專利名稱：電源序列發生器控制電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電源控制器，尤其涉及調節電源外加至電子電路。
背景技術：
電子系統常見由若干模塊組成，各個模塊由一個共通來源汲取交流電源。此外，電子裝備使用的電源供應器的特征為激活時需要瞬間高電流。因此同時打開全部模塊可能導致激活電流的實質組合。此種同時激活造成的暫時性電流過高可能誘生強磁場及電壓尖峰而可能對電子裝置造成過度應力而使電子裝置故障。
由于同時操作的多個裝置導致的累進激活電流高于架式安裝電子測試系統經常成問題。架式安裝電子測試系統典型是由若干電子測試裝備及儀器共同安裝于一個裝備架上，且插在同一個交流電源組成。測試架通常有單一主電源開關；當開關閉路時，架上全部裝備一次操作。(注意于斷電后復電時也可產生如同打開電源開關時相同的瞬時)。由于激活電流也稱作涌入激活電流為加成性，故組合的變遷電流可能夠高而造成損害。
本問題的另一例可能出在于個人計算機內部配送電源。近代個人計算機的中央處理器就操作速度以及處理能力而言皆有重大成長。但伴隨著性能的改進也造成復雜度增高與耗電量加大。原先IBM個人計算機使用的CPU皆含29,000個晶體管以時鐘速度僅五百萬赫運轉且僅需0.05安操作電流。今日的CPU例如AMD亞瑟隆(Athlon)處理器含有2千2百萬個晶體管，以大于十億赫的時鐘速度運轉且耗電流超過35安。計算機電源供應器不僅必須支持CPU，同時也須支持磁盤驅動器、周邊電路卡、周邊模塊等。當計算機首次供電時，同時將多個負載的負荷加在電源供應器上供給大量涌入電流將產生大磁場及大電壓尖峰。大變遷電流造成的電磁場也干擾系統的激活。
常見實務是于電子電源供應器加上保護裝置例如涌浪停止器以及軟激活環路。此種保護裝置對于消弭電源電壓涌浪影響以及降低激活電流幅度的效果有限。盡管有此等措施，尖峰激活電流常顯著高于電源供應器的額定穩態電流。如前文討論，多個電源供應器的組合激活電流夠高而誘生電磁效應；此種現象干擾電源供應器或支持環路且不適合涌浪停止器等。此外，此等集合激活電流可能造成主電源以及關聯的開關組件嚴重過載。
如前文討論，關聯的可信度問題即為成本問題。需要接受同時激活電流的電源組件需要過建。設計工程師傳統「最惡劣情況」標準表示裝置足夠忍受電流需求，其可能遠超過正常操作條件而可避免故障。不幸較大型變壓器、較重載開關接觸等典型成本較高。供應大涌入電流以及輸出模塊忍受電壓及磁涌浪的電路也造成成本增高。如此需要能忍受同時激活電流所造成的電力配送組件成本的增高。
有鑒于前述多項問題，較佳有一種自動化系統可施加功率給多個負載而避免同時激活電流。系統于斷電及復電時可施行有序的重新開機。若系統可以交流或直流電源操作則更佳。此外系統須階廉方便配合于多種不同應用用途例如計算機周邊、測試裝備架、自動化生產線上作電源定序。
發明內容
前文列舉的多項問題大半可藉電源定序系統及方法解決。此處所述系統循序連接多個負載至一主電源，如此隨著時間的經過，配送激活電源而減少涌浪電流造成組件應力及干擾的可能。于初步施加電力或于斷電后恢復供電時操作。系統簡單、價廉、可并入多種不同產品。此外，容易制成集成電路或放置于現有IC基板上作為芯片上周邊裝置。
本發明提供一種電源序列發生器包含一組可控制電源開關組件及關聯電路用于計時、信號配送及控制。電力開關組件透過配送電路接收邏輯變遷的進行性延遲版本。如此開關組件是以定時順序由環路所操作，且接續連接多個負載至一個電源供應器。由于負載是以多階段連接而非同時連接，故可避免組合激活造成的巨大電流。本設計的又一特色為串聯連接多個電源序列發生器，故串聯連接的各個序列發生器唯有于其前一個序列發生器已經完成其順序后才能致能。例如假設序列發生器A及B各自支持8個負載而B是由A致能。當首次供電時，序列發生器A連續以規則間隔時間連接它的8個負載至電源。至序列發生器A的第8個負載連接之前，序列發生器B維持未操作，序列發生器B的負載與電源隔離。當序列發生器A的第8個負載連接時，序列發生器A致能序列發生器B，讓序列發生器B開始循序連接它的8個負載。實際上，兩個串聯連接的序列發生器表現如同單一序列發生器具有16個負載容量。藉此方式可連接任意數目的序列發生器；各個序列發生器致能次一序列發生器，而本身是由前一序列發生器所致能。
于范例具體實施例中，電源序列發生器包含邏輯控制定時器以及移位寄存器，該寄存器致能一組繼電器配送電源給多個負載。繼電器以固定時間間隔連續致動；如此電源是分成多階段而非全部一次外加至負載。如此導致比負載全部一次同時激活遠更低的尖峰激活電流。例如于包含16個相同電負載的測試架，電源序列發生器可降低涌入電流至全部一次致能全部負載時可能導致的涌入電流的1/16。控制激活順序的邏輯可配置成以主或從模式操作。于主模式，一旦系統操作，則激活順序開始。它方面，于從模式，于開始定序之前要求一個致能輸入信號。此種特色可形成「花圈連鎖式」多個電源序列發生器用于涉及大量負載或多個負載分隔寬廣的情況。
須注意雖然于某些案例，多個負載系統可以人工調整為線上，因此電源循序外加至負載，但無法保證系統不斷電。當于斷電后，突然復電時系統電源常發生電流涌浪。當斷電時正在操作的全部裝置于復電時同時重新激活，經常導致巨大組合激活電流。如此單純實施以人工循序供電給多個負載并無法保護不發生電流涌浪。
此處所述系統可應用至交流及直流電源配送，且可有利地用于多項用途來降低電源供應器及輸入電路成本以及減少EMI發射。其價廉且可定標因此容易制造低成本集成電路。如此可含括作為例如電源條產品的額外附加價值特色。
除了前述系統外，此處含括一種實施循序供電給多個負載的方法。該方法包含形成一系列電壓步驟，其中于該系列的各個電壓步驟就前一步驟而言是延遲一段載明的時間間隔。漸進延遲的一系列電壓步驟操作的電源開關組件，而該組件又供電給各別負載。
其它本發明的目的及優點當研讀后文詳細說明及參照附圖時將顯然自明，附圖中第1圖為此處所述電源定序系統的具體實施例的方塊圖；第2圖為電源序列發生器的時序圖，顯示時鐘、移位寄存器及電源開關組件的相對時序；第3圖顯示序列發生器的電源開關部分的具體實施例；第4a圖顯示電源序列發生器的正面面板布局圖，第4b圖顯示多個序列發生器以串級排列連接；以及第5圖顯示當將若干電源序列發生器連接在一起時使用的從/主環路具體實施例。
雖然本發明可做多種修改及替代形式，但于附圖舉例顯示特定具體實施例而于此處說明其細節。但須了解圖式及詳細說明絕非意圖囿限本發明于揭示的特定形式，反而本發明涵蓋如隨附的權利要求界定的本發明的精髓及范圍內的全部修改例、均等及替代例。
具體實施例方式
后文討論是有關此處所述用于架式安裝測試系統的電源序列發生器的具體實施例。本范例具體實施例用于說明系統的基本原理，但不可視為本系統及方法的應用僅限于該具體實施例。相反地，相信該系統及方法可用于極為寬廣的電力配送及控制應用范圍，其若干實例將舉例說明如后。
第1圖顯示電源序列發生器的具體實施例的方塊圖。圖中，圈出的編號表示信號線組群亦即總線。一個總線內部的各條信號線是以總線編號后方的短橫線及信號線編號表示。例如連接移位寄存器18的第八個輸出至MOSFET驅動器模塊26的對應輸入的信號線標示為22-8。第1圖的總線信號編號出現于信號線原點附近。又后文討論中，假定邏輯信號有兩種可能狀態分別標示為「高」及「低」。
于第1圖具體實施例中，全部電源最終是由交流線52導出。交流線連接至交-直流電源供應器10，電源供應器對電源序列發生器內部環路提供12伏。交流線也連接至繼電器模塊38。于本具體實施例中，繼電器模塊包含8對繼電器而連續供電給序列發生器輸出總線40及42的8條負載信道。依據特定用途，繼電器可為習知電機裝置或某種形式的固態繼電器。交流-直流電源供應器10的12伏輸出藉線性調節器或直流-直流開關電源供應器12向下調節至5伏且配送給邏輯。本具體實施例中時鐘產生器16作為序列發生器的時序來源，可為晶體振蕩器、多個振動器或可供給適當時序信號的相似裝置。時鐘產生器16提供信號線17上的脈沖信號給移位寄存器18及20，其于本具體實施例作為配送網絡。移位寄存器為數字邏輯設計上常用的時鐘驅動多階段式裝置。移位寄存器的輸入端提供的邏輯位準是以組隊方式循序通過其各階段。以移位寄存器18及20為例，輸出線關聯各個階段；如此輸入狀態由移位寄存器所延遲及配送。移位寄存器18及20藉控制邏輯14維持于復置態。當復置時可忽略來自時鐘產生器的脈沖，其輸出線22及24皆為低。控制邏輯14維持復置態的時間長度是依據電源序列發生器是作為主或作為從決定，而作為主或作為從是由從/主模式信號線44的態決定。若序列發生器是作為主操作，則于電源開關46開啟之后于短暫的初始化期間之后復置態升高。但若序列發生器是操作為從，則復置態維持直至主模式經過從致能發送48，以及從致能返回50的線路發送致能輸出信號為止。此種操作模式讓若干電源序列發生器以串級連接，因而可依序操作的較大量負載，或位在遠程的負載。由于致能信號對從主而言為直流隔離，故對一個主模式所能驅動的從系統數目并無特殊限制。
移位寄存器18及20于本具體實施例含有8階段，于各時鐘變遷時經由連續各階段傳播存在于其輸入端的邏輯位準。于各階段的邏輯位準是于各接腳帶出，換言之總線22及24。本例中，第一移位寄存器18的串聯輸入是硬接線至高邏輯位準，以及第二移位寄存器20的輸入端是連接至前一移位寄存器18的最末階段。因此一旦去除復置條件，移位寄存器18及20響應于時鐘產生器，傳播邏輯高循序通過第一移位寄存器18的各階段，然后以相同方式循序傳播通過第二移位寄存器20的各階段。移位寄存器18及20的輸出端由MOSFET模塊26及28所緩沖，于繼電模塊38操作繼電。此事件順序以時序圖顯示于第2圖。
第1圖具體實施例所提供的若干信號的邏輯態以時間的函數關系顯示于第2圖。注意各軌線的項目編號是將對應信號的項目編號加100標示。例如說明信號22-3變遷的軌線(移位寄存器18之三輸出)標示為122-3。全部時序是相對于時鐘117，變遷(任意)假設發生于時鐘的上升緣；垂直虛線表示重疊。本具體實施例中，時鐘時間約0.5秒。如此例如軌線140-2及140-4的上升緣間隔1.0秒。但依據用途而定時鐘時間可由0.1秒至數小時的范圍。
第2圖軌線122-1至122-8說明邏輯高如何傳播通過移位寄存器18各階段，重合時鐘117周期。此點對移位寄存器20亦為真，如軌線124-1至124-8可證。注意移位寄存器20的第一狀態變化至移位寄存器18的最末階段(第8階段)變遷態之前不會發生；如此反應出移位寄存器串聯連接的事實。容后詳述，各排序器的主輸出信道包含雙極連接。換言之，二開關組件關聯各負載需要閉合二者來連接負載至電源。例如第1圖的輸出信道3包含信號線40-5及40-6；40-5連接負載至電源高段，以及40-6連接負載至低段。如此電路藉第二繼電器完成。顯示于第2圖時鐘軌線117與軌線140-2、140-4及142-8間的關系。例如移位寄存器18(信號線22-1)的第一輸出由MOSFET(信號線32-1)緩沖，且操作關聯輸出信道1(信號線40-1)的二繼電器之一。同理，移位寄存器18(信號線22-2)的第二輸出由MOSFET(信號線32-2)緩沖，且操作的其它繼電器(信號線40-2)，如此完成輸出信道1的連接。如此于第2圖以虛線連接140-2的上升緣與122-2的上升緣表示。
第1圖的MOSFET驅動器模塊26及28各自包含8個MOSFET晶體管。此等MOSFET可為不同裝置或組合成為一個集成電路。另一具體實施例中，可使用其它類型可驅動繼電線圈的電流放大裝置，例如雙極晶體管。各移位寄存器透過總線22及24連接至MOSFET柵極。當移位寄存器階段走高時，對應輸出線驅動各別MOSFET的柵極為高而導通之。各MOSFET的漏極是連接至模塊38的繼電器線圈，對各個負載有二MOSFET及二繼電器。LED模塊34及36也耦合至MOSFET驅動器，故有一個LED關聯各個負載信道，當對應信道被激勵時(亦即當關聯MOSFET導通時)，各LED點亮。如此例如模塊34的LED 3可藉NOR閘驅動，輸入端連接至線32-5及32-6，故當二線走低時，LED3發亮；用來指示關聯輸出信道3的二繼電器關閉。
舉例言之，關聯繼電模塊38及MOSFET驅動器模塊28的第8個輸出信道的環路顯示于第3圖。注意220VAC線52的二相位的各相位是連接至一個繼電器；□1于線52-1連接至上繼電器58，以及□2于線52-2是連接至下繼電器60。當繼電器關閉時，繼電器透過輸出線42-7或42-8連接其關聯相位至輸出插座62。如前述，MOSFET驅動器模塊對繼電器模塊38的各個繼電器含有一個MOSFET。第3圖所示兩個MOSFET54及56是由第8對移位寄存器輸出端24-7及24-8驅動。上繼電器58透過總線線30-7連接至MOSFET54，下繼電器60透過總線線30-8連接至MOSFET56。當任一MOSFET打通時，MOSFET經由其各別繼電線圈接收電流。如此造成正常為開的繼電器接點關閉，連接220VAC線的二相位之一至負載。本具體實施例中，因二繼電器須閉路而完成連接至負載，故操作的一個負載與操作的下一個負載間的時間間隔為1.0秒。顯然于另一具體實施例中，線路電壓為110VAC或直流數值，則時間間隔可縮小或加大。
電源序列發生器的具體實施例的面板顯示于第4a圖。設置電源開關64及66而將整個單元開或關，以及設置模式開關68及70俾配置成主或從(容后詳述)。一列LED 72指示輸出端是否被激活。也存在有一對模塊式RJ-11插口(于壁面電話插口相同類型)，其中之一插口74為輸入端而另一插口76為輸出端。連接各插口的LED 78及80指示對應輸入端或輸出端是否被激活。
電源序列發生器方便組合來擴大輸出能力。兩個或兩個以上的電源序列發生器可使用RJ-11，或其它連接器互連(相信RJ-11連接器特別廉價且方便易得)。電源序列發生器如第4b圖所示，可經由連接指定為主的輸出端至指定為從的輸入端而連接成為從主關系。當激活時，主是以前文說明的方式循序外加電源給其輸出端。但從保持斷開至主完成其整個順序為止，此時才開始循序激活其輸出端。如此從/主組合的操作相當于單一序列發生器但帶有兩倍信道。此外，多個電源序列發生器可以此種方式串級，而各個序列發生器用來致能下一個序列發生器。如此將單一電源序列發生器的容量擴充至任意多數負載。除了第4b圖說明的架構之外，多個序列發生器的組合操作要求各個序列發生器適當配置為主或從。如前述，于第4b圖的具體實施例是使用面板上的模式開關達成。注意，雖然可串級任何數目的電源序列發生器，但該串行中唯有第一者作為主；其余序列發生器全部皆配置為從。如此允許致能輸出信號由主所發出然后依序由各從所中繼。模式開關將電源序列發生器重新配置為主或從的能力極其有利。例如復雜系統可由100個串聯連接的電源序列發生器組成，一者為主而99者為從。使用模式開關，此種系統方便再度配置為50個主及50個從而布線未改變。
從主連接的主要特色為其對噪聲具有高度免疫力。電源序列發生器的從輸入與序列發生器環路的其余部分隔離；因此串聯連接序列發生器的各序列發生器與其它環路隔離。此外要求相對高信號位準來致能從。結果可串級的電源序列發生器數目不會由累加的噪聲所限，環境噪聲不太可能偽觸發從模式。藉此完成的環路的具體實施例顯示于第5圖。
第5圖顯示第1圖所示部分主82，包含得自MOSFET模塊38內部的MOSFET86。此種MOSFET88的負載為求簡單是顯示為電阻器，但實際上包括繼電一次電路(如第3圖所示)及其它組件。此外MOSFET86驅動從84的致能繼電器90。主82與從84間的連接為二導體纜線，其中一導體92供給12伏給致能繼電器90，其返回路徑94經由MOSFET86接受繼電電流。由于此種從主界面具有高噪聲免疫力，故此種纜線長度典型可達100呎。并聯其名目負載88及從模式的致能繼電器90，MOSFET86也驅動關聯主輸出插口76的LED80。此種發光二極管指示從致能輸出線被激活。同理，關聯從輸入插口74的LED78是并聯連接致能繼電器90，用于指示從接收來自主的致能輸入信號。注意于第5圖，繼電器90將主82與從84隔離；結果二者間的電干擾可忽略。又噪聲敏感度不會隨著加上更多從系統而惡化。
本系統及方法的用途非僅限于此處討論的具體實施例。顯然易知電源序列發生器可調整配合多種電力配送的應用用途。例如此項技術于大型多組件式電路信號有利，如此顯著激活電流可隨著時間的經過而配送，如此減輕對開關及線路造成的應力。也提供計算機及其它電子裝備的電源供應器成本上的節省；經由免除需要同時激活多個負載，可無需使用強勁昂貴的組件。由于設計上簡單及成本低，故本設計可進行量產。
此處所述電源序列發生器的具體實施例是由分開不同組件或模塊組成。但本系統及方法非僅限于此種實務，反而適合藉多種不同執行裝置實施。例如邏輯及控制功能也可于可程序邏輯實施，或使用低成本通用用途微控制器實施；如此導致成本降低、空間節省以及制造能力改善。
相信大部分電源序列發生器電路可組合成為一個集成電路。對于高功率用途而言，例外為實際電源開關組件。但于許多涉及中等功率位準的情況，半導體開關可取代電機繼電器；隨后讓整個序列發生器作為單一IC或混成電路。如此讓電源序列發生器IC可廉價提升多種現有制品例如供電條或膝上型計算機。
業界人士顯然易知此處揭示發明的效果是呈現一種定序供電給多個電氣負載的系統及方法。熟諳技藝人士鑒于此處說明顯然易知本發明的多種特征方面的進一步修改及替代具體實施例。此處所述例如電源輸出信道數目及順序，以及負載激活時間間隔的細節是供舉例說明特定具體實施例。
工業實用性本發明適用于多種工業應用，包括為電路供電。業界人士易知此處揭示發明是呈現一種定序供電給多個電氣負載的系統及方法。該系統可以作為從屬來接收致能信號，或者作為主控而產生致能信號，兩種方式都是用于消除同時為多個電路負載加電而產生的電涌。意圖如本發明權利要求范圍涵蓋全部修改及變化，如此本說明書及附圖僅供舉例說明之用而非限制性。
權利要求
1.一種連接多個負載至電源的方法，其特征在于該方法包含經由第一連接電路，以規定時間間隔接續連接各第一多數負載至電源，其中各時間間隔為一個時鐘周期的倍數；以及與連接多個負載的最末負載至電源同時，發送一個致能輸出信號給第二連接電路，用以連接第二多個負載至電源。
2.如權利要求1所述的方法，其中連接第一多個負載至電源被延遲至電源激活后一段載明的時間。
3.如權利要求1所述的方法，其中該第一連接電路可配置成唯有于接收來自第三連接電路的致能輸入信號時才連接第一多個負載至電源。
4.如權利要求1所述的方法，其中負載包含可由電源操作的裝置或系統。
5.一種連接多個負載至電源的系統，其特征在于該系統包含時序信號源；配送網絡，適合接收時序信號，以及配送多個漸進延遲的時序信號版本；多個可控制式電源開關組件，各個組件可由多個延遲時序信號之一激活；以及控制環路，適合于全部可控制式電源開關組件皆激活時產生致能輸出信號，以及進一步適合于接收致能輸入信號。
6.如權利要求5所述的系統，其中該控制環路可配置成主或從，以及其中若控制環路配置為從，則該控制環路適合抑制配送網絡操作直到接收致能輸入信號為止。
7.如權利要求5所述的系統其中該控制環路適合于電源初步激勵之后抑制配送網絡的操作經歷一段載明的時間。
8.如權利要求5所述的系統其中該配送網絡包含具有串聯輸入端及并聯輸出端的移位寄存器。
9.如權利要求5所述的系統其中該可控制式電源開關組件包含機電或固態繼電器。
10.如權利要求5所述的系統，其中該配送網絡包括可激勵電源開關組件的電流放大裝置。
全文摘要
本發明提供一種循序外加電源至多個負載的系統及方法。該系統可結合其它此種系統操作為從或主。當該系統操作為主時，一旦電源開啟則系統操作且開始循序外加電源至連接至其輸出信道的負載。當該系統操作為從時，該系統首先必須接收來自其所連接的主系統的致能輸入信號。主/從的指令可利用開關選擇；如此串聯連接單元可由單一主系統配置成為多個主系統無需變更布線，反之亦然。相信本新系統經由消除同時激活全部附接負載導致的激活電流涌浪，因而減少對各組件造成的應力而提供供電網絡可信度改進及成本降低的效果。
文檔編號H03K17/16GK1436328SQ01810950
公開日2003年8月13日 申請日期2001年3月9日 優先權日2000年6月14日
發明者R·S·杜雷 申請人:先進微裝置公司