[发明专利]使用功率损耗模型优化电源系统效率的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及电源子系统结构，以及更具体地，涉及通过使用功率装置的功率损耗模型来有效提供能量管理并控制子系统效率的电源子系统。

背景技术

在本领域中，已知使用包括多级功率变换的分布式电源子系统结构来为微处理器、存储器和其他电子设备提供必要的总线电压。常用的系统可能以交流(AC)初级电压源来进行操作，该交流初级电压源使用独立的AC/DC转换器被转换为中间直流(DC)总线电压。该中间DC总线电压随后通常分布在整个系统上，以及局部地被次级DC/DC转换器转换为与系统负荷的输入电压要求匹配的更低的电压。可选地，系统可以以初级DC总线电压来运行，该初级DC总线电压首先由独立的DC/DC转换器转换为中间总线电压。中间电压再次被分配至次级调节器或转换器以提供所需的电源电压。传统系统的示例在图1和2中示出，其分别示出了以230V交流操作、具有12V直流的中间总线的AC系统，以及以48V直流操作、具有12V直流的中间总线的DC系统。

任何功率转换器或调节器的效率典型地都是其工作点的复变函数，除了其他参数之外，取决于输入电压、输出电压、负荷电流以及装置的温度。因此，当负荷以高时钟频率或低时钟频率被接通或断开以及系统被加热或冷却时，效率通常会随着系统的动作而改变。然而，一旦为特定工作点设计和优化之后，传统的电源子系统就静态操作，而与系统的动作无关。

在图1所示的系统中，初级功率转换器的效率趋向于随着输入电压的增加而增加，以及效率随着输出电压降低而降低以及随着温度升高而降低。类似地，调节器的效率趋向于随着输入电压降低以及输出电压增加而增加，以及效率随着温度增加而降低。图2中的系统的行为也类似。因此，可以清晰地看到中间电压的选择将影响整个系统的效率。降低中间电压将降低初级转换器的效率，但增加次级调节器的效率。因此，对于给定的系统的操作状态，存在将会最大化系统的整体效率的优化中间电压。类似的，尽管初级转换器和次级调节器的效率都随着温度的增加而降低，但是运行风扇或其他有源冷却系统将消耗功率并因此降低系统效率。因此，对于给定的系统的运行状态，也存在将会最大化电源效率的优化的温度设定点。

在典型的系统中，对于单个工作点优化电源子系统，该单个工作点优选地将会是找到的系统最经常处在的工作点。中间电压和温度控制点都被设置到该工作点并且通常保持固定，而不管系统的实际操作状态。然而，为了减少总的能耗，基于实际系统动作来动态地优化电源子系统的设置点是更好的。然而，在很多情况下，以足够的精度直接测量功率转换装置的功率损耗来进行高效控制是不实际的。很大程度上，这是因为测量功率损耗涉及采用两种大数值的数据(输入功率和输出功率)的差来实现小的功率损耗测量。例如，典型的转换器可以以100W的输入功率和92W的输出功率运行，导致8W的功率损耗。如果输入和输出功率损耗都是以+/-2％的精度测量的，则其自身就具有很大的争议，功率损耗的计算将如下所示呈现了大的总误差：

(100W+/-2W)-(92W+/-1.8W)＝8W+/-2.7W

假设输入和输出功率测量误差是不相关的。换句话说，功率损耗测量的误差是+/-34％，这显然太不精确以至于不能用于有效地控制系统效率。当功率转换器的效率随着技术发展而改进时，可是这个问题却在功率损耗与输入功率和输出功率相比变得更小时变得更加严重。

因此，提供一种使用有效控制来动态优化设计设定点以在系统动作改变时优化子系统效率的电源子系统是有利的。以及提供一种以提供足够精度来允许设计设定点的动态优化的方式辨别和监视电源子系统组件的功率损耗的方法也是有利的。

发明内容

本发明提供了一种电源子系统结构以及一种特征化电源子系统结构部件以允许动态优化设计设定点从而在系统的所有操作状态上实现最大功率效率的方法。

根据本发明的电源子系统的实施例包括功率总线，可以是交流(AC)或直流(DC)。初级功率转换器将初级总线电压转换为分配至一个或多个次级功率转换器的中间电压。次级功率转换器可以是线性调节器、开关转换器、升压转换器、降压转换器或本领域已知的任何其他类型的电压调节装置。该一个或多个次级转换器调节提供给系统负荷的功率。