電源系統(tǒng)中電壓轉(zhuǎn)換器的配置的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電源系統(tǒng)的領(lǐng)域，以及更具體地涉及在具有多個電壓轉(zhuǎn)換級(stage)的電源系統(tǒng)中配置電壓轉(zhuǎn)換器的方案。
【背景技術(shù)】
[0002]電壓轉(zhuǎn)換器能夠被用于給各種電裝置供應(yīng)電力，以及通過轉(zhuǎn)換在其輸入端子接收的輸入電壓至在電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端子提供的輸出電壓來操作。電壓轉(zhuǎn)換裝置能夠使用許多不同形式中的一種，其可以取決于手邊的(at hand)應(yīng)用的要求而被選擇。例如，開關(guān)模式電源(SMPS )是電壓轉(zhuǎn)換器的眾所周知的類型，其很好地適合于在個人計算機或者便攜式電子裝置(比如蜂窩電話)中使用(例如，歸功于它的小的大小和質(zhì)量、以及高效率)。SMPS通過在高頻(通常數(shù)十到數(shù)百kHz)開關(guān)一個或者更多開關(guān)元件(比如，功率M0SFET)來實現(xiàn)這些優(yōu)點，所述開關(guān)的頻率或者工作循環(huán)使用反饋信號來調(diào)整(在調(diào)節(jié)的SMPS的情況下)從而轉(zhuǎn)換輸入電壓至所希望的輸出電壓。電壓轉(zhuǎn)換器可以采取例如以下形式:整流器(AC/DC轉(zhuǎn)換器)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、變頻器(AC/AC )或者逆變器(DC/AC )。
[0003]但是，存在單個電壓轉(zhuǎn)換器不能夠滿足其要求的應(yīng)用。例如，對于不斷更快的和更加復(fù)雜的信號處理的需求刺激了對于具有多個高性能處理器的新的若干代信號處理系統(tǒng)的需要，其特征在于它們對于多個低供應(yīng)電壓、高電流需求和緊密的(tight)供應(yīng)電壓調(diào)節(jié)要求的需要。這些需要由比如中間總線構(gòu)架(IBA)電源系統(tǒng)的電源系統(tǒng)來滿足，其采用多級電壓轉(zhuǎn)換布置，該布置具有多個電壓轉(zhuǎn)換器以從輸入電源得到多個緊密調(diào)節(jié)的電壓。
[0004]圖1示出常規(guī)的IBA電源系統(tǒng)的示意圖，其是多級電力分配系統(tǒng)的示例。更具體來說，圖1中示出的電源系統(tǒng)100是三級電力分配系統(tǒng)的示例，其中來自初始電源的電力被饋送給一個或者更多第一級電壓轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)輸入。在此示例中，來自干線電壓源“干線A”和“干線B”的電力被饋送給多個第一級電壓轉(zhuǎn)換器中的每一個的輸入，所述電壓轉(zhuǎn)換器以電力輸入模塊(PIM)l 10-1和110-2的示例性形式被提供。PIM 110-1和110-2還可以在干線供應(yīng)“干線A”與“干線B”間實行0R操作(OR-1ng)，以及此外，提供濾波和支撐(hold-up)能力。P頂110-1和110-2的電力輸出端子都經(jīng)由電力總線120被連接至多個第二級電壓轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)輸入。通過示例的方式，在圖1中示出兩個此類第二級電壓轉(zhuǎn)換器，即采用中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC) 130-1和130-2的示例性形式的兩個轉(zhuǎn)換器。IBC 130-1和130-2的輸出經(jīng)由中間電壓總線(IVB) 140而被連接至多個采用負載點(P0L)調(diào)節(jié)器的示例性形式的第三級電壓轉(zhuǎn)換器，所述負載點(P0L)調(diào)節(jié)器的每一個輸送調(diào)節(jié)的電壓至負載170。通過示例的方式，在圖1中示出三個此類P0L調(diào)節(jié)器，即P0L調(diào)節(jié)器150-1至150-3。但是，更通常地，取決于負載170的要求，不同數(shù)量的第三級的轉(zhuǎn)換器可以在系統(tǒng)中存在。為簡單起見，隔離屏障(isolat1n barriers)、總線驅(qū)動器、總線隔離器(Bus isolator)和信號濾波器沒有在圖1中示出。
[0005]P0L 調(diào)節(jié)器 150-1 至 150-3、IBC 130-1 和 130_2、P頂 110-1 和 110-2 的每一個是具有在圖2中示意示出的組件的電壓轉(zhuǎn)換器。
[0006]在圖2中示出的電壓轉(zhuǎn)換器200包括數(shù)字可管理的板上控制器210，其控制電壓轉(zhuǎn)換器操作的一個或者更多方面。如在本示例中，控制器210可以包括CPU、存儲軟件(該軟件定義將由控制器210應(yīng)用的控制)的存儲器、用于接收配置控制信號(其在以下進一步討論)以及傳送監(jiān)視的操作參數(shù)、故障報告等的通信模塊、以及內(nèi)部通信總線(其允許控制器的組件彼此通信)。
[0007]控制器210控制電壓轉(zhuǎn)換器200的電壓轉(zhuǎn)換模塊220，使得實行它的核心功能，即轉(zhuǎn)換在電壓轉(zhuǎn)換器200的輸入端子230提供的輸入電壓Vin至在電壓轉(zhuǎn)換器200輸出端子240提供的預(yù)定輸出電壓ν_。如在本示例中，在電壓轉(zhuǎn)換器200是SMPS的情況下，控制器210通過生成開關(guān)控制信號250來控制電壓轉(zhuǎn)換模塊220中的一個或者更多開關(guān)元件以實現(xiàn)目標輸出電壓所要求的方式進行開關(guān)，從而控制電壓轉(zhuǎn)換過程。例如，如在本示例中，控制器210可以以脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的形式被提供，其控制開關(guān)元件以工作循環(huán)來開關(guān)，所述工作循環(huán)是實現(xiàn)目標輸出電壓所要求的。備選的是，在電壓轉(zhuǎn)換器200是頻率控制的SMPS的情況下，控制器210可以控制開關(guān)元件的開關(guān)頻率。
[0008]除了開關(guān)元件以外，電壓轉(zhuǎn)換模塊220可以包括進一步的組件(比如，隔離變壓器、以及在該變壓器的次級側(cè)上的整流網(wǎng)絡(luò)、扼流圈(choke)、輸出電容器等)，這取決于所選的轉(zhuǎn)換器拓撲。對于各個轉(zhuǎn)換器拓撲中的此類進一步的傳動系(power train)組件的需要及其配置對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是熟悉的，使得其進一步的解釋在此處是不必要的。
[0009]還應(yīng)該注意，電壓轉(zhuǎn)換器200可以是輸出電壓調(diào)節(jié)的并包括反饋環(huán)路(在圖2中未示出)以用于將指示轉(zhuǎn)換器輸出電壓的信號反饋回控制器210，使得控制器210能夠調(diào)整工作循環(huán)(或者，在頻率控制的SMPS情形下調(diào)整頻率)，由此來開關(guān)所述開關(guān)元件以便最小化與目標輸出電壓值的任何偏差。
[0010]控制器210可以另外地或者備選地控制電壓轉(zhuǎn)換器的操作的其它方面，例如一個或者更多保護功能(例如，過熱和/或過電壓/過電流保護)、在起動期間或者在與一個或者更多其它電壓轉(zhuǎn)換器一起用于電流共享(current-sharing)配置中時電壓轉(zhuǎn)換器的操作。
[0011]由控制器210實行的控制能夠由經(jīng)由任何適合的通信鏈路、使用例如電力管理總線(PMBus)協(xié)議被傳遞至控制器210的配置控制信號260來配置。PMBus是具有充分定義(fully-defined)的命令語言的開放標準數(shù)字電力管理協(xié)議。例如，存在命令用于控制、配置和監(jiān)視轉(zhuǎn)換器的操作參數(shù)，比如它的目標輸出電壓、對于輸入或輸出電壓和電流的警告或者故障閾值、溫度等。
[0012]如本文所用的術(shù)語“配置”可以指編程或者再編程控制器210以實現(xiàn)一規(guī)程的過程，其可以從而形成可執(zhí)行的指令的序列或者目標、模塊、計算機程序的至少部分。配置還可以指設(shè)置(例如，通過初始化或者更新)由所述規(guī)程使用的一個或者更多參數(shù)以控制電壓轉(zhuǎn)換器操作的某一方面的過程。本文對“配置”控制器210的引用也應(yīng)該被理解為是指再配置控制器的過程。
[0013]電壓轉(zhuǎn)換器200還包括電力模塊270，其產(chǎn)生操作電壓V—。以給控制器210提供電力，使得控制器能夠由配置控制信號260來配置并操作以控制電壓轉(zhuǎn)換器。電力模塊270通過轉(zhuǎn)換在輸入230提供的電壓Vin至對于控制器邏輯電路的適當?shù)燃?典型地，3.3V)而生成操作電壓。換言之，用于控制器210的電力從應(yīng)用于電壓轉(zhuǎn)換器輸入端子230的電壓而得到。如在本示例中，電力模塊270可以以位于電壓轉(zhuǎn)換器200內(nèi)的簡單輸出電壓調(diào)節(jié)的SMPS的形式被提供。備選的是，電力模塊270可以以位于電壓轉(zhuǎn)換器200內(nèi)的低壓差(low voltage dropout)調(diào)節(jié)器的形式被提供，其被配置成轉(zhuǎn)換輸入電壓Vin至操作電壓V.。
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[0014]如在本不例中，配置控制信號260可以由板電力管理器(Board Power Manager)(BPM)(如在圖1中在160示出的)來傳送至控制器210。BPM 160實行包括系統(tǒng)控制和監(jiān)視、故障探測等功能。BPM 160從BPM 160外部的電源，典型地，在電源系統(tǒng)100中的別處提供的輔助電力轉(zhuǎn)換器(例如，在P頂110-1和110-2中的一個內(nèi))，或者從生產(chǎn)測試系統(tǒng)來接收對其操作所要求的電力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]由于板電力系統(tǒng)中電壓轉(zhuǎn)換器的數(shù)量隨著對于更高等級的再使用、靈活性和可配置性的需求一起增加，對于“高性能”配置解決方案的需要已經(jīng)增加。在該上下文中，術(shù)語“高性能”對于不同用戶能夠意味著不同事情。例如，它可以指應(yīng)付將被并入板原型/試驗(pilot)生產(chǎn)運行的設(shè)計階段中的后來改變的能力。術(shù)語“高性能”可以備選地指實現(xiàn)制造中昂貴的和/或尚數(shù)量(high volume)板的大量生廣的尚等級監(jiān)管和控制、或者板在其目標環(huán)境中加電時的高等級監(jiān)管和控制。
[0016]本發(fā)明人識別了實現(xiàn)多級電源系統(tǒng)的高性能可配置性的關(guān)鍵障礙，如現(xiàn)將解釋的。
[0017]在圖1中所示類型的常規(guī)多級電源系統(tǒng)中，用具有不適合系統(tǒng)要求的默認配置的新電壓轉(zhuǎn)換器模塊對安裝的電壓轉(zhuǎn)換器模塊進行添加或者替代承擔(dān)以下風(fēng)險:導(dǎo)致比如以下問題:對電源系統(tǒng)的其它組件的損害(例如，新安裝的轉(zhuǎn)換器對下一電壓轉(zhuǎn)換級中的轉(zhuǎn)換器的過高電壓的提供)或者低效率的操作(例如在新安裝的轉(zhuǎn)換器形成電流共享布置的部分的情形中)。因此，每個電壓轉(zhuǎn)換器模塊在它能被集成到電源系統(tǒng)中之前需要被配置適當?shù)牟僮鞯膮?shù)(比如，目標輸出電壓值)，以確保系統(tǒng)的安全和高效操作。這通常必需:將每個新的電壓轉(zhuǎn)換器模塊安裝在測試裝