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TWI748525B - 提升均流調校精準度的電源供應裝置 - Google Patents

提升均流調校精準度的電源供應裝置 Download PDF

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TWI748525B TW109120556A TW109120556A TWI748525B TW I748525 B TWI748525 B TW I748525B TW 109120556 A TW109120556 A TW 109120556A TW 109120556 A TW109120556 A TW 109120556A TW I748525 B TWI748525 B TW I748525B
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Abstract

本發明提供一種提升均流調校精準度的電源供應裝置，包含一電源供應模組，用以產生一輸出電流；一電流取樣單元，偵測輸出電流並據以產生一取樣電壓；一補償電壓單元提供一補償電壓與該取樣電壓經加法作用輸入一電流鏡單元的第一端，電流鏡單元的第二端則電連接一比較器單元的正輸入端，且一分壓單元電連接於該電流取樣單元的一電壓輸出端及該比較器單元的正輸入端；本發明經由電壓補償取樣電壓以校正取樣電壓的誤差，再經由電流鏡方式將經校正取樣電壓映射至比較器單元以特定比例放大產生均流電壓，克服使用可變電阻或開關校正，或由數位訊號進行電流取樣產生之額外問題。

Description

提升均流調校精準度的電源供應裝置
一種電源供應裝置，尤指一種提升均流調校精準度的電源供應裝置。
目前市面上應用於高端伺服器之冗餘電源供應系統中的電源供應裝置，在多台電源供應裝置並聯供負載輸出時須能夠穩定的均流輸出。請參閱圖6所示，其中一種常用的均流技術為自動主僕式均流法（Automatic Mater Method），即令系統設置有一均流匯流排71及一負載輸出埠72，且多台電源供應裝置60分別設置有一額外的均流電壓輸出端VLSI，以在該均流匯流排71上分享代表該電源供應裝置60輸出電流的一輸出電流資訊。且負載輸出端72供連接一負載，提供穩定的均流輸出。進一步的，每一電源供應裝置60採用均流匯流排71上最大輸出電流的輸出電流資訊做為比較基準，使得各該電源供應裝置60根據該最大輸出電流資訊與本身的輸出電流資訊比較，決定是否須調整輸出電流。
其中，該輸出電流資訊係由電源供應裝置60內的一電流取樣單元61取樣電源供應模組62輸出的輸出電流以產生對應的取樣電壓，再通過內部放大一定比例至所需的電壓範圍產生的。然而，由電流取樣單元61取樣電壓至通過放大器放大之各個階段皆會出現誤差。例如，取樣電阻因其極低阻值的特性誤差約為0.5%~1%，放大器亦有75uV~1000uV的輸入偏移誤差，假設該放大器的放大倍率為481倍，則輸出誤差為36mV~481mV。綜上，造成該輸出電流資訊高達約6.9%之誤差。該誤差直接影響了各台電源供應裝置60的均流誤差度，也限制該電源供應系統可容許輸出的最大功率值。
目前修正輸出電流資訊的常見方法例如有：1.在放大器電路中增加可變電阻以人工進行放大倍率調校，缺點為人工調校之成本效率問題及可變電阻的可信度問題；2.使用雙極性接面電晶體（Bipolar Junction Transistor; BJT）或金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；MOSFET）作為可變電阻調整放大器的放大倍率，雖然不須人工調校，但BJT及MOSFET接容易受溫度變化影響，導致不同溫度下的額外誤差結果；3.取樣電路改為使用數位方式以脈寬調變訊號進行取樣電壓的輸入以克服類比電路之誤差問題，缺點為脈寬調變訊號由內部脈寬調變電路進行調變及穩壓，會產生相位延遲而無法即時反應電流變化。
綜上所述，現有的應用自動主僕式均流法的冗餘電源供應系統中用於調校電流取樣電壓之各種方式仍有效率及可信度、溫度影響誤差、相位延遲等問題，因此現有技術的冗餘電源供應裝置流技術仍需進一步改善。
有鑑於現有的並連輸出電源供應裝置之均流訊號容易因電流取樣之誤差導致均流輸出的不穩定或偏差而失去均流之目的，本發明提供一種提升均流調校精準度的電源供應裝置，包含： 一電源供應模組，電連接一負載輸出端並輸出一輸出電流； 一電流取樣單元，電連接該負載輸出端以偵測該輸出電流並據以產生一取樣電壓，該電流取樣單元並具有一取樣電壓輸出端以輸出該取樣電壓； 一比較器單元，具有一正輸入端、一負輸入端及一均流電壓輸出端，其中該正輸入端通過一分壓單元電連接該取樣電壓輸出端，該負輸入端通端透過一負回授單元電連接該均流電壓輸出端，且該均流電壓輸出端電連接一均流匯流排； 一電流鏡單元，具有一第一端及一第二端，該第一端電連接該取樣電壓輸出端，該第二端電連接該比較器單元的正輸入端； 一電壓補償單元，電連接該電流鏡單元的第一端並提供一補償電壓。
該電流取樣單元根據該電源供應裝置的輸出電流產生對應比例的取樣電壓，該取樣電壓與該補償電壓共同輸入至該電流鏡單元第一端以產生一校正取樣電壓。該校正取樣電壓進入該電流鏡單元的第一端的電流則等比例地映射至該電流鏡單元的第二端，也就是該比較器單元的正輸入端。而該負輸入端則經由該負回授單元電連接該均流電壓輸出端，使得該均流電壓輸出端輸出一根據該負回授即該校正取樣電壓經一定比例放大產生之均流電壓，該均流電壓則輸出至該均流匯流排，提供與其他電源供應裝置並聯輸出時做為輸出電流資訊的參考比較電壓。
通過在該電流鏡單元的第一端提供補償電壓的方式將經校正的取樣電壓以一定比例映射至比較器單元的正輸入端，該補償電壓在輸出較接近滿載時，使得校正取樣電壓極趨近對應輸出電流的取樣電壓的理想值，確保該電源供應裝置在高負載時的均流電壓準確；在輸出為低負載時，該補償電壓對該校正取樣電壓的補償作用較小，該校正取樣電壓趨近實際的取樣電壓，因此降低產生對取樣電壓直接補償一直流電壓，造成低負載時均流電壓產生偏移量之問題。
此外，由於電流鏡單元之特性，由該電流鏡單元的第二端流入的電流完全等同於該校正取樣電壓對於電流鏡單元第一端之阻抗產生之電流，該電流鏡單元的第一端及第二端之電流比例並不受溫度變化影響，因此即使溫度變化亦不會使得均流電壓相對輸出電流的準確度發生偏移。
綜上所述，本發明的提升均流調校精準度的電源供應裝置提供對輸出電流取樣電壓的一調校機制，同時克服了習知的多種取樣電壓調教機制之缺點，在該電源供應裝置高負載時提供符合電路誤差的電壓補償值，使得最後輸出的均流電壓準確反應實際輸出電流量，確保高負載時的輸出功率及效率。
請參閱圖1所示，本發明提升均流調校精準度的電源供應裝置包含一電源供應模組11、一電流取樣單元12、一比較器單元13、一電流鏡單元14及一電壓補償單元15。該電源供應模組11電連接一負載輸出端Vo以輸出一輸出電流，該負載輸出端Vo用於與另一或多個電源供應裝置並聯輸出。該電流取樣單元12電連接該負載輸出端Vo，偵測該輸出電流並據以產生一取樣電壓，且由一取樣電壓輸出端V IO輸出該取樣電壓。該比較器單元13具有一正輸入端+、一負輸入端-及一均流電壓輸出端VLSI，其中該正輸入端通過一分壓單元16電連接該取樣電壓輸出端，該負輸入端通過一負回授單元17電連接該均流電壓輸出端VLSI，該均流電壓輸出端VLSI用於電連接一均流匯流排20，該均流匯流排20係用於連接另一或多個電源供應裝置的均流電壓輸出端VLSI。
本實施例中，該分壓單元16包含一第一電阻R1及一第二電阻R2，該第一電阻R1電連接於該取樣電壓輸出端V IO及該比較器單元13的正輸入端+之間，該第二電阻R2電連接於該比較器單元13的正輸入端+及一接地端之間。該比較器單元13通過負回授控制輸出該均流電壓，該負回授單元17包含一第三電阻R3及一第四電阻R4，該第三電阻R3電連接於該比較器單元13的負輸入端及均流電壓輸出端VLSI之間，該第四電阻R4電連接於該比較器單元13的負輸入端-及接地端之間。
該電流鏡單元14具有一第一端N1及一第二端N2，該第一端N1電連接該取樣電壓輸出端V IO，該第二端N2電連接該比較器單元13的正輸入端+。該電壓補償單元15電連接該電流鏡單元14的第一端N1並提供一補償電壓。
請參閱圖2所示，其中，較佳的，該電壓補償單元15提供的補償電壓係由一脈寬調變訊號經濾波後形成之直流電壓。舉例而言，該電壓補償單元15包含有一脈寬調變輸入端PWM及一低通濾波器151。該脈寬調變輸入端PWM接收該脈寬調變訊號，並經由該低通濾波器151濾波產生該直流的補償電壓。因此，該補償電壓可經由控制該脈寬調變訊號的佔空比進行微調校正。該脈寬調變訊號可以是來自電源供應模組11的一數位訊號處理器，例如該電源供應模組11的一一次側控制器112或一二次側控制器113。
在本實施例中，該來自數位訊號處理器提供的脈寬調變訊號係用於提供經系統設計且初次校驗後設定為固定值的該補償電壓，並非用於提供偵測輸出電流量的時變訊號。即當該電源供應裝置在運作時，該脈寬調變訊號為的佔空比固定，不須依時變的輸出電流進行調整以反應電流量，因此不會產生相位延遲之問題，解決過去由脈寬調變訊號傳遞輸出電流資訊產生的電流量反應延遲問題。
再請參閱圖2所示，在本較佳實施例中，該比較器單元13包含一放大器op及一二極體D1，該二極體D1電連接於該放大器op的輸出端及該均流電壓輸出端VLSI之間。
請參閱圖2所示，在本較佳實施例中，該電流鏡單元14為一標準電流鏡單元14；除此以外。請參閱圖3所示，該電流鏡單元14可以是一威爾森電流鏡（Wilson Current Mirror）單元；也可以如圖4所示，該電流鏡單元14係一威德勒電流鏡（Widlar Current Mirror）單元。
請參閱圖5係本發明提升均流校正精準度的電源供應裝置的負載與均流電壓關係圖。其中，理想曲線為負載程度與該均流電壓成正比。舉例而言，該電源供應裝置的滿載輸出電流為8A(100%)，該均流電壓為4V；當所需輸出負載為4A(50%)時，該均流電壓應為2V，負載程度與均流電壓的關係如圖中曲線S1所示；在該電流取樣單元12及比較器單元13等電路有誤差之情形下，負載程度與均流電壓的關係產生一正偏移或一負偏移，例如圖中曲線S2、S3所示；而本發明的電源供應裝置的經校正補償的該均流電壓與負載關係如曲線S4、S5所示，在接近100%負載輸出時，該均流電壓趨近理想曲線，提供高負載時準確反應輸出電流的均流電壓，確保整體電源供應系統在高負載時極低誤差的均流調校。
再請參閱圖2所示，在本較佳實施例中，該電源供應模組11包含一電源轉換單元111、一一次側控制器112、一二次側控制器113。其中，該二次側控制器113電連接該比較器單元13的正輸出端+及該負輸入端-，以接收該正輸入端的取樣電壓及負輸入端的均流電壓。當比較器單元13的該負輸入端-的電壓高於該正輸入端+，該二次側控制器113偕同該一次側控制器112調控該電源供應模組11提高輸出電流。
該比較器單元13的正輸入端用於接收該經電流鏡單元14及電壓補償單元15校正後的校正取樣電壓，且經由負回授控制的比較器單元13產生該均流電壓。當該電源供應裝置與另一並聯輸出的電源供應裝置均供輸出時，該均流電壓輸出端VLSI共接於該均流匯流排20。當二電源供應裝置達到平衡均流輸出時，該比較器單元13的正輸入端+及負輸入端-之電壓趨近相等，即該均流匯流排20上二台電源供應裝置提供的均流電壓相等；當其中一台電源供應裝置的輸出電流高於另一台電源供應裝置的輸出電流，均流匯流排20上的均流電壓被該較高輸出電流的電源供應裝置之均流電壓拉高，較低輸出電流的電源供應裝置的該比較器單元13的負回授平衡被破壞，比較器單元13的負輸入端-的電壓高於該正輸入端+的校正取樣電壓，此時該二次側控制器113根據負輸入端-的電壓高於該正輸入端之情形，判斷該均流匯流排20上有另一台電源供應裝置之輸出電流高於自身之輸出電流，因此控制該電源供應模組11提高輸出電流，直到該比較器單元13再次達到負回授平衡，完成均流之目的。
以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
11:電源供應模組
111:電源轉換器
112:一次側控制器
113:二次側控制器
12:電流取樣單元
V IO:取樣電壓輸出端
13:比較器單元
+:正輸入端
-:負輸入端
op:放大器
D1:二極體
14:電流鏡單元
N1:第一端
N2:第二端
15:電壓補償單元
151:低通濾波器
PWM:脈寬調變輸入端
16:分壓單元
R1:第一電阻
R2:第二電阻
17:負回授單元
R3:第三電阻
R4:第四電阻
VLSI:均流電壓輸出端
20:均流匯流排
Vo:負載輸出端
50:電源供應裝置
51:電流取樣單元
52:電源供應模組
60:電源供應裝置
61:電流取樣單元
62:電源供應模組
71:均流匯流排
72:負載輸出埠
圖1係本發明提升均流調校精準度的電源供應裝置之電路方塊示意圖。 圖2係本發明提升均流調校精準度的電源供應裝置第一較佳實施例的電路方塊示意圖。 圖3係本發明提升均流調校精準度的電源供應裝置第二較佳實施例的電路方塊示意圖。 圖4係本發明提升均流調校精準度的電源供應裝置第三較佳實施例的電路方塊示意圖。 圖5係本發明提升均流調校精準度的電源供應裝置之負載與均流電壓關係圖。 圖6係習有並聯冗餘均流電源供應系統之電路方塊示意圖。
11:電源供應模組
12:電流取樣單元
VIO:取樣電壓輸出端
13:比較器單元
op:放大器
D1:二極體
14:電流鏡單元
N1:第一端
N2:第二端
15:電壓補償單元
16:分壓單元
R1:第一電阻
R2:第二電阻
17:負回授單元
R3:第三電阻
R4:第四電阻
VLSI:均流電壓輸出端
20:均流匯流排
Vo:負載輸出端

Claims (5)

  1. 一種提升均流調校精準度的電源供應裝置；包含：一電源供應模組，電連接一負載輸出端並輸出一輸出電流，包含一二次側控制器；一電流取樣單元，電連接該負載輸出端以偵測該輸出電流並據以產生一取樣電壓，該電流取樣單元並具有一取樣電壓輸出端以輸出該取樣電壓；一比較器單元，具有一正輸入端、一負輸入端、及一均流電壓輸出端，其中該正輸入端通過一分壓單元電連接該取樣電壓輸出端，該負輸入端透過一負回授單元電連接該均流電壓輸出端，且該均流電壓輸出端電連接一均流匯流排；其中，該電源供應模組的二次側控制器電連接該比較器單元的正輸入端及該負輸入端，且當該負輸入端的電壓高於該正輸入端，該二次側控制器調控該電源供應模組提高該輸出電流；一電流鏡單元，具有一第一端及一第二端，該第一端電連接該取樣電壓輸出端，該第二端電連接該比較器單元的正輸入端；一電壓補償單元，電連接該電流鏡單元的第一端並提供一補償電壓，包含：一脈寬調變輸入端，接收一脈寬調變訊號；一低通濾波器，電連接該脈寬調變輸入端，接收該脈寬調變訊號並對該脈寬調變訊號進行一低通濾波並產生該補償電壓。
  2. 如請求項1所述的提升均流調校精準度的電源供應裝置，其中該比較器單元包含：一放大器；一二極體，電連接於該放大器的一輸出端及該均流電壓輸出端之間。
  3. 如請求項1所述的提升均流調校精準度的電源供應裝置，其中該電流鏡單元係一威爾森電流鏡(Wilson Current Mirror)單元或一威德勒電流鏡(Widlar Current Mirror)單元。
  4. 如請求項1所述的提升均流調校精準度的電源供應裝置，其中該分壓單元包含：一第一電阻，電連接於該取樣電壓輸出端及該比較器單元的正輸入端之間；一第二電阻，電連接於該比較器單元的正輸入端及一接地端之間。
  5. 如請求項1所述的提升均流調校精準度的電源供應裝置，其中該負回授單元包含：一第三電阻，電連接於該比較器單元的負輸入端及均流電壓輸出端之間；一第四電阻，電連接於該比較器單元的負輸入端及一接地端之間。
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