專利名稱：用于對(duì)模塊式電源設(shè)備的多個(gè)自給自足的并獨(dú)立工作的電源模塊進(jìn)行負(fù)載均衡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)模塊式電源設(shè)備的多個(gè)自給自足并獨(dú)立工作的電源模塊進(jìn)行負(fù)載均衡的方法。
電源和電源設(shè)備的模塊式結(jié)構(gòu)對(duì)一系列應(yīng)用都具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。模塊化實(shí)現(xiàn)了由標(biāo)準(zhǔn)的部件構(gòu)成的電源設(shè)備的可變的配置。就此而言，該結(jié)構(gòu)還具有未來(lái)的可擴(kuò)展性，此點(diǎn)是十分有益的。采用模塊結(jié)構(gòu)的另一主要原因是，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)可以提高電源設(shè)備的可靠性。除信息技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一些應(yīng)用外，特別在電信領(lǐng)域內(nèi)對(duì)供電系統(tǒng)的可用度和可靠性要求很高。
為了通過(guò)對(duì)模塊式的電源設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最大的可靠性，必須將總輸出功率盡可能均勻地分配給參與的模塊。部件的故障概率與溫度間的指數(shù)關(guān)系構(gòu)成此要求的依據(jù)。在假定冷卻均勻的情況下，各電源模塊的溫度取決于其負(fù)載。
可以采用各種途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)各并聯(lián)的電源模塊的負(fù)載的均衡。在具有穩(wěn)壓輸出的電源中通常將負(fù)載均衡功能限定在并聯(lián)模塊的輸出電流的均衡上。根據(jù)通常起支配作用的損耗與電流的從屬關(guān)系，該限定就熱負(fù)載的均勻分配而言可實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)果。
已知以最低的布線和連接費(fèi)用通過(guò)被動(dòng)式電流補(bǔ)償可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的電源模塊間的電流補(bǔ)償。當(dāng)所有的并聯(lián)電源模塊具有一個(gè)確定的正向內(nèi)阻時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)被動(dòng)式電流補(bǔ)償。電流補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量取決于源電壓的同步和并聯(lián)電源模塊的內(nèi)阻的大小。在對(duì)各電源電壓設(shè)定的一定的容限范圍內(nèi)，內(nèi)阻越大，則輸出電流與技術(shù)平均值的偏差就越小。
當(dāng)然在負(fù)載波動(dòng)時(shí)，由于輸出電壓穩(wěn)定度的惡化對(duì)任意增大內(nèi)阻給定的極限范圍很窄。在實(shí)踐中電源電壓必要的窄容限，以及高的長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定度和溫度穩(wěn)定度都被證明是很棘手的問(wèn)題。這些問(wèn)題造成在實(shí)踐中僅能在很有限的范圍內(nèi)采用簡(jiǎn)易的被動(dòng)式電流補(bǔ)償方法。
在尤尼特魯?shù)录呻娐饭?Firma Unitrode Integrated Circuit)的應(yīng)用報(bào)告中，尤其是在“UC 3970負(fù)載均衡集成電路簡(jiǎn)易的并聯(lián)電源設(shè)計(jì)”一章中(“UC 3970 Load Share IC Simplifies Parallel Power Supply Design”)，第10-237至10-346頁(yè)，揭示了另外一種用于負(fù)載均衡的模擬方法。將一個(gè)特殊的電源模塊設(shè)計(jì)成主模塊。主模塊含有一個(gè)基準(zhǔn)電壓和輸出電壓的調(diào)節(jié)放大器。通過(guò)一條專用線路將調(diào)節(jié)放大器的調(diào)節(jié)參數(shù)傳送給所有的從模塊。從模塊含有一個(gè)電流調(diào)節(jié)器并將電流饋送給一共同的總節(jié)點(diǎn)，該電流與由主模塊傳送的調(diào)節(jié)參數(shù)成比例。這些從模塊的情況就象由主模塊控制的電源一樣。通過(guò)各自的電流調(diào)節(jié)器使并聯(lián)的電源模塊的輸出電流相等。
該方法的主要缺點(diǎn)是當(dāng)主模塊失效時(shí)缺少備份。在主模塊上的單獨(dú)一個(gè)故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電源設(shè)備失效。另一個(gè)缺點(diǎn)是，必須將一個(gè)較大帶寬的信號(hào)在電源設(shè)備中經(jīng)很長(zhǎng)的路徑與電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)連接。而要求實(shí)現(xiàn)大的帶寬與對(duì)信號(hào)的有效的濾波是矛盾的。
在本說(shuō)明書(shū)開(kāi)始時(shí)提及的應(yīng)用報(bào)告中公開(kāi)了另外一種模擬電流補(bǔ)償方法。該電流補(bǔ)償方法利用了在一共同的CSR(-電流均衡-)節(jié)點(diǎn)上形成的輸出電流平均值。采用該方法時(shí)，每個(gè)電源模塊測(cè)量自己的輸出電流并將一與電流成比例的電壓通過(guò)電阻加在該共同的CSR節(jié)點(diǎn)上。因此在CSR節(jié)點(diǎn)上的電壓體現(xiàn)了所有電源模塊的輸出電流的平均值。如果CSR節(jié)點(diǎn)的所有電阻上沒(méi)有電流流過(guò)，則所有電源模塊的輸出電流相等。由調(diào)節(jié)回路實(shí)施此補(bǔ)償功能，所述調(diào)節(jié)回路改變每個(gè)電源模塊的電壓額定值，使在CSR節(jié)點(diǎn)的電阻上的電壓為零。采用此方法在對(duì)各串聯(lián)的調(diào)節(jié)回路的同時(shí)非臨界設(shè)計(jì)的情況下可實(shí)現(xiàn)高精度的電流補(bǔ)償。如果考慮到起支配作用的大的熱時(shí)間常數(shù)，可把CSR節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)帶寬選擇得很小，則是非常有益的。
為避免由于故障或電源模塊斷開(kāi)造成的在CSR節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)的虛假，當(dāng)然為此要付出一定的代價(jià)，此點(diǎn)是不利的。為了可以將電流雙向CSR-電路分隔開(kāi)，通常需要一個(gè)由監(jiān)視邏輯控制的繼電器。另一問(wèn)題是，由于在局部擴(kuò)展的電源設(shè)備中基準(zhǔn)電平的偏移，因而可能會(huì)出現(xiàn)電流補(bǔ)償?shù)奶摷佟ＭǔＴ趯⒚舾械哪M信號(hào)用于控制目的時(shí)，會(huì)出現(xiàn)該問(wèn)題。
在電源設(shè)備中日益增多地采用數(shù)字負(fù)載均衡方法的兩個(gè)主要原因是一方面，用數(shù)字控制信號(hào)取代所有模擬控制信號(hào)具有許多優(yōu)點(diǎn)。就此點(diǎn)而言，光纜是特別有益的。光學(xué)傳輸保證了良好的抗干擾和抗ESD(靜電放電)脈沖的性能。電流分隔限制了在控制接口和電源模塊間的取決于負(fù)載的基準(zhǔn)電位偏移問(wèn)題的出現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)了防止短路的固有保護(hù)。
對(duì)數(shù)字負(fù)載均衡方法給予重視的另一主要原因在于，在電源中日益大量地采用微處理機(jī)用于控制。在這種微處理機(jī)控制的調(diào)節(jié)中具有用于輸出電壓的數(shù)字額定值產(chǎn)生裝置。如果這時(shí)采用模擬的電流補(bǔ)償方法，則將會(huì)增大對(duì)監(jiān)視和信號(hào)處理的投入費(fèi)用。通過(guò)采用符號(hào)微處理機(jī)要求的、純數(shù)字的電流補(bǔ)償信號(hào)的傳輸可以避免此附加的花費(fèi)。而且還可以把數(shù)字控制輸入設(shè)計(jì)得價(jià)格更合理、抗靜電放電(ESD-sicher)并且可以電磁兼容(EMV-gerecht)和防短路。
有兩種實(shí)用的對(duì)負(fù)載均衡信息進(jìn)行數(shù)字傳輸?shù)姆桨浮２捎猛交虍惒酱薪涌趯?duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸構(gòu)成一種解決方案。該方案雖然很靈活，但需要占用微處理機(jī)有限的資源。
對(duì)脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)的傳輸是不太復(fù)雜的。采用此方案是非常有益的，由微處理機(jī)產(chǎn)生和分析計(jì)算信號(hào)很簡(jiǎn)單并且保護(hù)資源。
除信號(hào)傳輸方式外，用于負(fù)載均衡的總線連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也起著重要的作用。在采用模擬負(fù)載均衡方法時(shí)可以相應(yīng)容易地實(shí)現(xiàn)所有連接在電流總線上的電源模塊的均衡和權(quán)利平等。但在采用數(shù)字電流補(bǔ)償方法時(shí)此點(diǎn)是不可能的。而是必須由一個(gè)主模塊對(duì)負(fù)載均衡進(jìn)行控制。
在對(duì)比文獻(xiàn)-整流技術(shù)太平洋私營(yíng)有限公司(Firma RECTIFIERTECHNOLOGIES PACIFIC PTY LTD)的產(chǎn)品樣本“RTCSU監(jiān)控單元”中公開(kāi)了一種采用固定控制單元進(jìn)行的數(shù)字電流補(bǔ)償。在采用這種數(shù)字電流補(bǔ)償方法時(shí)，控制單元(主模塊)通過(guò)一數(shù)字信道以定期的間隔詢問(wèn)所有電源單元的輸出電流的實(shí)際值。計(jì)算出平均值并作為輸出電流的新的額定值返送回所有連接的電源模塊(從模塊)。由于采用了一個(gè)必要的控制單元，因而該方法相應(yīng)較為昂貴。而且還有一點(diǎn)不利的是，在控制單元失效時(shí)電源設(shè)備將返回被動(dòng)式負(fù)載均衡方式。
在由Matthias-Eschle撰寫(xiě)的“適用于每種應(yīng)用的正確的總線系統(tǒng)”(Fuerjede Anwendung das richtige Bussystem)，刊載在德國(guó)“etz”雜志，1969年第21期，18至22頁(yè)中介紹了各種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。這些現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)首要的區(qū)別在于協(xié)議結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方式(拓?fù)?。這些現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)之一是CAN-(控制器區(qū)域網(wǎng))總線。這種CAN-總線以面向目標(biāo)的方式工作并且因而也可以作為多-主-結(jié)構(gòu)加以實(shí)現(xiàn)。采用多-主-系統(tǒng)的這種通信的優(yōu)點(diǎn)是，各個(gè)設(shè)備部分被設(shè)計(jì)成能自給自足并獨(dú)立工作，并且僅交換那些所有用戶都需要的數(shù)據(jù)。在一個(gè)多-主-系統(tǒng)中多個(gè)用戶可以同時(shí)提出總線要求。而且不是以通常的方式進(jìn)行尋址，而是發(fā)送優(yōu)先的信息。當(dāng)這時(shí)有多個(gè)也被稱做節(jié)點(diǎn)的CAN-用戶試圖使用總線時(shí)，則只有其信息具有最高優(yōu)先等級(jí)的某發(fā)送者有權(quán)發(fā)送。此點(diǎn)是在物理級(jí)采用所謂的無(wú)損逐位仲裁實(shí)現(xiàn)的。在此，最高的優(yōu)先等級(jí)具有最少的位數(shù)。該總線-存取方法被稱做CSMA/CA方法(避免沖突的載波檢測(cè)多址)。此方法賦予CAN-系統(tǒng)以多主能力并能實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立運(yùn)行的在需要時(shí)可相互交換數(shù)據(jù)的控制過(guò)程。
另一現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是按主-從-存取方法工作的互聯(lián)總線-S?？偩€主控是疊加的控制系統(tǒng)的接口?；ヂ?lián)總線-S的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是作為環(huán)狀實(shí)現(xiàn)的，其中所有用戶主動(dòng)參與數(shù)據(jù)通信。環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成一閉合的傳輸路徑。數(shù)據(jù)連續(xù)地由一個(gè)用戶發(fā)送給另一用戶。由于對(duì)每個(gè)總線站可明確地基于其在環(huán)中的物理位置進(jìn)行鑒別，因而在互聯(lián)總線-S中不需要對(duì)各用戶尋址。在這種結(jié)構(gòu)中不利的是當(dāng)一個(gè)用戶失效時(shí)，整個(gè)環(huán)系統(tǒng)將中斷。
所述的這些現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在很大程度上要采用昂貴的和復(fù)雜的協(xié)議進(jìn)行工作并且如果沒(méi)有廣泛的硬件支持是不能實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的目的在于，提出一種簡(jiǎn)單的用于在模塊式電源設(shè)備中進(jìn)行負(fù)載均衡的方法，所述方法采用數(shù)字方式傳輸負(fù)載均衡信息，而不必采用一固定的控制單元。
本發(fā)明的目的是通過(guò)權(quán)利要求1的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的對(duì)一模塊式電源設(shè)備的多個(gè)自給自足并獨(dú)立工作的電源模塊進(jìn)行負(fù)載均衡的方法，其特征在于，用于控制節(jié)點(diǎn)狀的總線的主-電源模塊是不確定的。采用此方法，平等權(quán)利的電源模塊角逐主模塊的角色。角逐的結(jié)果是，正好有一個(gè)電源模塊贏得主狀態(tài)，而其余的模塊保持在從狀態(tài)。一旦結(jié)束狀態(tài)分配，則主-電源模塊產(chǎn)生一負(fù)載信息信號(hào)并將此信號(hào)發(fā)送給從-電源模塊。對(duì)于該從-電源模塊，所接收的負(fù)載信息信號(hào)是用于一個(gè)負(fù)載均衡調(diào)節(jié)的額定值，該負(fù)載均衡調(diào)節(jié)根據(jù)所求出的負(fù)載不均衡分別改變其輸出電壓的額定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)求出的負(fù)載不均衡的調(diào)節(jié)。
在采用一種有益的方法時(shí)，每個(gè)主-電源模塊在由負(fù)載決定的時(shí)間后將向總線輸出的支配狀態(tài)撤回并在撤回后檢查，總線是否轉(zhuǎn)入退隱狀態(tài)。如果總線仍保持在支配狀態(tài)，則將把從狀態(tài)分配給進(jìn)行識(shí)別的主-電源模塊并結(jié)束仲裁過(guò)程。當(dāng)多個(gè)電源模塊較長(zhǎng)時(shí)間同步地并因而相互未察覺(jué)地?fù)碛兄鳡顟B(tài)，采用此方式解決了在對(duì)總線進(jìn)行存取時(shí)的沖突問(wèn)題。在此情況時(shí)，模塊式電源設(shè)備的具有最大負(fù)載的電源模塊獲得主狀態(tài)。
在采用另一有益的方法時(shí)，主-電源模塊在預(yù)定的時(shí)間后交出其主狀態(tài)并且在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)不再對(duì)總線進(jìn)行存取。因而使總線轉(zhuǎn)入退隱狀態(tài)并在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)保持在此狀態(tài)上。在此時(shí)段過(guò)后，模塊式電源設(shè)備的所有電源模塊將識(shí)別一個(gè)新的仲裁周期的開(kāi)始，所有的電源模塊將參與此仲裁周期并試圖贏得主狀態(tài)。因而每個(gè)電源模塊都有可能獲得主狀態(tài)。
在采用另一有益的方法時(shí)，在仲裁周期開(kāi)始時(shí)將為每個(gè)電源模塊分配一個(gè)等候時(shí)間，從而確定存取優(yōu)先等級(jí)。其中為一個(gè)無(wú)故障的從-電源模塊分配最高的優(yōu)先等級(jí)，為一個(gè)識(shí)別出故障條件的從-電源模塊分配中優(yōu)先等級(jí)并為一主-電源模塊分配最低的優(yōu)先等級(jí)。通過(guò)等候時(shí)間，在每個(gè)仲裁周期開(kāi)始時(shí)根據(jù)多個(gè)這樣的周期可鑒別出一有故障的電源模塊并將該電源模塊排除于負(fù)載均衡控制之外。
下面將按照示意性示出的模塊式電源設(shè)備的多個(gè)電源模塊的交聯(lián)的附圖，對(duì)本發(fā)明的作進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖1示出一個(gè)模塊式電源設(shè)備2，該電源設(shè)備具有多個(gè)自給自足的并獨(dú)立工作的電源模塊4、6和8。在采用本發(fā)明的方法時(shí)，電源模塊4、6和8的數(shù)量并不僅限于三個(gè)。這三個(gè)電源模塊4、6和8借助一個(gè)總線10相互連接在一起，其中該總線具有一個(gè)節(jié)點(diǎn)式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用該總線10實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的信息流的流動(dòng)。電源模塊4、6和8的結(jié)構(gòu)相同并配備有必要的總線-硬件，從而既可以以寫(xiě)入又可以以讀出方式實(shí)現(xiàn)對(duì)總線10的存取。通過(guò)采用下面還要加以說(shuō)明的用于負(fù)載均衡的本發(fā)明的方法，一個(gè)電源模塊4、6和8獲得分配給其的“主”狀態(tài)。具有“主”狀態(tài)的該電源模塊例如是電源模塊6，對(duì)總線10進(jìn)行控制，而此時(shí)剩余的模塊例如是電源模塊4和8保持在“從”狀態(tài)。從-電源模塊4和8讀取從主-電源模塊6中產(chǎn)生的負(fù)載信息-信號(hào)。
可以以各種物理方式實(shí)現(xiàn)此總線10。在此處例如可以考慮采用一個(gè)總線系統(tǒng)，該系統(tǒng)用導(dǎo)線連接或用光纜構(gòu)成。對(duì)隨機(jī)機(jī)理重要的一點(diǎn)是，總線10可以取兩個(gè)邏輯狀態(tài)，其中的一個(gè)邏輯狀態(tài)是支配而另一個(gè)是退隱。當(dāng)至少一個(gè)電源模塊4、6或8激活主狀態(tài)時(shí)，則總線10的狀態(tài)是支配。當(dāng)沒(méi)有一個(gè)電源模塊4、6或8輸出支配狀態(tài)時(shí)，總線10的狀態(tài)是退隱。就支配狀態(tài)而言，因此可實(shí)現(xiàn)連接或銜接。在開(kāi)始時(shí)所述文章的圖3中示出總線10的導(dǎo)線連接實(shí)現(xiàn)方案。當(dāng)圖3中所示開(kāi)關(guān)中的一個(gè)閉合時(shí)，總線10處于支配狀態(tài)。當(dāng)所有的開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)時(shí)，則工作(負(fù)載)-電阻使總線10處于退隱狀態(tài)。
固有的負(fù)載信息由具有狀態(tài)“主”的電源模塊6經(jīng)脈中寬度調(diào)制，在總線10上被傳遞。例如脈沖頻率為fp＝20Hz，從而使脈沖周期時(shí)間Tm＝50毫秒。脈沖占空因數(shù)d被定義為支配狀態(tài)的時(shí)間Td與脈寬調(diào)制的周期時(shí)間Tm的商。具有狀態(tài)“主”的電源模塊6用占空因數(shù)d對(duì)其相對(duì)輸出負(fù)載(負(fù)載的實(shí)際值與最大值的商)編碼，其中在負(fù)載的實(shí)際值與最大值之間存在一個(gè)線性關(guān)系。電源模塊4和8對(duì)發(fā)送的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。在該從-電源模塊4和8中分別有一調(diào)節(jié)回路起作用，該調(diào)節(jié)回路根據(jù)確定的負(fù)載不均衡改變某個(gè)輸出電壓的額定值，從而對(duì)該負(fù)載不均衡進(jìn)行調(diào)整。
就電源模塊的多用途組合而言，對(duì)交換的負(fù)載信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化是很有意義的。因此可以使不同輸出功率的電源模塊工作在一個(gè)共同的輸出上。
出于安全的考慮，電流補(bǔ)償調(diào)節(jié)器的輸出電壓可變化的調(diào)整范圍受到一定限制。只要一個(gè)失效的從-電源模塊4或8不能對(duì)主-電源模塊6的電源額定值隨動(dòng)，則判定為故障狀態(tài)。另一種判定故障的方案是通過(guò)限定脈沖占空因數(shù)d實(shí)現(xiàn)的。占空因數(shù)d在dmin和dmax之間變化，例如dmin＝5％，dmax＝95％。持續(xù)的處于支配狀態(tài)將被判為故障，而持續(xù)的處于退隱狀態(tài)將導(dǎo)致重新起動(dòng)仲裁。
本發(fā)明的用于對(duì)模塊式電源設(shè)備2的多個(gè)自給自足并獨(dú)立工作的電源模塊4、6和8進(jìn)行負(fù)載均衡的方法，可以分為三個(gè)階段。該方法的第一階段為起動(dòng)階段，在該階段每個(gè)電源模塊4、6和8將檢查總線10的狀態(tài)。如果該總線10在一預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，例如脈沖周期時(shí)間Tm內(nèi)處于退隱狀態(tài)，即在該時(shí)段內(nèi)沒(méi)有一個(gè)電源模塊4、6或8在總線10上進(jìn)行存取，則此時(shí)起動(dòng)本發(fā)明方法的第二階段。否則電源模塊4、6或8保持在其初始狀態(tài)并因而處于“從”狀態(tài)?？梢园训诙A段稱作仲裁階段(要求階段)。
在該仲裁階段開(kāi)始時(shí)，電源模塊4、6和8將檢查總線10處于那種狀態(tài)。只要在詢問(wèn)時(shí)刻總線10處于支配狀態(tài)，則相應(yīng)的電源模塊4、6或8被分配給“從”狀態(tài)。在圖中所示的模塊式電源設(shè)備2中，處于“從”狀態(tài)的電源模塊是電源模塊4和8。如果總線10處于退隱狀態(tài)，則對(duì)相應(yīng)的電源模塊4、6或8分配“主”狀態(tài)。在圖示實(shí)施例中，電源模塊6被分配“主”狀態(tài)。另外該主-電源模塊將總線10置于支配狀態(tài)。一旦“主”狀態(tài)被分配給電源模塊4、6或8，則開(kāi)始本發(fā)明方法的控制階段。
由于每個(gè)電源模塊的起動(dòng)和仲裁階段不是同步進(jìn)行的，因而可能會(huì)出現(xiàn)，多個(gè)電源模塊4、6和8中至少有兩個(gè)同時(shí)將總線10置于支配狀態(tài)的情況，這意味著，模塊式電源設(shè)備中有兩個(gè)電源模塊被分配有“主”狀態(tài)。為解決此存取-沖突，則要對(duì)主-電源模塊進(jìn)行另一檢查。
該另一檢查是控制階段的一個(gè)組成部分。為起始控制階段，由主-電源模塊將總線10置于支配狀態(tài)。根據(jù)其相對(duì)的初始負(fù)載，對(duì)占空因數(shù)d編碼，由此確定出支配狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間Td。在時(shí)間Td結(jié)束后，每個(gè)主-電源模塊又將總線10釋放。在該釋放后，每個(gè)主-電源模塊檢查，是否總線10又轉(zhuǎn)換成退隱狀態(tài)。只要總線10在釋放時(shí)刻仍保持在支配狀態(tài)，就存在沖突，即一個(gè)以上的電源模塊同時(shí)提出總線10要求。鑒于持續(xù)時(shí)間Td取決于負(fù)載，所以某個(gè)具有最大負(fù)載的主-電源模塊作為最后一個(gè)重新釋放總線10。所有其它的主-電源模塊根據(jù)其釋放確定出，總線10并未轉(zhuǎn)換成退隱狀態(tài)。所以這時(shí)分配給這些主-電源模塊的是“從”狀態(tài)。
在本發(fā)明方法的控制階段，主-電源模塊6發(fā)送一個(gè)負(fù)載均衡信號(hào)，由從-電源模塊4和8對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算。即每個(gè)從-電源模塊4及8將其負(fù)載實(shí)際值與由主-電源模塊6發(fā)送的負(fù)載額定值進(jìn)行比較。當(dāng)出現(xiàn)差時(shí)，則存在負(fù)載不均衡，該負(fù)載不均衡通過(guò)對(duì)該從-電源模塊4及8的輸出電壓的額定值的重調(diào)進(jìn)行調(diào)整。
在一典型的、采用模擬負(fù)載均衡方式工作的電源設(shè)備中，某單獨(dú)的電源模塊未識(shí)別出的故障常常也會(huì)導(dǎo)致負(fù)載均衡功能的故障。本發(fā)明的方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾負(fù)載均衡的電源模塊的選擇識(shí)別和斷開(kāi)。
在此所述的方法利用了用于負(fù)載均衡的總線10的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然是對(duì)稱的，但與模擬方法不同的是，存在有一個(gè)通過(guò)分配的主狀態(tài)可對(duì)負(fù)載均衡進(jìn)行控制的電源模塊。
由從-電源模塊4和8的角度也可以進(jìn)行方便的故障識(shí)別。在非穩(wěn)態(tài)過(guò)程隱滅后，用由主-電源模塊6要求的負(fù)載額定值與相應(yīng)的實(shí)際值進(jìn)行比較足以識(shí)別出故障狀態(tài)。由從-模塊確定出的偏差可以由多種原因造成。最簡(jiǎn)單的情況是在從-電源模塊4或8中存在有被制定為故障狀態(tài)的缺陷。較為復(fù)雜的情況是，在進(jìn)行控制的主-電源模塊6中出現(xiàn)一個(gè)故障并因而將錯(cuò)誤的額定值發(fā)送給所有的從-電源模塊4和8。例如有可能是，在主-電源模塊6的額定值給定中存在缺陷并因而其輸出負(fù)載取上限值或?yàn)榱恪Ｖ?電源模塊6本身并不能獨(dú)立識(shí)別出這類故障，這是因?yàn)樗⒉涣私鈴?電源模塊4和8的負(fù)載。
借助擴(kuò)展的仲裁階段可以避免由主-電源模塊6造成的對(duì)負(fù)載均衡的干擾。擴(kuò)展的仲裁階段的核心是對(duì)總線10的周期重復(fù)仲裁。在結(jié)束預(yù)定的時(shí)段Trearb后主-電源模塊6自動(dòng)交出其主狀態(tài)，并且在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)不再對(duì)總線10進(jìn)行存取。因而總線10轉(zhuǎn)入退隱狀態(tài)。也被稱做重復(fù)仲裁時(shí)間的預(yù)定時(shí)間Trearb的典型范圍為幾秒至幾分仲。
為對(duì)擴(kuò)展的仲裁階段進(jìn)行說(shuō)明，在附圖中示出多個(gè)重復(fù)仲裁周期，這些周期連續(xù)地用羅馬數(shù)字I至IV標(biāo)示。為便于理解，在圖中還加入了其它標(biāo)志。標(biāo)志
表示一個(gè)已識(shí)別出一個(gè)故障的電源模塊4或6或8。框內(nèi)的灰的底色表示電源模塊4或6或8的功能故障。
在仲裁周期I中分配給電源模塊6的是主狀態(tài)并且分別分配給電源模塊4和8的是從狀態(tài)。另外根據(jù)另一標(biāo)志可以看出在主-電源模塊6中出現(xiàn)一未識(shí)別出的故障并且兩個(gè)完好無(wú)損的從-電源模塊4和8識(shí)別出一個(gè)故障狀態(tài)，這是因?yàn)樗鼈儾荒芨S由主-電源模塊6預(yù)定的額定值。在持續(xù)時(shí)間Trearb結(jié)束后，主-電源模塊6收回總線的支配狀態(tài)。在總線10在預(yù)定的時(shí)間，例如脈沖周期時(shí)間Tm內(nèi)保持在退隱狀態(tài)后，所有的電源模塊4、6和8識(shí)別出一個(gè)新的仲裁周期II的開(kāi)始。每個(gè)電源模塊4、6和8都力求贏得主狀態(tài)。由于對(duì)故障的識(shí)別，這時(shí)對(duì)每個(gè)電源模塊4、6和8都設(shè)置一等候時(shí)間，其長(zhǎng)短由模塊4、6和8的實(shí)時(shí)狀態(tài)決定。對(duì)重復(fù)仲裁階段設(shè)有三種不同的等候時(shí)間tsm、tsfm和tmm。重復(fù)仲裁過(guò)程的優(yōu)先等級(jí)由等候時(shí)間的長(zhǎng)度以條件為tsm＜tsfm＜tmm的遞減順序確定。
在周期I狀態(tài)的基礎(chǔ)上并根據(jù)條件tsfm＜tmm，在結(jié)束等候時(shí)間tsfm后，兩個(gè)電源模塊4和8開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)仲裁。電源模塊4贏得該仲裁。在本發(fā)明方法的控制階段內(nèi)，有故障的電源模塊6具有從狀態(tài)，并識(shí)別出一故障。因此等候時(shí)間tsfm對(duì)有缺陷的電源模塊6是有效的。通過(guò)與完好無(wú)損的從-電源模塊8的較短的等候時(shí)間tsm的競(jìng)爭(zhēng)，有故障的電源模塊6不能再次贏得主狀態(tài)。在周期III中電源模塊4具有從狀態(tài)并且電源模塊8具有主狀態(tài)。從該周期開(kāi)始僅兩個(gè)電源模塊4和8競(jìng)爭(zhēng)主狀態(tài)。因此有故障的電源模塊6可以穩(wěn)定地發(fā)出故障狀態(tài)報(bào)警并被排除出負(fù)載均衡的控制。
只要系統(tǒng)中至少有兩個(gè)完好的電源模塊供使用，所述去耦機(jī)構(gòu)就可以一直可靠地工作。一個(gè)單獨(dú)工作的電源模塊則連續(xù)地在主狀態(tài)工作。當(dāng)總線10中斷時(shí)，將造成電源設(shè)備2被分成兩個(gè)分部分，每個(gè)分部分都具有一個(gè)自己的主模塊。當(dāng)總線10上的電平固定時(shí)(例如由于短路)，則負(fù)載均衡失效并且電源設(shè)備2返回到被動(dòng)式電流補(bǔ)償。
用于對(duì)模塊式電源設(shè)備2的多個(gè)電源模塊4、6和8進(jìn)行負(fù)載均衡的所述方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)-在總線10上僅傳輸兩種邏輯狀態(tài)(支配和退隱狀態(tài))。
-總線10宜用于由微處理機(jī)控制的供電電源?？梢杂蓸?biāo)準(zhǔn)的微處理機(jī)且不需要昂貴的硬件分析計(jì)算和產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。
-由于傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因而數(shù)字負(fù)載均衡調(diào)節(jié)抗干擾且耐在采用模擬方法時(shí)可能出現(xiàn)的基準(zhǔn)電位偏移的性能得到大大改善。
-采用簡(jiǎn)易的方法即可以將故障的電源模塊排除于負(fù)載均衡的影響之外。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)模塊式電源設(shè)備(2)的多個(gè)自給自足的并獨(dú)立工作的電源模塊(4、6、8)進(jìn)行負(fù)載均衡的方法，所述電源設(shè)備的電源模塊(4、6、8)利用一節(jié)點(diǎn)狀的總線拓?fù)湎嗷ソ宦?lián)在一起，所述方法的步驟如下a)每個(gè)電源模塊(4、6、8)對(duì)總線進(jìn)行檢查，使得當(dāng)在預(yù)定的時(shí)間(Tm)內(nèi)對(duì)總線(10)可存取時(shí)，起動(dòng)一仲裁程序，b)在開(kāi)始仲裁程序時(shí)，每個(gè)電源模塊(4、6、8)檢查，總線(10)是處于退隱狀態(tài)，還是處于支配狀態(tài)，c)當(dāng)總線(10)處于支配狀態(tài)時(shí)，則該電源模塊(4、6、8)保持在從狀態(tài)并結(jié)束仲裁程序，d)當(dāng)總線(10)處于退隱狀態(tài)時(shí)，則將主狀態(tài)分配給該電源模塊(4、6、8)，該電源模塊將總線(10)置于支配狀態(tài)并結(jié)束仲裁過(guò)程，e)主-電源模塊(4、6、8)產(chǎn)生一負(fù)載信息信號(hào)并將此信號(hào)發(fā)送出去并且f)每個(gè)從-電源模塊(4、6、8)對(duì)該接收的信號(hào)進(jìn)行分析，以便改變其輸出電壓的額定值，從而對(duì)求出的負(fù)載不均衡進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其具有如下步驟g)每個(gè)主-電源模塊(4、6、8)在由負(fù)載決定的持續(xù)時(shí)間(Td)后收回向總線(10)輸出的支配狀態(tài)，h)每個(gè)主-電源模塊(4、6、8)在收回輸出后檢查總線(10)是否已轉(zhuǎn)入退隱狀態(tài)，i)如果總線(10)保持在支配狀態(tài)，則將從狀態(tài)分配給進(jìn)行識(shí)別的主-電源模塊(4、6、8)并且不再對(duì)總線(10)進(jìn)行存取。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中主-電源模塊在預(yù)定的持續(xù)時(shí)間(Trearb)后交出其主狀態(tài)并且在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)不再對(duì)總線(10)存取。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在仲裁程序開(kāi)始時(shí)對(duì)每個(gè)電源模塊(4、6、8)分配一個(gè)等候時(shí)間(tsm、tstm、tmm)，從而確定存取優(yōu)先等級(jí)。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中對(duì)完好的從-電源模塊(4、8)分配最高的優(yōu)先等級(jí)，對(duì)有故障情況的從-電源模塊(6)分配中間優(yōu)先等級(jí)并且對(duì)主-電源模塊(4、6、8)分配最低的優(yōu)先等級(jí)。
6.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中確定占空因數(shù)(d)與脈沖周期的持續(xù)時(shí)間(Tm)的乘積作為由負(fù)裁決定的持續(xù)時(shí)間(Td)。
7.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中應(yīng)用總線隨意存取的預(yù)定時(shí)間至少與脈沖寬度調(diào)制的負(fù)載信息-信號(hào)的脈沖頻率(fe)成反比。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)模塊式電源設(shè)備(2)的多個(gè)自給自足并獨(dú)立工作的電源模塊(4、6、8)的負(fù)載均衡的方法,所述電源模塊利用節(jié)點(diǎn)狀的總線拓?fù)湎嗷ソ宦?lián)在一起。按照本發(fā)明,該方法被分為起動(dòng)－仲裁－和控制階段,其中利用起動(dòng)階段求出仲裁階段的開(kāi)始點(diǎn),在仲裁階段電源模塊(4、6、8)競(jìng)爭(zhēng)主狀態(tài)并且其中接著在控制階段求出的主－電源模塊(4、6、8)對(duì)負(fù)載均衡進(jìn)行控制,其中產(chǎn)生并發(fā)送一個(gè)脈沖寬度調(diào)制的負(fù)載均衡－信號(hào)并由從－電源模塊(4、6、8)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析。團(tuán)此獲得了一種用于對(duì)多個(gè)獨(dú)立的電源模塊(4、6、8)進(jìn)行數(shù)字負(fù)載均衡的簡(jiǎn)易方法,該方法抗干擾、耐用并且不需要昂貴的硬件支持。
文檔編號(hào)H02J1/10GK1243611SQ98801812
公開(kāi)日2000年2月2日 申請(qǐng)日期1998年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月7日
發(fā)明者吉多·雷茲, 卡爾－海因茨·林尼 申請(qǐng)人:西門子公司