双电源输入功率均衡控制芯片研制及应用

王再跃 桂志明 董兆龙

（安徽合肥联宝信息技术有限公司 安徽省合肥市 230091）

1 研究背景

随着智能时代的发展，计算机作为运算的工具已经进入到了各个领域，应用的场景也是千变万化，计算机的型态也随着应用场景的变化发生了各种变化，其中，在许多应用场景下，设备会需要两路互相独立的输入电源，举例如下：

1.1 便携式计算机：便携性与快速充电的需求

便携式计算机在设计时，考虑到便携性，电源适配器都设计的比较轻薄因而功率较小，功率刚好能满足系统需求，若便携式计算机在电池电力已经耗尽的情况下，使用者需在用计算机工作情况下同时快速充电以便携带出去继续使用，此时电源适配器没有多余的电力给计算机充电，会导致无法充电或者充电速度很慢，若此时设计有双供电接口，就可以额外连接一个适配器以加速电池充电。

1.2 工业计算机领域：计算机设备升级及模块扩展的需求

在当今的工业制造中，借助计算机的运算能力，工厂的生产制造越来越智能化，生产效率得以大幅提高，工业计算机连接工厂产线上的所有设备，让这些设备相互协同，但是随着生产的发展，产线随时会增加额外的设备，这就要求计算机也同时增加额外的控制模块，另外随着产线的升级，计算机上的设备也有升级需求，新的控制模块的加入，或者设备的升级势必加大计算机对电力的供给需求，所以工业计算机在设计时可以额外设计一个输入电源接口，当因设备升级或设备扩展造成初始电源适配器功率不足时，再连接第二个电源适配器以增大电力供应。

以上两路互相独立的输入电源同时对设备供电的情景，由于两个互相独立的电源输出电压不会完全相等，即使是相同输出电压规格的适配器由于公差存在，两者之间也有电压差值存在。

两路供电支路的输出电压准位不同，供电路径不同，路径的阻抗也不相同，导致在双路供电时，两供电支路之间的供电不均衡，甚至是其中有的供电支路输出完全没有供电，在只有一个供电支路在供电的状况下，如果压差过大，还会造成电流反串，出现从一个供电支路输出灌入到另一个供电支路里的情况，造成严重安全隐患。

从以上描述可见，两个电源输入功率是根据电源适配器的输出电压分配的，并不能够真正实现双路电源输入的设计目标，而目前业界还没有方案能很好的解决这个问题，导致开发人员在遇到此类设计情形时都只能妥协设计要求，最终导致所开发产品的客户体验较差。

2 创新解决方案研究与应用

图1

图2

图3

图4

本研究的目的在于提供一种电子设备的电力控制装置及电子设备，该装置能够使各个供电支路之间的供电均衡，并且充分发挥出了各个供电支路的供电能力，完美解决了双路电源输入的功率均衡控制问题，并且方案简单可靠，成本较低，适用性广，可以推广到所有需要双路电源输入的应用领域，在业界属于首创。另外基于本研究开发的芯片同时集成了双电源输入功率智能管理模块，可以与计算机系统通讯，识别连接的电源适配器参数，根据不同的电源适配器功率调整功率分配比例，并且根据电源适配器的功率智能管理系统的功率。

2.1 电路架构介绍如下

如图1 所示。

（1）第一电源和第二电源分别连接到计算机的两个电源输入端，计算机的两个电源输入端都分别串联一个电流检测电阻，两颗场效应晶体管，然后再连接到一起作为系统电力输入端给计算机的所有设备提供电力。

（2）一颗控制芯片（处理组件）通过检测电阻分别检测到第一电源和第二电源的输入电流，然后通过内部运算，发送出相位完全相反的两个脉宽调制信号，分别去驱动场效应晶体管的通断。

（3）两组脉宽调制信号分别驱动两路输入电源对应的场效应晶体管轮流通断，而脉宽调制信号的占空比则决定这一路电源的电流大小，由于这两个脉宽调制信号的占空比变化总是相反的，所以一路的脉宽调制信号占空比变大，则另一路脉宽调制信号占比必然变小，当控制芯片检测到两路输入电源的电流信号后，若两路的电流分配不均衡，就可以通过调整脉宽调制信号的占空比来调节两路电源输入电流的大小比例。

图2 是该电路架构工作时两路场效应晶体管上的电流，由于场效应晶体管是轮流通断的，因此从晶体管上流过的电流也被分割成不连续电流，但由于两组晶体管上的电流是相位相反的，叠加到一起供给计算机系统的电流就变成连续的电流，两组晶体管上的电流方波宽度比就决定了两路电源适配器的输出功率分配比例。

由于晶体管上的电流是不连续的方波，这样的方波电流峰值较高，对电源适配器的寿命有一定影响，因此实际的工作电路中会在适配器的输出端串联LC 滤波电路，使适配器的输出电流成为连续的峰值较低的直流电流。

电路架构设计完成后，还需要设计功率均衡控制的控制逻辑电路，此逻辑电路既可以使用数字逻辑实现，也可以通过模拟电路运算实现，在本研究中，我们最终采用的是模拟控制方案，电路示意图如图3 所示。

模拟电路控制逻辑描述如下：

（1）运算放大器通过检测电阻分别采样电源A 和B 的输入电流信号，并等比例放大。

（2）比例放大后的电流信号（实际已经转换成电压信号）通过误差放大器将两个电流信号的差值放大，形成电流差值信号。

（3）比较器比较电流差值信号与已知三角波信号的电压大小，产生脉宽调制信号，此脉宽调制信号通过非门产生相位相反的另一个脉宽调制信号，两组脉宽调制信号分别控制两路输入电源串联场效应晶体管的通断。

图4 的示意图可以清楚的说明此模拟控制电路控制两路电源输入功率分配比例的方法。

另外，我们开发的计算机系统是可以识别连接的电源适配器的功率大小，计算机在识别到连接的电源适配器的功率之后，就会把功率信息传递给控制芯片，所以任意两个不同功率的适配器连接到系统，控制芯片都可以智能自动分配两路输入功率的比例，使之等于连接的电源适配器的功率比。这样就可以完全发挥两个电源适配器的最大功率效能，不会出现因功率分配不均衡造成其中一个适配器功率饱和而另一个适配器负载不足的状况。

以上这种通过控制场效应晶体管通断的占空比来分配输入功率的方法，巧妙的解决了两路电源有压差时同时输入功率不均衡问题，打破了常规的解决思路，常规的解决思路一般是：因为两路的电压有压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，可以将两路电压通过电压转换器调整成相同的电压，再连接到一起共同给计算机系统供电。

但通过电压转换器降压这种方法控制起来很困难，并且电压转换过程中会产生很大的功率损耗，功率损耗引起的热量很高，因此需要较大的功率器件，成本也更高，相比较本方案控制方法简单可靠，没有电压转换因此功率损失较小，采用的电路器件都是低成本器件，随着控制芯片的成功开发，这种方案可以移植到几乎所有需要双路电源输入的场合，解决了目前业界的设计难题，提升了用户体验。