CN104113186B - 具有温度和电流共享的开关模式电源 - Google Patents

具有温度和电流共享的开关模式电源 Download PDF

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Abstract

一种在一组并联的开关模式电源中的开关模式电源，用于：(1)监测输出电流和操作温度二者；以及(2)使用二维控制自动调谐输出电压，二维控制采用输出电流和操作温度的二维函数。二维函数是共享功能，在电源中使用共享功能实现了所述一组电源之间负载电流和操作温度二者的协调共享。温度共享包括监测并控制所述一组电源之间操作温度的分布，以降低可以引起过度热应力并降低可靠性的不期望温度不平衡。

Description

具有温度和电流共享的开关模式电源
发明内容
并联的开关模式电源(SMPS)为高功率应用提供良好的解决方案。由于高密度的现代SMPS，一组并联的SMPS具有相对小的体积和较轻重量。在并联***中，每个SMPS模块可以仅作为总负载电流的一部分的来源，从而减小与负载相关的应力并且在一些情况下提供冗余以实现更高的可用性。当单独的模块失效时，该***仍可以实现100％负载。该配置也可以用于提供连续功率，这是由于能够对失效模块进行热交换。同样，以低设计成本满足不同功率要求相对容易。这样，并联SMPS***可以一种具有高实用性、高效率、高可靠性、容易制造、低成本的高功率SMPS解决方案。
然而，并联布置的SMPS模块可以具有不同功率特性，这会导致并联模块之间的电流不平衡。具有较高输出电压的模块经历较高输出电流，可能甚至高于其额定电流，这导致热应力和电流应力，使得模块具有较低可靠性和较短使用期限。具有较低输出电压的模块提供较低电流，甚至汇(sink)电流，汇电流可以导致汇电流应力，使得模块具有较低可靠性和较短使用期限。
对于并联的SMPS模块，存在共享电流的已知方法。共享电流的目的在于提高并联SMPS***的可靠性，并且减小或管理高电流引起的热应力。已知的电流共享技术包括所谓的下垂(droop)方法、自动主-从结构、自动平均电流共享方案和强制控制方法。
尽管已知的电流共享技术对于在一组并联模块之间实现精确电流共享方面是高效的，从而减小了电流应力效应，但是存在物理环境的影响，所述影响对模块之间的热不平衡(从而可靠性和性能问题)做出贡献。即使使模块的相应电流相等，物理环境的差异(例如，不同制冷条件、不同并联布置、不同热沉和不同辐射方向图)也可以引起模块之间的显著温度差，从而导致热应力不平衡并降低了***可靠性。
作为一个简单示例，可以通过垂直地堆叠两个并联SMPS来在物理上布置这两个并联SMPS。通常，上部模块具有比下部模块更好的散热性。上部模块可以更容易地使用大的热沉来改善散热。下部模块具有较差散热性，并因此使热条件变坏。在其他布置中，强制空气冷却效果可以有差异。一个模块可以具有高气流速率，而第二模块具有非常低或者甚至没有冷却气流。第一模块的温度上升速率低于第二模块的温度上升速率，使得第二模块具有较高热应力以及较低可靠性。
为了解决并联SMPS***中电流不平衡和其他因素引起的热应力不平衡，公开了电源模块和***，其中，使用模块温度和电流两者来自动调谐模块操作，以实现模块之间更好的热平衡。
公开了一种操作一组并联的开关模式电源中的开关模式电源的方法，其中，并联的开关模式电源具有连接在一起以向负载提供功率的相应输出。对开关模式电源的输出电流和操作温度两者进行监测，并且使用二维控制来自动调谐开关模式电源的输出电压。二维控制采用输出电流和操作温度的预定二维函数来改变开关模式电源操作的占空比，以实现输出电压的自动调谐。二维函数是共享功能，在所述一组并联的开关模式电源中的每一个开关模式电源中使用共享功能引起所述一组并联的开关模式电源之间负载电流和操作温度二者的协调共享。如本文所使用的，“共享”操作温度是指：通过显式监测和控制，获得所述一组电源之间期望的操作温度分布。在一个简单示例中，可以将使温度相等，使得每个电源在完全相同的温度下操作。其他分布是可能的并且可以基于多种因素而被需要，本文描述了其中的一些。通过将温度共享与电流共享合并，可以减小电源之间的热不平衡，以最小化任何给定电源处的过度应力，从而改善操作以及长期可靠性。
附图说明
如附图所示，根据本发明特定实施例的以下描述，上述和其他目的、特征和优点将变得清楚，在附图中，类似的附图标记表示不同附图中的相同部件。
图1(a)是具有单个源和单个负载的第一并联开关模式电源(SMPS)***的示意框图；
图1(b)是具有多个源和单个负载的第二并联SMPS***的示意框图；
图2(a)和2(b)是两个并联模块的输出电流的示意图示；
图3是示出了按照垂直层叠布置的两个并联模块的准机械图；
图4是针对两个并联SMPS模块的不同制冷条件的示意图；
图5至9是输出电压相对于电流和温度之一或二者的多种电源操作特性的图；
图10(a)至14是电源模块的示意图；
图15是使用外部控制方法的并联SMPS***的示意框图；
图16是使用第一通信方法的并联SMPS***的示意框图；
图17是使用第二通信方法的并联SMPS***的示意框图。
具体实施方式
图1(a)和1(b)示出了SMPS***的两个并联布置。图1(a)示出了具有单个源10、单个负载12和并联布置的SMPS模块14的第一布置。图1(b)示出了具有多个源10、单个负载12和并联布置的SMPS模块14的第二布置，其中，每个模块14从相应源10接收输入功率。当然其他布置也是可能的。
如上所述，并联的电源(例如图1(a)和1(b)所示的电源)为许多应用提供良好的解决方案。然而，存在独立模块的不同功率特性、机械/热设计和操作环境的问题，导致如上所述不期望的电流和温度不平衡。
图2(a)和2(b)示出了电流不平衡。在图2(a)中，一个模块14(未示出)供应输出电流Iout1，输出电流Iout1具有比另一模块14(未示出)供应的输出电流Iout2更高的值。图2(b)示出了Iout1低于图2(a)中的Iout1并且Iout2实际上为负的情况，这意味着电源正在汇聚(sink)电流，而不是向负载12提供(source)(供应)电流。上述都是不期望的操作条件。
图3示出了可以产生温度不平衡的一个物理布置。第一模块20-U层叠在第二模块20-L的顶部。由于热上升，当电源按照图3的直立方向操作时，上部模块20-U具有比下部模块20-L更好的散热性。同样，如果使用典型的表面附着热沉(例如通过附着至上部模块20-L的顶部)，则上部模块20-U提供比下部模块20-L更大的散热改进。在传统电流共享电源***中，不能解决这种温度不平衡，因此一些模块经历较高的热应力和较低的可靠性。
图4示出了导致温度不平衡的物理环境的另一方面，即，两个并联电源模块30具有不同制冷条件。第一模块30-1接收高制冷气流(例如，来自制冷风扇)，而第二模块30-2具有较低制冷气流或甚至不具有制冷气流。模块30-1的温度上升速率低于模块30-2的温度上升速率，使得模块30-2具有较高热应力和较低可靠性。
为了解决并联SMPS***中电流不平衡以及温度不平衡引起的热应力不平衡，本公开描述了基于温度和电流中任一个或二者自动调谐模块操作的技术。可以更直接地解决温度不平衡，使得实现改进的***操作和可靠性。
图5示出了输出电压单独相对于输出电流Iout或温度T的线性特性。该特性可以用于两种不同的操作模式：仅电流共享和仅温度共享。
对于仅电流共享而言，并联模块14在每个模块处通过使用图5的特性共享电流，即，输出电压随着输出电流值的增加而减小。通常，SMPS输出特性是Uout＝f(Iout)。在图5的特定示例中，使用线性关系f=-kI，其中，kI是正常数。输出电压随着电流的增加而减小。
对于仅温度共享而言，首先观察到电源模块14通常具有以下特点：电源模块14的功率耗散和操作温度随着负载电流的增加而增加。对于不同功率密度和分量而言，温度和输出电流具有不同关系，例如，线性或非线性关系，但是通常，模块14的温度随着电流的增加而增加。因此，为了管理并联模块14的温度平衡，减小***中较高温度模块14的输出电压，使得还减小此类模块的电流，并且使温度降至期望值。一般SMPS输出特性是Uout＝f(T)。再次参照图5，使用线性关系f=-kT，其中，kT是正常数。输出电压随着温度的增加而减小。
既温度共享又电流共享
对于具有由于其他因素引起的电流不平衡和温度不平衡二者(即，不同于电流不平衡)而导致的热应力问题的一组并联SMPS，SMPS可以采用电流共享和温度共享功能二者来提高SMPS的可靠性。从而SMPS输出特性是Uout=f(T，Iout)。函数f(隐式或显式地)包括T与Iout之间的相对权重。这些权重可以是静态的，在制造/开发时或者可能在更新、重新配置或类似操作期间供应这些权重。在一些实施例中，可以在操作期间动态地调整这些权重，以实现期望平衡。因此例如，如果所有并联SMPS具有类似温度，则可以增加Uout中Iout的权重；如果并联SMPS具有由外部环境和/或它们自己的热设计的差异引起的不同温度，则可以在较高温度下增加Uout中T的权重，并且在较低温度下增加Uout中Iout的比例。以下描述了特定示例。
图6至9用于示出二维共享(电流和温度)的示例。这些图示出了随着输出电流Iout(水平轴)和温度(进入纸面的轴，与Vout和Iout轴二者正交)二者而变化的输出电压Vout(垂直轴)。
可以将具有温度共享和电流共享二者的SMPS的操作划分成以下两种情况：
(1)电流共享需求比温度共享需求强。
如图6所示，输出Vout电压随着输出电流Iout或操作温度T的增加而减小。在这种情况下，设置输出电压时的输出电流的相对权重大于针对温度的权重。在相应维度上输出电压的变化反映了不同权重，即，整个输出电流范围上输出电压的变化高于整个操作温度范围上输出电压的变化。在温度-输出电压和电流-输出电压成线性关系的情况下，电流线的斜率高于温度线的斜率。尤其与图7相比这一点在图6中可观察到。
(2)温度共享需求比电流共享需求强
如图7所示，输出电压随着电流和温度的增加而减小，并且设置输出电压时的温度的相对权重高于针对输出电流的权重。再次假定线性关系，温度线的斜率大于电流线的斜率。尤其与图6相比这一点在图7中可观察到。
由于在较高温度下温度共享尤其重要，因此即使温度共享需求强于或等于电流共享需求，也可以期望在较低温度下减小或甚至去除温度共享。这可以提高较低温度下电流共享的精度。在较高温度下包括温度共享。因此，在较低温度下，温度差对输出电压没有影响，并且在较高温度下，输出电压随着温度的增加而减小。在较低温度下，改变模块温度对输出电压几乎没有影响，而改变电流可以对输出电压具有显著影响。在较高温度下，温度对输出电压具有更大影响，而电流对输出电压具有相对小影响。
图8示出了低于阈值温度TL时去除温度共享的示例。在该区域中，T维度斜率为零，使得贯穿该区域，仅电流共享有效。高于阈值TL时，还发生温度共享，如T维度中的线性负斜率所示。虚线40指示T=TL平面与输出特***叉的情况。
图9示出了上述操作的另一方面。在较低温度下，温度变化对输出电压几乎没有影响(T维度中较小/缓斜率)，而电流对输出电压具有较大影响(1out维度中较高/较陡斜率)。在较高温度下，温度对输出电压具有较大影响(T维度中较大/较陡斜率)，电流对输出电压具有相对较小影响(1out维度中较小/缓斜率)。
实现方式
存在多种实现电路的方式来实现本文描述的二维控制。以下给出特定示例。
1.下垂方法
图10(a)和10(b)示出了提供具有负线性斜率的输出特性(如图6和图7所示)的所谓“下垂”方法的两种变型。这是输出阻抗方法，并且也被称作电压调整速率方法。这是一种通过改变输出电压的外部特性斜率的温度共享和电流共享方法。这些电路使用反馈控制回路中的模拟补偿。
主电源电路(PWR CKTRY)50通过电流感测电阻器Ri产生输出电流Iout和输出电压Vout。将来自温度采样器(T-SAMP)52和电流感测放大器54的相应输出连同输出电压反馈信号Vout_FB一起提供给组合电路56。将来自组合电路56的输出连同参考电压Vref一起提供给比较器58，并且比较器58的输出穿过模拟补偿电路(A-COMP)60到达脉宽调制(PWM)电路62，脉宽调制电路62控制电源电路50的操作的占空比，以调整输出电压Vout的电平。
具体地，在图10(a)中，调谐输出电压反馈信号Vout_FB以调整输出电压。电阻器Ri和温度采样器52用作监测电路，并且其他组件用作对电源电路50的占空比加以控制的控制电路。
图10(b)示出了与图10(a)的电路几乎相同的电路，区别在于调谐参考电压信号Vref以调整输出电压。
图11示出了与图10(a)的电路类似的电路，区别在于图11的电路采用数字补偿反馈回路。该电路包括模数转换器(A/D)70和数字补偿电路(D-COMP)72。在该电路中，通过对SMPS的输出电压、输出电流和温度进行采样，利用在控制器或实现数字补偿器72的类似电路中执行的数字算法，部分地实现函数Uout=f(T，Iout)。
通常，在图10(a)、10(b)和11的电路的操作期间，当温度保持不变时，PWM62的输出随着输出电流的增加而减小。当PWM减小时，输出电压下降。高电流SMPS的外部特性倾斜下降，并且接近其他SMPS的外部特性。然后其他SMPS的电流增加，使电流共享均等(equalizing)。
关于SMPS的温度共享，SMPS的温度越高，PWM62所控制的占空比越小。高温度SMPS的外部特性倾斜下降，并且接近其他SMPS的外部特性。然后其他SMPS的电流和温度增加，使温度共享均等。
2.平均值方法
图12和13示出了用于自动共享温度和电流的平均值方法。图12和13均采用与并联布置的每个模块14连接的电流共享总线(CS总线)和温度共享总线(TS总线)。通过使用平均温度和平均电流值来自动调谐温度和电流，以实现温度共享和电流共享。每个并联SMPS的电流放大器80的输出通过电阻器R1连接至CS总线。每个并联SMPS的温度采样放大器82的输出通过电阻器R2连接至TS总线。图12的电路采用模拟补偿回路，并且图13的电路采用数字补偿回路。
在图12中，补偿器80将该模块14的输出电流值与CS总线的值相比较，产生提供给组合电路56的误差值。类似地，比较器80将该模块14的温度采样值与TS总线的值相比较，产生提供给组合电路56的误差值。为了调谐参考电压，将参考电压Vref与Ierror和Terror相比较，以产生新参考值Vref′。比较器58将Vref′与输出电压反馈值Vout_FB相比较，经由模拟补偿器60和PWM模块62控制占空比。类似于图10(a)，能够在平均值方法中备选地调谐输出电压反馈值Vout_FB的值。在这种情况下，将Ierror与Terror和输出电压反馈值Vout_FB相加，并且将结果与参考电压Vref相比较，以控制PWM。
图13示出了类似于图12的电路的电路，区别在于图13的电路使用数字补偿。在数字补偿器72内，执行计算以获得Ierror和Terror，并且通过在控制器或类似电路中执行的程序的数字算法来实现函数Uout＝f(T，Iout)，以改变数字补偿器72的参考，数字补偿器72的输出控制PWM模块62的操作和操作的占空比。
使用平均值方法来自动共享温度和电流，当SMPS在电流平衡下时，R1上的电压为零，并且SMPS在共享电流状态下。否则，R1上的电压不为零，并且对该电压进行放大以控制参考电压与输出电压的反馈值之间的误差。这激活整个反馈回路以控制输出电流，并且实现电流共享控制的目的。
使用平均值方法自动共享温度和电流，当SMPS在温度平衡下时，R2上的电压为零，并且SMPS在共享温度状态下。否则，R2的电压不为零，并且对该电压进行放大以控制参考电压与输出电压的反馈值之间的误差。这激活整个反馈回路以控制输出电流，并且实现电流共享控制的目的。温度随电流的变化而变化，并且实现温度共享控制的目的。通过温度共享总线和补偿回路，降低了高温度模块14的PWM，减小了输出电压，减小了输出电流，并且温度下降。
对于共享温度和共享电流的不同条件，可以存在两种不同设计来通过实际应用环境实现共享温度和共享电流。
(1)对于对共享电流或所有SMPS温度的良好一致性具有高需求的SMPS，增加电流对SMPS的影响，并且减小温度对SMPS的影响。
(2)对于对共享温度具有高需求的SMPS，当在较低温度下时，增加SMPS上电流的权重，并且减小温度对SMPS的影响；当在较高温度下时，增加SMPS上温度的权重，并且减小SMPS上电流的权重。
3.最大值方法
使用最大值方法来自动共享温度和电流意味着通过使用最大温度和最大电流值来自动调谐温度和电流，以实现温度共享和电流共享。该方法类似于平均值方法，并且可以由类似电路来实现。参照图14，该电路类似于图12的电路，区别在于电阻器R1和R2由二极管代替。这形成了主-从结构。具有最大电流和最大温度的SMPS是建立电流或温度共享目标的主模块；其他SMPS是从模块，从模块通过相应地增加它们的电流或温度来做出响应。
在图14中，使用具有单向传导性二极管D1、D2，仅最大电流可以与电流共享总线连接，并且仅最高温度可以与温度共享总线连接。这意味着电流共享总线的电压表示并联SMPS之间的最大电流，并且温度共享总线的电压表示并联SMPS的最高温度。通过与如上所述图12电路的反馈回路相类似的反馈回路的操作，SMPS实现了共享温度和电流的目的。图14的电路使用模拟补偿电路60，并且通过改变参考电压Vref进行调谐。最大值方法也可以使用改变输出电压反馈值Vout_FB或数字补偿的变型来实现。
类似于平均值方法，根据共享温度和共享电流的不同需求，最大值方法改变SMPS中电流和温度的比例，来实现降低共享电流、共享温度或共享电流和共享温度二者的热应力。
4.外部控制器方法
图15示出了外部控制器方法，其中，添加外部控制器90来共享温度和共享电流。每个SMPS具有自己的电流采样值，电流采样值转换为电压Vi；每个SMPS具有自己的温度采样值，温度采样值转换成电压Vt。
使用模拟模式控制器，将Vi和Vt与控制器的内部信号相比较，以产生电压误差信号Ve，并且在每个SMPS14中，向SMPS补偿器添加误差信号，以实现在并联SMPS之间共享温度和电流。
使用数字模式控制器，对Vi和Vt进行采样，并且使用平均值、最大值或另外算法产生每个SMPS的输出PWM或误差信号。在每个SMPS14内，向对应补偿器添加该信号以实现在并联SMPS之间共享温度和电流。
类似于以上其他方法，根据共享温度和共享电流的不同需求，可以在外部控制器90中改变电流和温度的比例，以实现降低共享电流、共享温度或共享电流和共享温度二者的热应力。
5.通信方法
通信方法涉及并联SMPS之间的电流数据和温度数据交换。存在若干通信方法，包括串行通信(SPI、UART、12C等)以及并行通信。
图16示出了双SMPS作为示例。使用这些通信方法，可以在SMPS100-1和SMPS100-2之间交换电流和温度数据，以实现共享温度和共享电流。
图17示出了使用通信方法控制并联SMPS14的外部控制器110的使用。外部控制器110与所有SMPS110连接。每个SMPS具有不同标识符(ID)，并且作为主设备，控制器110具有其自己的ID。外部控制器110通过其唯一ID识别每个SMPS。外部控制器110可以使用通信方法之一与所有并联SMPS14通信。外部控制器110接收并处理所有SMPS14的温度数据和电流数据。每个SMPS14从外部控制器110接收单独反馈信号，以控制其相应PWM，从而调整输出。
类似于以上其他方法，根据共享温度和共享电流的不同需求，可以在外部控制器110中改变电流和温度的比例，以实现降低共享电流。共享温度或共享电流和共享温度二者的热应力。
尽管已经具体示出并描述了本发明的多个实施例，但是本领域技术人员应理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明精神和范围的前提下，进行形式和细节的多种改变。

Claims (12)

1.一种开关模式电源，用作一组并联的开关模式电源中的一个，所述一组并联的开关模式电源具有连接在一起以向负载提供功率的相应输出，所述开关模式电源包括：
功率电路，可操作于在输出处产生输出功率，输出功率包括输出电压和输出电流；
监测电路，可操作于监测开关模式电源的输出电流和操作温度二者；以及
控制电路，可操作于使用二维控制来自动调谐开关模式电源的输出电压，二维控制采用输出电流和操作温度的预定二维函数来改变开关模式电源的操作占空比，以实现输出电压的自动调谐，二维函数是共享函数，在所述一组并联的开关模式电源中的每个中使用共享函数实现了所述一组并联的开关模式电源之间负载电流和操作温度的协调共享，
其中，预定的二维函数可分解为分别针对输出电压-负载电流和输出电压-操作温度的相应一维函数，所述一维函数包括分别针对负载电流共享和操作温度共享的相应不相等权重，所述不相等权重反映在针对负载电流的整个操作范围上的第一输出电压变化和操作温度的整个操作范围上的第二输出电压变化的不相等值中。
2.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，针对输出电压-操作温度的第一一维函数具有从在操作温度操作范围的低端处的第一斜率增加到在操作温度操作范围的高端处的第二斜率的变化斜率。
3.根据权利要求2所述的开关模式电源，其中，针对输出电压-输出电流的第二一维函数具有从在操作电流操作范围的低端处的第三斜率降低到在输出电流操作范围的高端处的第四斜率的变化斜率。
4.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，一维函数具有在输出电流和操作温度中任一个或二者的操作范围上变化的相对斜率差。
5.根据权利要求4所述的开关模式电源，其中，斜率差从第一斜率差变化到第二斜率差，第一斜率差反映了在操作温度操作范围的低端处输出电流的较强贡献，第二斜率差反映了在操作温度操作范围的高端处操作温度的较强贡献。
6.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，共享函数是下垂共享函数，通过所述下垂共享函数，输出电压随着输出电流和操作温度中任一个或二者的值的增加而减小。
7.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，共享函数包括：所述一组并联的开关模式电源之间输出电流和操作温度的显式信号通知，以及基于从所述一组并联的开关模式电源中的其他开关模式电源接收的输出电流和操作温度的信号通知值，对所述一组并联的开关模式电源中的每个开关模式电源处的输出电流和操作温度的本地调整。
8.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中，显式信号通知包括使用：(1)电流共享总线，开关模式电源的相应电流共享输出全都连接到所述电流共享总线；和(2)不同的温度共享总线，开关模式电源的相应温度共享输出全都连接到所述温度共享总线。
9.根据权利要求8所述的开关模式电源，其中，与温度共享总线的连接实现了求和，所述求和提供了所述一组开关模式电源上的平均温度的指示。
10.根据权利要求8所述的开关模式电源，其中，与温度共享总线的连接实现了主-从方案，所述主-从方案提供了所述一组开关模式电源上的最高温度的指示。
11.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中，显式信号通知包括：在所述一组开关模式电源之间使用通信链路。
12.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中，显式信号通知包括：在开关模式电源与分离的控制器之间使用相应的通信链路，所述分离的控制器(1)从开关模式电源接收相应信号通知值以及(2)将从开关模式电源接收到的相应信号通知值转发至其他开关模式电源。
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