專利名稱：在對并聯(lián)電源之間的負載共享的控制中使用數(shù)字通信的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對并聯(lián)電源之間的負載共享的控制，且更特定來說，涉及在對并聯(lián)電源 之間的負載共享的控制中使用數(shù)字通信。
背景技術(shù)：
許多大的電子系統(tǒng)，例如計算機服務(wù)器、磁盤存儲陣列、電信設(shè)施等，需要大量的 操作功率，且此操作功率必須高度可靠。系統(tǒng)設(shè)計者的常用方法是將系統(tǒng)電源建構(gòu)為多 個較小的電源模塊。所述多個較小的電源模塊的輸出并聯(lián)連接在一起，以提供所需的操 作功率。通常在系統(tǒng)功率系統(tǒng)中存在比為現(xiàn)有負載供電所需的電源模塊多的電源模塊。 此布置使得能夠在電子系統(tǒng)正在操作且可能不影響其操作的同時移除(例如，拔出)出 故障的電源模塊。可將替換的電源模塊(例如，新的或經(jīng)修理的)插回到系統(tǒng)電源中以 維持所需量的冗余電源容量。
當(dāng)電源模塊輸出并聯(lián)連接時，不可能確保每一并聯(lián)連接的電源模塊具有相同的輸出 電壓。在布線、電壓參考、溫度和其它因數(shù)方面總是存在容限，其可能導(dǎo)致在電源模塊 之間輸出電壓稍微不同。因此電源模塊中具有稍微較高輸出電壓的一個或一個以上電源 模塊將傾向于為系統(tǒng)負載的主體供電。因此，電源模塊中的一些可能以全功率操作，而 其它模塊可能幾乎不提供功率。以全功率操作的電源模塊將較熱，且因此較容易出故障。 如果存在瞬變負載，那么以全功率操作的電源模塊"飽和"且無法供應(yīng)額外的功率。而 且，其它的供應(yīng)極少或不供應(yīng)功率的電源模塊可能并非在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器電源的理想狀 態(tài)中操作。輕微加載的電源模塊可能不具有對瞬變負載的所要響應(yīng)。為了最佳可靠性和 性能，每個電源模塊都應(yīng)承載系統(tǒng)負載的均勻分布的共享。
已通過使用模擬信令來實施在電源模塊之間實現(xiàn)系統(tǒng)負載的均勻分布共享的嘗試。 舉例來說，"主"裝置(控制器)可監(jiān)視總負載，并接著可發(fā)出模擬命令到每個電源模塊，以嘗試在這些電源模塊之間均勻散布工作負載。主控制裝置可提供表示成為每個電 源模塊的目的的目標(biāo)功率輸出的電壓。此主控制裝置對每個模塊的控制電壓可為模擬電 壓，其可用于調(diào)節(jié)電源模塊的參考電壓，并借此可調(diào)節(jié)來自模塊的所得輸出功率。此類 型的功率流動信令控制可能傾向于單點故障。如果主控制器出故障，那么電源系統(tǒng)可能 變?yōu)椴豢捎煤?或不可操作。另一實例是當(dāng)模擬總線(電線)連接到所有電源模塊時。每 個電源模塊提供與所述模塊的功率輸出成比例的模擬電壓輸出信號。這些指示電壓的模 擬"功率電平"加在一起而產(chǎn)生模擬總線(電線)上的平均電壓。每個模塊接著讀取相 加的模擬值并增加或減小其輸出功率以與模塊群組的整體一致。
這些現(xiàn)有的功率負載共享控制實施方案需要模擬電路來產(chǎn)生負載平衡信號，需要電 路來將這些信號加到模擬"總線"上，且需要模擬電路來讀取模擬和電壓和/或?qū)ζ溥M行 處理，其為模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和/或運算放大器("opamp")，這取決于電源設(shè) 計。在電源模塊之間共享負載信息的模擬總線可能易受噪聲影響。
多數(shù)現(xiàn)代技術(shù)的電源使用以數(shù)字電路控制的切換調(diào)節(jié)器。為了產(chǎn)生模擬控制信號， 需要數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)來產(chǎn)生模擬功率指示信號，且可能需要ADC來將模擬 控制信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。DAC可能較大且昂貴，如同op-amp、 ADC以及例如精確電壓 參考的其它模擬電路。

發(fā)明內(nèi)容
因此需要一種純數(shù)字方法來實施并聯(lián)連接電源模塊的負載平衡(例如，負載共享)。 數(shù)字通信模塊，例如(但不限于)^C模塊、UART模塊、SPI模塊等，是串行數(shù)字通信 裝置的較小且廉價的實施方案。這些串行通信裝置屮的任-者可與類似的通信裝置互連 而產(chǎn)生可與電源模塊一起集成的數(shù)字通信信道。數(shù)字通信信道可為各種電源模塊提供共 享其輸出負載和其它信息的手段。因此每個電源模塊可基于所接收的系統(tǒng)負載信息(例 如，每個電源模塊的輸出電流的和、操作的電源模塊的數(shù)目等)控制其功率輸出。負載 共享信息使得這些電源模塊的組合件能夠以其可成比例地共享系統(tǒng)負載的負擔(dān)的方式 連接在一起。如果這些電源模塊中的--者或一者以上出故障，那么其它剩余的起作用的 電源模塊可動態(tài)地調(diào)節(jié)其輸出電流以補償先前由出故障的電源模塊供應(yīng)的可用電流中 的損失。
預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi)，任何類型的串聯(lián)、并聯(lián)和/或無線(例如，藍牙、紅外線 等)數(shù)字通信信道都可用于傳送每個電源模塊的實際輸出電流、最大電流輸出能力、操 作狀態(tài)、控制等。而且數(shù)字通信信道可耦合到數(shù)字系統(tǒng)(例如，計算機服務(wù)器)以用于每個電源模塊的管理員系統(tǒng)管理、控制和/或狀態(tài)報告。來自操作電源模塊的總可用電流 可由例如(但不限于)系統(tǒng)管理軟件在配置和/或控制數(shù)字系統(tǒng)功率用途時使用，例如， 如果足夠多的電源模塊停止服務(wù)(例如，沒有足夠的功率容量)，那么系統(tǒng)管理軟件可 關(guān)閉或閑置各個數(shù)字系統(tǒng)負載，以便不超過來自電源系統(tǒng)(例如，起作用的并聯(lián)連接的 電源模塊)的最大可用功率容量。
可由所有電源模塊接收來自每個電源模塊經(jīng)由數(shù)字通信信道的廣播，并可包括(但 不限于)每個電源模塊的功率輸出電平，例如作為每個模塊的最大功率的百分?jǐn)?shù)的功率 電平。所有電源模塊可接收這些廣播，且可使用運行的求和濾波器來產(chǎn)生平均功率電平。 每個電源模塊接著可調(diào)節(jié)其功率輸出以達到成比例功率輸出的所要冃標(biāo)。
功率輸出調(diào)節(jié)(例如，平衡)過程可緩慢發(fā)生。用于此調(diào)節(jié)過程的控制回路可基于 熱時間常數(shù)而操作。因此響應(yīng)時間可能為例如(但不限于)大約1秒。假定通信模塊(Pc、 SPI、 UART等)可以100 KHz操作，且傳輸單個字節(jié)數(shù)據(jù)，那么1個字節(jié)將花費大約 200微秒。如果電源系統(tǒng)包含24個電源模塊(大電源系統(tǒng))，那么對于所有電源模塊來 說將需要4.8毫秒來廣播。如果提供最大所需速率的10倍的廣播速率來確保不受噪聲影 響，那么發(fā)送狀態(tài)包的總時間將為每秒的48毫秒。因此，總線利用率將僅為大約5%。 此低總線利用率可能使來自電源模塊的任何總線沖突最小化。
舉例來說，每個電源模塊可向所有其它電源模塊每100毫秒廣播一個數(shù)據(jù)值。數(shù)據(jù) 可具有以下格式其中數(shù)據(jù)值OO (十六進制)指示模塊正在供應(yīng)0%的輸出功率，且值 FF指示電源模塊正在供應(yīng)100%的其額定輸出功率。每個模塊可接收所有狀態(tài)包，并執(zhí) 行所有狀態(tài)值的運行求和平均。運行求和平均值接著可用于調(diào)節(jié)每個電源模塊的功率輸 出。還可廣播每個電源模塊的狀態(tài)和/或身份，使得也可辨識可用電源模塊的數(shù)目及其最 大可用容量。這對于系統(tǒng)管理軟件和遠程管理員系統(tǒng)管理來說可能也是有利的。使用數(shù) 字信息用于電源模塊之間的負載平衡/共享增強了信息的精確性，并可以與目前模擬方法 相比較低的成本提供更佳的可重復(fù)行為。
根據(jù)本發(fā)明的特定示范性實施例， 一種電源系統(tǒng)可包括多個電源模塊，所述多個電 源模塊中的每一者具有并聯(lián)耦合的輸出和用于與所述多個電源模塊中的每一者通信的 數(shù)字接口，其中所述多個電源模塊中的每一者具有數(shù)字控制器，所述數(shù)字控制器使用經(jīng) 由數(shù)字接口供應(yīng)的信息來控制其輸出處的電壓。


通過結(jié)合附圖參看以下描述可獲得對本發(fā)明的更全面的理解，其中圖1說明根據(jù)本發(fā)明特定示范性實施例的多個電源模塊的示意性框圖，其輸出并聯(lián) 連接且使用數(shù)字通信以用于將信息供應(yīng)到每個電源模塊以確定負載共享的參數(shù)。
盡管本發(fā)明容許具有各種修改和替代形式，但已在圖式中展示并在本文中詳細描述 了其特定示范性實施例。然而應(yīng)了解，本文對特定示范性實施例的描述不希望將本發(fā)明 限于本文所揭示的特定形式，相反，本發(fā)明將涵蓋由所附權(quán)利要求書界定的所有修改和 等效物。
具體實施例方式
現(xiàn)參看圖式，示意性說明特定示范性實施例的細節(jié)。圖中的相同元件將由相同標(biāo)號 表示，且類似元件將由具有不同小寫字母下標(biāo)的相同標(biāo)號表示。
參看圖1，其描繪根據(jù)本發(fā)明特定示范性實施例的多個電源模塊的示意性框圖，其 輸出并聯(lián)連接且使用數(shù)字通信將信息供應(yīng)到每個電源模塊以確定負載共享的參數(shù)。數(shù)字 系統(tǒng)102(例如，計算機服務(wù)器)可由電源系統(tǒng)104供電。電源系統(tǒng)104可包含多個電 源模塊106。所述多個電源模塊106中的每一者可將其功率輸出耦合到電力總線110。 電力總線IIO還耦合到數(shù)字系統(tǒng)102。電力總線IIO上可具有一個以上操作電壓(未圖 示)。
所述多個電源模塊106中的每一者可具有微控制器和數(shù)字通信模塊108。數(shù)字通信 模塊108可具有數(shù)字串行接口，例如I2。 UART、 SPI、 USB等。數(shù)字通信模塊108可 具有數(shù)字并行接口。且/或數(shù)字通信模塊108可具有無線數(shù)字接口，例如藍牙、紅外線等。 所有負載共享、功率輸出、電源模塊狀態(tài)等均可以數(shù)字格式廣播傳輸。數(shù)字格式較不易 受噪聲和信號及組件容限影響。而且數(shù)字格式不需要大的消耗功率的模擬裝置，例如 ADC、 DAC、電壓參考等。
圖1展示標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議^C總線112。PC總線112可使用稱為SDA(串行數(shù)據(jù)) 和SCL (串行時鐘)的兩條線(電線)。這兩條線中的每一者可連接到所有數(shù)字通信模 塊108。另外，I2C總線112可耦合到數(shù)字系統(tǒng)102。 SDA禾fl SCL線可由上拉電阻器114 上拉到+V，且可由數(shù)字通信模塊108中的任一者單獨地下拉到接地。數(shù)字系統(tǒng)也可經(jīng)由 ^C總線112與所述多個電源模塊106通信。
所述多個電源模塊106中的每一者可周期性地(通常每100毫秒)向所有其它多個 電源模塊廣播(例如)信息包，所述信息包指示正進行廣播的電源模塊的功率輸出電平。 其它電源模塊中的每一者可接收所述廣播，并可維持最近"M"個廣播功率電平的列表。 (其中M是由電源模塊制造商選擇的參數(shù))。各自電源模塊106中的每個控制器可計算最近"M"個廣播值的平均值。所述平均值表示所有電源模塊106的目標(biāo)輸出功率電平。 其輸出功率電平高于平均值的那些電源模塊106可非常輕微地減小其輸出電壓以減小傳 送到負載的輸出電流，同時正輸出少于平均值的功率的其它電源模塊106可稍微地升高 其輸出電壓以增加其傳送到負載的電流。
假如電源模塊106出故障，那么其它剩余的操作電源模塊106可確定故障電源模塊 106的出現(xiàn)，并相應(yīng)調(diào)節(jié)其輸出電壓以便維持對所連接數(shù)字系統(tǒng)102的所需功率輸出。 電源模塊106中的一些電源模塊可能通過制造尺寸或輸出容量改變而具有比電源模塊 106中的其它一些電源模塊大的對局部故障(例如，溫度過高、功率組件損耗等)的容 量。根據(jù)本發(fā)明，可對所述多個電源模塊106進行自動調(diào)節(jié)以補償失靈或移除(停止服 務(wù))的電源模塊106的狀態(tài)的任何改變。也可通知數(shù)字系統(tǒng)102關(guān)于所述多個電源模塊 106正發(fā)生何種情況，且如果沒有足夠的來自電源系統(tǒng)104可用的功率，便可向管理員 系統(tǒng)管理程序作出異常報告和/或修改數(shù)字系統(tǒng)102的操作。
預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可從服務(wù)中移除失靈的電源模塊106，且剩余電源模塊 106可繼續(xù)操作而無需中斷數(shù)字系統(tǒng)102。
盡管己經(jīng)參考本發(fā)明示范性實施例描繪、描述且界定了本發(fā)明的實施例，但這些參 考并不暗示對本發(fā)明的限制，且不推斷任何這種限制。所揭示的標(biāo)的物允許有形式和功 能上的顯著修改、替換和等效，如所屬領(lǐng)域的且受益于本發(fā)明的技術(shù)人員將了解。所描 繪和描述的本發(fā)明實施例僅是實例，且并沒有詳盡描述本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電源系統(tǒng)，其包括多個電源模塊，所述多個電源模塊中的每一者具有并聯(lián)耦合的輸出以及用于與所述多個電源模塊中的每一者通信的數(shù)字接口，其中所述多個電源模塊中的每一者具有數(shù)字控制器，所述數(shù)字控制器使用經(jīng)由所述數(shù)字接口供應(yīng)的信息來控制所述多個電源模塊的每一者的所述輸出處的電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電源系統(tǒng)，其中所述信息包括來自所述多個電源模塊中的每 一者的輸出電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其中所述控制器中的每一者計算來自所述多個電 源模塊的所述輸出的所有電流的和，并使用所述和來確定所述多個電源模塊中的各 自一者的輸出處的電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其中所述數(shù)字接口中的每一者耦合到數(shù)字串行通 信總線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其中所述數(shù)字串行通信總線是I2C總線。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其中所述數(shù)字串行通信總線是SPI總線。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其中所述數(shù)字接口中的每一者耦合到數(shù)字并行通 信總線。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其中所述數(shù)字接口中的每一者是數(shù)字無線接口。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其中所述數(shù)字無線接口是藍牙接口。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其中所述數(shù)字無線接口是紅外線接口。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其進一步包括耦合到數(shù)字系統(tǒng)的所述數(shù)字接口以 及連接到所述數(shù)字系統(tǒng)的所述并聯(lián)耦合的輸出。
全文摘要
為了負載平衡的目的，通過數(shù)字通信信道控制其輸出并聯(lián)耦合的多個電源模塊。所述數(shù)字通信信道可為有線數(shù)字串行或并行總線，和/或例如藍牙、紅外線等無線數(shù)字通信信道。所述多個電源模塊中的每一者可廣播其各自的輸出電流，且所有所述多個電源模塊可確定供應(yīng)到負載的總電流，且借此確定適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷阂杂糜诔杀壤刎暙I所述總電流。
文檔編號G06F1/26GK101297257SQ200680039505
公開日2008年10月29日 申請日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月25日
發(fā)明者布賴恩·克里斯 申請人:密克羅奇普技術(shù)公司