的整流网络、扼流圈(choke)、输出电容器等)，这取决于所选的转换器拓扑。对于各个转换器拓扑中的此类进一步的传动系(power train)组件的需要及其配置对于本领域的技术人员将是熟悉的，使得其进一步的解释在此处是不必要的。
[0009]还应该注意，电压转换器200可以是输出电压调节的并包括反馈环路(在图2中未示出)以用于将指示转换器输出电压的信号反馈回控制器210，使得控制器210能够调整工作循环(或者，在频率控制的SMPS情形下调整频率)，由此来开关所述开关元件以便最小化与目标输出电压值的任何偏差。
[0010]控制器210可以另外地或者备选地控制电压转换器的操作的其它方面，例如一个或者更多保护功能(例如，过热和/或过电压/过电流保护)、在起动期间或者在与一个或者更多其它电压转换器一起用于电流共享(current-sharing)配置中时电压转换器的操作。
[0011]由控制器210实行的控制能够由经由任何适合的通信链路、使用例如电力管理总线(PMBus)协议被传递至控制器210的配置控制信号260来配置。PMBus是具有充分定义(fully-defined)的命令语言的开放标准数字电力管理协议。例如，存在命令用于控制、配置和监视转换器的操作参数，比如它的目标输出电压、对于输入或输出电压和电流的警告或者故障阈值、温度等。
[0012]如本文所用的术语“配置”可以指编程或者再编程控制器210以实现一规程的过程，其可以从而形成可执行的指令的序列或者目标、模块、计算机程序的至少部分。配置还可以指设置(例如，通过初始化或者更新)由所述规程使用的一个或者更多参数以控制电压转换器操作的某一方面的过程。本文对“配置”控制器210的引用也应该被理解为是指再配置控制器的过程。
[0013]电压转换器200还包括电力模块270，其产生操作电压V—。以给控制器210提供电力，使得控制器能够由配置控制信号260来配置并操作以控制电压转换器。电力模块270通过转换在输入230提供的电压Vin至对于控制器逻辑电路的适当等级(典型地，3.3V)而生成操作电压。换言之，用于控制器210的电力从应用于电压转换器输入端子230的电压而得到。如在本示例中，电力模块270可以以位于电压转换器200内的简单输出电压调节的SMPS的形式被提供。备选的是，电力模块270可以以位于电压转换器200内的低压差(low voltage dropout)调节器的形式被提供，其被配置成转换输入电压Vin至操作电压V.。
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[0014]如在本不例中，配置控制信号260可以由板电力管理器(Board Power Manager)(BPM)(如在图1中在160示出的)来传送至控制器210。BPM 160实行包括系统控制和监视、故障探测等功能。BPM 160从BPM 160外部的电源，典型地，在电源系统100中的别处提供的辅助电力转换器(例如，在P頂110-1和110-2中的一个内)，或者从生产测试系统来接收对其操作所要求的电力。
【发明内容】
[0015]由于板电力系统中电压转换器的数量随着对于更高等级的再使用、灵活性和可配置性的需求一起增加，对于“高性能”配置解决方案的需要已经增加。在该上下文中，术语“高性能”对于不同用户能够意味着不同事情。例如，它可以指应付将被并入板原型/试验(pilot)生产运行的设计阶段中的后来改变的能力。术语“高性能”可以备选地指实现制造中昂贵的和/或尚数量(high volume)板的大量生广的尚等级监管和控制、或者板在其目标环境中加电时的高等级监管和控制。
[0016]本发明人识别了实现多级电源系统的高性能可配置性的关键障碍，如现将解释的。
[0017]在图1中所示类型的常规多级电源系统中，用具有不适合系统要求的默认配置的新电压转换器模块对安装的电压转换器模块进行添加或者替代承担以下风险:导致比如以下问题:对电源系统的其它组件的损害(例如，新安装的转换器对下一电压转换级中的转换器的过高电压的提供)或者低效率的操作(例如在新安装的转换器形成电流共享布置的部分的情形中)。因此，每个电压转换器模块在它能被集成到电源系统中之前需要被配置适当的操作的参数(比如，目标输出电压值)，以确保系统的安全和高效操作。这通常必需:将每个新的电压转换器模块安装在测试装