用于控制对直流计算机部件的电力输送的系统技术方案

披露了控制向直流部件如计算机部件、微处理器或类似部件供电的方法和设备。提出了适于更快速部件、更低电压更高电流要求的电压调节组件（１１２）的设计。实施例特别适合于会导致负载电导快速变化的情况，这种快速变化甚至是在低于微秒时域内发生，这在计算机应用及类似情况以及为电子设备，特别是配电系统以及要求低电压、大电流的系统供电的情况下是普遍存在的。实施例和子元件为低电压、大电流负载提供能量存储，还提供快速时间变化电流的能力，提供相当低的电感连接，允许ＶＲＭ’ｓ（１１２）以及类似部件放置在离被供电的电子负载（１８６）相当远的位置，提供来自被隔离的变压器的稳定电压，不需反馈控制的可变负载下的高频交流至直流转换器（１０２）。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术可适用于对需要低电压和大电流的各种电路供电。而且，其提供快速改变电流的能力。具体地说，其适用于微处理器和类似电路，尤其是当这些电路需要小于2伏的电压并且计划进一步使用小于1伏的电压时适用。补偿转换器布局当前正用于对微处理器供电。对于一个2.5伏、13安培需求，300kHz的开关频率是不足的。为了满足实质的阶越负载变化，需要一个大输出电容。当微处理器电压需求下降到1.0伏、50安培时，现有技术布局变得更加不适用。随着电压下降(伴随着差动电压容限下降)2.5倍和电流增加4倍，现在需要更大的输出电容器来维持所需的阶越响应。但是，把这样一个大电容器设置在靠近微处理器连接的位置正变得越来越困难或者不可能。而且，这种方法的成本随着电压的下降而增加。该问题的一个解决方法是增加电压调整组件的频率。但是，当这种结构中的频率增加时，其波形的非谐振边沿造成了诸如FET输出电容转换等问题并且防碍开关频率增加到超过约1兆赫。随着微处理器和其他低电压电子器件的研发，对其提供合适的电源日益困难，使得上述情况越来越严重。本专利技术提供了满足这种需要的电源。其允许更高的频率并且可以处理更高的电流。随着微处理器和其他低电压电子器件的研发，对其提供合适的电源日益困难，使得上述情况越来越严重。如上所述，本专利技术具体涉及对计算机系统供电。其中可以产生开关模式DC为该系统的内部部件供电。这在微处理器具有更高的要求和功率变化的一些新型设计中有特殊应用。它还涉及为低电压大电流电子设备供电的领域。尽管如上所述，本专利技术适用于计算领域，并且也是在此范围内提出了以下说明，但是应当理解其他的实施例决不仅仅局限于计算领域，它们还可应用于多种吸收电功率的功率吸收负载突然改变其功率吸收特性的各种情况(也就是说，其阻抗可能会发生急剧变化)。如果可以对这些负载进行物理分离以便在功率承载导体的动态阻抗上的电压降是加在这些负载上的电压的一个重要部分时，上面这些实施例也可以适用。它们还日益适用于设计折衷方案造成工作电压稳定降低的情况。这些情况可能会在电信、雷达系统、车辆电源系统等等以及计算系统中出现。另外，DC/AC转换器本身也会应用于其他更广阔的范围内。背景最近几年计算系统的结构经历了巨大的变化，这主要是由于微型计算机从最初工作速度为几百千赫兹的四位芯片发展为现代工作速度为几百兆赫兹的32位和64位的微处理器。随着芯片设计者追求越来越高的工作速度，与散热相关的问题就会出现。也就是说，随着电路速度的增加，其内部逻辑开关对其各自周围电容的放电速度也必须更快。因为存储在电容中的能量是固定的(在给定的电压下)，随着速度的增加，必须在开关中散去的能量会以每秒相当多的次数堆积于开关处。因为每秒的能量被定义为功率，因此开关中损失的功率会直接随频率而增加。从另一方面来说，电容中存储的能量随电压的平方增加，因此以二伏的电压充电的电容器所存储的能量只有以三伏的电压充电的相同的电容器所存储的能量的44％。因此，设计的工作电压为二伏的微型计算机在以相同的速度工作时比工作电压为三伏的相同的微处理器要散去的功率少得多。因此，存在降低微处理器工作电压的趋势。与较高的工作电压相比，其他的因素也会使得微处理器在较低的电压下工作时会显示出较低的最大速度。也就是说，如果电路以全速工作，若只是降低该电路的电压，那么电路的工作就会不正常，它的速度(“时钟速度”)也将不得不降低。如果要保持全速性能并且依然在较低的电压下工作，那么就必须对电路进行重新设计使其具有更小的物理尺寸。同样随着电路尺寸的减小，层的厚度也会减小，这样就需要降低工作电压来保持足够的余度以防止设备中绝缘氧化层被击穿。在过去的几年中，这些步骤确定了微处理器设计的进程。因此以为其产品寻求最大速度为目的的主要的微处理器设计者花费了相当大的努力权衡下列因素-越高速度的芯片越值钱；-越高速度的芯片必须散去更多的热量；-散热存在限制；-在给定的速度下较低的电压会减少所产生的热；-在给定的电压下越小的设备会工作的越快。当然，除了上面这些因素外还存在很多很多重要的需综合考虑的因素，但是上面的这些因素给出了与当前专利技术的相同的方面的基本要素。这些因素的结果是使得微处理器设计者能够设计出在更低电压下工作的产品。早期的产品是在五伏的电压下工作；后来降低为3.3，3.0，2.7，2.3，在本文写作时主要的产品是在2.0伏的电压下工作。将来工作电压还会进一步降低，预计未来产品的工作电压将会为1.8，1.5，1.3，1.0甚至低于一伏，最终可能达到0.4伏。与此同时，放热方面的进展预计可以使处理器在越来越高的散热水平工作。早期的芯片散热大概1瓦特；当前的产品在散热30瓦特的水平上工作，未来的散热结构会散去多达100瓦特的处理器功率。因为所散去的功率与工作电压的平方成正比，即便放热能力提高了，但是在更低的工作电压下工作的趋势仍然存在。所有这些都是由下面这个基本的因素推动的芯片速度越高越值钱。因此设计者会利用各种方法来增加芯片的速度，这样就使得芯片的尺寸越来越小，电压越来越低，功率越来越大。对于给定的功率来说，随着电压的降低，电流会增加，因为功率等于电压乘以电流。如果与此同时，放热方面的改进允许更高的功率，电流还可以增加的更多。这意味着电流会上升很快。早期的芯片只使用一安培馈电电流中的一小部分工作，当前的结构所使用的电流高达15-50安培，未来的结构可能会使用多达100安培或更高的电流。随着处理器速度的增加，它们的供电要求也会增加。当处理器处于空闲时，它只使用很小的电流，然后重要事件发生(例如存储元件中一组关键数据抵达或外部事件中的信号抵达)，这会使得处理器突然开始快速计算。处理器所使用的电流也会产生急剧变化，这会具有严重的电力后果。电感可用于测量磁场中的能量存储。所有的带电导体都会与当前的磁场相关联，这代表了能量存储。本
内的工作者已经熟知磁场中存储的能量为磁场平方的体积积分的一半。因为磁场与导体中的电流线性相关，因此便显示出带电导体所存储的能量与电流平方的一半成比例，比例因子称为该导体的电感。系统中存储的能量由电流源提供，并且对于给定的电源而言，所提供能量的速率也有限制，这意味着所存储的能量要在一定时间内才能逐步形成。因此能量存储机构的存在自然地减慢了电路速度，因为能量必须在电流逐步形成之前以一定速率产生并进入磁场。有效电压，电感，导体中电流的变化速率由下面的公式联系起来，该公式对于本
内的技术人员都是众所周知的V＝L×I/t，其中L为导体的电感，I/t为导体中电流的变化速率。此公式指出，要在电源系统的负载中产生给定的电流变化所需要的电压会随该变化的时标减小而增加，还会随与该负载相连的电感的增加而增加。随着微处理器速度的增加，时标的减小，以及有效电压的减小，此公式要求电感成比例减小。通常，在为半导体器件供电时，不需要考虑该器件连接的电感，但是对于现代电子设备特别是微处理器，这些因素将需要迫切注意降低连接的电感。例如，在本技术发展的当前状态，微处理器是在二伏的电压下工作，可以容许其电源线的瞬时电压占7％左右也就是140毫伏。同样的微处理器要求其电源电流的变化速率为至少1/3或甚至几乎1安培每纳秒，或3×108或109安培每秒。上面的公式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流供电的计算机系统，包括：ａ．公用电源输入，提供具有一工频的交流公用电源；ｂ．线电压整流器元件，把所述交流公用电源转换为直流信号；ｃ．逆变器元件，响应所述直流信号建立一个交流电源输出；ｄ．频率驱动器，控制所述逆变器元件 以建立一个配电频率；ｅ．供电变压器元件，响应于所述交流电源输出，并在至少一个配电电压建立至少一个配电输出；ｆ．电源分配系统，响应于所述供电变压器元件，并在与所述逆变器元件电气远离的位置提供计算机部件电源；ｇ．至少一个电气远离的电 压调节组件，响应于所述电源分配系统，该电压调节组件包括：１）交流电源输入；２）至少一个电压调节组件变压器元件，响应于所述交流电源输入；３）第一开关电压调节组件整流器元件，响应于所述电压调节组件变压器元件；４）第二开关电压调节 组件整流器元件，响应于所述电压调节组件变压器元件；５）无源整流器控制，所述第一和第二开关电压调节组件整流器元件对其响应；６）偏置输入，所述无源整流器控制对其响应；７）二次谐波陷波器，响应于所述第一和第二电压调节组件整流器元件； ８）实质上的非容性直流输出系统，响应于所述二次谐波陷波器；ｈ．至少一个计算机部件，响应于所述直流供电输出。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特M波特，肯尼迪G古罗夫，阿纳托利V莱德聂夫，
申请(专利权)人：高级能源工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]