TWI638501B - Redundant power supply system that extends the hold time after power failure - Google Patents

Abstract

一種可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，包含複數電源供應器與複數維持控制電路，該等電源供應器彼此並聯而供連接負載系統的輸入電容器，各電源供應器與該輸入電容器之間連接或閘防逆流元件，該等維持控制電路分別對應連接該等電源供應器的直流輸出側，各維持控制電路包含電感器、電子開關與控制器，電感器串聯於或閘防逆流元件，電子開關連接於電感器以及或閘防逆流元件的串聯節點與各電源供應器的直流輸出之間，控制器根據直流輸出側所輸出的直流電源大小，而控制電子開關導通與否，達到延長斷電後維持時間之目的。

Description

可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統

本創作是有關一種冗餘電源供應系統，特別是指可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統。

請參考圖7，其揭示典型冗餘電源供應系統的電路架構圖，其包含複數電源供應器30，眾所周知的，各該電源供應器30主要包含一交流/直流電源轉換電路、一功率因數校正電路與一直流/直流電源轉換電路，該交流/直流電源轉換電路具有一交流輸入側，以供從市電接收一交流電源，該直流/直流電源轉換電路具有一直流輸出側，該直流輸出側設有一輸出電容器C ₁。

通過該交流/直流電源轉換電路、該功率因數校正電路與該直流/直流電源轉換電路的協同運作，對該交流電源進行直流轉換與功率因數校正，以於該直流輸出側輸出一直流電源Vo。該等電源供應器30的直流輸出側彼此並聯而對外連接一負載系統40的輸入側。其中，各電源供應器30的直流輸出側與該負載系統40之間連接一或閘防逆流二極體(ORing diode)50，該或閘防逆流二極體50的陽極端連接各電源供應器30的直流輸出側，而陰極端連接該負載系統40。

典型冗餘電源供應系統是由該等電源供應器30係共同輸出直流電源Vo，直流電源Vo通過順偏的或閘防逆流二極體50而供應給該負載系統40的輸入側，同時對負載系統40之輸入側的輸入電容器C ₂儲能。在該等電源供應器的交流輸入側可正常接收交流電源的前提下，當任一電源供應器30發生故障而無法輸出直流電源Vo時，可由其它電源供應器30持續供電給該負載系統40，達到不斷電的效果。藉由所述或閘防逆流二極體50的設置，可將故障的電源供應器30隔離於其它正常的電源供應器30，以及避免故障電流進入每一個電源供應器30的直流輸出側。

或者，如前所述的該或閘防逆流二極體50可被一或閘防逆流電晶體(ORing MOS)(圖中未示)所取代，該或閘防逆流電晶體的汲極端與源極端分別連接各電源供應器30的直流輸出側與負載系統40，且所述汲極端與源極端之間具有一本體二極體，一控制器電連接該或閘防逆流電晶體的一控制端、汲極端與源極端，當該控制器判斷出該本體二極體為逆向偏壓時(源極端電壓大於汲極端電壓)，該控制器控制該或閘防逆流電晶體為開路狀態，即可將故障的電源供應器30隔離於其它正常的電源供應器30，以及避免故障電流進入每一個電源供應器30的直流輸出側。

當典型冗餘電源供應系統突然停止輸出直流電源時，例如突然關機或交流電源突然跳電，該負載系統40因為沒有接收直流電源Vo而執行一緊急處理程序(例如：資料備份或關機…等)，此時該負載系統40之輸入側的輸入電容器C ₂釋放儲能。隨著持續釋放儲能，該輸入電容器C ₂的端電壓逐漸降低，當該負載系統40檢測出該輸入電容器C ₂的端電壓低於一門檻電壓，該負載系統40係直接關閉。其中，從該負載系統40未接收直流電源Vo開始，至該輸入電容器C ₂的端電壓低於該門檻電壓的持續時間稱為一維持時間。顯然的，在該負載系統40關閉的當下，若該緊急處理程序尚未執行完畢，將造成負載系統40不正常關閉而導致不好的後果(例如：資料遺失)。

典型改善作法可在各該電源供應器30中選用具有更大容量的輸出電容器C ₁，讓該負載系統40的輸入電容器C ₂能於斷電後抽取輸出電容器C ₁的能量，延緩該輸入電容器C ₂的放電以延長該維持時間。然而，在每一個電源供應器30採用大電容量的輸出電容器C ₁不僅成本更高，其體積更為龐大，也導致典型冗餘電源供應系統整體機構設計的不便，且只是為了獲得短暫延長該維持時間的有限效果而採用大容量輸出電容器C ₁，恐不敷成本。

有鑒於此，本創作的主要目的是提供一種可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，以典型冗餘電源供應系統的電路架構為基礎，在不改用更大容量之輸出電容器的前提下，可有效延長所述維持時間。

本創作可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，供連接一負載系統的一輸入電容器，該冗餘電源供應系統包含： 複數電源供應器，其彼此並聯而供連接該輸入電容器，各該電源供應器的一直流輸出側與該輸入電容器之間連接至少一或閘防逆流元件，且該直流輸出側具有一輸出電容器； 複數維持控制電路，分別對應連接在該等電源供應器的直流輸出側與該負載系統之間，各該維持控制電路包含： 至少一電感器，串聯於該至少一或閘防逆流元件； 至少一電子開關，連接於該電感器與該至少一或閘防逆流元件的串聯節點與各該電源供應器的直流輸出側之間；以及 一控制器，連接各該電源供應器的直流輸出側與該至少一電子開關的一控制端，以判斷所述直流輸出側所輸出的直流電源是否低於一下限值，而控制該至少一電子開關導通與否。

根據本創作，當該等電源供應器正常運作時，於每一組電源供應器與維持控制電路中，該控制器可判斷出有直流電源的輸出，該控制器控制電子開關為開路狀態，此時，該電源供應器輸出的直流電源可傳送至該負載系統。當該等電源供應器突然停止運作時，該控制器可判斷出沒有直流電源的輸出，該控制器則控制該電子開關為間歇性導通狀態，由各電源供應器的輸出電容器與各電感器對該負載系統的輸入電容器釋放能量，使該輸入電容器的端電壓得以維持一段時間才遞減，或以更緩慢的速度遞減，進而延長該維持時間，舉例來說，本創作提供的維持時間可為典型冗餘電源供應系統所能提供維持時間的1.5倍以上，讓該負載系統有更充裕的時間以完成斷電後的緊急處理程序。

另一方面，和大容量的電容器相比，本創作的維持控制電路僅包含控制器、電感器、二極體或電晶體等電子零件，本創作維持控制電路所付出的成本更低，且體積更小，不會引起系統整體機構設計的不便，克服先前技術所述採用大容量電容器所衍生的問題。

請參考圖1，本創作可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統10供連接負載系統L的輸入電容器C _SYS，由該冗餘電源供應系統10輸出直流電源V _DC給該負載系統L。當該負載系統L檢測出該輸入電容器C _SYS的端電壓低於一門檻電壓，該負載系統L係直接關閉。其中，從該負載系統L未接收該直流電源V _DC開始，至該輸入電容器C _SYS的端電壓低於該門檻電壓的持續時間稱為一維持時間。

該冗餘電源供應系統10包含複數電源供應器11、對應連接各該電源供應器11的至少一或閘(ORing)防逆流元件12以及複數維持控制電路13。圖1所示實施例僅以兩個電源供應器11為例說明，但不以此為限。或者，本創作亦可由所述電源供應器11、或閘(ORing)防逆流元件12以及維持控制電路13所構成。

如圖1所示，該等電源供應器11彼此並聯而供連接該負載系統L的輸入電容器C _SYS，形成多對一(即：多個電源供應器11對一個負載系統L)的連接結構。其中，各該電源供應器11具有一直流輸出側，各該電源供應器11的直流輸出側通過所述或閘防逆流元件12而連接該負載系統L。舉例來說，各該電源供應器11主要包含一交流/直流電源轉換電路、一功率因數校正電路與一直流/直流電源轉換電路，該交流/直流電源轉換電路具有一交流輸入側，該交流輸入側從市電接收一交流電源，該直流/直流電源轉換電路具有該直流輸出側以輸出經轉換後的一直流電源V _DC，各該電源供應器11所輸出的直流電源V _DC通過所述或閘防逆流元件12而提供給負載系統L。該等維持控制電路13分別對應連接該等電源供應器11的直流輸出側，形成一對一(即：一個電源供應器11對一個維持控制電路13)的連接結構。

該等維持控制電路13分別對應連接在該等電源供應器11的直流輸出側與該負載系統L之間，請參考圖2至圖6所示的實施例，其僅以複數電源供應器11當中的任一個電源供應器11與對應的一個維持控制電路13為例說明，其中，各該電源供應器11的直流輸出側具有一電源端111與一接地端112，該電源端111與該接地端112之間設有一輸出電容器C _DC。各該維持控制電路13包含至少一電感器131、至少一電子開關132與一控制器133。

圖2所示的第一實施例中，各該維持控制電路13包含一電感器131、一電子開關132與一控制器133，且各該電源供應器11的直流輸出側連接一個或閘防逆流元件12。該電感器131串聯於該或閘防逆流元件12，其中，該電感器131的一端連接該電源端111，該或閘防逆流元件12連接該負載系統L的輸入電容器C _SYS，該電子開關132連接於該電感器131與該或閘防逆流元件12的串聯節點n與該接地端112之間。該電子開關132可為一電晶體而具有一第一端、一第二端與一控制端，例如該第一端可為汲極端(Drain)，該第二端可為源極端(Source)，該控制端可為閘極端(Gate)，該第一端連接該串聯節點n，該第二端連接該接地端112；該或閘防逆流元件12可為防逆流二極體(ORing diode)，其陽極端連接該電感器131的另一端，其陰極端連接該負載系統L的輸入電容器C _SYS。該控制器133連接該電源供應器11與該電子開關132的控制端，以根據所述直流輸出側是否輸出直流電源V _DC，而控制該電子開關132導通與否。

舉例來說，如圖2所示，該控制器133可連接該電源端111以偵測該直流電源V _DC的大小，當該控制器133判斷出該直流電源V _DC大於或等於一下限值，判斷有直流電源V _DC的輸出；反之，當該控制器133判斷出該直流電源V _DC低於該下限值，判斷無直流電源V _DC的輸出。或者，該控制器133也可進一步通過一光耦合器134(photo-coupler)連接到該電源供應器11的交流輸入側，以直接偵測是否有該交流電源V _AC的輸入，若無交流電源V _AC的輸入，當然不會有所述直流電源V _DC的輸出。

以下以一範例說明本創作第一實施例的電路動作，請參考圖1與圖2，當所有的電源供應器11正常運作時，該等電源供應器11同時輸出直流電源V _DC以提供給該負載系統L。於每一組電源供應器11與維持控制電路13中，當該控制器133判斷出有直流電源V _DC的輸出，該控制器133控制該電子開關132為開路狀態，此時，該直流電源V _DC通過該電感器131與該或閘防逆流元件12而達到該負載系統L，各該電源供應器11的輸出電容器C _DC以及該負載系統L的輸入電容器C _SYS根據該直流電源V _DC而儲能，該電感器131可濾除該直流電源V _DC的切換漣波(switching ripple)與高頻雜訊。

當所有的電源供應器11突然停止運作時，例如突然關機或交流電源V _AC突然跳電，所有的電源供應器11未輸出直流電源V _DC，該輸出電容器C _DC釋放儲能而導致其端電壓遞減，以致於每一組電源供應器11與維持控制電路13中，該控制器133判斷所述直流電源V _DC低於該下限值時，該控制器133則控制該電子開關132為間歇性導通狀態，例如該控制器133可輸出一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)信號給該電子開關132的控制端。請參考圖2，使各該電源供應器11的輸出電容器C _DC、該電感器131、該或閘防逆流元件12、該電子開關132與該控制器133形成一升壓電路(Boost converter)，升壓電路的工作原理已為公眾知悉，在此不加以詳述。

所以，和不具有升壓電路的典型冗餘電源供應系統相比，本創作是在當所有電源供應器11停止輸出直流電源V _DC時，該輸出電容器C _DC通過該升壓電路釋放儲能給該負載系統L的輸入電容器C _SYS，讓該輸入電容器C _SYS接收升壓後的電壓，故該輸入電容器C _SYS的端電壓得以維持一段時間才遞減，或以更緩慢的速度遞減，進而延長該維持時間，讓該負載系統L有更充裕的該維持時間以完成斷電後的緊急處理程序。

請參考圖3所示的第二實施例，於每一組電源供應器11與維持控制電路13中，各該電源供應器11通過複數或閘防逆流元件12連接該負載系統L，該維持控制電路13包含複數電感器131、複數電子開關132與一控制器133。該等電感器131分別串聯於該等或閘防逆流元件12，該等電子開關132分別連接於該等電感器131與該等或閘防逆流元件的串聯節點n與各該電源供應器11的直流輸出側之間。具體來說，各該電感器131的一端連接該電源端111，各該或閘防逆流元件12連接該負載系統L的輸入電容器C _SYS，各該電子開關132連接於各該電感器131與各該或閘防逆流元件12的串聯節點n與該接地端112之間，該控制器133連接該等電子開關132的控制端。所以，各該電源供應器11的輸出電容器C _DC、該等或閘防逆流元件12、該等電感器131、該等電子開關132與該控制器133可於交流電源斷電後形成複數升壓電路。

需說明的是，在圖3所示的第二實施例中，該控制器133進行升壓操作時，該控制器133可採相位延遲法，以平均分配該等電子開關132的導通相位差，例如當有m個電子開關132，則每兩電子開關132的相位差為 ，藉此，可使該輸出電容器C _DC釋放出的電流平均分配在各升壓電路，達到分流(current sharing)的效果，讓各升壓電路中的電感器131與或閘防逆流元件12所承受的電流較小，且對於電感器131的設計也更為簡單。

前述第一、第二實施例的或閘防逆流元件12是以防逆流二極體(ORing diode)為例，此外，該或閘防逆流元件12的另一實施例可為電晶體元件(ORing MOS)。舉例來說，請參考圖4，該或閘防逆流元件12具有一第一端、一第二端與一控制端，該第一端與第二端可分別為汲極端(Drain)或源極端(Source)，該控制端可為閘極端(Gate)，該控制端連接該控制器133的一輸出端，該閘防逆流元件12的第一端與第二端分別連接該控制器133的兩輸入端，以供該控制器133偵測第一端之端電壓Va與第二端之端電壓Vb；該第一端與該第二端之間具有本體二極體(body diode)121，該本體二極體121的陽極端朝向各該電源供應器11的直流輸出側，陰極端則朝向該負載系統L。具體來說，請參考圖4所示的實施例，該本體二極體121的陽極端連接該電感器131，其陰極端連接該負載系統L的輸入電容器C _SYS。

請參考圖4，當該控制器133判斷出有直流電源V _DC的輸出時，該控制器133係控制該電子開關132為開路狀態，且控制該或閘防逆流元件12為導通狀態，讓該直流電源V _DC傳送到該負載系統L。反之，當該控制器133判斷無直流電源V _DC的輸出時，該控制器133則控制該電子開關132與該或閘防逆流元件12為同步間歇性導通狀態，以使該電源供應器11的輸出電容器C _DC、該電感器131、該本體二極體121、該電子開關132與該控制器133形成升壓電路(Boost converter)。另一方面，當該控制器133判斷出該本體二極體121處在逆向偏壓時(即：Va＞Vb)，代表恐有故障電流通過，該控制器133係立刻控制該或閘防逆流元件12為開路狀態，以隔離該電供應器11，避免故障電流進入電源供應器11的直流輸入側。在本實施例中，和先前技術所述的或閘防逆流電晶體與控制器的技術相比，本實施例在硬體方面僅進一步設置電感器131與電子開關132等電子零件而已，故本實施例硬體成本低廉。

關於各該維持控制電路的其它可行實施例請參考圖5，於各該維持控制電路中，該電感器131的一端連接該輸入電容器C _SYS，該或閘防逆流元件12連接該電源供應器11的電源端111，該電子開關132連接於該電感器131與該或閘防逆流元件12的串聯節點n與該電源供應器11的接地端112之間。舉例來說，該或閘防逆流元件12可為二極體或電晶體的本體二極體(body diode)，其陽極端連接該電源端111，其陰極端連接所述電感器132。該電子開關132可為二極體或電晶體的本體二極體(body diode)，其陰極端與陽極端分別連接該串聯節點n與該接地端112。所以，該輸出電容器C _DC、該或閘防逆流元件12、該電感器132、該電子開關132與所述控制器(圖中未示)可於交流電源斷電後形成一降壓電路(Buck converter)，降壓電路的工作原理已為公眾知悉，在此不加以詳述。

於各該維持控制電路中，各該維持控制電路中可進一步包含一旁通開關，以圖6為例，但不以圖6所示的實施例為限，該旁通開關14連接在各該電源供應器11的電源端111與該負載系統L的輸入電容器C _SYS之間，使該旁通開關14與串聯的該或閘防逆流元件12及該電感器131形成並聯；所述控制器(圖中未示)連接該旁通開關14的一控制端。舉例來說，該旁通開關14可為一電晶體而具有一第一端、一第二端與一控制端，該第一端與該第二端可分別為汲極端(Drain)或源極端(Source)，該控制端可為閘極端(Gate)。

當該控制器判斷出該電源供應器11可輸出直流電源V _DC時，該控制器係導通該旁通開關14且控制該電子開關132為開路狀態，讓該電源供應器11輸出的直流電源可通過該旁通開關14而直接到達該負載系統L，因直流電源未通過該或閘防逆流元件12及該電感器131，故不造成損耗；反之，當該控制器判斷出該電源供應器11未輸出直流電源時，該控制器係控制該旁通開關14為開路狀態，並間歇性導通該電子開關132，以實施前述降壓電路，進而延長該維持時間。

綜上所述，本創作是以典型冗餘電源供應系統的電路架構為基礎，請參考圖2至圖6，對每一電源供應器11連接一維持控制電路13，由該維持控制電路13提供延長所述維持時間的功能，而維持控制電路13僅包含控制器、電感器、二極體或電晶體等電子零件，和大容量的電容器相比，本創作維持控制電路13所付出的成本更低，且體積更小，不會引起系統整體機構設計的不便，故本創作整體得以在設置成本與獲得功效取得平衡。

10‧‧‧冗餘電源供應系統

11‧‧‧電源供應器

111‧‧‧電源端

112‧‧‧接地端

12‧‧‧或閘防逆流元件

121‧‧‧本體二極體

13‧‧‧維持控制電路

131‧‧‧電感器

132‧‧‧電子開關

133‧‧‧控制器

134‧‧‧光耦合器

14‧‧‧旁通開關

30‧‧‧電源供應器

40‧‧‧負載系統

50‧‧‧或閘防逆流二極體

C_DC‧‧‧輸出電容器

V_DC‧‧‧直流電源

n‧‧‧串聯節點

L‧‧‧負載系統

C_SYS‧‧‧輸入電容器

C₁‧‧‧輸出電容器

C₂‧‧‧輸入電容器

Vo‧‧‧直流電源

圖1：本創作可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統的電路架構示意圖。 圖2：本創作之其中一電源供應器與對應的一維持控制電路的實施例電路示意圖(一)。 圖3：本創作之其中一電源供應器與對應的一維持控制電路的實施例電路示意圖(二)。 圖4：本創作之其中一電源供應器與對應的一維持控制電路的實施例電路示意圖(三)。 圖5：本創作之其中一電源供應器與對應的一維持控制電路的實施例電路示意圖(四)。 圖6：本創作之其中一電源供應器與對應的一維持控制電路的實施例電路示意圖(五)。 圖7：典型冗餘電源供應系統的電路架構示意圖。

Claims (11)

1. 一種可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，供連接一負載系統的一輸入電容器，該冗餘電源供應系統包含：複數電源供應器，其彼此並聯而供共同連接該輸入電容器，各該電源供應器的一直流輸出側與該輸入電容器之間連接至少一或閘防逆流元件，且該直流輸出側具有一輸出電容器；複數維持控制電路，各該維持控制電路連接在對應的一個該電源供應器的直流輸出側與該負載系統之間，各該維持控制電路包含：至少一電感器，串聯於該至少一或閘防逆流元件；至少一電子開關，連接於該電感器與該至少一或閘防逆流元件的串聯節點與各該電源供應器的直流輸出側之間；以及一控制器，連接各該電源供應器的直流輸出側與該至少一電子開關的一控制端，以判斷所述直流輸出側所輸出的直流電源是否低於一下限值，而控制該至少一電子開關導通與否；其中當該控制器判斷所述直流輸出側所輸出的直流電源未低於該下限值時，該控制器控制該至少一電子開關為開路狀態。
2. 如請求項1所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，連接在各該電源供應器的直流輸出側與該輸入電容器之間的該至少一或閘防逆流元件為單一或閘防逆流元件；於各該維持控制電路中，該至少一電感器為單一電感器，該至少一電子開關為單一電子開關。
3. 如請求項1所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，連接在各該電源供應器的直流輸出側與該輸入電容器之間的該至少一或閘防逆流元件包含複數或閘防逆流元件； 於各該維持控制電路中，該至少一電感器包含複數電感器，該等電感器分別串聯於該等或閘防逆流元件；該至少一電子開關包含複數電子開關，該等電子開關分別連接於該等電感器與該等或閘防逆流元件的串聯節點與各該電源供應器的直流輸出側之間。
4. 如請求項1至3中任一項所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，於各該電源供應器中，各該電源供應器的直流輸出側具有一電源端與一接地端，該輸出電容器連接在該電源端與該接地端之間；於各該維持控制電路中，所述電感器的一端連接該電源端，所述或閘防逆流元件連接該輸入電容器，所述電子開關連接於所述電感器與所述或閘防逆流元件的串聯節點與該接地端之間，使所述輸出電容器、所述或閘防逆流元件、所述電感器、所述電子開關與所述控制器形成一升壓電路。
5. 如請求項1至3中任一項所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，於各該電源供應器中，各該電源供應器的直流輸出側具有一電源端與一接地端，該輸出電容器連接在該電源端與該接地端之間；於各該維持控制電路中，所述電感器的一端連接該輸入電容器，所述或閘防逆流元件連接該電源端，所述電子開關連接於所述電感器與所述或閘防逆流元件的串聯節點與該接地端之間，使所述所述輸出電容器、或閘防逆流元件、所述電感器、所述電子開關與所述控制器形成一降壓電路。
6. 如請求項4所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，於各該電源供應器中，所述或閘防逆流元件為二極體，所述二極體的陽極端連接所述電感器，所述二極體的陰極端連接該輸入電容器。
7. 如請求項4所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，於各該電源供應器中，所述或閘防逆流元件為一電晶體元件，該電晶體元件的一 控制端連接該控制器，該電晶體元件具有一本體二極體，該本體二極體的陽極端連接所述電感器，該本體二極體的陰極端連接該輸入電容器。
8. 如請求項5所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，於各該維持控制電路中，進一步包含一旁通開關，該旁通開關連接在各該電源供應器的電源端與該輸入電容器之間，使該旁通開關與串聯的所述或閘防逆流元件及所述電感器形成並聯；該控制器連接該旁通開關的一控制端。
9. 如請求項5所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，於各該電源供應器中，所述或閘防逆流元件為二極體，所述二極體的陽極端連接該電源端，所述二極體的陰極端連接所述電感器。
10. 如請求項5所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，於各該電源供應器中，所述或閘防逆流元件為一電晶體元件，該電晶體元件的一控制端連接該控制器，該電晶體元件具有一本體二極體，該本體二極體的陽極端連接該電源端，該本體二極體的陰極端連接所述電感器。
11. 如請求項1所述可延長斷電後維持時間的冗餘電源供應系統，其中該些維持控制電路的數量為m個，且該些維持控制電路的電子開關的數量亦為m個，而每兩電子開關的導通相位差為360°/m。