CN101796711B - 产生电流的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输出电流可控的电源。在现有技术中，存在同时提供电流输出的高变化率和高效率的问题。本发明的解决方案基于组合的电流部件，由此通过切换电流部件的输出来控制电流。电流部件可采用例如降压变换器来实现，从而使功耗变小。

Description

产生电流的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种输出电流可控的电源。本发明可用来例如为无线电发射机等提供源电流(supply current)。

背景技术

在电子系统中需要不同的工作电压。一般，这些工作电压是由所谓的电源产生的。通常，电源被分为所谓的线性电源和所谓的开关电源。功率半导体器件以所谓的线性状态(即，电流和电压均同时影响这些功率半导体器件)在线性电源中使用。当从一个工作点移动到另一个工作点时，电流和电压值线性变化。线性电源的优点是快速响应和精确调节，由此，例如，可实现输出电压的精确且快速的调节。然而，缺点在于它们具有高功耗(即，低效率)。该功耗直接与电压和电流的乘积成比例，电压和电流的变化会同时影响功率半导体器件。在开关电源中，在两个极值点(即，开关完全开启或完全关闭)之间驱动功率半导体器件，在此种情况下，电压和电流不能同时影响功率半导体器件，从而功耗保持得比较低。然而，在开关电源中，还必须使用用于在不同的电压电平之间进行耦合的电感部件，而由于电感部件(如，电感器)的电流不能极快速地变化，所以会引起缓慢响应。

通常，电子设备的工作电压是恒定的。在一些特定应用中，例如，尽管无线电发射机具有良好的线性，但其固定工作电压会引起低效率。这是因为在输出阶段产生功耗，其功耗与固定工作电压、瞬态输出电压之间的差值成比例。换句话说，输出阶段通过将额外的电压转变成功耗而产生期望的输出电压。此种装置造成总的效率比较低，近来，已经开发了用于改进该问题的多种方法。一种方法是所谓的“包络线追踪(envelope tracking)”方法，其中，控制电源输出阶段的电压以使其对应于相应的瞬态输出电压，在此种情况下，在输出阶段转换成功耗的功率会变得更少且效率提高，这是通常期望的特性。这种包络线追踪的电源通常通过并联连接具有高效率产生需要的电流的功能的开关式变换器和具有处理输出电压的精确调节的功能的线性电源来形成。由于用开关式变换器来支配主要的能量，所以整个系统的效率比较高。实际上，开关式变换器的有限速度引起高效产生电力的交流分量的频率上限。换句话说，在某一产生的电力的频率之上，线性电源必须产生大部分的电力，在这种情况下，总效率变低。例如，用于产生包含20MHz交流分量的电力的电路已在文献中披露，使得总的效率降低至甚至50％以下。就特定的无线电发射机来说，如所谓的OFDMA发射器(正交频分多址)，优选地，通过包络线追踪电路，可以高效地产生具有60MHz交流分量的电力。

另外，在多种应用中，需要不同频率的电力，例如在音频应用中(即，音乐再现和电力放大)，又例如，在产生所谓的磁共振成像设备的梯度场中。在这些应用中，现有技术方案均不能足够高效地产生足够高频的电力分量(electricity component)。

总体上可以说，用于产生电力的已知方法不能足够高效地产生包含足够高频分量的电力。

发明内容

本发明的目的是实现一种用于使包括高频分量的电力的产生更高效的技术方案。

根据本发明的方法为一种用于产生电流的方法，其特征在于，通过组合电流部件来产生所述电流，由此通过在负载与地、电源电压或其他低阻抗电位之间切换电流部件的输出来控制所述电流。

其中，所述电流部件是二进制加权的。

其中，所述电流部件包括电感器。

其中，通过切换开关来设置所述电感器的电流。

其中，通过串联电阻器来设置所述电感器的电流。

其中，以至少100kHz，优选地至少1MHz，最优选地至少2MHz的频率来切换所述电流部件的输出。

其中，通过开关来设置基于电感器的电流部件的电流值，由此，电感器具有调节端和负载连接端，所述调节端连接在所述电源电压与地之间，而所述负载连接端连接在所述负载与地之间。

其中，通过开关来设置基于电感器的电流部件的电流值，由此，电感器具有调节端和负载连接端，所述调节端连接在所述电源电压与地之间，而所述负载连接端连接在所述负载与所述电源电压之间。

其中，通过开关来设置基于电感器的电流部件的电流值，由此，电感器具有调节端和负载连接端，其中，所述调节端在所述电源电压与地之间切换，而所述负载连接端在所述负载与地之间切换，其中，所述调节端通过控制开关连接到所述电源电压并通过二极管连接到地，而所述负载连接端通过控制开关连接到地并通过二极管连接到所述负载。

其中，电流滞后控制被用于控制所述电流部件的电流。

根据本发明的装置为一种用于产生电流的装置，其特征在于，所述装置包括：电流部件，用于在其输出端提供电流；以及切换装置，用于在负载与地、电源电压或其他低阻抗电位之间切换输出。

其中，所述电流部件的输出电流值是二进制加权的。

其中，所述电流部件包括电感器。

其中，所述电流部件包括开关，用于切换所述电感器以设置所述电感器的电流。

其中，所述电流部件包括串联电阻器，用于设置所述电感器的电流。

其中，该装置包括切换装置，用于以至少100kHz，优选地至少1MHz，最优选地至少2MHz的频率来切换所述电流部件的输出。

其中，该装置包括开关，用于设置基于电感器的电流部件的电流值，由此，电感器具有调节端和负载连接端，并且所述调节端连接在所述电源电压与地之间，而所述负载连接端连接在所述负载与地之间。

其中，该装置包括开关，用于设置基于电感器的电流部件的电流值，由此，电感器具有调节端和负载连接端，并且所述调节端连接在所述电源电压与地之间，而所述负载连接端连接在所述负载与所述电源电压之间。

其中，该装置包括开关，用于设置基于电感器的电流部件的电流值，由此，电感器具有调节端和负载连接端，其中，所述调节端在所述电源电压与地之间切换，而所述负载连接端在所述负载与地之间切换，其中，所述调节端通过控制开关连接到所述电源电压并通过二极管连接到地，而所述负载连接端通过控制开关连接到地并通过二极管连接到所述负载。

其中，该装置包括用于利用滞后控制来控制电流部件的电流的装置。

利用根据本发明的方法和装置，可以高效地产生包含高频分量/高变化率电力的电力。

在优选实施例中，产生电流，该电流被用来与线性电压放大器一起来产生无线电发射机的运行功率。

在本方法的第二个实施例中，产生用于再现或放大音频信号的电力。

在第三个实施例中，使用本方法来产生用于形成磁共振成像设备的梯度场的电流。

附图说明

接下来，将参考附图更详细地描述本发明，附图只是作为一种指示给出而并不用于限制本发明，在附图中：

图1示意性地示出了公知的包络线追踪电路；

图2示意性地示出了包络线追踪电路的电流曲线形式；

图3示出了正弦信号的形式及其最大上升速度的点；

图4示意性地示出了所谓的降压变换器(buck-converter)；

图5示意性地示出了所谓的降压变换器的电感器的电流形式；

图6示意性地示出了根据本发明的用于产生电流的装置；

图7示意性地示出了根据本发明的用于产生电感器的电流的装置；

图8示意性地示出了根据本发明的用于产生电流的装置；以及

图9示意性地示出了从电流部件(current element)产生的电流；

具体实施方式

图1示出了公知的包络线追踪电路1，其由并联连接的开关式变换器2和线性电源3构成。分别将电流指令4输入到开关式变换器2以及将电压指令5输入到线性电源3，在这种情况下，可将期望的输出电压和输出电流产生至输出点6。输出电流的大部分是由开关式变换器2产生的，因此不会在线性电源3中产生高功耗。这是因为线性电源的功耗与影响线性电源的电压和通过的电流的乘积成比例，由此，当电流通过开关式变换器时，在理想情况下，电流为零。

图2示出了图1中的输出电流的交流分量的产生。输出的交流电分量的主要部分是由开关式变换器的电流7产生的。线性阶段增加合适的电流分量9到其中，以使这些电流的总量是期望的总输出电流8。需要注意，在开关式变换器的输出电流7中存在波纹分量，因此，线性阶段的输出电流9使波纹分量变得平滑。同时，在快速变化的情形下，线性阶段给出需要的快速转变电流，直到开关式变换器设置新的电流值。

图3示出正弦信号10，该信号可以是直流电流源的交流分量。当检测用于产生这些信号的变化率时，可以说，如果信号10是A*sinωt形式，此处A是号的振幅，ω是信号的角频率，而t是时间，信号与时间的导数可以用d/dt＝Aωcosωt表示。在学术上，该导数的最大值是最令人感兴趣的。因为cosωt项的最大值是1，所以其最大值是Aω。换句话说，当产生信号10时，变化率11Aω必须是可以得到的。注意，图2和图3仅示出了电流的交流部分；需要的输出电流通常具有主要的直流分量，其具有恒定的极性，即使存在更小的变化的电流分量。

图4示出了常用的开关式变换器电路，所谓的降压变换器，其由可控的开关12、二极管13以及电感器14构成。这种变换器通常用于包络线追踪电路，因此电感器14的电流就是开关式变换器的期望的输出电流。检测电感器14电流的最大变化率是重要的，因为其决定了根据图3的电信号分量的最大频率和最大振幅。

图5示出了图4的电感器的电流形式。该电流由上升部分15和下降部分16构成。电流的上升部分15与最大的上升变化率相对应，而在图4的变换器的情况下，其值可为计算值＝dI/dt＝U/L，其中U是电源电压Vdc的值，L是电感器14的电感。换句话说，可通过增加电压或降低电感器的电感来增加变化率。通常，这不能无限制地实现，否则电源的输出电流的波纹增长太大而效率下降，这是因为线性电源不得不反复工作并将该波纹从总输出电流中消除。

图6示出了根据本发明的用于快速改变输出电流的装置。在该电路中，具有通过开关20、21、22连接到输出点的若干个分离的电流源17、18、19。每个电流源17、18、19的电流在某种程度上是恒定的，在这种情况下，输出点23的总电流能够通过打开和关闭开关20、21、22来快速变化，而对单独的电流源的电流的变化率没有任何特定的速度要求。优选地，开关20、21、22和它们的控制电路能够以至少100kHz(更优选地，至少1MHz，以及最优选地，至少2MHz)来切换电流。这实现了输出的电流变化率与比现有技术方案好得多的工作效率的结合。

通过在电流源的电流中使用二进制加权，使得例如电流源17是1A，电流源18是2A以及电流源19是4A，用三个比特将输出电流数字地设置为期望的值。在数字控制系统中，这是有用的特性。

图7示出了一种用于将图6的电流源17、18、19的电流值设置为期望值的电路。电感器28通过开关24、25、26、27连接到在点29与30之间连接的电源电压，从而向电感28产生期望的电流。这里，可利用本领域技术人员已知的控制方式来得到优点，如峰值电流调节和滞后电流调节。滞后控制指的是电感器的开关是基于电感器中的电流而进行切换，当电感器的电流超过或低于设定值一预定的阈值时，开关状态改变。当期望将该电流值连接到输出点32时，开关31闭合，否则打开。可替换的是，可通过其他已知方式将电流设置为调节值，如通过串联电阻器或通过其他公知的电流调节方法。同样，除电感器以外的一些其他公知的电部件也可用于形成电流部件，例如，有源电路可形成电流部件。

图8还示出了根据本发明的用于向输出点38产生快速交变电流的一种有效方法。该连接由并联的电流部件33、34、35构成，其由电源电压36供电。为了清晰，仅完整示出了两个电流部件33和34。应该注意，每个电流部件33、34、35均具有电感器43、44、45。经二进制加权的电流值1x、2x、4x供电感使用。电流值的权重也可以是其他的，如指数或其他在技术上有用的权重。该电流值通过由合适的控制42驱动的开关40、41而形成。用于向电感器43形成电流值的合适的控制方法42是现有技术中所谓的电流滞后调节，其中电流在设定值附近产生谐振。作为电流部件33、34的输出开关，存在连接在电感器的另一端与地之间的开关48、49，它们在闭合时将电感器的电流传到地(或者，电源电压或一些其他的低阻抗的电位)。在这个阶段，电流以极小的消耗/功耗流过电感。

如图所示，当开关48、49打开时，所述电流部件的电感器的电流流过二极管，到达求和点37，电流从求和点流到输出点38。其他的电流部件也具有类似的连接，且可以有比图中所示更多的电流部件。现在，通过控制信号46、47可简单地控制电流部件的输出电流，并且在二进制加权电流的情况下，可将信号直接引导到用于控制系统的数字信号处理器的引脚。因为输出电流38的总电流的变化率现在仅依赖于连接器48、49的切换速度，故现在可以使总输出电流快速变化。保护二极管39连接到输出点38，该二极管将可能的过电压切换回电源电压36。电流部件的电流方向还可以是负的，使得由电流部件确定的电流量可从求和点37减小。分别将电流部件的左端称作调节端，将右端称作负载连接端。然而，总的输出电流主要具有恒定的极性，即使单独的电流部件的电流极性暂时不同。

图9示出了从电流部件50、51、52产生的变化的电流53。为了清晰，此处使用线性的(即同样尺寸的)电流部件，但是它们还可用一些其他方法加权，如二进制或指数方法。可从图中看出，因为电流在变化时就立即成为新值，故提供了快速的变化率，使用该变化率可以高效地产生很高频的电分量。当该连接以期望的方式运行时，电流部件的电流值也是可交变的。例如，电流值可被校准或他们的权重可改变到当时的合适值。例如，当全部的输出电流长时间不需要时，如在晚上，还可以关闭部分或全部的电流部件。

Claims (20)

1.一种用于以高的变化速率产生电流的方法，包括：

通过至少两个电流部件来产生所述电流，其中每个所述电流部件包括开关和具有调节端和负载连接端的电感器；

通过第一开关使所述调节端在电源电压与地之间切换来设置所述电感器的电流值；以及

当第二开关处于第一状态时，将所述负载连接端切换至负载，以及当所述第二开关处于第二状态时，将所述负载连接端切换至地或电源电压；

其中，应用包络跟踪以致于当在所述负载需要具有高速率的电流变化时，所述电流部件通过所述第二开关而并联连接；以及在所述负载不需要所述电流部件的电流时，所述电流部件连接至地或电源电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流部件是二进制加权的以使得电流部件的电流值是前一电流部件的电流值的两倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过串联电阻器来设置所述电感器的电流。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以至少100kHz的频率来切换所述电流部件的输出。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，以至少1MHz的频率来切换所述电流部件的输出。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，以至少2MHz的频率来切换所述电流部件的输出。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节端连接在所述电源电压与地之间，而所述负载连接端连接在所述负载与地之间。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节端连接在所述电源电压与地之间，而所述负载连接端连接在所述负载与所述电源电压之间。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述负载连接端在所述负载与地之间切换，其中，所述调节端通过控制开关连接到所述电源电压并通过二极管连接到地，而所述负载连接端通过控制开关连接到地并通过二极管连接到所述负载。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，电流滞后控制被用于控制所述电流部件的电流。

11.一种用于以高的变化速率产生电流的装置，其特征在于，所述装置包括：至少两个电流部件，其中每个所述电流部件包括开关和具有调节端和负载连接端的电感器；

第一开关，使所述调节端在电源电压与地之间切换来设置所述电感器的电流值；以及

第二开关，被配置为在处于第一状态时，将所述负载连接端连接至负载，以及在处于第二状态时，将所述负载连接端连接至地或电源电压；

其中，应用包络跟踪以致于当在所述负载需要具有高速率的电流变化时，所述电流部件通过所述第二开关而并联连接；以及在所述负载不需要所述电流部件的电流时，所述电流部件连接至地或电源电压。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电流部件的输出电流值是二进制加权的以使得电流部件的电流值是前一电流部件的电流值的两倍。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电流部件包括串联电阻器，用于设置所述电感器的电流。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，包括切换装置，用于以至少100kHz的频率来切换所述电流部件的输出。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述切换装置用于以至少1MHz的频率来切换所述电流部件的输出。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述切换装置用于以至少2MHz的频率来切换所述电流部件的输出。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述调节端连接在所述电源电压与地之间，而所述负载连接端连接在所述负载与地之间。

18.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述调节端连接在所述电源电压与地之间，而所述负载连接端连接在所述负载与所述电源电压之间。

19.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述负载连接端在所述负载与地之间切换，其中，所述调节端通过控制开关连接到所述电源电压并通过二极管连接到地，而所述负载连接端通过控制开关连接到地并通过二极管连接到所述负载。

20.根据权利要求11至19中任一项所述的装置，其特征在于，包括用于利用滞后控制来控制电流部件的电流的装置。