[发明专利]具有温度和电流共享的开关模式电源

说明书

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。在并联系统中，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，该系统仍可以实现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系统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系统的可靠性，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系统可靠性。

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系统中电流不平衡和其他因素引起的热应力不平衡，公开了电源模块和系统，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)系统的示意框图；

图1(b)是具有多个源和单个负载的第二并联SMPS系统的示意框图；

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系统的示意框图；

图16是使用第一通信方法的并联SMPS系统的示意框图；

图17是使用第二通信方法的并联SMPS系统的示意框图。

具体实施方式