CN101018012A

CN101018012A - 可编程序的电感电流控制dc－dc转换器

Info

Publication number: CN101018012A
Application number: CNA2006100025521A
Authority: CN
Inventors: 李长辉; 黎惠恩; 陈捷生; 柯展东
Original assignee: JINGMEN SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JINGMEN SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; Solomon Systech Ltd
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2026-01-06
Also published as: US7239117B2; TWI315120B; KR20060080858A; TW200625770A; CN100530915C; US20060145675A1; KR101095977B1

Abstract

一种DC－DC转换器电路，其包括一个具有电感电流的电感，一个用来产生仿真的电感电流的电感电流仿真电路及一个与该仿真电路连接的控制电路，其用来接收该仿真电感电流并为该DC－DC转换器确定峰值电感电流。

Description

可编程序的电感电流控制DC-DC转换器

技术领域

本发明一般涉及电流开关控制，更特别涉及一种用于直流(“DC”)转换的可编程序的电感电流控制系统和方法。

背景技术

DC-DC功率转换器常常用于诸如功率电源装置、计算机、打印机和成像系统之类的电子设备和系统的电源供给。这类DC-DC转换器有好多种结构，可用来从输入源电压输出所想要的电压，其包括反向或降压转换器(图1)、升压转换器(图2)、以及回扫转换器(图3)。图1为一个DC-DC降压转换器100的电路图，其具有一个电感102、一个电容104、开关106a和106b，以及升压回路108a和降压回路108b来产生一个比输入源电压V_in低的输出电压V_out。图2为一个DC-DC升压转换器200的电路图，其具有一个电感202、一个电容204、开关206a和206b，以及升压回路208a和降压回路208b。图3为一个DC-DC回扫转换器300的电路图，它含有一个电感302、一个电容304、开关306a和306b，以及升压回路308a和降压回路308b。

为了有效控制DC-DC转换器和其电压调整器电路，必须准确测量电感电流。在降压转换器(图1)中检测输出电感电流的通常做法为采用一个与输出电感串联的检测电阻来进行。输出电感电流就被重建为跨在检测电阻上的微分电压。接着以电流模式控制调整输出电压，其中将检测到的信号用作输出电压反馈。这类带有检测电阻的DC-DC转换器的一个例子已示于USP5,731,731中。直接检测电感电流来控制DC-DC转换器的其他例子如在USP5,982,160和USP6,377,034中所示。图4为一个常规的DC-DC降压转换器400的电路图，其带有一个控制电路402、一个检测电路404和一个检测电阻406。然而，其检测电阻的值必须足够大，以便保持检测到的信号大于噪声。检测电阻非必要地消耗了功率导致其严重的功率缺陷。

也有办法来间接地检测或者推导出控制DC-DC转换器的电感电流。间接检测该电感电流的例子可包括在USP6,381,159及美国专利申请公开No.US2002/0074975中所示的那些。尽管，间接检测不需要用一个检测电阻，却需要从转换器的内部节点引出内部电压，从而导致增加电路和信号引线的缺陷。

因此，本技术领域内普遍地需要能够克服上述技术缺陷的电感电流控制系统和方法。特别需要一种高效率的、功率消耗小的用于DC-DC转换器的电感电流控制系统和方法。进一步需要一种高效率的、优化电路设计的用于DC-DC转换器的电感电流控制系统和方法。

发明内容

因此，本发明的目标在于提供一种用于DC-DC转换器的控制电流的系统和方法，其能够避免相关的现有技术的局限和缺陷中的一个或多个问题。

根据实施例及广泛阐述的本发明的目的，提供了一种带有可编程序的电感电流控制的直流(“DC”)功率转换系统和方法。

与本发明一致，提供了一种DC功率转换系统。该系统包括一个DC-DC转换器电路，该电路包括：一个电感器，一个电感电流仿真电路，其用来对通过该电感的电流作仿真并产生一个代表该仿真电感电流的信号，以及一个连接到该仿真电路的控制电路，其用来接收代表仿真电感电流的信号，并且控制DC-DC转换器的峰值电感电流。

同样与本发明一致，提供了一种功率转换系统，其包括一个功率转换器，该转换器包含：一个电感器，以及一个仿真电路来连接到一个第一电压电源、一个第二电压电源和一个接地端。该仿真电路包括：一个第一晶体管来连接该第一电压电源与该接地端之间；一个可编程序的电阻来连接该第一晶体管与该接地端之间；一个放大器具有正输入端连接到该第二电压电源，其负输入端来连接该第一晶体管与该可编程序的电阻之间，以及其输出端连接到该第一晶体管的门极；一个可编程序的电容来连接该第一电压电源与该接地端之间，以便当该电容连接到该第一电压电源时，仿真电感电流流经该电容从而将仿真电感电压加在该电容两端上；一个开关跨接该可编程序的电容两端；一个比较器将仿真电感电压与一个参考电压作比较；以及一个逻辑电路响应于比较器的输出来操纵该开关以确定电感电压的极限值。

与本发明一致，进一步提供了一种功率转换方法，其包括一个转换器电路，其包括一个有电感电流的电感，其仿真电感电流并产生仿真的电感电压，并将该仿真电感电压与一个参考电压比较，然后根据该比较结果来确定电感电压的极限值。

本发明另外的特点和优点将部分地在后面的说明中给出，并且一部分将通过说明而显而易见，或者可通过实施本发明而得知。通过在后面的权利要求书中所特别指出的本发明的各要素及其组合，本发明的这些特点和优点会被理解和实现。

应该理解，上面的一般说明和后面的详细说明都仅仅是举例性的和解释性的，它们并不能对所要求的本发明作限制。

构成本说明书一部分的各附图，其用来说明本发明的几个实施例，并且与说明书正文一起来解释本发明的原理。

附图说明

图1、2和3的电路图分别说明常规的DC-DC降压转换器、升压转换器和回扫转换器；

图4的电路图说明常规的DC-DC降压转换器，其带有了检测电路和检测电感电流的检测电阻；

图5、6和7的电路图为根据本发明的实施例来说明分别实施于DC-DC降压转换器、升压转换器和回扫转换器的电感电流检测系统和电路的具体实施；以及

图8的电路图为根据本发明的实施例来说明电感电流仿真电路。

具体实施方式

本发明各实施方案的细节在附图中由相应图标表示。在所有各附图中，对于同一或者相似的组成部分，尽量用相同的图标来表示。

图5的电路图说明实施在DC-DC降压转换器500内的电感电流检测电路的实施例。降压转换器500包括：一个有电感电流流过的电感502，一个电感电流仿真电路504来产生仿真的电感电压信号V_{ind_emulated}，一个与该仿真电路504连接的控制电路506来接收仿真的电感电压信号V_{ind_emulated}并确定降压转换器500的峰值电感电流。控制电路506连接到降压转换器500内的一对开关508a和508b。电压源510提供输入电压V_in，其通过在电压源510与开关508a之间的点而连接到仿真电路504。降压转换器500的输出电压V_out是从电容512两端来测量的并且被送到仿真电路504。仿真电路504也确定了一个送到控制电路506的电感电压极限信号V_{ind_limit}。

以这种方式形成的闭路控制环将仿真的电感电压信号V_{ind_emulated}和电感电压极限信号V_{ind_limit}反馈到控制电路506，其依此来控制开关508a和508b的操作，从而控制升压电流回路514a和降压电流回路514b的电流。

图6的电路图说明实施在DC-DC升压转换器600内的电感电流检测系统和电路的实施例。升压转换器600包括：一个有电感电流流过的电感602，一个电感电流仿真电路604来产生仿真的电感电压信号V_{ind_emulated}，一个与该仿真电路604连接的控制电路606来接收仿真的电感电压信号V_{ind_emulated}并确定升压转换器600的峰值电感电流。控制电路606连接升压转换器600内的一对开关608a和608b。电压源610提供输入电压V_in，其也通过在电压源610跟电感602之间的节点而提供给仿真电路604电压。升压转换器600的输出电压V_out是从电容612两端来测量的。仿真电路604也确定了一个送到控制电路606的电感电压极限信号V_{ind_limit}。

以这种方式形成的闭路控制环将仿真的电感电压信号V_{ind_emulated}和电感电压极限信号V_{ind_limit}反馈到控制电路606，其依此来控制开关608a和608b的操作，从而控制升压电流回路614a和降压电流回路614b的电流。

图7的电路图说明实施在DC-DC回扫转换器700内的电感电流检测系统和电路的实施例。回扫转换器700包括：一个有电感电流流过的电感702，一个电感电流仿真电路704来产生仿真的电感电压信号V_{ind_emulated}，一个与该仿真电路704连接的控制电路706来接收仿真的电感电压信号V_{ind_emulated}并确定回扫转换器700的峰值电感电流。控制电路706连接回扫转换器700内的一对开关708a和708b。电压源710提供输入电压V_in，其通过在电压源710跟开关708a之间的点而连接到仿真电路704。回扫转换器700的输出电压V_out是从电容712两端来测量的。仿真电路704也确定了一个送到控制电路706的电感电压极限信号V_{ind_limit}。

以这种方式形成的闭路控制环将仿真的电感电压信号V_{ind_emulated}和电感电压极限信号V_{ind_limit}反馈到控制电路706，其依此来控制开关708a和708b的操作，从而控制升压电流回路714a和降压电流回路714b的电流。

图5、6和7中的DC-DC转换器500、600和700中的每一个都分别包含一个电感502、602和702。该电感两端的电压和流经其的电流的关系表示如下式：

V_{L} = L [\frac{{dI}_{L}}{dt}] - - - (1)

其中V_L为电感两端电压，L为电感的电感量，而I_L为电感电流。整理各项，可得电感电流的上升斜率S如下式：

S = \frac{{dI}_{L}}{dt} = \frac{V_{L}}{L} - - - (2)

对于降压转换器，如图5所示的DC-DC转换器500，电感电流的上升斜率S_buck可表示为：

S_{buck} = \frac{V_{L}}{L} = \frac{V_{in} - V_{out}}{L} - - - (3)

其中V_in是该转换器的输入电压，V_out是其输出电压。类似地对于升压转换器，如图6所示的DC-DC转换器600，其电感电流的上升斜率S_boost可表示为：

S_{boost} = \frac{V_{L}}{L} = \frac{V_{in}}{L} - - - (4)

而对于回扫转换器，如图7所示的DC-DC转换器700，其电感电流的上升斜率S_flyback可表示为：

S_{flyback} = \frac{V_{L}}{L} = \frac{V_{in}}{L} - - - (5)

知道了上升斜率，转换器的电感电流I_L可表示为：

I_L＝S×t

= \frac{V_{in} - V_{out}}{L} \times t

对于降压转换器，或者

= \frac{V_{in}}{L} \times t

对于升压或回扫转换器 (6)

其中t为电感电流的上升斜坡的时间。该上升斜坡时间t由闭环反馈电路控制，即由图5、6和7中各控制电路506、606和706分别来控制。

图8的电路图说明根据本发明的一个实施例的一个电感电流仿真电路800。仿真电路800可分别具体实施为图5、6和7的仿真电路504、604和704中的任何一个。参考图8，仿真电路800包含一对连接在电压源806(V(s))与地之间的电阻802和804。辅助放大器808的正输入端连接到电阻802与电阻804之间的一点。辅助放大器808的输出端连接到晶体管810的门极，晶体管810的源极连接到辅助放大器808的负输入端并通过集成在芯片上的电阻812接地，该电阻是可编程序的，例如通过各控制数位。晶体管810的漏极连接到晶体管813的源极，后者的漏极连接到电源电压814(V_dd)。晶体管816的漏极连接到电源电压814，而其源极通过集成在芯片上的电容818连接到地，该电容是可编程序的，例如通过控制数位。晶体管813和816各自的门极一起连接到晶体管810的漏极。晶体管813和816的连接形成了一个具有电流倍增因子k的电流镜。比较器820的正输入端连接接收参考电压V_ref，而其负输入端连接到晶体管816的源极与电容818之间的一点，以便接收电容818两端的电压。开关822连接到电容818的两端。比较器820输出到可编程序的逻辑电路824，后者具有诸如逻辑门和触发器之类的逻辑单元，以提供输出信号来控制开关822的位置。电路824的功能在于提供逻辑决定来开启或者关闭开关822，并且依据比较器820的输出来给出电感电压限制信号V_{ind_limit}。电路824也在上述转换器500、600和700中给出电感电压限制信号V_{ind_limit}。电路824是根据对仿真电感电压信号V_{ind_emulated}与一个预置的参考电压V_ref比较的结果来产生电感电压限制信号V_{ind_limit}的。

如下更充分地解释，电感仿真电路800产生流经晶体管816的电感仿真电流I_{ind_emulated}。根据电感仿真电流I_{ind_emulated}，电路800也在上述转换器500、600和700中给出仿真电感电压信号V_{ind_emulated}。

如图5、6和7所示，在转换器500、600和700中，是由仿真电路504、604和704分别地对控制电路506、606和706提供仿真电感电压信号V_{ind_emulated}和电感电压限制信号V_{ind_limit}。

在仿真电路800的运作中，将电容818的充电时间用来作为DC-DC转换器，例如图5、6和7依次所示的转换器500、600和700，中的电感电流的上升斜坡时间t。根据仿真电路800的电路安排可得以下关系式：

V_{ind_emulated} = I_{ind_emulated} \times \frac{t}{C} = [\frac{V (s) \times R_{2}}{(R_{1} + R_{2})} \times \frac{1}{R} \times k] \times \frac{t}{C} - - - (7)

其中C对应于集成在芯片上的可编程序的电容818，R对应于集成在芯片上的可编程序的电阻812，而R₁和R₂分别对应于电阻804和802。参数κ就是上述由晶体管813和816形成的电流镜的倍增因子。这样就可用仿真电压信号V_{ind_emulated}来替代常规的检测电感电压(例如用检测电阻检测到的)以控制电流模式的DC-DC转换器。经比较器820对V_{ind_emulated}与参考电压V_ref作比较，就产生电压信号V_{ind_limit}来通过逻辑电路824和开关822的开闭控制以设定DC-DC转换器的峰值电流。根据将仿真电感电压信号V_{ind_emulated}与预置的参考电压V_ref作比较的结果，电路824产生一个代表电感电压限制信号V_{ind_limit}的控制信号。在仿真电感电压信号V_{ind_emulated}达到预置的参考电压值V_ref时，也就是说，当被电流I_{ind_emulated}充电而建立在电容818上的电压所确定的电流达到了所要的限制值时，电感电压限制信号V_{ind_limit}就起作用了。电路824控制开关822的操作，当电流达到了所要的限制值时就关闭开关822。这会使电容818放电，于是就为下一个时钟周期的使用作好了准备。在下一个时钟周期的起始，可编程序的逻辑电路824开启开关822，电容818被充电，直到V_{ind_emulated}等于V_ref，这又触发了电感电压限制信号V_{ind_limit}。在电感电流仿真电路800的运作过程中上述步骤会一个周期到一个周期地重复下去。

可用控制数位来设置参考电压V_ref。较高的V_ref设置对应于较高的电流限额，因为仿真电感电流I_{ind_emulated}需要较长时间才能充电使得电容818上的仿真电感电压信号V_{ind_mulated}到达预置的参考电压V_ref。设V_{ind_mulated}等于V_ref就得到：

V_{ref} = [\frac{V (s) \times R_{2}}{(R_{1} + R_{2})} \times \frac{1}{R} \times k] \times \frac{t}{C}

t = \frac{V_{ref} \times C \times (R_{1} + R_{2}) \times R}{V (s) \times R_{2} \times k} - - - (8)

其中V(s)可设为V_in，分别对于升压和回扫转换器的情况，例如在转换器600或700时；V(s)可设为V_in-V_out，对应于降压转换器的情况，例如在降压转换器500时。这样作，在把(8)式代入(6)式后V_in跟V_out就可对消，补偿了其中的变化。于是仿真峰值电感电流就可表示为下式：

I_{L_peak} = \frac{V_{ref} \times C (R_{1} + R_{2}) \times R}{R_{2} \times k \times L} - - - (9)

所以，峰值电感电流可以有利地由仿真电路800的运作来确定，不再需要对转换器电路输出的检测或者监督。该电流值仅取决于R、C和L之值，从而在输入和输出电压中的变动得到补偿。在所说明的实施例的这个实施方案中，电阻812和电容818都集成在芯片上并可由控制数位来编程序，所以可以调节它们的值来匹配所采用的外部电感的电感值。

如上所述，与本发明一致的各种DC-DC转换器可以实施在具有几种转换器结构布局的系统中，例如，降压、升压和回扫转换器的结构布局。它们也适合用于连续传导模式(“CCM”)和断续传导模式(“DCM”)的运作。CCM和DCM两种架构的差别在于CCM中的电感电流具有DC偏置分量。CCM和DCM两种架构的AC分量是相同的。因为与本发明一致的仿真电路仅仅采用AC分量的信息来仿真并控制电感电流，故而对于CCM和DCM两种架构在实施本发明的原理上并无实质性的差别。与本发明一致的同一个仿真电路在CCM和DCM两种架构中都能有利地加以实施，并不需要作任何特别的修改。

本领域的技术人员在考虑了这里所披露的对本发明的规格说明和实施方案后会明白本发明的其他实施例。希望对这里的技术说明和实施例仅仅看成是示例性的，本发明的真正的范围和精神应该由后面的权利要求书来指明。

Claims

1、一种DC功率转换系统，其包括：

一个含有一个电感的DC-DC转换器电路；

一个用来对通过该电感的电流作仿真并且产生一个代表该仿真电感电流的信号的电感电流仿真电路；

及一个与该仿真电路连接的控制电路，其用来接收代表该仿真电感电流的信号，并控制该DC-DC转换器的峰值电感电流。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该DC-DC转换器包括一个降压转换器，一个升压转换器，和一个回扫转换器中的一个。

3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该仿真电路包括一个可编程序的RC电路，其产生一个反馈控制电压信号以作为代表该仿真电感电流的信号。

4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该仿真电路包括一个集成在芯片上的电阻元件和一个集成在芯片上的电容元件，该仿真电路构造得以产生一个反馈控制电压信号作为代表该DC-DC转换器的仿真电感电流的信号。

5、根据权利要求3所述的系统，其特征在于，将该反馈控制电压信号与一个参考电压作比较以确定一个电压以作为该DC-DC转换器的电流限制保护。

6、根据权利要求4所述的系统，其特征在于，该仿真电路包括一个比较器，其用来将该反馈控制电压信号与一个参考电压作比较并确定一个电压以作为该DC-DC转换器的电流限制保护。

7、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该仿真电路对该控制电路提供一个仿真的电感电压信号以作为代表该仿真电感电流的信号。

8、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该仿真电路构造得以能对该控制电路提供一个电感电压限制信号来控制该峰值电感电流。

9、根据权利要求1所述的系统，该仿真电路包括一个开关并且通过对该开关的开和关的控制对该控制电路提供一个电感电压限制信号来控制该峰值电感电流。

10、根据权利要求7所述的系统，该仿真电路包括一个集成在芯片上的可编程序的电容，并且该仿真的电感电压信号加在该电容的两端。

11、一种功率转换系统，其包括：

一个功率转换器，其包括一个电感和一个仿真电路，该仿真电路用来连接一个第一电压电源、一个第二电压电源、以及一个接地端，该仿真电路包含：

一个第一晶体管，其连接在该第一电压电源和该接地端之间；

一个可编程序的电阻，其连接在该第一晶体管与该接地端之间；

一个放大器，其正输入端连接该第二电压电源，其负输入端连接在该第一晶体管与该可编程序的电阻之间，而其输出端连接该第一晶体管的门极；

一个可编程序的电容，其连接在该第一电压电源与该接地端之间，使得当该电容连接到该第一电压电源时，一个仿真的电感电流对该电容充电，而在该电容两端建立仿真的电感电压；

一个开关，其连接在该可编程序的电容两端；

一个比较器，用来将该仿真电感电压与一个参考电压作比较；

及一个逻辑电路，其响应于该比较器的输出，以操纵该开关来确定一个电感电压的限制值。

12、根据权利要求11所述的系统，该仿真电路还包括一个第二晶体管，其连接在该第一电压电源与该第一晶体管之间。

13、根据权利要求12所述的系统，该仿真电路还包括一个第三晶体管，其连接在该第一电压电源与该可编程序的电容之间，该第二晶体管和该第三晶体管的相应门极连接起来以形成一个电流镜电路。

14、根据权利要求11所述的系统，其还包括一个控制电路，其连接该仿真电路，以接收该仿真电感电压和一个代表该电感电压限制值的信号。

15、一种功率转换方法，其包括：

提供一个转换器电路，其带有一个有电感电流的电感；

仿真该电感电流；

产生一个仿真的电感电压；

比较该仿真的电感电压与一个参考电压；

及根据该比较的结果，确定一个电感电压限制值。

16、根据权利要求15所述的方法，其还包括，根据该仿真的电感电压和该电感电压的限制值，对该转换器电路提供反馈控制。

17、根据权利要求15所述的方法，其还包括以连续传导模式运作该转换器电路。

18、根据权利要求15所述的方法，其还包括以断续传导模式运作该转换器电路。