雙電源輸入功率均衡控制芯片研制及應(yīng)用

王再躍 桂志明 董兆龍

（安徽合肥聯(lián)寶信息技術(shù)有限公司 安徽省合肥市 230091）

1 研究背景

隨著智能時代的發(fā)展，計算機作為運算的工具已經(jīng)進入到了各個領(lǐng)域，應(yīng)用的場景也是千變?nèi)f化，計算機的型態(tài)也隨著應(yīng)用場景的變化發(fā)生了各種變化，其中，在許多應(yīng)用場景下，設(shè)備會需要兩路互相獨立的輸入電源，舉例如下：

1.1 便攜式計算機：便攜性與快速充電的需求

便攜式計算機在設(shè)計時，考慮到便攜性，電源適配器都設(shè)計的比較輕薄因而功率較小，功率剛好能滿足系統(tǒng)需求，若便攜式計算機在電池電力已經(jīng)耗盡的情況下，使用者需在用計算機工作情況下同時快速充電以便攜帶出去繼續(xù)使用，此時電源適配器沒有多余的電力給計算機充電，會導(dǎo)致無法充電或者充電速度很慢，若此時設(shè)計有雙供電接口，就可以額外連接一個適配器以加速電池充電。

1.2 工業(yè)計算機領(lǐng)域：計算機設(shè)備升級及模塊擴展的需求

在當(dāng)今的工業(yè)制造中，借助計算機的運算能力，工廠的生產(chǎn)制造越來越智能化，生產(chǎn)效率得以大幅提高，工業(yè)計算機連接工廠產(chǎn)線上的所有設(shè)備，讓這些設(shè)備相互協(xié)同，但是隨著生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)線隨時會增加額外的設(shè)備，這就要求計算機也同時增加額外的控制模塊，另外隨著產(chǎn)線的升級，計算機上的設(shè)備也有升級需求，新的控制模塊的加入，或者設(shè)備的升級勢必加大計算機對電力的供給需求，所以工業(yè)計算機在設(shè)計時可以額外設(shè)計一個輸入電源接口，當(dāng)因設(shè)備升級或設(shè)備擴展造成初始電源適配器功率不足時，再連接第二個電源適配器以增大電力供應(yīng)。

以上兩路互相獨立的輸入電源同時對設(shè)備供電的情景，由于兩個互相獨立的電源輸出電壓不會完全相等，即使是相同輸出電壓規(guī)格的適配器由于公差存在，兩者之間也有電壓差值存在。

兩路供電支路的輸出電壓準(zhǔn)位不同，供電路徑不同，路徑的阻抗也不相同，導(dǎo)致在雙路供電時，兩供電支路之間的供電不均衡，甚至是其中有的供電支路輸出完全沒有供電，在只有一個供電支路在供電的狀況下，如果壓差過大，還會造成電流反串，出現(xiàn)從一個供電支路輸出灌入到另一個供電支路里的情況，造成嚴(yán)重安全隱患。

從以上描述可見，兩個電源輸入功率是根據(jù)電源適配器的輸出電壓分配的，并不能夠真正實現(xiàn)雙路電源輸入的設(shè)計目標(biāo)，而目前業(yè)界還沒有方案能很好的解決這個問題，導(dǎo)致開發(fā)人員在遇到此類設(shè)計情形時都只能妥協(xié)設(shè)計要求，最終導(dǎo)致所開發(fā)產(chǎn)品的客戶體驗較差。

2 創(chuàng)新解決方案研究與應(yīng)用

圖1

圖2

圖3

圖4

本研究的目的在于提供一種電子設(shè)備的電力控制裝置及電子設(shè)備，該裝置能夠使各個供電支路之間的供電均衡，并且充分發(fā)揮出了各個供電支路的供電能力，完美解決了雙路電源輸入的功率均衡控制問題，并且方案簡單可靠，成本較低，適用性廣，可以推廣到所有需要雙路電源輸入的應(yīng)用領(lǐng)域，在業(yè)界屬于首創(chuàng)。另外基于本研究開發(fā)的芯片同時集成了雙電源輸入功率智能管理模塊，可以與計算機系統(tǒng)通訊，識別連接的電源適配器參數(shù)，根據(jù)不同的電源適配器功率調(diào)整功率分配比例，并且根據(jù)電源適配器的功率智能管理系統(tǒng)的功率。

2.1 電路架構(gòu)介紹如下

如圖1 所示。

（1）第一電源和第二電源分別連接到計算機的兩個電源輸入端，計算機的兩個電源輸入端都分別串聯(lián)一個電流檢測電阻，兩顆場效應(yīng)晶體管，然后再連接到一起作為系統(tǒng)電力輸入端給計算機的所有設(shè)備提供電力。

（2）一顆控制芯片（處理組件）通過檢測電阻分別檢測到第一電源和第二電源的輸入電流，然后通過內(nèi)部運算，發(fā)送出相位完全相反的兩個脈寬調(diào)制信號，分別去驅(qū)動場效應(yīng)晶體管的通斷。

（3）兩組脈寬調(diào)制信號分別驅(qū)動兩路輸入電源對應(yīng)的場效應(yīng)晶體管輪流通斷，而脈寬調(diào)制信號的占空比則決定這一路電源的電流大小，由于這兩個脈寬調(diào)制信號的占空比變化總是相反的，所以一路的脈寬調(diào)制信號占空比變大，則另一路脈寬調(diào)制信號占比必然變小，當(dāng)控制芯片檢測到兩路輸入電源的電流信號后，若兩路的電流分配不均衡，就可以通過調(diào)整脈寬調(diào)制信號的占空比來調(diào)節(jié)兩路電源輸入電流的大小比例。

圖2 是該電路架構(gòu)工作時兩路場效應(yīng)晶體管上的電流，由于場效應(yīng)晶體管是輪流通斷的，因此從晶體管上流過的電流也被分割成不連續(xù)電流，但由于兩組晶體管上的電流是相位相反的，疊加到一起供給計算機系統(tǒng)的電流就變成連續(xù)的電流，兩組晶體管上的電流方波寬度比就決定了兩路電源適配器的輸出功率分配比例。

由于晶體管上的電流是不連續(xù)的方波，這樣的方波電流峰值較高，對電源適配器的壽命有一定影響，因此實際的工作電路中會在適配器的輸出端串聯(lián)LC 濾波電路，使適配器的輸出電流成為連續(xù)的峰值較低的直流電流。

電路架構(gòu)設(shè)計完成后，還需要設(shè)計功率均衡控制的控制邏輯電路，此邏輯電路既可以使用數(shù)字邏輯實現(xiàn)，也可以通過模擬電路運算實現(xiàn)，在本研究中，我們最終采用的是模擬控制方案，電路示意圖如圖3 所示。

模擬電路控制邏輯描述如下：

（1）運算放大器通過檢測電阻分別采樣電源A 和B 的輸入電流信號，并等比例放大。

（2）比例放大后的電流信號（實際已經(jīng)轉(zhuǎn)換成電壓信號）通過誤差放大器將兩個電流信號的差值放大，形成電流差值信號。

（3）比較器比較電流差值信號與已知三角波信號的電壓大小，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，此脈寬調(diào)制信號通過非門產(chǎn)生相位相反的另一個脈寬調(diào)制信號，兩組脈寬調(diào)制信號分別控制兩路輸入電源串聯(lián)場效應(yīng)晶體管的通斷。

圖4 的示意圖可以清楚的說明此模擬控制電路控制兩路電源輸入功率分配比例的方法。

另外，我們開發(fā)的計算機系統(tǒng)是可以識別連接的電源適配器的功率大小，計算機在識別到連接的電源適配器的功率之后，就會把功率信息傳遞給控制芯片，所以任意兩個不同功率的適配器連接到系統(tǒng)，控制芯片都可以智能自動分配兩路輸入功率的比例，使之等于連接的電源適配器的功率比。這樣就可以完全發(fā)揮兩個電源適配器的最大功率效能，不會出現(xiàn)因功率分配不均衡造成其中一個適配器功率飽和而另一個適配器負載不足的狀況。

以上這種通過控制場效應(yīng)晶體管通斷的占空比來分配輸入功率的方法，巧妙的解決了兩路電源有壓差時同時輸入功率不均衡問題，打破了常規(guī)的解決思路，常規(guī)的解決思路一般是：因為兩路的電壓有壓差才造成功率分配的不均衡，那么如果要做到功率分配均衡，可以將兩路電壓通過電壓轉(zhuǎn)換器調(diào)整成相同的電壓，再連接到一起共同給計算機系統(tǒng)供電。

但通過電壓轉(zhuǎn)換器降壓這種方法控制起來很困難，并且電壓轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的功率損耗，功率損耗引起的熱量很高，因此需要較大的功率器件，成本也更高，相比較本方案控制方法簡單可靠，沒有電壓轉(zhuǎn)換因此功率損失較小，采用的電路器件都是低成本器件，隨著控制芯片的成功開發(fā)，這種方案可以移植到幾乎所有需要雙路電源輸入的場合，解決了目前業(yè)界的設(shè)計難題，提升了用戶體驗。