CN101286704B

CN101286704B - 测定dc-dc转换器的平均输出电流

Info

Publication number: CN101286704B
Application number: CN2007101951413A
Authority: CN
Inventors: S·L·马汀
Original assignee: Linear Technology LLC
Current assignee: Analog Devices International ULC; Linear Technology LLC
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: KR101356352B1; US20080252275A1; CN101286704A; US7795846B2; TWI404314B; TW200841567A; KR20080092826A

Abstract

一种用于将输入电压转换成输出电压的转换电路，具有用于接收输入电压的输入端。电源开关元件连接输入端，并且具有占空度d，利用表示可连接至电源开关元件的电感元件中电流的电感电流，可控制地相对于理想水平调节输出电压。平均保持电路响应电源开关元件输出端的电压，以在电源开关元件的切换循环的ON阶段产生平均开关电压。电压-电流转换器响应平均开关电压，用于经由一个或多个切换循环产生平均电感电流的表示。具有占空度等于1-d的电流调制器调制平均电感电流的表示，以经由一个或多个切换循环产生与转换电路的平均输出电流成比例的信号。

Description

测定DC-DC转换器的平均输出电流

技术领域

本发明的主题涉及电源电路，更具体地讲，涉及用于测定感应DC-DC转换器中平均输出电流的电路和方法。

背景技术

在某些应用中，希望精确测定基于电感的DC-DC转换器的平均输出电流，以便利用该信息将输出电流限制在安全水平，或者在达到某个输出电流水平时使转换器停止工作，以保存电池寿命。

[0003】例如，在USB-ON-THE-GO应用中，便携式转换器可以利用较低电压锂电池向外部连接器提供调整的5V升压电压。由于转换器的输出通过连接器受到外部设备的影响，转换器可能经受故障情况，如对地的短路。因此，有必要限制所述转换器的输出电流或使它不起作用，以保存电池寿命。

另外，希望相当精确地测量平均输出电流，以便转换器可以总是输送最小所需电流，而不是由于不太精确的电流测量技术在明显高于必需水平产生的电流。例如，可能需要转换器输送USB-ON-THE-GO规定所要求的500mA最小量电流。

另外，按照传统技术，采用电流感测电阻可以直接感测输出电流。不过，传统的电流感测电阻具有很大的尺寸。因此，它占据电路板的较大空间，增加了转换器的成本，并且造成相当大的功率损耗。相应地，希望不使用电流感测电阻来测定输出电流。

发明内容

根据本发明的一个方面，用于将输入电压转换成输出电压的转换电路包括用于接纳输入电压的输入端。电源开关元件连接至输入端，并且具有占空度d，利用表示可连接至电源开关元件的电感元件中电流的电感电流，可控制地调节相对于理想水平的输出电压。平均保持电路响应电源开关元件输出端的电压，以在电源开关元件的切换循环的ON阶段期间产生平均开关电压。电压-电流转换器响应平均开关电压，用于经由电源开关元件的一个或多个切换循环产生平均电感电流的表示。具有占空度等于1-d的电流调制器调制平均电感电流的表示，以便经由电源开关元件的一个或多个切换循环产生与转换电路的平均输出电流成比例的信号。

例如，转换电路可以是升压转换器，它产生超过输入电压的输出电压。

按照本发明的另一方面，电源开关元件的电阻，而不是电流感测电阻，可用于测定电感电流。

根据本发明的另一方面，平均保持电路可以包括第一开关元件，与电源开关元件同相运行。电阻-电容(RC)电路可以连接至第一开关元件的输出。

根据本发明的一个实施例，电压-电流转换器可以包括感测开关元件，连接至输入端，并且具有与电源开关元件的电阻成比例的电阻。运算放大器可具有第一输入，响应平均开关电压，和第二输入，连接至感测开关元件。驱动器可以连接至运算放大器的输出，用于向感测开关元件提供运算放大器的输出信号。

电流调制器可以包括第二开关元件，它具有输入，响应平均电感电流的表示，和输出，用于产生与平均输出电流成比例的信号。第二开关元件的输入可以在电源开关元件处于断开状态时连接输出，或者在电源开关元件处于连通状态时接地。

电流镜电路可以连接在电压-电流转换器和电流调制器之间。

根据本发明的方法，执行下述步骤，以测定转换电路的平均输出电流，所述转换电路用于将输入电压转换成输出电压，并且具有电源开关元件可连接电感元件：

-经由电源开关元件的开关循环的ON阶段，在电源开关元件的输出产生电压的平均值，

-将电压的平均值转换成平均电感电流的表示，所述电感电流可以利用电源开关元件的电阻来测定，和

-通过等于1-d的占空度来调制平均电感电流的表示，其中，d是电源开关元件的占空度，以产生表示平均输出电流的信号。

根据本发明的另一方面，用于产生DC输出电压来响应DC输入电压的转换器包括电源开关元件，它具有占空度d，利用表示可连接至电源开关元件的电感元件中电流的电感电流，可控制地产生理想水平的输出电压，和电流测定电路，用于测定转换器的平均输出电流。电流测定电路可以包括电流发生器，用于产生平均电流信号，表示经由电源开关元件的切换循环的ON阶段的电感电流平均值，和输出开关元件，响应平均电流信号，以产生表示平均输出电流的信号。输出转换电路可具有等于1-d的占空度。

电流发生器可以包括平均保持电路，响应电源开关元件输出端的电压，用于在电源开关元件的切换循环的ON阶段产生平均开关电压。

另外，电流发生器可以包括电压-电流转换器，响应平均开关电压，用于产生平均电流信号。由于电源开关元件的电阻用于测定电感电流，电压-电流转换器可以包括感测开关元件，它具有表示电源开关元件电阻的电阻。

通过以下说明本领域技术人员可以方便地理解本发明的其他优点和方面，其中，本发明的实施例仅以说明实施本发明最佳方式的形式示出和描述。正如将要披露的，本发明可以采用其他和不同的实施例，并且在各个明显的方面可以对它的若干细节进行改进，这些改进不超出本发明的构思。因此，附图和说明书被视为说明性质的，而不是限定性的。

附图说明

本发明实施例的以下详细说明在结合以下附图阅读时能得到最好的理解，其中，特征不一定是按比例绘制的，而是以最好示出相关特征的形式绘制，其中：

图1示意性地示出本发明的示例性DC-DC升压转换器。

图2示出本发明的转换器中电感电流的示例性波形。

具体实施方式

本发明将使用升压转换器中的电流测定电路为例进行说明。不过，显而易见，本发明的构思可适用于测定任何DC-DC转换器中的平均输出电流。

如图1所示，本发明的示例性升压转换器10包括输入节点VIN，用于接收输入电压，和输出节点VOUT，用于产生相对于输入电压升压的调整输出电压。电源开关可以是场效应晶体管(FET)开关，利用NMOS晶体管MN1实现，具有通过脉冲宽度调制(FWM)发生器12控制的栅极，它产生PWM信号SWON，用于控制电源开关MN1的占空度d，以便相对于希望水平调节输出电压。

电感L1，二极管D1和电容C1连接在输入节点VIN和输出节点VOUT之间，以向输出节点输电。所述元件可以在升压转换器芯片的外部。另外，它们可以设置在芯片上。相对于电源开关MN1可异相切换的PMOS晶体管可用于替换二极管D1。PMOS晶体管可以安置在升压转换器芯片上，或者可以设置在芯片外部。

在时间段ton期间(图2)，当电源开关MN1处于连通状态，即闭合时，输入电压VIN施加在电感L1上，而二极管D1防止电容C1将VOUT放电到大地。由于输入电压是DC电压，通过电感L1的电流随时间线性上升，上升的速率与输入电压除以电感L1的电感成正比。在时间段toff期间(图2)，当电源开关MN1处于断开状态，即打开时，电感电流流过二极管D1以向输出节点VOUT充电。在时间段toff期间(图2)，电感电流的斜率倒置，并且电感电流下降。在稳态工作时，电感电流在起始，结束，和每个切换循环的每个相应点相等。

因此，在稳态工作条件下，流过电感L1的电流在电源开关的整个切换循环期间具有三角形波形。因此，在上升期间电感电流的平均值等于在其下降期间电感电流的平均值。升压转换器10可以在连续导电模式下工作，并且它的电感电流总是正的，即电流总是流入负载。

正如下面更详细地讨论的，升压转换器10的布局具有以下形式，在上升期间的电感电流平均值等于在其下降期间的电感电流平均值。升压转换器10可以使用电源开关MN1的导通电阻来检测电感电流，和独特的定相技术发送输出电流的表示到精确感测电阻。

具体地讲，升压转换器10可以包括平均保持电路，连接到FET电源开关MN1的漏极，并且由开关S1、电阻R1和电容C2组成。由通过PWM发生器12产生的SWON信号控制的开关S1，与电源开关MN1同相工作。在电源开关MN1连通的时间期间，平均保持电路感测MN1漏极上的电压。由于开关S1只有在MN1连通时连通，MN1的输出端产生的开关电压在其值为高时，即输电至输出节点VOUT时被抑制。因此，保持电容C2上的电压表示在电源开关连通期间的平均电感电流乘以MN1连通时电源开关MN1的电阻。因此，在平均保持电路的输出形成了电源开关MN1的切换循环的ON阶段期间的平均开关电压。

另外，升压转换器10包括电压-电流转换器，响应平均保持电路输出端的平均开关电压，用于产生电源开关MN1的一个或多个切换循环期间平均电感电流的表示。电压-电流转换器可以包括漏极匹配伺服放大器，和电流感测元件。漏极匹配伺服放大器可以由运算放大器A1和NMOS晶体管MN2组成。电流感测元件可以用NMOS晶体管MN3实现。NMOS晶体管MN3的栅极优选连接至MN1连通时等于电源开关MN1的门电压的电压。运算放大器A1的非反相输入可以连接到平均保持电路的输出，而A1的反相输入可以连接到与MN2的源极连接的MN3的漏极。A1的输出可以连接到MN2的栅极。

晶体管MN3可被设置具有电阻，精确表示晶体管MN1的电阻。所述结构使得利用电源开关MN1的电阻测定电感电流成为可能，而不需要额外的电流感测电阻。具体地讲，晶体管MN3可以是MN1的比例形式，设置使得流过MN3的电流等于MN1连通时流过MN1的电流的精确部分。例如，MN3可被设计成具有5,000倍的MN1电阻。晶体管MN1和MN3可以装配在相同的芯片上，并且可以具有相同的门电位。因此，它们的电流之间的比例可以精确控制。

漏极匹配伺服放大器将平均保持电路输出端的电压施加在MN3的漏极。流入MN3和MN2的电流是电源开关MN1接通时经过一段时间平均的电感L1中电流的比例复制。如上所述，电感电流具有三角形波形。因此，晶体管MN2漏极的电流直接与电源开关MN1的一个或多个切换循环的平均电感电流成比例。

MN2的漏极可以连接到精确电流镜14，它反映MN2向下接地的电流。电流镜14可以提供由电压-电流转换器产生的电感电流的额外按比例增加或按比例减小。

由于平均保持电路在开关输出端的信号的过滤，放大器A1可以在整个切换循环中保持闭合回路，并因此只响应低于RC电路截止频率的频率分量，所述RC电路由电阻R1和电容C2组成。因此，来自MN2漏极的电流接近于DC信号，具有非常低含量的切换频率分量。因此，电流镜14还在其输出产生接近DC的信号。

电流镜14的输出连接到电流调制器，它具有等于1-d的占空度，其中

d = \frac{ton}{ton + toff}

是电源开关MN1的占空度。电流调制器可以用单刀双掷开关S2实现，通过相对于由PWM发生器12产生的信号SWON而倒置的信号控制。该开关控制来自电流镜14的输出的电流流向限流编程引脚CLPROG或接地。具体地讲，当电源开关MN1断开时，开关S2受控使电流镜14的输出连接到CLPROG引脚。当电源开关MN1接通时，开关S2受控使电流镜14的输出接地。因此，开关S2相对于电源开关MN1呈180°异相工作，并且它的占空度等于1-d。

由于在上升时期电感电流的平均值精确等于在其下降时期的平均值，输送到CLPROG引脚的平均电流是输送到输出节点VOUT的平均电流的精确部分。因此，由开关S2提供的定相允许平均电感电流的表示转换成输出负载电流的表示。

CLPROG引脚使得用户能够精确测定升压转换器10的平均输出电流，并且根据该值进行希望的操作。例如，在CLPROG引脚测定的平均输出电流值可用于提供可编程输出电流限制或线性并连续地调制输出功率。

电阻R2可以连接到CLPROG引脚，以产生与输送到CLPROG引脚的平均输出电流成比例的理想电压值。由开关S2提供的电流是脉动的。平均电容C3可以连接到CLPROG引脚，以便过滤电流并且使CLPROG电压基本上为DC信号。电阻R2和电容C3可以是外设部件，由用户选择，以定义用于测定本发明平均输出电流的电路的灵敏度和精确性。在某些切换USB电源设备(power pathdevice)中，外设电阻-电容组合用于设定输入电流极限。所述部件还可用作电阻R2和电容C3，以控制平均输出电流。

以上说明示出和披露了本发明的各个方面。另外，本文所示出和披露的仅仅是优选实施例，但是如上所述，应当理解，本发明能够使用在各种其他组合，改进，和环境中，并且能够在本文所述的本发明构思范围内进行改变或改进，与上述教导，和/或相关领域的技能或知识相称。

上述实施例还可用于解释已知实施本发明的最佳方式，并且使得本领域其他技术人员能够将本发明应用在上述或其他实施例中，并且根据本发明的具体应用或使用的要求进行各种改进。

因此，本说明书不是用于将本发明局限于本文所披露的形式。另外，应当指出，所附权利要求书被视为包括替代实施例。

Claims

1.一种用于将输入电压转换成输出电压的转换电路，包括：

输入端，用于接收输入电压，

电源开关元件，连接输入端，并且具有占空度d，利用表示可连接至电源开关元件的电感元件中电流的电感电流可控制地调节相对于希望水平的输出电压，

平均保持电路，响应电源开关元件输出端的电压，以在电源开关元件的切换循环的ON阶段产生平均开关电压；

电压-电流转换器，响应平均开关电压，用于在电源开关元件的一个或多个切换循环产生平均电感电流的表示；和

电流调制器，具有等于1-d的占空度，用于调制平均电感电流的表示，以产生一信号，所述信号与经由电源开关元件的一个或多个切换循环的转换电路的平均输出电流成比例。

2.根据权利要求1所述的转换电路，其中，输出电压超过输入电压。

3.根据权利要求1所述的转换电路，其中，电源开关元件的电阻用于测定电感电流。

4.根据权利要求1所述的转换电路，其中，平均保持电路包括第一开关元件，与电源开关元件同相运行。

5.根据权利要求4所述的转换电路，其中，平均保持电路还包括电阻-电容(RC)电路，连接至第一开关元件的输出。

6.根据权利要求1所述的转换电路，其中，电压-电流转换器包括感测开关元件，具有与电源开关元件的电阻成比例的电阻。

7.根据权利要求6所述的转换电路，其中，电压-电流转换器还包括运算放大器，具有第一输入，响应平均开关电压，和第二输入，连接至感测开关元件。

8.根据权利要求7所述的转换电路，其中，电压-电流转换器还包括驱动器，连接至运算放大器的输出，用于将运算放大器的输出信号提供给感测开关元件并且传送感测开关元件中的电流。

9.根据权利要求1所述的转换电路，其中，电流调制器包括第二开关元件，具有输入，响应平均电感电流的表示，和输出，用于产生与平均输出电流成比例的信号。

10.根据权利要求9所述的转换电路，其中，当电源开关元件处于断开状态时，第二开关元件的输入连接至输出。

11.根据权利要求10所述的转换电路，其中，当电源开关元件处于接通状态时，第二开关元件的输入接地。

12.根据权利要求1所述的转换电路，还包括电流镜电路，连接在电压-电流转换器和电流调制器之间。

13.一种用于测定转换电路中平均输出电流的方法，所述电路用于将输入电压转换成输出电压并且具有可连接至电感元件的电源开关元件，所述方法包括以下步骤：

在电源开关元件的切换循环的ON阶段产生电源开关元件输出端电压的平均值，

将电压的平均值转换成平均电感电流的表示，和

通过等于1-d的占空度调制平均电感电流，其中d是电源开关元件的占空度，以产生表示平均输出电流的信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电感元件中的电流利用电源开关元件的电阻测定。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，输出电压是超过输入电压的调整电压。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，电源开关元件的占空度受控以调制输出电压。

17.一种用于产生DC输出电压来响应DC输入电压的转换器，包括：

电源开关元件，具有占空度d，利用表示可连接至电源开关元件的电感元件中电流的电感电流可控制地产生所需水平的输出电压，和

电流测定电路，用于测定转换器的平均输出电流，所述电流测定电路包括：

电流发生器，用于产生平均电流信号，表示在电源开关元件的切换循环的ON阶段的电感电流的平均值，所述电流发生器包括平均保持电路，所述平均保持电路响应电源开关元件的输出端的电压，用于在电源开关元件的切换循环的ON阶段产生平均开关电压；和

输出开关元件，响应平均电流信号以产生表示平均输出电流的信号。

18.根据权利要求17所述的转换器，其中，输出开关元件具有的占空度等于1-d。

19.根据权利要求17所述的转换器，其中，电源开关元件的电阻用于测定电感电流。

20.根据权利要求17所述的转换器，其中，平均保持电路包括平均开关元件，响应电源开关元件的输出并且与电源开关元件同相工作。

21.根据权利要求20所述的转换器，其中，平均保持电路还包括RC电路，连接至平均开关元件的输出。

22.根据权利要求21所述的转换器，其中，电流发生器还包括：

电压-电流转换器，响应平均开关电压，用于产生平均电流信号。

23.根据权利要求22所述的转换器，其中，电压-电流转换器包括感测开关元件，具有表示电源开关元件电阻的电阻。

24.根据权利要求17所述的转换器，其中，在电源开关元件的切换循环的OFF阶段期间保持所述电感电流的平均值。