CN101405671A - 具有纹波补偿的电源电路 - Google Patents

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Abstract

提供一种电源电路(1)，该电源电路(1)包括与开关装置(7)耦合的电感器(2)，以及包括电容器(4)，该电源电路(1)配置有位于电感器(2)和电容器(4)之间的阻抗(3)、电流注入器(5)、以及包括用于控制电流注入器(5)以补偿电容器(4)两端的输出电压中的纹波的转换器(6)的反馈回路。阻抗(3)允许在不同于输出位置的位置注入补偿电流。这大为增加了检测输出电压中的纹波的可能性，并且即使在负载在电容器(4)两端引入较多噪声的情况下也允许检测到输出电压中的纹波。转换器(6)利用阻抗(3)，通过测量阻抗(3)两端、或者包括阻抗(3)和电容器(4)的串联电路两端的电压检测检测信号。阻抗(3)包括电阻器或另一电感器。

Description

具有纹波补偿的电源电路
技术领域
本发明涉及一种电源电路，包含该电源电路的设备，用于操作该电源电路的方法以及用于操作该电源电路的计算机程序产品。
这种电源电路的示例是开关模式电源电路和开关功率转换器(switching power converter)。这种设备的示例有移动电话和个人计算机以及其他的消费品和非消费品。
背景技术
现有技术的电源电路从US5,668,464中已知，其中公开了用于在开关功率转换器中抵消输出纹波的前馈有源滤波器(feed forward activefilter)。现有技术的开关功率转换器包括电感器。该电感器的第一边与开关耦合，第二边与电容器和负载的并联电路耦合。开关的转换导致在电容器两端的输出电压中出现纹波电压。为补偿这个纹波电压，现有技术的开关功率转换器包括用于检测纹波电压和从该检测到的纹波电压中获得补偿电流的复杂电路。例如，该复杂电路包括两个积分器、两个乘法器和一个放大器。现有技术的开关功率转换器还包括将补偿电流注入到电容器和负载的并联电路中的变压器。
已知的电源电路是不利的，尤其是因为它包括可能干扰负载的谐振注入电路的这个事实。此外，如果负载在电容器两端引入过多的噪声，那么将很难检测到该电容器两端的纹波电压。
发明内容
本发明的其中一个目的是提供一种电源电路，即使在负载在电容器两端引入较多的噪声的情况下，也可以检测到该电容器两端的纹波电压。
本发明的进一步目的是提供一种包括电源电路的设备，该电源电路即使在负载在电容器两端引入较多的噪声的情况下，也能够检测该电容器两端的纹波电压，以及提供操作该电源电路的方法和计算机程序产品，该电源电路即使在负载在电容器两端引入较多的噪声的情况下，也能够检测该电容器两端的纹波电压。
根据本发明的电源电路包括：
包括与开关装置耦合的第一电极以及包括第二电极的电感器，
包括与第二电极耦合的第三电极以及包括第四电极的阻抗，
包括与第四电极耦合的第五电极以及包括第六电极的电容器，
与第三电极耦合的电流注入器(current injector)，用于补偿在第五和第六电极之间的电压信号中的纹波，以及
用于通过阻抗检测检测信号并用于向电流注入器提供控制信号、并包括用于将检测信号转换为控制信号的转换器的反馈环路。
例如，第五和第六电极构成该电源电路的输出端。通过在不同于输出端的端点处注入补偿电流，在输出电压中的纹波可以按照多于一种的方式通过阻抗检测到。因此，即使在负载在该电容器两端引入较多的噪声的情况下，也可以检测到纹波电压，然而现在是通过阻抗检测。
例如，该电流注入器包括采用例如在US 5,955,923中公开的推挽放大器(push-pull amplifier)形式的电流源，不排除其它种类的放大器和其它种类的电流源。替代地，该电流注入器可能包括变压器。例如，所述检测信号包括另一电压信号，不排除其它种类的检测信号例如磁场等。
根据本发明的电源电路的实施例通过与第三电极耦合、以及与第四电极或第六电极耦合的反馈回路的输入端定义。在这种情况下，可以通过例如测量阻抗两端的电压或例如测量阻抗和电容器的串联电路两端的电压检测到输出电压中的纹波。
例如，所述阻抗包括电阻器或具有电阻的电路板上的轨迹。然而，在这种情况下，在该阻抗两端将出现DC电压，因为该阻抗两端的AC电压用于补偿反馈回路，所以需要过滤该DC电压。替代地，使用放大器，其后是高通滤波器，用于放大所述阻抗两端的电压，然后对放大的电压进行高通滤波以消除DC分量，或者，可以使用高通滤波器，其后是放大器，用于对所述阻抗两端的电压进行高通滤波以消除DC分量，然后放大滤波后的电压等。另外，采用电阻器或电阻形式的阻抗将消耗功率。
根据本发明的电源电路可以通过将滤波电容器与第三和第六电极耦合而进一步改进。这类滤波电容器可以具有比电容器更小的值，以过滤源自负载的高频噪声。
根据本发明的电源电路的一个实施例通过包括另一电感器的阻抗定义。在这种情况下，与采用电阻器或电阻形式的阻抗相比较，所述阻抗两端的DC电压将更小，功率的损耗将更小。例如，采用另一电感器形式的阻抗包括电感器或具有电感的电路板上的轨迹。
根据本发明的电源电路的一个实施例通过包括用于放大检测信号的放大器、用于对放大的检测信号进行的整流器以及用于对整流放大的检测信号进行积分的积分器的转换器定义，所述控制信号包括积分的整流放大的检测信号。这是一个低复杂度的反馈回路。
根据本发明的电源电路的一个实施例通过包括用于将放大的检测信号与占空比信号相乘的乘法器的整流器定义。这是一个低复杂度的整流器。
总之，与数字乘法器相比，线性(模拟)乘法器将增加电源电路的复杂程度，因为这些线性(模拟)乘法器可能受到DC偏移问题的影响。全数字乘法器不会受到DC偏移问题影响但需要定时。同步整流器可以将模拟信号与数字信号相乘，因此与起线性乘法器相比对偏移较不敏感。同步整流也涉及定时方面。采用同步整流，所述阻抗将更优地采用另一电感器的形式，否则如果该阻抗采用电阻器的形式，则由于该电阻器两端的电压和通过该电阻器的电流同相，将需要执行进一步的信号处理，如相移，代表数字乘法器的定时。
根据本发明的电源电路的一个实施例通过包括用于将整流放大的检测信号与锯齿形信号相乘的乘法器的积分器定义。这是一个低复杂度的积分器。
根据本发明的电源电路的一个实施例通过还包括一个或更多个用于对检测信号进行滤波和/或用于对放大的检测信号进行滤波的高通滤波器的转换器定义。这种高通滤波器改善了反馈回路的性能。此外，也不排除滤波器如低通滤波器和带通滤波器。
根据本发明的电源电路的一个实施例通过包括晶体管的开关装置和作为开关模式电源电路的电源电路定义。
根据本发明的设备的实施例和根据本发明的方法的实施例以及根据本发明的计算机程序产品的实施例与根据本发明的电源电路的实施例相对应。
其中，本发明尤其基于这种认识，即电源电路的负载可能在该电源电路的输出电容器两端引入过多的噪声，使得该电容器两端的纹波电压很难检测到，本发明尤其基于这种基本思路，即可以在不同于输出电容器的电极的端点处注入补偿电流。
本发明尤其解决了提供电源电路的问题，即使在负载在输出电容器丙引入较多的噪声的情况下，该电源电路可以检测到该输出电容器两端的纹波电压，而且本发明是有利的，尤其是可以按照多于一种的方式检测到输出电压中的纹波电压。
本发明的这些和其它方面从下文描述的实施例中是显而易见的，并结合下面文的实施例详细阐述本发明的这些和其它方面。
附图说明
在附图中：
图1示意性示出根据本发明的电源电路。
图2示意性示出根据本发明的设备。
图3示出电源电路的电感器两端的电压和通过电源电路的电感器的产生的电流以及通过电容器多个部分的产生的电压。
图4示出电源电路的转换器中执行的同步整流的示例。
图5示出电源电路的电感器两端的电压和电源电路的电容器的多个部分两端的产生的电压以及在电源电路输出端处产生的非整流和整流电压的仿真结果，以及
图6示出电感器两端的电压、从电感器两端的该电压获得的锯齿形电压、从该锯齿形电压获得的锯齿形电流和通过乘法器从该锯齿形电流获得的补偿电流。
具体实施方式
图1中示出的根据本发明的电源电路1包括具有与开关装置7耦合的第一电极11并具有第二电极12的电感器2、以及包括具有与第二电极12耦合的第三电极13并具有第四电极14的阻抗3、以及包括具有与第四电极14耦合的第五电极15并具有第六电极16的电容器4。所述开关装置7包括与第一电极11和输入电极17耦合的第一开关以及与第一电极11和另一输入电极18耦合的第二开关。在输入电极17和18之间存在另一电容器8，以便例如平滑在输入电极17和18处提供的整流的AC电压信号。所述开关装置7以技术上公知的方式操作，由此，例如在第一模式中第一开关可以处于导通状态且第二开关可以处于非导通状态，而在第二模式中第一开关可以处于非导通状态且第二开关可以处于导通状态等。所述开关例如包括晶体管，电源电路1例如是开关模式(功率)电源电路。
根据本发明的电源电路1也包括与第三电极13耦合的电流注入器5，该电流注入器5用于补偿在第五和第六电极15、16之间电容器4两端的电压信号中的纹波，还包括用于通过阻抗3检测检测信号和提供控制信号给电源5的反馈回路。所述反馈回路包括用于将检测信号转换为控制信号的转换器6。换句话说，转换器6的输入端之一与电极13和14之一耦合。第四和第五电极14、15还与输出电极19耦合，而第六电极16还与另一输入电极18和另一输出电极20耦合。
通过让电流注入器5在不同于例如由电极15和16(19和20)构成的输出端的端点处注入补偿电流，可以按照多于一种的方式检测到在电容器4两端的输出电压中的纹波。结果，即使在负载在电容器4两端引入较多的噪声的情况下，仍可以检测到纹波电压，然而现在是通过阻抗3检测。电流注入器5例如包括如US 5,955,923中公开的推挽放大器，但不排除其他种类的放大器和其他种类的电流源。替代地，电流注入器5可能包括变压器。电流注入器5注入正电流或负电流。负电流的注入当然与正电流的提取等相对应。检测信号例如包括另一电压信号，不排除其他种类的检测信号例如磁场等。
优选地，所述反馈回路的输入端与第三电极13耦合，以及与第四电极14或第六电极16耦合。换句话说，转换器6的输入端优选地与第三电极13耦合，以及与第四或第六电极14、16耦合。在这种情况下，在输出电压中的纹波可以通过测量例如阻抗3两端的电压，或者通过测量例如阻抗3和电容器4的串联电路两端的电压来检测。
例如，所述阻抗3包括电阻器或具有电阻的电路板上的轨迹。然而，在这种情况下，在该阻抗两端将出现DC电压，该阻抗需要滤波，因为该阻抗两端的AC电压将用于补偿反馈回路的。替代地，使用放大器，随后是高通滤波器，用于放大该阻抗两端的电压，然后对放大的电压进行高通滤波以消除DC分量，或者，使用高通滤波器，随后是放大器，用于对该阻抗两端的电压进行高通滤波以消除DC分量，然后放大滤波后的电压等。另外，采用电阻器或电阻形式的阻抗3将消耗功率。
根据本发明的电源电路1可以通过将滤波电容器与第三和第六电极13、16耦合而进一步改进。这类滤波电容器可以具有比过滤来自负载的高频噪声的电容器更小的值。
优选地，阻抗3包括另一电感器，以避免在阻抗3两端存在着DC电压(在理想状态)，并避免消耗功率(也在理想状态)。
转换器6包括高通滤波器61，该高通滤波器61具有例如与第三和第四电极13、14耦合用于对该检测信号进行滤波的输入端，以及与用于放大该检测信号的放大器62的输入端耦合的输出端。为了进一步对所述放大的检测信号进行滤波，放大器62的输出端与另一高通滤波器63的输入端耦合，而该另一高通滤波器63的输出端与对用于所述放大信号进行整流的整流器64的输入端耦合。整流器64的输出端与用于对所述整流放大的信号进行积分的积分器65的输入端耦合，而积分器65的输出端与电流注入器5的控制输入端耦合，用于提供控制信号给电流注入器。这个控制信号包括积分的整流放大(并进一步滤波)的信号。
优选地，整流器64包括用于将放大的检测信号与占空比信号相乘的乘法器，积分器65包括用于将整流放大的检测信号与类似于电感器中的电流的波形的信号(例如从占空比信号获得的锯齿形信号)相乘的乘法器。
在图2中示出的根据本发明的设备30包括用于提供例如整流的AC信号的电路31。该电路31的输出端与电源电路1的输入电极17和18耦合，而电源电路1的输出电极19和20与用于接收、处理和/或传输信号的电路32的输入端耦合。在这种情况下，电源电路1执行向下转换或降压转换(buck converting)。替代地，电源电路1可以执行向上转换或升压转换。在这种情况下，电极19和20构成输入端而电极17和18构成输出端。
在图3中示出了电源电路的电感器2两端的电压、该电源电路的电感器2两端的产生的电流以及电容器4的多个部分两端产生的电压。例如，电容器4(非理想)的该部分包括等效串联电阻ESR、等效串联电感ESL和所需的电容CAP。这三部分的电压之和形成需要补偿的纹波。
在图4中示出了在电源电路的转换器6中执行的同步整流的示例。对于与开关信号M相结合的电感器2两端的特定电压，示出了从所述ESR和ESL作用获得的产生的电压。水平虚线表示零级。M＝+1或-1。所以换句话说，在图4中示出了在阻抗例如电阻或电感两端检测到的信号的乘法加倍的影响。
由此，所述纹波与涉及开关装置7的占空比的信号相乘。这个操作也被称为同步乘法并可以通过例如采用吉尔伯特单元(Gilbert cells)执行。结果，与占空比相关的信号如纹波可以从其他无关的信号(例如从负载产生的输出噪声)相区分。在图4的上方的图表中，以非相移的方式从电感器2两端的电压中获得开关信号M，在图4的下方的图表中，以相移的方式从电感器2两端的电压中获得开关信号M(M在电感器2两端的电压的极端值的中间点处改变其符号)。
同步乘法器，在开关信号M的乘法因数为+1或-1的情况下例如是整流器，其实现了窄带通滤波器，该窄带通滤波器可以消除不同于那些涉及开关信号的信号。结果，在由负载造成的电源电路输出端的噪声信号对纹波补偿方面不再具有任何影响。在图5中的仿真结果示出了同步整流可以产生DC信号。
在图5中示出了电源电路1的电感器2两端的电压和电源电路1的电容器4的多个部分两端产生的电压以及在电源电路1输出端产生的非整流和整流电压(Vout和Vrec)的仿真结果。上面四个电压是AC电压，最下面的电压是整流电压。
在图6中示出了电感器2两端的电压(VL)、从电感器2两端的该电压获得的锯齿形电压(V′RIP)、从该锯齿形电压获得的锯齿形电流(I′RIP)和从该锯齿形电流通过相乘获得的补偿电流(ICOM)。如前面解释和仿真的一样，采用同步整流从纹波获得信号。这个所得的信号被积分并提供增益信号G，该增益信号G驱动图6中的增益单元。在完全抵消时，该所得的信号将为零并且增益信号G的积分值将不会进一步增加。所述补偿电流的过高的值将产生反向的纹波信号和负值的所得信号。因此，这将使增益信号G减小直到得到完全抵消。
根据本发明的电源电路1可以采用单相状态(一个电感器2)，也可以采用具有若干可切换的并联的电感器的多相状态，以便例如每一个相具有其自己的电感器。该若干电感器可以共同将其电流加入单节点中，补偿电流通过公共阻抗3全部馈送到输出端。
所以，根据本发明，为包括与开关装置7耦合的电感器2、并包括电容器4的现有技术的电源电路提供具有位于电感器2和电容起4之间的阻抗3、电流注入器5、以及包括用于控制电流注入器5的转换器6并用于补偿电容器4两端的输出电压中的纹波的反馈回路。阻抗3允许补偿电流在不同于输出位置的位置注入，这增加了在输出电压中的纹波的检测的可能性，并在对输出电容器4的性能的矛盾要求和要求的测量灵敏度之间相区分。转换器6测量阻抗3两端、或阻抗3和电容器4的串联电路两端的电压。阻抗3包括电阻器或另一电感器。
根据本发明的电源电路1在第五和第六电极15、16之间提供电压信号，换句话说，将电容器4两端的输出电压提供给负载。根据本发明的方法操作根据本发明的电源电路1，用于在第五和第六电极15、16之间提供电压信号，换句话说，将电容器4两端的输出电压提供给负载。因此，换句话说，根据本发明的方法在第五和第六电极15、16之间提供电压信号，换句话说，将电容器4两端的输出电压提供给负载。
需要注意的是：上述阐述的实施例并非限制本发明，而本领域的技术人员能够在不背离附属权利要求的范围的情况下设计许多替换的实施例。在权利要求中，位于括号内的任何参考符号不应解释为限制该权利要求。动词“包括”和它的词形变化的使用不排除除了在权利要求中所述之外的元件和步骤的存在。在元件前的冠词“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件实现，也可以通过适当编程的计算机实现。在列举若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以通过同一项硬件实现。唯一的事实是在互相不同的从属权利要求中提及的某些措施不表示这些措施的组合不能用来优化。

Claims (11)

1.一种电源电路(1)，包括：
电感器(2)，包括与开关装置(7)耦合的第一电极(11)，并包括第二电极(12)，
阻抗(3)，包括与第二电极(12)耦合的第三电极(13)，并包括第四电极(14)，
电容器(4)，包括与第四电极(14)耦合的第五电极(15)，并包括第六电极(16)，
电流注入器(5)，与第三电极(13)耦合，用于补偿第五和第六电极(15、16)之间的电压信号中的纹波，以及
反馈回路，用于通过阻抗(3)检测检测信号，并用于提供控制信号给电流注入器(5)，并包括用于将检测信号转换为控制信号的转换器(6)。
2.根据权利要求1所述的电源电路(1)，反馈回路的输入端与第三电极(13)耦合，以及与第四电极(14)或第六电极(16)耦合。
3.根据权利要求1所述的电源电路(1)，阻抗(3)包括另一电感器。
4.根据权利要求1所述的电源电路(1)，转换器(6)包括用于放大检测信号的放大器(62)、用于对放大的检测信号进行整流的整流器(64)和用于对整流放大的检测信号进行积分的积分器(65)，控制信号包括积分的整流放大的检测信号。
5.根据权利要求4所述的电源电路(1)，整流器(64)包括用于将放大的检测信号与占空比信号相乘的乘法器。
6.根据权利要求4所述的电源电路(1)，积分器(65)包括用于将整流放大的检测信号与锯齿形信号相乘的乘法器。
7.根据权利要求4所述的电源电路(1)，转换器(6)还包括一个或更多个用于对检测信号进行滤波和/或用于对放大的检测信号进行滤波的高通滤波器(61、63)。
8.根据权利要求1所述的电源电路(1)，开关装置(7)包括晶体管，并且电源电路(1)是开关模式电源电路。
9.一种设备(30)，包括根据权利要求1所述的电源电路(1)。
10.一种操作电源电路(1)的方法，所述电源电路(1)包括：
电感器(2)，包括与开关装置(7)耦合的第一电极(11)，并包括第二电极(12)，
阻抗(3)，包括与第二电极(12)耦合的第三电极(13)，并包括第四电极(14)，以及
电容器(4)，包括与第四电极(14)耦合的第五电极(15)，并包括第六电极(16)，
所述方法包括以下步骤：
通过与第三电极(13)耦合的电流注入器(5)补偿第五和第六电极(15、16)之间的电压信号中的纹波，以及
通过阻抗(3)检测检测信号，并通过包括用于将检测信号转换为控制信号的转换器(6)的反馈回路提供控制信号给电流注入器(5)。
11.一种计算机程序产品，用于执行权利要求10所述的步骤，用于操作电源电路(1)。
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