基于总线仲裁机制的最大电流自动均流数字总线系统及方法

技术领域

本发明涉及基于总线仲裁机制的最大电流自动均流数字总线系统及方法。

背景技术

大容量电源可以通过多个独立小容量单元化电源模块经过组合构成，这种设计可明显提高电源系统的可扩展性、可维护性和容错性。实际应用中，采用将各输出电压标称一致的电源模块的最终输出并联在一起，从而实现电源容量的扩展。由于各电源模块间存在输出电压测量偏差，以及其他工作环境的差别，并联后可能出现各电源模块负载和发热情况不一致，且差别明显的情况。极端情况下，甚至会出现部分电源模块不输出功率，而部分电源模块过载运行的恶劣情形。因此，多电源模块并联时，需要解决各电源模块输出功率均衡的问题。由于各电源模块输出相互并联且输出电压相同，输出功率的均衡就等价于输出电流的均衡，也就是要解决并联电源系统中各电源模块间均流的问题。

现有技术中，解决单元模块间均流的方案有很多，其中使用均流母线的自动均流法，因其控制结构相对简单，均流特性较好，被较多采用。自动均流法主要有平均电流法和最大电流法两类：平均电流法中，各模块按并联后的电源总输出电流除以模块个数的平均电流值作为各模块输出电流的控制目标，均流目标简单明了。但是，当任一个电源模块退出工作时，各个模块得到的均流目标值不再合理，因此更适用于系统结构组成固定的电源系统。而最大电流自动均流法，以所有模块输出电流中的最大值为均流目标值，与并联的模块个数没有关联，克服了这个缺点，均流效果较好。

均流母线主要分模拟和数字两种，对于电磁环境恶劣的电源系统内部，模拟均流总线存在易受到干扰、可扩展性差、电气隔离成本高等诸多问题，应用受到很大限制。伴随着数字电源控制技术的广泛应用，基于数字通讯方式的数字均流母线应用也越来越普遍。在采用最大电流均流法的电源系统中，数字均流母线上的并联模块各自发送自身输出电流值到总线上，同时接收其他模块发送的输出电流值，并从中筛选出最大值作为均流目标。由于通用数字通讯的特性，所有模块只能轮流占用通讯总线发送数据，因此完成一轮通讯的时间与总线上模块数量成正比。为了保证总线上所有模块都有均衡的时间占用通讯总线控制权，需要专门设计协调机制来管理各个模块的发送时机。当电源系统中模块数目众多时，采用基于通用数字通讯的数字均流总线，取得最大电流的时间也会明显增长，导致实现均流的响应速度慢、动态响应较差，均流效果下降，只能应用于一些响应速度要求较慢的应用场合。

发明内容

针对上述问题，本发明提供基于总线仲裁机制的最大电流自动均流数字总线系统及方法，可大大提高均流总线上最大电流数据取得的速度，且各个电源模块不需要针对均流配置ID号或地址，有效提高电源系统的可扩展性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

基于总线仲裁机制的最大电流自动均流数字总线系统，包括与各并联电源模块连接的数字均流总线，所述数字均流总线上设置有线或逻辑模块且数字均流总线分别通过各接口模块与电源模块连接：

所述接口模块包括发送出口单元、串行移位输出单元、串行移位输入单元和仲裁管理单元：

所述串行移位输入单元用于按照约定的波特率从高位到低位顺序移入数字均流总线上传送的数据至对应的电源模块数字控制中心；

所述串行移位输出单元用于将本机对应的电源模块的电流值按照约定的波特率从高位到低位顺序向发送出口单元和仲裁管理单元传递；

所述仲裁管理单元在侦测到数字均流总线上有有效的起始位后，将本机对应的电源模块电流值加载到串行移位输出单元，并在约定的时间后开启发送出口单元，发送本机对应的电源模块电流值；同时，当侦测到数字均流总线数据与本机发送的数据不一致时，关闭发送出口单元；

各发送出口单元均通过线或逻辑模块与数字均流总线相连，数字均流总线的数据呈现为各发送出口单元数据的线或逻辑结果。

优选，数字均流总线采用异步串行通讯方式，其通讯数据帧结构为：起始位+数据位+校验位，其中，数据位采用高位在前、低位在后的顺序，所述起始位用于通知所有电源模块进入发送状态。

优选，在数字均流总线空闲时，仲裁管理单元可主动发起通讯。

对应的，基于总线仲裁机制的最大电流自动均流方法，包括：

当各个电源模块的仲裁管理单元侦测到数字均流总线上有有效的起始位后，立刻将本机对应的电源模块的电流值装载到串行移位输出单元，并在约定的时间后开始通过线或逻辑模块向数字均流总线发送数据；

数字均流总线数据为各发送单元数据线或运算结果；

各电源模块的仲裁管理单元在侦测到数字均流总线数据与本机发送的数据不一致时，关闭发送出口单元直到下一轮通讯，同时串行移位输入单元同步移入数字均流总线上的数据至本机对应的电源模块数字控制中心；

各电源模块数字控制中心根据接收到的完整数据进行最大电流均流控制。

优选，当数字均流总线空闲时，每个电源模块都可发起通讯，发起通讯的电源模块首先发送起始位表示新的一轮总线通讯开始。

本发明的有益效果是：

第一、采用本发明的均流总线系统，完整接收到的数据就是所有电源模块的输出电流最大值，可以直接提供给本机对应的电源模块数字控制中心用于最大电流均流控制，从而实现了所有电源模块并行发送电流数据和获取最大电流值同时完成，其取得最大电流值所消耗的时间是固定不变的，与系统中电源模块数量无关，可帮助降低单个电源模块内均流环控制参数整定的复杂性。同时，由于响应速度的提高，并联电源的应用领域也可以得到进一步扩展。

第二、采用本发明的均流数字总线，可大大提高均流总线上最大电流数据取得的速度，既兼顾了模拟量均流总线的响应时间，也克服了模拟量均流总线容易被干扰的缺点。同时，也克服了基于通用数字通讯均流母线随着并联模块数量增多，均流响应时间增加的缺点。

第三、本发明的均流总线上的各个模块不需要针对均流配置ID号或地址，有效提高电源系统的可扩展性，可以按需求增加并联模块的个数，尤其大容量电源设计可通过调整并联模块电源的数量，来满足各种容量等级的电源需求。

附图说明

图1是本发明数字均流总线在并联电源系统中所处的位置示意图；

图2是本发明基于总线仲裁机制的最大电流自动均流数字总线系统的接口模块框图；

图3是本发明数字均流总线的通讯数据帧结构示意图；

图4是本发明数字均流总线通讯电源模块和总线的发送时序示例。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

基于总线仲裁机制的最大电流自动均流数字总线系统，包括与各并联电源模块连接的数字均流总线，在由多电源模块并联组成的电源系统里，如图1所示，可以使用一对通讯线将各个电源模块连接起来，构成数字均流总线。各个电源模块通过数字均流总线构成的通讯通道实现各电源模块输出电流最大值的快速抽取，而通过取得的电流最大值用做各电源模块均流控制的目标值，从而实现最大电流自动均流方案。

以图1的电源系统为例，假设电源系统共有n个电源模块，分别为电源模块1、电源模块2……电源模块n，n个电源模块通过数字均流总线连接，而为了实现快速抽取n个电源模块输出电流最大值，基于总线仲裁机制的最大电流自动均流数字总线系统还包括1个线或逻辑模块和n个接口模块，数字均流总线分别通过n个接口模块与n个电源模块连接，1个线或逻辑模块用于接收n个电源模块的发送值并计算输出数字均流总线的发送值，下面结合附图进行详细介绍。

如图2所示，所述接口模块包括发送出口单元、串行移位输出单元、串行移位输入单元和仲裁管理单元：

所述串行移位输入单元用于按照约定的波特率从高位到低位顺序移入数字均流总线上传送的数据至对应的电源模块数字控制中心。其中，电源模块数字控制中心是对应的电源模块的控制器（每个电源模块对应一个电源模块数字控制中心），其是均流总线的上一级单元，不属于数字均流总线的一部分。

所述串行移位输出单元用于将本机对应的电源模块的电流值按照约定的波特率从高位到低位顺序向发送出口单元和仲裁管理单元传递。

所述仲裁管理单元负责协调各单元或模块工作：在侦测到数字均流总线上有有效的起始位后，将本机对应的电源模块电流值加载到串行移位输出单元，并在约定的时间后开启发送出口单元，发送本机对应的电源模块电流值；同时，当侦测到数字均流总线数据与本机发送的数据不一致时，关闭发送出口单元，放弃总线控制权。

发送出口单元在本机失去总线控制权后关闭，阻止其数据影响总线状态。优选，在数字均流总线空闲时，仲裁管理单元可主动发起通讯。

需说明的是：发送出口单元、串行移位输出单元、串行移位输入单元和仲裁管理单元等，可以使用独立的电路实现，也可以在控制器里通过软件来实现。

其中，各发送出口单元均通过线或逻辑模块与数字均流总线相连，数字均流总线数据表现为各发送出口单元线或逻辑模块的计算结果。

线或逻辑模块用于隔离本机电源模块内部逻辑状态与数字均流总线逻辑状态，使得数字均流总线上表示出的逻辑状态是各个电源模块发送数据的线或逻辑。也即，只要有一个电源模块发送逻辑“1”，数字均流总线就表达为逻辑“1”，只有全部电源模块发送逻辑为“0”时，数字均流总线才会表达为逻辑“0”。此为现有技术，实际应用中，可以通过一个二极管引到总线，也可以用三极管来实现等，实现方法很多，在此不再赘述。

优选，数字均流总线采用异步串行通讯方式，如图3所示，其通讯数据帧结构为：起始位+数据位+校验位，其中，数据位采用高位在前、低位在后的顺序，所述起始位用于通知所有电源模块进入发送状态。数据位数可按实际的需求统一配置，但是发送时必须是数据的高位在前低位在后，否则无法正常取得电流最大值。校验位可根据需求设置不同的校验方式，提高通讯可靠性。

对应的，基于总线仲裁机制的最大电流自动均流方法，包括：

当各个电源模块的仲裁管理单元侦测到数字均流总线上有有效的起始位后，立刻将本机对应的电源模块的电流值装载到串行移位输出单元，并在约定的时间后开始通过线或逻辑模块向数字均流总线发送数据；

数字均流总线呈现的数据为各个发送出口单元线或逻辑的计算结果；

各电源模块的仲裁管理单元在侦测到数字均流总线数据与本机发送的数据不一致时，关闭发送出口单元直到下一轮通讯，同时串行移位输入单元同步移入数字均流总线上的数据至本机对应的电源模块数字控制中心；

各电源模块数字控制中心根据接收到的完整数据进行最大电流均流控制。

优选，当数字均流总线空闲时，每个电源模块都可发起通讯，发起通讯的电源模块首先发送起始位表示新的一轮总线通讯开始。

图4所示为一次通讯过程各个电源模块与数字均流总线上数据发送的过程实例，为了方便说明，图4中示例由3个电源模块组成，三个电源模块输出电流数值分别为1023、1196和1229。

如图4中所示，数字均流总线空闲时，即t0时刻之前，数字均流总线保持在逻辑“0”状态，当处于数字均流总线空闲状态时，每个电源模块都可以按照自己的需求发起通讯。发起通讯的电源模块首先发出起始位，则表示新的一轮总线通讯开始。各个电源模块的仲裁管理单元侦测到有效的起始位后，立刻将本机对应的电源模块的电流值装载到串行移位输出单元，并在约定的时间后开始数据发送，即图4中的t1时刻，此时，各电源模块发送出口单元开启，允许数据传递到后续的线或逻辑模块去影响总线状态，其中，需要所有的电源模块同步发送数据且发送的波特率也是需要完全一致。

数据通讯开始后，仲裁管理单元同时检测本机发送的数据以及总线上表达的数据，根据线或逻辑关系，当两者不一致时，必然是发送逻辑为“0”时而总线表达为逻辑“1”，由于各电源模块同步发送的都是本身电流值，且数据是从高位到低位顺序发送，这说明通讯总线上存在有其他电源输出电流比本机大。本机输出电流既然不可能为最大，也就没有继续发送的必要，此后，仲裁管理单元关闭发送出口单元直到下一轮通讯，防止本机后续数据干扰总线状态。

如图4中所示，模块1在t2时刻，模块2在t3时刻发现存在比自身电流更大的电源模块存在，主动关闭发送出口单元。需说明的是：从时序逻辑上，理论上是可以不考虑延时的，但在实际应用中，考虑到信号建立时间和各电源模块计时误差，这个检测过程需要发送数据后作适当延时后进行。最终，只有输出电流值最大的电源模块可以完整发送数据帧，如图4中的模块3，也就是只有电源模块中的最大输出电流值可以表达在数据总线上，从而，利用总线仲裁机制在各电源模块数据发送过程的同时，实现了最大电流的抽取。

仲裁管理单元在数据发送的同时，串行移入单元同步移入总线上的数据，完整接收到的数据就是所有电源模块的输出电流最大值，按数据帧约定，所有数据接收完成后，可通过校验码核验数据的有效性，当数据有效时，可以直接提供给上一级控制单元（即本机对应的电源模块数字控制中心）用于最大电流均流控制，从而实现了所有电源模块并行发送电流数据和获取最大电流值同时完成。同样，从时序逻辑上，理论上是可以不考虑延时的，但在实际应用中，考虑到信号建立时间和计时误差，移入动作需要比发送时刻作适当延时。

第一、采用本发明的均流总线系统，完整接收到的数据就是所有电源模块的输出电流最大值，可以直接提供给本机对应的电源模块数字控制中心用于最大电流均流控制，从而实现了所有电源模块并行发送电流数据和获取最大电流值同时完成，其取得最大电流值所消耗的时间是固定不变的，与系统中电源模块数量无关，可帮助降低单个电源模块内均流环控制参数整定的复杂性。同时，由于响应速度的提高，并联电源的应用领域也可以得到进一步扩展。

第二、采用本发明的均流数字总线，可大大提高均流总线上最大电流数据取得的速度，既兼顾了模拟量均流总线的响应时间，也克服了模拟量均流总线容易被干扰的缺点。同时，也克服了基于通用数字通讯均流母线随着并联模块数量增多，均流响应时间增加的缺点。

第三、本发明的均流总线上的各个模块不需要针对均流配置ID号或地址，有效提高电源系统的可扩展性，可以按需求增加并联模块的个数，尤其大容量电源设计可通过调整并联模块电源的数量，来满足各种容量等级的电源需求。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。