專利名稱：具有動態輸入電流抑制的電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及電源(亦廣泛稱作功率或電壓轉換器)領域，并且更具體地說，涉及具有第一級DC/DC電壓轉換塊和第二級電壓轉換塊的電源，為每個塊配備輸出電壓調節反饋電路。
背景技術：
電信系統和其它應用領域中對更快、更復雜的信號和數據處理的需要加強了對具有多個高性能ULSI電路(例如，RFPA、ASIC和FPGA)的新一代信號處理系統的需要，此類信號處理系統的特征在于他們需要多個低供電電壓、高等級電流需求及嚴格的供電電壓調節要求。這些需要通過所謂的分布式功率架構(DPA)電源來滿足，該DPA電源可經由兩級電壓轉換布置從輸入電源提供多個嚴格調節的電壓。圖1是連接到有效載荷電路的常規DPA電源的示意圖。DPA電源10是包含連接到 AC輸入電源總線30的前端AC/DC電源20的配電系統。前端AC/DC轉換器20經由中間總線40連接到多個(K個)第二級DC/DC電源50-1到50-K的輸入，第二級DC/DC電源通常位于主機板60上并靠近有效載荷電路70。在圖1的示例中，多個DC/DC電源50-1到50-K中的每一個是通常稱作“負載點”(POL)或“來源點” (POS)轉換器的降壓轉換器(buck converter) 0 一般來說，DC/DC電源50-1到50-K可以是提供隔離、非隔離調節器或其任何組合的轉換器。DC/DC轉換器通常采用開關模式電源的形式。POL轉換器將經調節的電壓遞送到有效載荷電路70中的其相應負載(功能保持)。為了在系統中節省能量，通常僅在需要時打開部分有效載荷電路并在所有其它時間讓其關閉。由此切換引起的負載電流中的變化需要改進POL轉換器的動態電流處理能力。歐洲專利申請1406373A1公開了一種用于為高瞬時負載(例如，微處理器)供電的分解(factorized)功率架構(“FPA”)方法和設備。該設備包括前端功率調節器(PRM)， 其提供使用負載點的DC變壓模塊(“VTM”)被轉換成所需負載電壓的受控DC總線電壓。 VTM使用固定變壓比和低輸出電阻將DC總線電壓轉換成負載所需的DC電壓。VTM的響應時間小于PRM的響應時間。使負載上的第一電容足夠大，以在優選地大于或等于VTM的特征開環響應時間的時標內支持微處理器電流要求。使VTM輸入上的第二電容足夠大，以在優選地大于或等于前端功率調節器的閉環響應時間的時標內支持微處理器電流要求。反饋從負載點上的反饋控制器提供到前端或上游板載功率調節器模塊，以實現精確調節。因此，已知DC/DC轉換器內的控制功能(如EP 1 406 373A1中所述的)設計僅用于優化轉換器的輸出參數，并且具體地說，用于最小化輸出電壓中的偏差。對于典型的脈寬調制(PWM)轉換器，控制功能中的唯一限制就是最大和最小占空比范圍。到目前為止，很少或沒有人注意到正常操作期間動態負載對轉換器的輸入電流的影響。高度動態的負載可導致轉換器50-1到50-K的輸入電流中出現大紋波，其使轉換器與電信系統中用于配電的當前電信標準不兼容。確保符合輸入電流紋波的當前電信標準的普通方法是添加包含高電容的較大輸入濾波器，如圖1中的80所示。但是，這種方法的缺點在于濾波器的尺寸通常與DC/DC轉換器模塊本身的尺寸相近。尺寸限制通常迫使設計者通過在許多步驟中減輕動態負載的不利影響來解決問題，而不是在其根源上解決問題。在一些應用(例如，無線電基站)中，無線電位于天線附近，而電力饋送通常使用長度可為100-300m的長線纜來完成。這種線纜具有高電感。在這些情況下，輸入電流中的步進變化在供電電壓中添加電抗偏差(reactive deviation)。當前，通常的實踐是增大線纜尺寸以減少來自線纜的電壓偏差影響。但是，線纜尺寸的增大將增大線纜的成本。需要更少空間的將輸入電流紋波減少到可接受水平的備選解決方案是將結合使用MOSFET和電容器建造的有源線性電流調節器連接到轉換器輸入。這將在一個緊湊級上去除影響，但將導致較高的功率損失。因此，減輕高度動態輸入電流的影響的已知方法會導致增大的功耗、增大的尺寸及功率轉換器系統成本。應該注意，由動態電流負載引起的問題不局限于電信系統中的電源。例如，出現此問題的另一個應用是電風扇的電源。現代風扇包括速度控制器，它通過低頻PWM功能改變風扇的轉速。因此，從電源抽取的電流將包含脈沖串(pulse train)。電源輸入處需要濾波器，以符合電磁干擾(EMI)要求。因此，相當需要克服上述現有技術缺陷的改進電源。
發明內容
過去為最小化動態負載電流對電源輸入電流的不利影響而采取的措施通常在電源的輸入處采用一些形式的濾波，如上所述。但是，本發明的發明人從完全不同的角度處理問題，認識到如果板載DC/DC轉換器能夠一開始就處理和控制動態負載電流而不生成動態輸入電流，則將極大減少對低頻外部濾波的需要。本發明的電源包括具有控制和功率電路的DC/DC轉換塊，以處理動態負載電流而不生成動態輸入電流。具體地說，本發明提供包含第一級DC到DC電壓轉換塊和第二級電壓轉換塊的電源，并且第二級電壓轉換塊具有反饋電路以調節其輸出電壓，從而在負載抽取的輸出電流變化時減少輸出電壓的變化。該電源還包含第一級電壓轉換塊與第二級電壓轉換塊之間連接的電容器，以便在第二級電壓轉換塊的輸入電壓由于第二級電壓轉換塊的輸出電流變化而變化時供應電流給第二級電壓轉換塊。第一級電壓轉換塊包含反饋電路以調節第一級電壓轉換塊的輸出電壓，從而在第二級電壓轉換塊的輸入電壓由于第二級電壓轉換塊的輸出電流變化而變化時減少輸出電壓的變化。第一級電壓轉換塊的反饋電路的響應比第二級電壓轉換塊的反饋電路的響應慢。第一級電壓轉換塊還包含速率限制電路，以通過反饋電路調節第一級電壓轉換塊的輸出電壓的變化速率，從而使得第一級電壓轉換塊的輸入電流的變化速率保持低于預定值。上述配置的電源可應對輸出電流需求的突然增大和減小，同時確保輸入電流的變化得不會比指定的快。電源的電容器布置成傳遞瞬時能量給負載，其大小將小于當前無源濾波器中使用的電容器。
在分布式功率架構系統中，根據本發明實施例的電源將允許減少系統中的瞬時上游電流，實現提高的效率、減小的尺寸和成本。
現在將僅作為舉例、參照附圖詳細說明本發明的實施例，在附圖中圖1是常規IBA功率系統的示意圖；圖2示出根據本發明的一實施例的電源；圖3示出圖2所示的第一級電壓轉換塊100的細節；圖4是示出圖3所示高通濾波器和低通濾波器的頻率響應的示意圖；圖5是圖3所示的信號處理單元103的模擬實現的示例。
具體實施例方式圖2示出根據本發明的一實施例的電源，其包括串聯連接的至少兩個電壓轉換塊和其間連接的電容器。具體地說，該電源包含通過中間總線300串聯連接的第一級電壓轉換塊100和第二級電壓轉換塊200。在總線300與參考點(例如，大地)之間連接電容器 400。在當前實施例中，電壓轉換塊100和200中的每一個均為開關模式電源(SMPS)，它是一種眾所周知類型的功率轉換器，因其尺寸小、重量輕和高效率而具有廣泛的應用范圍。 SMPS通過以高頻率(通常為數十至數百kHz)開/關諸如功率MOSFET之類的開關元件，來實現這些優點，其中開關的頻率或占空比由控制器來調整，它使用反饋信號控制SMPS功率串以將輸入電壓轉換成所需的輸出電壓。反饋信號基于轉換器的輸出電壓。SMPS通常可采取整流器(AC/DC轉換器)、DC/DC轉換器、變頻器(AC/AC)或逆變器(DC/AC)的形式，并可在其輸入與輸出之間提供或不提供電絕緣。但是，在當前實施例中，電壓轉換塊100和200 均為DC/DC轉換器。本領域技術人員將熟悉SMPS操作的結構和原理的一般方面，因此本文不需要對此做進一步解釋。第一級DC/DC轉換器100布置成將輸入500上的輸入電壓Vin轉換成中間總線300 上的中間電壓Vint，而第二 DC/DC轉換器200布置成將中間電壓Vint轉換成輸出電壓V。ut以在電源的輸出600處提供。電容器400將充電到中間電壓電平Vint。輸出電壓V-由第二級 DC/DC轉換器200的輸出電壓感測線路感測并由其反饋電路210進行處理，反饋電路210具有比第一級電壓轉換器的反饋電路更快的反應。中間電壓Vint由第一級DC/DC轉換器100 的輸出電壓感測線路感測并由其反饋電路110進行處理，反饋電路110具有比第二級電壓轉換器的反饋電路更慢的反應。第一級DC/DC轉換器100包括內部電路，其中包含反饋電路110和速率限制電路 120，速率限制電路120控制操作期間轉換器的變壓比的變化速度。第一級DC/DC轉換器 100內的內部電路還控制輸入電流Iin的變化，以便取決于饋送系統特性將輸入電流變化的速率限制為指定值，例如IOmA/μ S。換言之，速率限制電路120布置成調節轉換器的反饋電路110改變轉換器100的輸出電壓的速率，以使得輸入電流Iin的變化速率保持低于IOmA/ μ S。現在將參照圖3描述此內部電路的一個示例。圖3是示出第一級DC/DC轉換器100的細節的示意圖，有助于理解當前實施例。除了諸如SMPS功率串101和PWM控制器102之類的熟悉部件之外，當前實施例的第一級轉換器100進一步包含信號處理單元103和經由輸入電路感測線路122與之相連的輸入電流測量裝置121。輸入電流Iin的變化由電流測量裝置121測量，它會生成表示所測量輸入電流的信號。電流測量裝置可采用本領域技術人員已知的任何適當形式提供。例如，電流測量裝置可使用與電感元件串聯連接的電阻元件實現，元件的值取決于系統特性。傳遞函數應為等式]_V’=aI+ k^~
dt其中V’表示輸入電流測量裝置的輸出信號，而a和k為常數。電流感測信號V’ 輸入到信號處理單元103。轉換器100的輸出電壓被感測并且還經由輸出電壓感測線路111作為輸入提供給信號處理單元103。信號處理單元103布置成處理經由電流感測線路122和輸出電壓感測線路111輸入其中的信號，并生成控制信號以控制第一級轉換器100的變壓比。在當前實施例中，信號處理單元布置成經由PWM控制器102控制SMPS的占空比。信號處理單元103和輸入電流測量裝置121，與PMW控制器102—起，起到反饋電路110和速率限制電路120的功能，如現在將說明的。當前實施例的信號處理單元103包括低通濾波器112，其布置成對來自輸出電壓感測線路111的信號進行濾波；以及高通濾波器123，布置成對來自輸入電流感測線路122 的信號進行濾波。從低通濾波器112和高通濾波器123輸出的濾波信號由形成信號處理單元103的組成部分的加法器IM相加到一起。結果(相加的)信號被提供為PWM控制器 102的輸入。濾波器的頻率響應應具有圖4所示的特性，其中曲線112A示出低通濾波器的頻率響應，而曲線123A示出高通濾波器的頻率響應。在此布置中，轉換器100的反饋電路110包含輸出電壓感測線路111、低通濾波器 112、加法器IM和PWM控制器102，具有較慢的響應時間并將只能控制轉換器100的平均輸出電壓。轉換器的輸出電壓將在這個水平左右變化。平均輸出電壓由負載電路的輸入要求設置。變化幅度由電容器400的電容和負載的功率要求決定。最大和最小輸出電壓電平將由負載決定。第一級轉換器100的速率限制電路120包含輸入電流測量裝置121、輸入電流感測線路122、高通濾波器123和加法器124，并布置成使用經濾波的輸入電流感測信號調節反饋電路110改變第一級電壓DC/DC轉換器100的輸出電壓的速率。速率限制電路將比反饋電路110反應更快。其較低的頻率限制比輸出電壓感測電路快幾個數量級，并且由饋送系統設計用于的最大輸入電流變化速率決定。頻率上限很大程度上由電容器400的電容決定。速率限制電路120布置成使用經濾波的輸入電流感測信號調節反饋電路110改變第一級電壓DC/DC轉換器100的輸出電壓的速率。信號處理單元103可通過模擬電路或數字控制器的集成電路來實現。在數字系統中，可執行軟件代碼以控制SMPS脈寬隨時間變化的速率并控制轉換器的輸出電壓。備選地，信號處理單元103可以模擬形式實現，例如使用圖5所示的電路。在這個示例中，來自輸入電流感測線路122的信號所輸入的高通濾波器123是一階RC濾波器，其中包含如圖5所示相連的電容器Cb和電阻器Rb。高通濾波器的輸出由放大器Nb放大。類似地，在這個示例中，低通濾波器112是包含電阻器Ra和電容器Ca的簡單RC濾波器。低通濾波器的輸出由放大器Na放大。根據需要選擇Ra、Ca、Rb和Cb的值以提供所需的頻率響應。 放大器Na和Nb的輸出使用電阻器禮、R2和R3的所示布置結合并輸出到PWM控制器102。現在將解釋當前實施例的電源的操作。例如，在輸出600上的瞬時電流增大時，第二級DC/DC轉換器200將快速反應以增大到輸出600的功率。反饋210確保輸出電壓V。ut 保持恒定。第二級DC/DC轉換器200將從中間總線抽取更大的電流。所需的能量將從第一級DC/DC轉換器100供應，但是由于此轉換器可改變其變壓比的速率將取決于允許輸入電流改變的速率的預定最大值而受限，因此大部分能量將從電容器400供應。在電容器400 放電時，中間電壓Vint將降低并使第一級DC/DC轉換器100增大從輸入500抽取的功率，直到中間電壓Vint達到穩定值。對輸入電流Iin的影響是此電流將不會進行任何快速變化。作為閉環控制的結果，第一 DC/DC轉換器100可控制輸入電流可改變的速率以及輸出電壓。輸入電流受到控制以保持處于或低于饋送系統設計用于的最大電流變化速率， 并且將輸出電壓調節到平均電壓和由負載電路的輸入要求設置的最大界限和最小界限內。電容器400的值決定中間總線300上的電壓擺動。電容器400的電容值應根據饋送功率給電源的系統以及連接到電源的負載電路的要求來選擇。具體地說，電容值將由饋送系統設計用于的電流變化速率以及電源的負載電路的最大電壓要求和最小電壓要求來決定。[修改和變更]能夠對上述實施例進行許多修改和變更。例如，雖然上述實施例中的DC/DC轉換器是降壓轉換器，但它們的拓撲不限于此并可備選地為升壓、降壓-升壓等。備選地，第二級DC/DC轉換器(200)可以是DC/AC轉換
ο而且，雖然上述實施例的電源中的第一級電壓轉換塊和第二級電壓轉換塊均為在其輸入和輸出之間提供隔離的DC/DC電壓轉換器，但在備選實施例中，這些電壓轉換塊中的一個或兩個可以是不提供此類隔離的電壓調節器。此外，雖然上述實施例中的第一級電壓轉換塊和第二級電壓轉換塊均為SMPS，這些轉換塊的形式不限于此并且電壓轉換塊中的一個或兩個可以是(非交換)線性轉換器或線性調節器。此外，在上述實施例中，第二級DC/DC轉換器200直接連接到有效載荷電路。但是， 在備選實施例中，第二級轉換器上的負載可由連接到其輸出的一個或多個其它電壓轉換級提供。
權利要求
1.一種電源，包括第一級DC到DC電壓轉換塊(100)；第二級電壓轉換塊000)，其具有反饋電路O10)以調節其輸出電壓(V。ut)，從而在負載抽取的輸出電流(I。ut)變化時減少所述輸出電壓(V。ut)的變化；以及所述第一級電壓轉換塊與第二級電壓轉換塊(100、200)之間連接的電容器000)，用于在所述第二級電壓轉換塊O00)的輸入電壓(Vint)由于所述第二級電壓轉換塊O00)的輸出電流(I。ut)變化而變化時供應電流給所述第二級電壓轉換塊O00)；其中，所述第一電壓轉換塊(100)包括反饋電路(110)，用于調節所述第一級電壓轉換塊(100)的輸出電壓，從而在所述第二級電壓轉換塊(200)的輸入電壓(Vint)由于所述第二級電壓轉換塊(200)的輸出電流(I。ut) 變化而變化時減少所述輸出電壓的變化，所述第一級電壓轉換塊(100)的反饋電路(110) 的響應比所述第二級電壓轉換塊O00)的反饋電路O10)的響應慢；以及速率限制電路(120)，用于通過所述反饋電路(110)調節所述第一級電壓轉換塊(100) 的輸出電壓的變化速率，以使得所述第一級電壓轉換塊(100)的輸入電流(Iin)的變化速率保持低于預定值。
2.如權利要求1所述的電源，其中，所述速率限制電路(120)包含用于測量所述第一級電壓轉換塊(100)的輸入電流(Iin)的電流測量裝置(121)，所述速率限制電路(120)布置成使用所測量的輸入電流、通過所述反饋電路(110)調節所述第一級電壓轉換塊(100)的輸出電壓的變化速率。
3.如權利要求2所述的電源，其中所述電流測量裝置(121)布置成生成表示所述測量的輸入電流的信號；以及所述速率限制電路(120)還包含用于對由所述電流測量裝置(121)生成的所述信號進行濾波的高通濾波器(123)，所述速率限制電路(120)布置成使用所濾波的信號、通過所述反饋電路(110)調節所述第一級電壓轉換塊(100)的輸出電壓的變化速率。
4.如權利要求1、2和3中任一項所述的電源，其中，所述第一級電壓轉換塊(100)的所述反饋電路(110)包含低通濾波器(112)，布置成使得所述第一級電壓轉換塊(100)的反饋電路(110)的響應比所述第二級電壓轉換塊O00)的反饋電路O10)的響應慢。
5.如附加到權利要求3時的權利要求4所述的電源，其中所述第一級電壓轉換塊(100)的反饋電路(110)包含脈寬調制控制器(102)；以及所述速率限制電路(120)還包含加法器(IM)，其布置成將所述低通濾波器(11 的輸出信號與所述高通濾波器(12 輸出的所述濾波信號相加，并將結果信號提供給所述脈寬調制控制器(102)。
6.如以上權利要求中的任一項所述的電源，其中，所述速率限制電路(120)布置成通過所述反饋電路(110)調節所述第一級電壓轉換塊(100)的輸出電壓的變化速率，以使得所述第一級電壓轉換塊(100)的輸入電流(Iin)的變化速率保持低于IOmA/μ S。
7.如以上權利要求中的任一項所述的電源，其中，所述第一級電壓轉換塊和第二級電壓轉換塊(100、200)中的每一個是DC/DC電壓調節器或DC/DC電壓轉換器。
全文摘要
描述了一種電源，它包含第一級DC到DC電壓轉換塊(100)和第二級電壓轉換塊(200)，第二級電壓轉換塊具有反饋電路以調節其輸出電壓(Vout)，從而在負載抽取的輸出電流(Iout)變化時減少輸出電壓的變化。電源還包括第一級電壓轉換塊與第二級電壓轉換塊(100、200)之間連接的電容器(400)，用于在第二級電壓轉換塊(200)的輸入電壓(Vint)由于第二級電壓轉換塊(200)的輸出電流(Iout)變化而變化時供應電流給第二級電壓轉換塊(200)。第一級電壓轉換塊(100)包含反饋電路以調節第一級電壓轉換塊(100)的輸出電壓，從而在第二級電壓轉換塊(200)的輸入電壓(Vint)由于第二級電壓轉換塊(200)的輸出電流(Iout)變化而變化時減少輸出電壓的變化。第一級電壓轉換塊(100)的反饋電路的響應比第二級電壓轉換塊(200)的反饋電路的響應慢。第一級電壓轉換塊(100)還包含速率限制電路，以通過反饋電路調節第一級電壓轉換塊(100)的輸出電壓的變化速率，從而使得第一級電壓轉換塊(100)的輸入電流(Iin)的變化速率保持低于預定值。
文檔編號H02M1/44GK102474183SQ201080030327
公開日2012年5月23日 申請日期2010年4月28日 優先權日2009年7月1日
發明者J·赫曼, P·林德曼 申請人:瑞典愛立信有限公司