提供不間斷電源的引入負(fù)載開關(guān)的容錯電源的制作方法
【專利摘要】一種容錯電源系統(tǒng)包括至少一個負(fù)載開關(guān)，當(dāng)負(fù)載開關(guān)接通時，利用主開關(guān)，將輸入電壓連接到負(fù)載開關(guān)電路的輸出節(jié)點，以及至少一個電源通道，耦合到負(fù)載開關(guān)上，以接收輸入電壓。將電源通道配置成降壓轉(zhuǎn)換器，包括至少一個高端電源開關(guān)和一個低端電源開關(guān)。容錯電源系統(tǒng)用于測量流經(jīng)負(fù)載開關(guān)電路主開關(guān)的電流，以確定流經(jīng)負(fù)載開關(guān)電路主開關(guān)的電流已超過電流限制閾值，并且根據(jù)流經(jīng)主開關(guān)的電流已超過電流限制閾值的確定結(jié)果，禁用負(fù)載開關(guān)電路主開關(guān)和電源通道的低端電源開關(guān)。
【專利說明】提供不間斷電源的引入負(fù)載開關(guān)的容錯電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及電源管理系統(tǒng)，更確切地說，是設(shè)計一種能夠提供不間斷電源供 應(yīng)的并還引入了負(fù)載開關(guān)的容錯電源。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 許多電子系統(tǒng)，例如服務(wù)器或微服務(wù)器，都需要可靠的不間斷電源。在提供不間斷 電源的電源系統(tǒng)中，備用或冗余電源與主電源總線并聯(lián)安裝。圖1表示一種傳統(tǒng)的電源系 統(tǒng)，其中冗余電源與主電源線并聯(lián)耦合。參見圖1，電源系統(tǒng)1包括主電源線2和冗余電源 3。 通常利用"或（OR'ing)"的方法，并聯(lián)安裝冗余電源3,表示為或電路（OR'ing circuit) 4。 備用冗余電源3在大多數(shù)情況下，都是保持休眠和待機狀態(tài)，只有當(dāng)作為干線的主電源 線2發(fā)生計劃外停機或進(jìn)行維修服務(wù)時，備用冗余電源3才開始工作。冗余電源3的作用 是當(dāng)主電源線2發(fā)生故障時，冗余電源3立即接通，從而為終端用戶提供不間斷操作或服 務(wù)。一般來說，冗余電源3可以標(biāo)記或通知系統(tǒng)它已被使用，從而可以在更方便地維護(hù)或服 務(wù)作為干線的主電源線2。
[0004] 利用傳統(tǒng)的二極管方法，可以通過或?qū)⑷哂嚯娫床⒙?lián)安裝到干線上，當(dāng)沒有任何 故障時，提供阻斷機制。然而，發(fā)生故障時，尤其是當(dāng)電源系統(tǒng)在高電流水平時，例如電信設(shè) 備中的微服務(wù)器和其他硬件中常用的電流水平(遠(yuǎn)高于80A)，整個二極管的壓降會導(dǎo)致極 大的功率損耗。
[0005] 利用M0SFET開關(guān)，只需很低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻，就能完成冗余電源的或。使用或電 路的M0SFET開關(guān)，需要精確的時間和程序管理的很好的控制和檢測電路。M0SFET的或體系 具有較低的功率損耗，并且在發(fā)生"備份"情況時可提高效率，但是在萬一發(fā)生次要(冗余） 線的輸入電壓失敗和降低時，由于M0SFET開關(guān)允許雙向傳導(dǎo)，會產(chǎn)生反向電流，這是不利 的。雖然M0SFET開關(guān)與背靠背體二極管串聯(lián)是防止發(fā)生反向電流的一種可選方案，但這需 要定時電路精確的排序。
[0006] 除了消耗成品電路板的空間，主要處于非活動狀態(tài)的冗余系統(tǒng)的成本和空間之 夕卜，冗余電源和或電路還增加了系統(tǒng)成本。數(shù)據(jù)中心和電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的目標(biāo)是較低的 服務(wù)器配置文件、更緊湊的機架空間、較高的功率密度設(shè)計和較低的成本。要求包含冗余 線，會增加電源系統(tǒng)的復(fù)雜性，作為用于故障檢測電路的智能控制器，用于限流的電流檢測 能力、反向電流探測器，形成用于精確計時的家政電路之前斷路，及其他上述電路配件需要 引入到冗余電源系統(tǒng)中。冗余電源的復(fù)雜性增加了系統(tǒng)成本，占用了寶貴的PC板成品電路 板空間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在本發(fā)明的一種容錯電源系統(tǒng)中，其中，該電源系統(tǒng)接收輸入電壓，在輸出電壓節(jié) 點上產(chǎn)生輸出電壓，該電源系統(tǒng)包括：一個或多個負(fù)載開關(guān)電路，每個負(fù)載開關(guān)電路都有一 個耦合到輸入電壓的主開關(guān)輸入節(jié)點和一個主開關(guān)輸出節(jié)點，當(dāng)負(fù)載開關(guān)電路接通時，負(fù) 載開關(guān)電路在主開關(guān)輸出節(jié)點提供輸入電壓，當(dāng)負(fù)載開關(guān)電路斷開時，負(fù)載開關(guān)電路使輸 入電壓斷開與主開關(guān)輸出節(jié)點的連接；以及多個電源通道，每個電源通道都有一個耦合到 一個負(fù)載開關(guān)電路的輸出節(jié)點上的輸入端，以及一個耦合到電源系統(tǒng)的輸出電壓節(jié)點上的 輸出端，每個電源系統(tǒng)都包括一個驅(qū)動電路、一個高端電源開關(guān)和一個與高端電源開關(guān)串 聯(lián)的低端電源開關(guān)，以及一個輸出電感器，電源通道和輸出電容器連接在輸出電壓節(jié)點和 地電壓之間，構(gòu)成一個降壓轉(zhuǎn)換器，其中一個或多個負(fù)載開關(guān)電路的每個負(fù)載開關(guān)電路還 包括一個電流檢測電路，以測量主開關(guān)中的電流，配置電流檢測電路的目的是，當(dāng)主開關(guān)中 的電流具有超過電流限制閾值的峰值電流時，產(chǎn)生具有第一態(tài)的第一輸出信號，耦合第一 輸出信號，根據(jù)具有第一態(tài)的第一輸出信號，斷開主開關(guān)，第一輸出信號還f禹合到與負(fù)載開 關(guān)電路相關(guān)的電源通道的驅(qū)動電路上，根據(jù)具有第一態(tài)的第一輸出信號，使低端電源開關(guān) 斷開。
[0008] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，一個或多個負(fù)載開關(guān)電路中的每個負(fù)載開關(guān)電路都 有一個主開關(guān)輸出節(jié)點，耦合到一個或多個電源通道的輸入端。
[0009] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，在每個負(fù)載開關(guān)電路中都配置電流檢測電路，測量主 開關(guān)輸出節(jié)點處的電流，作為主開關(guān)中的電流。
[0010] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，在每個負(fù)載開關(guān)電路中都配置電流檢測電路，測量主 開關(guān)輸入節(jié)點和主開關(guān)輸出節(jié)點處的電流，作為主開關(guān)中的電流。
[0011] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，每個負(fù)載開關(guān)電路還包括：一個主開關(guān)，具有耦合到 輸入電壓的主開關(guān)輸入節(jié)點，和具有主開關(guān)輸出節(jié)點和一個控制端；以及一個開關(guān)斷開電 路，用于接收第一輸出信號，驅(qū)動主開關(guān)的控制端，開關(guān)斷開電路用于根據(jù)具有第一態(tài)的第 一輸出信號，斷開主開關(guān)。
[0012] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，開關(guān)斷開電路包括一個驅(qū)動器，可以在避免對電源系 統(tǒng)造成損壞的時間內(nèi)斷開主開關(guān)。
[0013] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，開關(guān)斷開電路包括一個驅(qū)動器，可以在納秒級的時間 內(nèi)，斷開主開關(guān)。
[0014] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，主開關(guān)包括一個第一 NM0S晶體管，其漏極端作為主 開關(guān)輸入節(jié)點，源極端作為主開關(guān)輸出節(jié)點，柵極端作為控制端，該負(fù)載開關(guān)電路還包括： 一個電荷泵浦電路，用于當(dāng)?shù)谝籒M0S晶體管接通時，將第一 NM0S晶體管的柵極端驅(qū)動到高 于第一 NM0S晶體管的漏極和源極端處的電壓值。
[0015] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，開關(guān)斷開電路的驅(qū)動器包括一個第二NM0S晶體管， 用于拉低主開關(guān)的控制端，根據(jù)具有第一態(tài)的第一輸出信號，斷開主開關(guān)。
[0016] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，輸出電容器包括一個耦合到輸出電壓節(jié)點的一個單 獨的輸出電容器。
[0017] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，每個負(fù)載開關(guān)電路中的電流檢測電路包括：一個耦合 到主開關(guān)上的電流傳感放大器，用于測量流經(jīng)主開關(guān)輸入節(jié)點和主開關(guān)輸出節(jié)點的電流， 電路傳感放大器用于產(chǎn)生輸出信號，輸出信號表示測得的電流值，以及一個比較器，用于比 較電流傳感放大器的輸出信號與電流限制閾值，根據(jù)電流傳感放大器的輸出信號超過電流 限制閾值時，比較器產(chǎn)生具有第一態(tài)的第一輸出信號。
[0018] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，第一輸出信號包括一個高有源信號，第一態(tài)包括一個 邏輯高態(tài)，每個負(fù)載開關(guān)電路還包括：一個漏極開路的NM0S晶體管，其柵極端耦合到第一 輸出信號，源極端耦合到地電壓，漏極端提供第二輸出信號，第二輸出信號耦合到與負(fù)載開 關(guān)電路關(guān)聯(lián)的驅(qū)動電路上，根據(jù)具有第一態(tài)的第一輸出信號，至少斷開低端電源開關(guān)。
[0019] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，第一輸出信號耦合到與負(fù)載開關(guān)電路有關(guān)的電源通 道的驅(qū)動電路上，根據(jù)具有第一態(tài)的第一輸出信號，斷開高端電源開關(guān)和低端電源開關(guān)。
[0020] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，高端電源開關(guān)和低端電源開關(guān)包括M0S晶體管。
[0021] 上述的容錯電源系統(tǒng)，其中，還包括：一個多相位控制器，用于為多個電源通道產(chǎn) 生控制信號，控制電源通道的循環(huán)周期。
[0022] 在本發(fā)明提供的一種電源系統(tǒng)中的方法中，如在系統(tǒng)中提供不間斷電源的方法， 其中，電源系統(tǒng)接收輸入電壓，并且在輸出電壓節(jié)點上產(chǎn)生輸出電壓，電源系統(tǒng)包括至少一 個負(fù)載開關(guān)電路，用于當(dāng)負(fù)載開關(guān)電路接通時，通過一個主開關(guān)將輸入電壓連接到負(fù)載開 關(guān)電路的輸出節(jié)點，并且至少一個電源通道耦合到負(fù)載開關(guān)電路，以接收輸入電壓，將電源 通道配置成降壓轉(zhuǎn)換器，并且包括至少一個高端電源開關(guān)和一個低端電源開關(guān)，該方法包 括：測量流經(jīng)負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)的電流；確定流經(jīng)負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)的電流已經(jīng) 超過了電流限制閾值；并且根據(jù)確定結(jié)果，禁用負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)以及電源通道的低 端電源開關(guān)。
[0023] 上述的方法，其中，禁用負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)包括：根據(jù)確定結(jié)果，斷開主開關(guān)， 使輸入電壓斷開與負(fù)載開關(guān)電路的輸出節(jié)點的連接。
[0024] 上述的方法，其中，根據(jù)確定結(jié)果斷開主開關(guān)包括：根據(jù)確定結(jié)果，在避免對電源 系統(tǒng)造成損壞的時間內(nèi)斷開主開關(guān)。
[0025] 上述的方法，其中，根據(jù)確定結(jié)果斷開主開關(guān)包括：根據(jù)確定結(jié)果，在納秒級的時 間內(nèi)斷開主開關(guān)。
[0026]附圖的簡要i兌明
[0027] 以下的詳細(xì)說明及附圖提出了本發(fā)明的各個實施例。
[0028] 圖1表示一種傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)，其中冗余電源并聯(lián)耦合到主電源線上。
[0029] 圖2表示一種傳統(tǒng)的主電源線示意圖。
[0030] 圖3表示在本發(fā)明的實施例中，容錯電源系統(tǒng)的示意圖。
[0031] 圖4表示在本發(fā)明的實施例中，耦合到一對電源通道上的智能負(fù)載開關(guān)電路的詳 細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖5表示在本發(fā)明的實施例中，耦合到一對電源通道上的智能負(fù)載開關(guān)電路的電 路結(jié)構(gòu)不意圖。
[0033] 圖6表示在本發(fā)明的一個示例中，耦合到一對電源通道上的智能負(fù)載開關(guān)電路的 時序圖。
[0034] 圖7表不在本發(fā)明的實施例中，一種快速起效的負(fù)載開關(guān)的不意圖。
[0035] 詳細(xì)說明
[0036] 本發(fā)明可以以各種方式實現(xiàn)，包括作為一個工藝；一種裝置；一個系統(tǒng)；和/或一 種物質(zhì)合成物。在本說明書中，這些實現(xiàn)方式或本發(fā)明可能采用的任意一種其他方式，都可 以稱為技術(shù)。一般來說，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)變換所述工藝步驟的順序。
[0037] 本發(fā)明的一個或多個實施例的詳細(xì)說明以及附圖解釋了本發(fā)明的原理。雖然，本 發(fā)明與這些實施例一起提出，但是本發(fā)明的范圍并不局限于任何實施例。本發(fā)明的范圍僅 由權(quán)利要求書限定，本發(fā)明包含多種可選方案、修正以及等效方案。在以下說明中，所提出 的各種具體細(xì)節(jié)用于全面理解本發(fā)明。這些細(xì)節(jié)用于解釋說明，無需這些詳細(xì)細(xì)節(jié)中的部 分細(xì)節(jié)或全部細(xì)節(jié)，依據(jù)權(quán)利要求書，就可以實現(xiàn)本發(fā)明。為了簡便，本發(fā)明相關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】 中眾所周知的技術(shù)材料并沒有詳細(xì)說明，以免對本發(fā)明產(chǎn)生不必要的混淆。
[0038] 在本發(fā)明的實施例中，容錯電源系統(tǒng)引入了一個帶有電流檢測的智能負(fù)載開關(guān)電 路，以檢測有問題的電源通道，并斷開它與電源系統(tǒng)的連接，使電源系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，為 輸出端提供不間斷電源。在某些實施例中，智能負(fù)載開關(guān)電路用于在負(fù)載開關(guān)處檢測大電 流浪涌，當(dāng)電流超過檢測的指定閾值時，斷開負(fù)載開關(guān)，使輸入電壓源不再對有問題的電源 通道供電。同時，電源系統(tǒng)剩余的電源通道繼續(xù)運行，產(chǎn)生輸出電壓。電源系統(tǒng)的多相位控 制器監(jiān)控輸出電壓，利用剩余的功能性電源通道，調(diào)節(jié)其電源操作。
[0039] 圖2表示一種傳統(tǒng)的主電源線示意圖。參見圖2,主電源線10接收輸入直流電壓 VIN (節(jié)點11)，并產(chǎn)生輸出電壓￥_ (節(jié)點22)。主電源線10通常含有多個電源通道(通道1 至通道N)。電源通道在不同的相位工作，由多相位脈沖寬度調(diào)制（PWM)控制器12控制。每 個電源通道都包括一個控制電路14,接收來自控制器12的PWM控制信號。每個電源通道還 包括驅(qū)動電路18,驅(qū)動一對M0S開關(guān)S1和S2,作為高端開關(guān)和低端開關(guān)?？刂齐娐?4產(chǎn) 生用于驅(qū)動電路18的柵極驅(qū)動信號，驅(qū)動M0S開關(guān)S1和S2。開關(guān)S1和S2之間的公共節(jié) 點15耦合到電感器L1上。全部電源通道的電感器的輸出節(jié)點（節(jié)點22)都接合在一起，并 耦合到輸出電容器。上，產(chǎn)生輸出電壓V TOT。電源通道作為降壓轉(zhuǎn)換器。我們已知降壓轉(zhuǎn) 換器工作，在節(jié)點15處產(chǎn)生開關(guān)信號，可以推廣至以下內(nèi)容。降壓轉(zhuǎn)換器包括一對電源開 關(guān)S1和S2,接通和斷開電源開關(guān)S1和S2,產(chǎn)生等于參考電壓的輸出電壓。更確切地說，還 可選擇接通和斷開電源開關(guān)，在公共節(jié)點（也稱為開關(guān)輸出節(jié)點）處產(chǎn)生開關(guān)輸出電壓。開 關(guān)輸出節(jié)點f禹合到LC濾波電路上，LC濾波電路包括一個輸出電感器和輸出電容器，產(chǎn)生相 同幅值的輸出電壓。然后，利用輸出電壓驅(qū)動負(fù)載。
[0040] 確切地說，接通高端電源開關(guān)，將電源加載到輸出濾波電路的輸出電感器上，使流 經(jīng)電感器的電流增大。當(dāng)斷開高端電源開關(guān)時，電感器上的電壓反轉(zhuǎn)，此時流經(jīng)電感器的電 流降低。因此，電感器電流在額定輸出電流以上和以下脈動起伏。通過輸出電容器維持相 對穩(wěn)定的輸出電壓。接通和斷開低端電源開關(guān)，進(jìn)行同步控制操作。
[0041] 主電源線10的公共故障模式是高端電源開關(guān)S1的短路條件。然而，當(dāng)一個電源 通道中只有一個電源開關(guān)禁用時，整個主電源線都降低，冗余電源將上線提供電源，直到可 以進(jìn)行主電源線修復(fù)時為止。
[0042] 在本發(fā)明的實施例中，容錯電源系統(tǒng)提供不間斷的連續(xù)電流，無需冗余或備用電 源系統(tǒng)。當(dāng)省去冗余電源系統(tǒng)時，或電路及相關(guān)的控制電路也可以省去。因此，本發(fā)明所述 的冗余電源系統(tǒng)可用于提供不間斷電源，同時降低了系統(tǒng)成本，減少了所占面積。重要的 是，大多數(shù)情況下，冗余電源都處于休眠狀態(tài)，容錯電源系統(tǒng)消除了這種低效率情況。
[0043] 圖3表示在本發(fā)明的實施例中，一種容錯電源系統(tǒng)的示意圖。參見圖3,在本說明 中，當(dāng)主電源線接收輸入電壓V IN (節(jié)點51)并提供輸出電壓VTOT (節(jié)點62)時，可使用容錯 電源系統(tǒng)50("電源系統(tǒng)50")。輸入電壓VIN可通過輸入電容器C IN濾波，CIN連接在節(jié)點51 和接地端GND間。在輸入電壓節(jié)點處使用輸入電容器C IN是可選的，在本發(fā)明的其他實施例 中可以省略。容錯電源系統(tǒng)50包括N個電源通道，每個電源通道都配置成降壓轉(zhuǎn)換器，含 有一個驅(qū)動電路，驅(qū)動高端電源開關(guān)和低端電源開關(guān)。在本實施例中，高端和低端電源開關(guān) 都利用MOS晶體管配置，有時也稱為"高端MOS開關(guān)"或"低端MOS開關(guān)"。在本說明中，驅(qū) 動高端MOS開關(guān)和低端MOS開關(guān)的驅(qū)動電路組合有時也稱為柵極驅(qū)動器/MOS開關(guān)電路，或 簡稱為"驅(qū)動器/MOS電路"。在某些應(yīng)用中，驅(qū)動器/MOS電路也作為單片集成電路。此外， 在某些實施例中，低端MOS開關(guān)和高端MOS開關(guān)為NMOS晶體管。
[0044] 已知降壓轉(zhuǎn)換器的運行情況，可概況如下。降壓轉(zhuǎn)換器包括一對電源開關(guān)S1 (高 端M0S開關(guān))和S2 (低端M0S開關(guān)）串聯(lián)。輸入電壓VIN耦合到高端M0S開關(guān)S1的漏極端。 接通和斷開電源開關(guān)S1和S2,產(chǎn)生等于參考電壓的輸出電壓V OTT。更確切地說，可以交替 接通和斷開電源開關(guān)，在公共節(jié)點（也稱為開關(guān)輸出節(jié)點）處產(chǎn)生開關(guān)輸出電壓。開關(guān)輸出 節(jié)點耦合到LC濾波電路上，LC濾波電路包括一個輸出電感器和一個輸出電容器，產(chǎn)生具有 相同幅值的輸出電壓。然后，利用輸出電壓驅(qū)動負(fù)載。在本說明中，圖中只表示出了降壓轉(zhuǎn) 換器中與本發(fā)明有關(guān)的一部分電路元件。應(yīng)理解，電源系統(tǒng)和降壓轉(zhuǎn)換器還包括圖中沒有 表示出的其他電路元件或其他控制電路，以促進(jìn)電源系統(tǒng)和每個電源通道中降壓轉(zhuǎn)換器的 正常運行。
[0045] 在電源系統(tǒng)50中，電源通道在不同的相位中工作，并且由多相位控制器52控制， 在某些實施例中，多相位控制器52可以是多相PWM控制器。多相位控制器52產(chǎn)生控制信 號53,例如PWM控制信號，耦合到每個電源通道上，控制每個電源通道的工作周期。在某些 實施例中，電源通道具有相同或不同的額定電流。電源通道匯總至公共輸出電壓節(jié)點62,產(chǎn) 生輸出電壓，輸出電壓V TOT在負(fù)載電流的范圍內(nèi)具有基本恒定的幅值。當(dāng)輸出需要較高 的電流時，多相位控制器52調(diào)節(jié)PWM控制信號53的工作周期，使全部電源通道均勻地促進(jìn) 輸出。在某些情況下，控制器52采用熱和電流平衡性能，控制器給比其他溫度更低的相位 或通道重新分配電流分擔(dān)任務(wù)。在一個實施例中，容錯電源系統(tǒng)0包括8個電源通道。每 個電源通道都為輸出電壓節(jié)點62提供20-30A。輸入電壓V IN可以為12V至24V，輸出電壓 VQUT可以為1. 2V至5V。
[0046] 在本發(fā)明的實施例中，容錯電源系統(tǒng)50包括一組智能負(fù)載開關(guān)55,連接到電源通 道上。在本實施例中，每個負(fù)載開關(guān)55都連接到一對電源通道56(也稱為"電源通道對")。 確切地說，電源通道對56包括兩個并聯(lián)的電源通道，每個電源通道都至少包括驅(qū)動電路、 高端M0S開關(guān)、低端M0S開關(guān)和輸出電感器。在本實施例中，每個負(fù)載開關(guān)55都耦合到兩 個電源通道上，構(gòu)成電源通道區(qū)54。在其他實施例中，負(fù)載開關(guān)可以耦合到一個單獨的電源 通道上，或耦合到兩個或多個電源通道上。此外，在本實施例中，負(fù)載開關(guān)55配置成快速斷 開負(fù)載開關(guān)（Fast turn-off load switch, FLSW)，引入快速開關(guān)斷開電路，觸發(fā)時，促進(jìn)負(fù) 載開關(guān)的快速斷開。
[0047] 在本實施例中，負(fù)載開關(guān)55串聯(lián)在輸入電壓VIN (節(jié)點51)和電源通道對56之間， 確切地說，是連接到每個電源通道中降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓節(jié)點。運行時，接通負(fù)載開關(guān)5， 將輸入電壓V IN耦合到電源通道的高端M0S開關(guān)的漏極端。每個電源通道都產(chǎn)生一個開關(guān) 輸出電壓，由各自電源通道處的電感器和輸出電壓節(jié)點62處的輸出電容器〇) υτ濾波，〇)υτ連 接在節(jié)點62和接地端GND間。在本實施例中，電源通道的輸出節(jié)點在輸出電壓節(jié)點62處， 共同連接到公共輸出電容器C TOT上。在其他實施例中，每個電源通道或一組電源通道都帶 有一個單獨的輸出電容器。在輸出電壓節(jié)點62處的輸出電容器〇) υτ的具體配置，對于實施 本發(fā)明來說并不重要。
[0048] 依據(jù)本發(fā)明的實施例，電源系統(tǒng)50配有智能負(fù)載開關(guān)電路。更確切地說，與一個 或多個電源通道有關(guān)的負(fù)載開關(guān)電路引入了容錯能力，當(dāng)檢測到故障時，產(chǎn)生容錯信號，用 于斷開低端M0S開關(guān)以及與負(fù)載開關(guān)電路。多數(shù)情況下，電源系統(tǒng)50中的常見故障是在高 端M0S開關(guān)處發(fā)生短路。當(dāng)高端M0S開關(guān)短路時，形成從輸入電壓V IN到接地端的直接通 路，當(dāng)?shù)投薓0S開關(guān)接通時，電源開關(guān)上產(chǎn)生過量的電流。過量的電流會對M0S開關(guān)電路產(chǎn) 生不可逆的損壞。依據(jù)本發(fā)明的實施例，每個電源通道中的柵極驅(qū)動器/M0S開關(guān)電路在低 端M0S開關(guān)處檢測過電流情況，并且斷開與電源通道有關(guān)的低端M0S開關(guān)和負(fù)載開關(guān)電路， 防止更大的電流。
[0049] 在一個實施例中，檢測到過電流情況時，負(fù)載開關(guān)電路55產(chǎn)生故障信號，利用故 障信號，快速斷開負(fù)載開關(guān)，使浪涌電流終止。負(fù)載開關(guān)電路還產(chǎn)生一個故障標(biāo)志信號。故 障標(biāo)志信號耦合到驅(qū)動器/M0S電路上，作為禁用(節(jié)點57)信號，使低端M0S開關(guān)禁用或斷 開。在本實施例中，當(dāng)利用負(fù)載開關(guān)電路處的故障檢測，打開或斷開負(fù)載開關(guān)時，一對電源 通道也會禁用。
[0050] 斷開負(fù)載開關(guān)55時，由于驅(qū)動器/M0S電路的故障檢測，使一個或多個電源通道禁 用，則多相位控制器52調(diào)節(jié)用于其他電源通道的PWM信號53的工作周期，從而維持所需的 輸出電壓V TOT。在這種情況下，為輸出電壓節(jié)點62提供不間斷的輸出電壓和電流。更重要 的是，電源系統(tǒng)50可以提供不間斷電源，無需傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的冗余電源系統(tǒng)。
[0051] 圖4表示在本發(fā)明的實施例中，耦合到負(fù)載開關(guān)上的每個電源通道中的智能柵極 驅(qū)動器/M0S開關(guān)的具體結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖4,電源通道區(qū)54包括一個耦合到電源通道 對56上的負(fù)載開關(guān)55。負(fù)載開關(guān)55將輸入電壓V IN (節(jié)點51)連接到每個電源通道中M0S 開關(guān)的輸入電壓節(jié)點。電源通道的輸入電壓節(jié)點通常是高端M0S開關(guān)的漏極端。更確切地 說，負(fù)載開關(guān)55包括一個主開關(guān)S10, S10的輸入節(jié)點IN連接到電源通道對56的電源通 道的輸入電壓VIN (節(jié)點51)，S10的輸出節(jié)點OUT連接到輸入電壓節(jié)點（節(jié)點58)。當(dāng)主開 關(guān)S10閉合時，電源通道對56中的電源通道連接到輸入電壓V IN。當(dāng)主開關(guān)S10斷開時，電 源通道不再連接到輸入電壓VIN。在開關(guān)控制電路64的控制下，驅(qū)動器61驅(qū)動主開關(guān)S10。 配置開關(guān)控制電路64,根據(jù)電源系統(tǒng)50的控制信號，接通或斷開主開關(guān)S10。在本實施例 中，負(fù)載開關(guān)55為快速起效的負(fù)載開關(guān)，觸發(fā)時可以迅速斷開。為此，負(fù)載開關(guān)55包括一 個快速開關(guān)斷開電路66,觸發(fā)時，快速斷開主開關(guān)S10。
[0052] 在本發(fā)明的實施例中，負(fù)載開關(guān)電路55還包括一個電流檢測電路67,用于檢測負(fù) 載開關(guān)電路處的過電流情況。確切地說，電流檢測電路67檢測負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)S10 中的電流。在一個實施例中，電流檢測電路67探測主開關(guān)S10的輸出節(jié)點OUT處的電流。 例如，電流檢測電路67會接收傳感電路I SNS(節(jié)點68)，ISNS表示主開關(guān)S10的OUT節(jié)點處的 電流。在一個可選實施例中，電流檢測電路67探測流經(jīng)主開關(guān)S10的電流，該電流流經(jīng)主 開關(guān)S10的輸入節(jié)點IN和輸出節(jié)點OUT。電流檢測電路67產(chǎn)生一個故障信號(節(jié)點65)， 當(dāng)流經(jīng)主開關(guān)S10的電流超過指定閾值時，故障信號有效。故障信號(節(jié)點65)耦合到快速 切換斷開電路66上，以便激活開關(guān)斷開電路，根據(jù)檢測到的過電流情況，快速斷開主開關(guān) S10。確切地說，當(dāng)故障信號(節(jié)點65)觸發(fā)時，快速開關(guān)斷開電路66快速打開或斷開主開 關(guān)S10,以便中斷主開關(guān)S10的輸入節(jié)點IN和輸出節(jié)點OUT之間的連接。因此，電源通道的 輸入電壓節(jié)點58不再連接到輸入電壓VIN(節(jié)點51)。進(jìn)一步配置電流檢測電路67,產(chǎn)生故 障標(biāo)志信號(節(jié)點57)耦合到驅(qū)動器/MOS電路60上，作為禁用信號，斷開電源通道的低端 MOS開關(guān)，這將在下文中詳細(xì)介紹。
[0053] 在電源通道對56中，每個電源通道都包括一個智能柵極驅(qū)動器/M0S開關(guān)電路60 和一個電感器L1。這對電源通道的輸出節(jié)點耦合到輸出電壓節(jié)點62,輸出電容器C TOT也耦 合到輸出電壓節(jié)點62上。在特定的工作周期下，電源通道對56中的電源通道在來自多相 位控制器52的PWM控制信號53的控制下運行。啟動信號（EN)啟動每個電源通道對56中 的驅(qū)動器/M0S電路60。依據(jù)本發(fā)明的實施例，智能負(fù)載開關(guān)電路55產(chǎn)生一個故障標(biāo)志信 號，用作禁用信號（DEN)(節(jié)點57)，耦合到驅(qū)動器/M0S電路60的啟動信號端。當(dāng)電流浪涌 時，或電流超過特定閾值時，會在負(fù)載開關(guān)電路處檢測到，智能負(fù)載開關(guān)電路55至少斷開 驅(qū)動器/M0S電路的低端M0S開關(guān)，并且/或者將低端M0S開關(guān)切換到三態(tài)模式（Tri-state mode)。在一些實施例中，禁用信號DEN (節(jié)點57)耦合到驅(qū)動器/MOS電路60上，斷開高端 M0S開關(guān)和低端M0S開關(guān)，并且/或者將高端和低端M0S開關(guān)置于三態(tài)模式。
[0054] 因此，負(fù)載開關(guān)電路55將有問題的電源通道斷開與電源系統(tǒng)的連接，從而使電源 系統(tǒng)可以繼續(xù)運行，利用剩余的電源通道，為輸出電壓節(jié)點提供不間斷電源。在這種情況 下，當(dāng)系統(tǒng)的電源通道出現(xiàn)故障時，本發(fā)明所述的電源系統(tǒng)50實現(xiàn)了容錯設(shè)計，使電源系 統(tǒng)可以繼續(xù)運行，而不是徹底癱瘓。
[0055] 在本發(fā)明的實施例中，容錯電源系統(tǒng)50中的電源通道作為可互換零件，可以熱插 拔，因此可以在其余電源通道繼續(xù)正常運行時，替換有故障的電源通道。在某些實施例中， 電源通道的驅(qū)動器/M0S電路形成一個可熱插拔模塊。當(dāng)有故障的高端M0S開關(guān)導(dǎo)致電源 通道禁用時(例如短接的高端M0S開關(guān))，可以在其余的電源通道為輸出電壓節(jié)點提供所需 電源的同時，替換掉驅(qū)動器/M0S電路模塊。電源系統(tǒng)50在繼續(xù)正常運行的同時，有故障的 驅(qū)動器/M0S電路被替換掉。在替換上的電源通道重新通電啟動之前，替換上的驅(qū)動器/M0S 電路模塊安裝后即可通電(例如通過軟啟動操作）至工作電壓。電源系統(tǒng)50的多相位控制 器52監(jiān)控輸出電壓VTOT，并且調(diào)節(jié)為每個電源通道提供的PWM信號的相位，以產(chǎn)生所需的輸 出電壓值。
[0056] 在一些實施例中，智能負(fù)載開關(guān)電路產(chǎn)生一個故障標(biāo)志信號，作為電源系統(tǒng)的輸 出信號，故障標(biāo)志用于警告故障電源通道的電源系統(tǒng)的操作員。
[0057] 圖5表示在本發(fā)明的實施例中，智能負(fù)載開關(guān)電路耦合到一對電源通道上的電路 結(jié)構(gòu)圖。在本實施例中，每個電源通道都配置成降壓轉(zhuǎn)換器。電源通道對中的電源通道都 按相同的方式配置，一個電源通道的說明也適用于其他的電源通道。參見圖5,電源通道區(qū) 54包括一個負(fù)載開關(guān)55,耦合到一對電源通道56a、56b上。
[0058] 在本實施例中，負(fù)載開關(guān)電路55的配置方式與圖4所示的負(fù)載開關(guān)電路相同，負(fù) 載開關(guān)電路55的說明在此不再重復(fù)。簡言之，負(fù)載開關(guān)55連接或斷開輸入電壓V IN (節(jié)點 51)到電源通道56a、56b的輸入電壓節(jié)點58的連接。在圖5所示的實施例中，電流檢測電 路67探測穿過主開關(guān)S10的輸入節(jié)點IN和輸出節(jié)點OUT的電流，以測量流經(jīng)主開關(guān)S10 的電流。在其他實施例中，電流檢測電路67可以傳感到主開關(guān)S10的輸出節(jié)點OUT處的電 流，如圖4所示。
[0059] 在本實施例中，電源通道56a (或56b)包括一個驅(qū)動器/M0S電路60a (或60b), 以及配置為降壓轉(zhuǎn)換器的電感器L1。電源通道56a連接到輸出電容器COTT的輸出電壓節(jié)點 62。輸出電容器通常是全部電源通道或一組電源通道共享的公共輸出電容器。驅(qū)動器 /MOS電路60a含有一個驅(qū)動電路（圖中沒有表示出），接收PWM控制信號PWM1以及電源通道 的啟動信號。驅(qū)動電路為高端柵極驅(qū)動器74和低端柵極驅(qū)動器75產(chǎn)生控制信號。高端柵 極驅(qū)動器74用于驅(qū)動高端MOS開關(guān)S1的柵極，而低端柵極驅(qū)動器75用于驅(qū)動低端MOS開 關(guān)S2的柵極，S1、S2串接在輸入電壓節(jié)點58和接地端GND之間。高端MOS開關(guān)S1和低端 MOS開關(guān)S2之間的公共節(jié)點80切換輸出節(jié)點80,并且耦合到電感器L1的一個端口。電感 器L1的其他端口也耦合到公共輸出電壓節(jié)點62上，用于電源系統(tǒng)50。輸出電容器C QUT，可 以是一個或多個或全部電源通道的公共輸出電容器，也耦合到輸出電壓節(jié)點62上。驅(qū)動器 /MOS電路60a中的控制電路(例如驅(qū)動電路）在本領(lǐng)域中，可能還有其他的電路布局。
[0060] 在降壓轉(zhuǎn)換器中，高端M0S開關(guān)S1和低端M0S開關(guān)S2由高端柵極驅(qū)動器74和低 端柵極驅(qū)動器75,以至于一次僅接通一個M0S開關(guān)，避免兩個M0S開關(guān)同時接通。因此正常 運行時，輸入電壓VIN (節(jié)點58)和接地端之間沒有直接的電流通路。然而，當(dāng)高端M0S開關(guān) S1短路時，產(chǎn)生很大的浪涌電流，當(dāng)?shù)投薓0S開關(guān)S2接通時，從輸入電壓VIN到接地端形成 直接的電流通路。因此，當(dāng)高端M0S開關(guān)S1短路時，發(fā)生很大的浪涌電流，當(dāng)高端M0S開關(guān) S1斷開時，低端M0S開關(guān)S2接通。本發(fā)明所述的智能負(fù)載開關(guān)電路感應(yīng)到負(fù)載開關(guān)電路處 的浪涌電流，檢測電源通道處的故障情況，啟動過電流保護(hù)操作。
[0061] 傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)有時米用傳統(tǒng)的負(fù)載開關(guān)與輸入電壓串聯(lián)。在某些情況下，發(fā)生 短路時，負(fù)載開關(guān)會承受很大的電流，終端導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重受損。一些傳統(tǒng)的負(fù)載開關(guān)含有限 流功能，可以報警并觸發(fā)關(guān)機功能，但是關(guān)閉負(fù)載開關(guān)的過程(或"打開"開關(guān)）通常需要相 當(dāng)長一段時間才能完成，例如上百微秒。響應(yīng)限流事件，打開負(fù)載開關(guān)的時間內(nèi)，可能電源 系統(tǒng)已經(jīng)不可挽回地?fù)p壞了。
[0062] 一些傳統(tǒng)的負(fù)載開關(guān)設(shè)計有電流鉗位功能，負(fù)載開關(guān)的內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)一個不 能超過的固定的最大電流水平，以防止對系統(tǒng)造成進(jìn)一步的損壞。然而，由于電流鉗位功能 將破壞輸出電壓，因此電流鉗位負(fù)載開關(guān)不能用于多相位/多通道電源系統(tǒng)。
[0063] 在本發(fā)明的實施例中，容錯電源系統(tǒng)引入具有過電流檢測和快速斷開功能的智能 負(fù)載開關(guān)電路。在一個實施例中，負(fù)載開關(guān)具有在納秒范圍內(nèi)的整體斷開時間，例如大約 100毫微秒(在溫度變化范圍內(nèi)）。斷開時間是指從檢測到故障開始，到負(fù)載開關(guān)完全斷開 的時間。一般來說，本發(fā)明所述的電源系統(tǒng)中引入的負(fù)載開關(guān)具有足夠短的整體斷開時間， 避免形成峰值電流，使電源系統(tǒng)的零部件超過它們的熱極限。換言之，負(fù)載開關(guān)可以快速響 應(yīng)，從而避免形成過量的峰值電流，對電源系統(tǒng)造成損壞。確切地說，快速方便地斷開有故 障的電源通道，可以減輕和盡量減少由沿降壓轉(zhuǎn)換器旁邊寄居的寄生電感和電容產(chǎn)生的峰 值電流積聚，負(fù)載電流積聚可能損壞其他電源通道和電源系統(tǒng)的其他電路。
[0064] 參見圖5,智能負(fù)載開關(guān)電路55探測負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)處的電流，例如通過 測量主開關(guān)S10的輸出節(jié)點OUT處的電流水平，或測量流經(jīng)主開關(guān)S10的輸入和輸出節(jié)點 (IN和OUT)的電流。當(dāng)主開關(guān)S10處的傳感電流超過過電流限制閾值時(也就是檢測到過 電流狀態(tài)時)，電流檢測電路67產(chǎn)生一個故障信號（節(jié)點65)到快速開關(guān)斷開電路66,以斷 開主開關(guān)S10,從而斷開負(fù)載開關(guān)電路55。在負(fù)載開關(guān)電路55中，開關(guān)控制電路64用于接 通主開關(guān)S10,例如在軟啟動時。由于負(fù)載開關(guān)中的主開關(guān)S10是一個大型器件，因此快速 開關(guān)斷開電路66含有一個可以快速斷開負(fù)載開關(guān)的大型驅(qū)動器。在一個實施例中，快速 開關(guān)斷開電路66含有一個有源下拉裝置。在一些實施例中，快速開關(guān)斷開電路66是一個 NMOS晶體管，用于拉低主開關(guān)S10的柵極，以斷開負(fù)載開關(guān)?？焖匍_關(guān)斷開電路66能夠在 對電源系統(tǒng)造成不可挽回的損壞之前，快速斷開負(fù)載開關(guān)。
[0065] 同時，故障信號（Fault signal)也稱合在負(fù)載開關(guān)電路55外部，作為故障標(biāo)志信 號（Fault flag signal)。在一個實施例中，故障信號(節(jié)點65)是高有源信號（Active high signal),負(fù)載開關(guān)電路55產(chǎn)生一個故障標(biāo)志信號(節(jié)點57)，故障標(biāo)志信號(節(jié)點57)為低 有源信號（Active low signal)。也就是說，故障標(biāo)志信號具有邏輯低態(tài)，用于顯示故障或 過電流情況。故障標(biāo)志信號(節(jié)點57)耦合到驅(qū)動器/M0S電路60上，作為啟動信號。故障 標(biāo)志信號（節(jié)點57)用作驅(qū)動器禁用信號（Disable或DEN)，斷開驅(qū)動器/M0S電路60中的 高端M0S開關(guān)和低端M0S開關(guān)，將M0S開關(guān)置于三態(tài)模式。禁用信號還用于使驅(qū)動器/M0S 電路或電源通道中的其他電路禁用。
[0066] 在這種情況下，當(dāng)電源通道的高端M0S開關(guān)S1處發(fā)生短路時，智能負(fù)載開關(guān)電路 55探測浪涌電流，當(dāng)?shù)投薓0S開關(guān)接通時，可以快速斷開負(fù)載開關(guān)電路，避免損壞電源系統(tǒng) 的其他部分。在一個實施例中，過電流檢測、故障識別和負(fù)載開關(guān)斷開操作都可以在很短的 時間內(nèi)（例如100毫微秒以內(nèi)）配置。
[0067] 圖6表示本發(fā)明示例中的智能負(fù)載開關(guān)電路運行情況的時序圖。參見圖6,曲線 102表示過電流限制閾值，曲線104表示檢測到的電壓值，用于指示流經(jīng)負(fù)載開關(guān)電路的主 開關(guān)S10的電流。曲線106表示根據(jù)過電流情況，產(chǎn)生的故障信號，在本實施例中，故障信 號為高有源信號。曲線108表示負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)S10的柵極信號。曲線110表示負(fù) 載開關(guān)的接通或斷開狀態(tài)。曲線112表示負(fù)載開關(guān)的OUT節(jié)點。
[0068] 正常運行時，故障信號禁用，因此處于邏輯低水平。負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)S10上 的柵極信號有效，接通主開關(guān)S10 (曲線108)，將輸入電壓VIN連接到驅(qū)動器/M0S電路。接 通負(fù)載開關(guān)（0N-狀態(tài)）（曲線110)。通過軟啟動操作，接通負(fù)載開關(guān)，使輸出節(jié)點OUT節(jié)點 緩慢升高至整個輸入電壓V IN (曲線112)。當(dāng)負(fù)載開關(guān)的輸出節(jié)點完全加電時，電源通道開 始工作。
[0069] 然而，當(dāng)高端M0S開關(guān)處發(fā)生短路的情況下，當(dāng)?shù)投薓0S開關(guān)接通時，檢測到的電 壓增大（曲線104)。在T1時刻，檢測到的電壓超過了過電流限制閾值（曲線102)。在T2時 亥IJ，由于檢測到的電壓超過了過電流限制閾值，智能負(fù)載開關(guān)電路的故障信號就顯示為高 (曲線106)。檢測到故障后，在T3時刻，故障信號使主開關(guān)S10斷開。更確切地說，主開關(guān) S10上的柵極信號在T3時刻禁用（曲線108)。由于負(fù)載開關(guān)通常是一個大型器件，必須要 一定的時間才能斷開負(fù)載開關(guān)。在T4時刻，負(fù)載開關(guān)終于斷開，負(fù)載開關(guān)輸出信號OUT降 低，表示輸入電壓V IN已經(jīng)與負(fù)載開關(guān)OUT節(jié)點斷開連接。在本說明中，從檢測到故障情況 (T1)到負(fù)載開關(guān)斷開（T4)的時間約為100毫微秒，從而確保不會對電源系統(tǒng)造成不可 挽回的損壞。
[0070] 在本實施例中，在Τ2時刻監(jiān)測到故障情況，并且故障信號有效，故障標(biāo)志信號（圖 中沒有表示出）也會有效，至少使驅(qū)動器/M0S電路中的低端M0S開關(guān)斷開。
[0071] 圖7表不在本發(fā)明的實施例中，一種快速起效的負(fù)載開關(guān)電路的不意圖。參見圖 7,在本發(fā)明的實施例中，將NM0S晶體管Ml作為主開關(guān)，也就是作為圖4和圖5所示的主開 關(guān)S10,制備快速起效的負(fù)載開關(guān)電路200。此外，在本發(fā)明的實施例中，NMOS晶體管Ml的 柵極端稱合到浮動電源軌道201上，并且由電荷泵浦電路202(charge pump)驅(qū)動。當(dāng)NM0S 晶體管Ml接通時，電荷泵浦電路202將NM0S晶體管Ml的柵極驅(qū)動到NM0S晶體管Ml的源 極/漏極端上方的指定電壓，確保NM0S晶體管完全打開，將輸入節(jié)點212 (IN)上的輸入電 壓VIN全部轉(zhuǎn)移到輸出節(jié)點214 (OUT)。也就是說，當(dāng)晶體管Ml接通時，NM0S晶體管Ml的 柵極端由電荷泵浦電路202驅(qū)動到輸入或輸出節(jié)點212、214處的電壓水平上方。例如，當(dāng)輸 入電壓V IN為12V時，NM0S晶體管Ml作為主開關(guān)將12V轉(zhuǎn)移至輸出節(jié)點OUT，NM0S晶體管 Ml的柵極由電荷泵浦驅(qū)動至17V，確保NM0S晶體管Ml全部打開，將12V電壓從NM0S晶體 管的漏極轉(zhuǎn)移到源極端。NM0S晶體管作為負(fù)載開關(guān)電路中的主開關(guān)Ml有許多優(yōu)于PM0S晶 體管主開關(guān)的地方：NM0S晶體管具有較低的導(dǎo)通電阻和較小的柵極電容，斷開速度比PM0S 晶體管更快。
[0072] 在本實施例中，負(fù)載開關(guān)電路200包括一個快速斷開電路210,作為圖4和圖5 中的快速開關(guān)斷開電路。在一些實施例中，快速斷開電路210為有源拉低器件（active pull-down device,將NM0S晶體管Ml的柵極端拉低，以斷開晶體管。在一些實施例中，有 源拉低器件為大尺寸驅(qū)動器，可以快速拉低NM0S晶體管Ml的柵極端。根據(jù)負(fù)載開關(guān)電路 200的電流檢測電路產(chǎn)生的故障信號(節(jié)點209)，表示負(fù)載開關(guān)處檢測到過電流情況，故障 信號209驅(qū)動快速斷開電路210。
[0073] 圖7表示負(fù)載開關(guān)電路200中引入電流檢測電路的一個實施例，用于檢測負(fù)載 開關(guān)處的過電流情況。在本實施例中，電流檢測電路包括一個電流檢測放大器（Current sense amplifier, CSA) 204,其負(fù)、正輸入端相對應(yīng)地分別通過與主開關(guān)Ml的源極和漏極 端耦合，以檢測大浪涌電流的存在，比較器206用于比較傳感電壓信號和閾值水平。確切地 說，電流傳感放大器204檢測流經(jīng)M0S晶體管Ml的電流值。電流傳感放大器204產(chǎn)生輸出 電壓信號V SNS，表示NM0S晶體管Ml上的傳感電流值。傳感電壓信號VSNS耦合到比較器206 的正輸入端，與稱合到比較器206的負(fù)輸入端的閾值電壓V。。作比較。閾值電壓V。。表不電 源系統(tǒng)的過電流閾值極限。比較器206產(chǎn)生過電流檢測（Over-current detect, 0CD)信號 (節(jié)點207)作為比較器輸出信號。
[0074] 當(dāng)傳感電壓信號VSNS小于閾值電壓V。。時，表不NM0S晶體管主開關(guān)Ml處的電流小 于過電流閾值限制，比較器206的輸出信號禁用或處于邏輯低。當(dāng)主開關(guān)Ml處的電流超過 過電流閾值時，也就是說檢測到過電流情況時，比較器206將過電流檢測（0CD)信號(節(jié)點 207)升至邏輯高。過電流檢測信號(節(jié)點207)可以耦合到故障檢測和閉鎖電路208上，產(chǎn) 生耦合到快速斷開電路210上的故障信號(節(jié)點209)，以觸發(fā)快速斷開電路210斷開NM0S 晶體管主開關(guān)Ml。故障信號(節(jié)點209)可以是高有源信號。在其他實施例中，故障檢測和 閉鎖電路208可以省略，比較器206的輸出信號可以用作故障信號。
[0075] 同時，故障信號用于產(chǎn)生故障標(biāo)志信號，故障標(biāo)志信號用作禁用信號，至少使 驅(qū)動器/M0S電路中的低端M0S開關(guān)禁用。在本實施例中，故障標(biāo)志信號為漏極開路 (Open-drain)NMOS晶體管Q1產(chǎn)生的低有源信號（Active low signal)。更確切地說，在負(fù) 載開關(guān)電路200中，故障信號(節(jié)點209)耦合到漏極開路NM0S晶體管Q1的柵極。Q1的源 極接低電位例如接地端GND，當(dāng)故障信號(節(jié)點209)有效時，NM0S晶體管Q1接通，以拉低晶 體管Q1的漏極節(jié)點216,從而產(chǎn)生故障標(biāo)志信號，故障標(biāo)志信號為低有源信號。晶體管Q1 的漏極節(jié)點216提供故障標(biāo)志信號，耦合到驅(qū)動器/MOS電路上，作為禁用信號，至少使低端 M0S開關(guān)斷開。
[0076] 負(fù)載開關(guān)電路200包括其他電路元件，維持負(fù)載開關(guān)的正常工作，例如軟啟動控 制等。用于負(fù)載開關(guān)電路正常運行的圖7所示的其他電路元件，對于本發(fā)明的實施來說不 是必須的，可以省略，或在其他實施例中可以使用其他的電路結(jié)構(gòu)。在圖7負(fù)載開關(guān)電路 200的這些可以忽略或替換的元件中，在示范性但非必須的電路結(jié)構(gòu)中，一個電容C4連接 在浮動電源軌道201和接地端GND之間，C4和浮動電源軌道201之間的節(jié)點SS耦合到軟 啟動控制的輸入，而軟啟動控制還分別耦合到浮動電源軌道201和耦合到Ml管的輸出節(jié)點 OUT。一個欠壓閉鎖比較器UVL0的正輸入端連接到浮動電源軌道201而負(fù)輸入端連接一 參考電壓Vref，比較后UVL0的電平結(jié)果輸出給調(diào)節(jié)器和上電復(fù)位模塊（LV regulator and P0R)，另外調(diào)節(jié)器和上電復(fù)位模塊也耦合到Ml管的輸入節(jié)點IN和電荷泵浦電路202的負(fù) 輸入端，電荷泵浦電路202的正輸入端則連接到Ml管的輸入節(jié)點IN。一個偏置/振蕩器 (Bias/Oscillator)接收啟動信號EN和低壓偏置單元產(chǎn)生的信號，并且偏置/振蕩器輸出 時鐘信號CLK給電荷泵浦電路202,偏置/振蕩器釋放的復(fù)位信號給調(diào)節(jié)器和上電復(fù)位模 塊。此外,一個電源電壓Vcc為低壓偏置單元供電，一個電容C3接在電源電壓Vcc和接地 端GND之間，以及一個電阻R1連接晶體管Q1的漏極節(jié)點216和一個電源電壓Vdd之間，還 可以在負(fù)載開關(guān)電路200的輸出節(jié)點214 (OUT)和接地端GND之間設(shè)置一個反向偏置的二 極管，二極管的陽極連接到接地端GND。也可以利用一個過熱保護(hù)器（0ΤΡ)提供過熱保護(hù)信 號到故障檢測和閉鎖電路208。
[0077] 本發(fā)明所述的容錯電源系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢。首先，在需要不間斷電源的電源系統(tǒng) 中省去了冗余或備用電源系統(tǒng)。省去備用電源系統(tǒng)節(jié)省了大量成本和實際空間。本發(fā)明所 述的容錯電源系統(tǒng)在每個電源通道中引入了智能負(fù)載開關(guān)電路，利用這種容錯電源系統(tǒng)代 替?zhèn)溆秒娫聪到y(tǒng)配置主電源線。
[0078] 第二，在每個電源通道對的輸入端配置負(fù)載開關(guān)，防止干線上的整個系統(tǒng)故障。干 線電源系統(tǒng)配有斷電機制，能在發(fā)生不可挽回的損壞之前，斷開有故障的電源系統(tǒng)與其他 部分的連接。
[0079] 第三，在一些實施例中，本發(fā)明所述的容錯電源系統(tǒng)在檢測到過電流情況并且電 源不間斷之后，提出了一個故障標(biāo)志。該故障標(biāo)志可直接作為禁用信號，使有故障的驅(qū)動器 /M0S電路禁用，以至于三態(tài)M0S開關(guān)，及其他必須禁用的子電路，并且斷開負(fù)載開關(guān)。該故 障標(biāo)志也用于提醒系統(tǒng)或故障電源通道的用戶。
[0080] 最后，本發(fā)明所述的容錯電源系統(tǒng)可以和熱插拔電源通道組件一起配置，使得在 系統(tǒng)保持全面運行的同時維修有故障的電源系統(tǒng)。
[0081] 雖然為了表述清楚，以上內(nèi)容對實施例進(jìn)行了詳細(xì)介紹，但是本發(fā)明并不局限于 上述細(xì)節(jié)。實施本發(fā)明還有許多可選方案。文中的實施例僅用于解釋說明，不用于局限。
【權(quán)利要求】
1. 一種容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，該電源系統(tǒng)接收輸入電壓，在輸出電壓節(jié)點上產(chǎn)生 輸出電壓，該電源系統(tǒng)包括： 一個或多個負(fù)載開關(guān)電路，每個負(fù)載開關(guān)電路都有一個稱合到輸入電壓的主開關(guān)輸入 節(jié)點和一個主開關(guān)輸出節(jié)點，當(dāng)負(fù)載開關(guān)電路接通時，負(fù)載開關(guān)電路在主開關(guān)輸出節(jié)點提 供輸入電壓，當(dāng)負(fù)載開關(guān)電路斷開時，負(fù)載開關(guān)電路使輸入電壓斷開與主開關(guān)輸出節(jié)點的 連接；以及 多個電源通道，每個電源通道都有一個耦合到一個負(fù)載開關(guān)電路的輸出節(jié)點上的輸入 端，以及一個耦合到電源系統(tǒng)的輸出電壓節(jié)點上的輸出端，每個電源系統(tǒng)都包括一個驅(qū)動 電路、一個高端電源開關(guān)和一個與高端電源開關(guān)串聯(lián)的低端電源開關(guān)，以及一個輸出電感 器，電源通道和輸出電容器連接在輸出電壓節(jié)點和地電壓之間，構(gòu)成一個降壓轉(zhuǎn)換器； 其中一個或多個負(fù)載開關(guān)電路的每個負(fù)載開關(guān)電路還包括一個電流檢測電路，以測量 主開關(guān)中的電流，配置電流檢測電路的目的是，當(dāng)主開關(guān)中的電流具有超過電流限制閾值 的峰值電流時，產(chǎn)生具有第一態(tài)的第一輸出信號，f禹合第一輸出信號，根據(jù)具有第一態(tài)的第 一輸出信號，斷開主開關(guān)，第一輸出信號還耦合到與負(fù)載開關(guān)電路相關(guān)的電源通道的驅(qū)動 電路上，根據(jù)具有第一態(tài)的第一輸出信號，使低端電源開關(guān)斷開。
2. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，一個或多個負(fù)載開關(guān)電路中的每個 負(fù)載開關(guān)電路都有一個主開關(guān)輸出節(jié)點，耦合到一個或多個電源通道的輸入端。
3. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，在每個負(fù)載開關(guān)電路中都配置電流 檢測電路，測量主開關(guān)輸出節(jié)點處的電流，作為主開關(guān)中的電流。
4. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，在每個負(fù)載開關(guān)電路中都配置電流 檢測電路，測量主開關(guān)輸入節(jié)點和主開關(guān)輸出節(jié)點處的電流，作為主開關(guān)中的電流。
5. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，每個負(fù)載開關(guān)電路還包括： 一個主開關(guān)，具有耦合到輸入電壓的主開關(guān)輸入節(jié)點，和具有主開關(guān)輸出節(jié)點和一個 控制端；以及 一個開關(guān)斷開電路，用于接收第一輸出信號，驅(qū)動主開關(guān)的控制端，開關(guān)斷開電路用于 根據(jù)具有第一態(tài)的第一輸出信號，斷開主開關(guān)。
6. 權(quán)利要求5所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，開關(guān)斷開電路包括一個驅(qū)動器，可以 在避免對電源系統(tǒng)造成損壞的時間內(nèi)斷開主開關(guān)。
7. 權(quán)利要求5所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，開關(guān)斷開電路包括一個驅(qū)動器，可以 在納秒級的時間內(nèi)，斷開主開關(guān)。
8. 權(quán)利要求5所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，主開關(guān)包括一個第一 NMOS晶體管，其 漏極端作為主開關(guān)輸入節(jié)點，源極端作為主開關(guān)輸出節(jié)點，柵極端作為控制端，該負(fù)載開關(guān) 電路還包括： 一個電荷泵浦電路，用于當(dāng)?shù)谝?NMOS晶體管接通時，將第一 NMOS晶體管的柵極端驅(qū)動 到高于第一 NMOS晶體管的漏極和源極端處的電壓值。
9. 權(quán)利要求8所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，開關(guān)斷開電路的驅(qū)動器包括一個第 二NMOS晶體管，用于拉低主開關(guān)的控制端，根據(jù)具有第一態(tài)的第一輸出信號，斷開主開關(guān)。
10. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，輸出電容器包括一個f禹合到輸出電 壓節(jié)點的一個單獨的輸出電容器。
11. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，每個負(fù)載開關(guān)電路中的電流檢測電 路包括： 一個耦合到主開關(guān)上的電流傳感放大器，用于測量流經(jīng)主開關(guān)輸入節(jié)點和主開關(guān)輸出 節(jié)點的電流，電路傳感放大器用于產(chǎn)生輸出信號，輸出信號表示測得的電流值；以及 一個比較器，用于比較電流傳感放大器的輸出信號與電流限制閾值，根據(jù)電流傳感放 大器的輸出信號超過電流限制閾值時，比較器產(chǎn)生具有第一態(tài)的第一輸出信號。
12. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，第一輸出信號包括一個高有源信 號，第一態(tài)包括一個邏輯高態(tài)，每個負(fù)載開關(guān)電路還包括： 一個漏極開路的NMOS晶體管，其柵極端耦合到第一輸出信號，源極端耦合到地電壓， 漏極端提供第二輸出信號，第二輸出信號耦合到與負(fù)載開關(guān)電路關(guān)聯(lián)的驅(qū)動電路上，根據(jù) 具有第一態(tài)的第一輸出信號，至少斷開低端電源開關(guān)。
13. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，第一輸出信號耦合到與負(fù)載開關(guān)電 路有關(guān)的電源通道的驅(qū)動電路上，根據(jù)具有第一態(tài)的第一輸出信號，斷開高端電源開關(guān)和 低端電源開關(guān)。
14. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，高端電源開關(guān)和低端電源開關(guān)包括 MOS晶體管。
15. 權(quán)利要求1所述的容錯電源系統(tǒng)，其特征在于，還包括： 一個多相位控制器，用于為多個電源通道產(chǎn)生控制信號，控制電源通道的循環(huán)周期。
16. -種電源系統(tǒng)中的方法，其特征在于，電源系統(tǒng)接收輸入電壓，并且在輸出電壓節(jié) 點上產(chǎn)生輸出電壓，電源系統(tǒng)包括至少一個負(fù)載開關(guān)電路，用于當(dāng)負(fù)載開關(guān)電路接通時，通 過一個主開關(guān)將輸入電壓連接到負(fù)載開關(guān)電路的輸出節(jié)點，并且至少一個電源通道耦合到 負(fù)載開關(guān)電路，以接收輸入電壓，將電源通道配置成降壓轉(zhuǎn)換器，并且包括至少一個高端電 源開關(guān)和一個低端電源開關(guān)，該方法包括： 測量流經(jīng)負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)的電流； 確定流經(jīng)負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)的電流已經(jīng)超過了電流限制閾值；并且 根據(jù)確定結(jié)果，禁用負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)以及電源通道的低端電源開關(guān)。
17. 權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，禁用負(fù)載開關(guān)電路的主開關(guān)包括： 根據(jù)確定結(jié)果，斷開主開關(guān)，使輸入電壓斷開與負(fù)載開關(guān)電路的輸出節(jié)點的連接。
18. 權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，根據(jù)確定結(jié)果斷開主開關(guān)包括： 根據(jù)確定結(jié)果，在避免對電源系統(tǒng)造成損壞的時間內(nèi)斷開主開關(guān)。
19. 權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，根據(jù)確定結(jié)果斷開主開關(guān)包括： 根據(jù)確定結(jié)果，在納秒級的時間內(nèi)斷開主開關(guān)。
【文檔編號】G01R19/165GK104052258SQ201410074970
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月12日
【發(fā)明者】馬克·托馬斯, 張之也, 張艾倫, 張光銘, 吉爾伯特·李, 松·德蘭 申請人:萬國半導(dǎo)體股份有限公司