CN101842970A - 用于改进dc/dc调压器的电感器电流检测准确度的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

DC/DC电压转换器包括至少一个开关晶体管。将电感器连接到所述至少一个开关晶体管。脉冲宽度调制电路响应于电流控制信号，向至少一个开关晶体管产生控制信号。与电感器并联连接的电流传感器检测流过电感器的电流。该传感器包括电阻器以及与该电阻器串联连接的NTC电容器。用于监控该NTC电容器两端的电压的电路响应于所监控的电压，产生电流控制信号。

Description

用于改进DC/DC调压器的电感器电流检测准确度的系统和方法
有关申请的交叉参照
本申请要求2007年12月6日提交的题为“METHOD FOR IMPROVINGDCR CURRENT SENSING ACCURACY”的美国临时专利申请60/992,817的权益，其全部内容引用在此作为参考。
发明内容
如本文所揭示和所描述的那样，本发明包括一种DC/DC电压转换器。该电压转换器包括至少一个开关晶体管以及连接到该至少一个开关晶体管的电感器。脉冲宽度调制电路响应于电流控制信号，向该至少一个开关晶体管产生控制信号。与电感器并联连接的电流传感器检测流过电感器的电流。该传感器包括电阻器以及与该电阻器串联连接的NTC电容器。一个电路监控该NTC电容器两端的电压，并且响应于所监控的电压来产生电流控制信号。
附图说明
为了更完整地理解，现在参照下面的描述并结合附图，其中：
图1是一种DC/DC转换器的简化示意图；
图2示出了与电感器并联的电流传感器；
图3a和3b示出了检测的电流、电感器电流以及图2所示电路的输出波形；
图4示出了NTC电容器的负温度系数；以及
图5示出了集总的(lumped)DCR电感器、使用NTC电容器的电流传感器以及不使用NTC电容器的电流传感器的电流波形。
具体实施方式
现在参照附图，使用相同的标号来指代相同的元件，示出和描述了通过dc/dc调压器的电感器改进电流检测准确度的系统和方法的各种视图和实施方式，也描述了其它可能的实施方式。不必定按比例绘制附图，在一些实例中，仅仅为便于示出而夸大和/或简化了附图。本领域普通技术人员应该理解，许多可能的应用和变体均基于下述可能的实施方式的示例。
在功率转换器设计中，电流检测电路检测流过功率转换器的输出电感器的电流，以便于各种用途。像电流模式控制、过电流保护、电流共享和电流监控等用途都需要通过电流检测电路来准确地检测流过电感器的电流。用于测量功率转换器的电感器电流的现有方案都具有其各种优点和缺点。这些方法中的一些包括：使用与输出电感器串联的电流检测电阻器，以实时地提供准确的电流信号，其成本较高且效率较低。也可以在功率转换器的高侧FET漏极上安装检测电阻器。然而，该电流在高侧FET“截止”阶段变为零伏特，使得很难获得准确的“循环到循环”的电流信息。另一个方法包括：使用无损RC电路，该电路与电感器和电感器的“集总的”DCR(DC电阻)并联放置。该方法利用了这些电路各自的时间常数，以通过检测电容器两端的电压降来“拉动”电容器电流信息。
现在参照图1，图中示出了DC/DC转换器102的简化示意图。该电路相似于美国专利5,982,160所揭示的电路，该专利引用在此作为参考。DC/DC转换器102将节点104处的受控电压VOUT提供给负载106。DC/DC转换器102包括一对开关晶体管，这对开关晶体管包括连接成接收源极电压VIN的高侧开关108和低侧开关110。其它实施方式中的DC/DC转换器102可以仅包括高侧开关108，在低侧开关110的位置处替换上一个二极管。另外，尽管示出了MOSFET晶体管，但是也可以使用其它半导体开关，正如本领域普通技术人员所理解的那样。DC/DC转换器另外包括过载检测电路144，该电路使用来自电流传感器136的检测的电流信号来防止过载。
提供高侧开关晶体管108和低侧开关晶体管110，控制信号来自脉冲宽度调制控制电路112。响应于通过电感器114而监控的电流，脉冲宽度调制控制电路112产生用于高侧开关108和低侧开关110的一系列脉冲宽度调制的控制脉冲，以调节耦合到负载106的输出电压VOUT。将输出电感器LOUT 114连接到在高侧开关108和低侧开关110之间的节点116处的DC/DC转换器102的相位节点。将电感器114连接在相位节点116和输出电压节点104之间。将二极管118连接在节点116和地之间。输出电容COUT 120与负载106并联地连接在输出电压节点104和地之间。
调压环路122通过电阻分压器提供来自输出节点VOUT的反馈电压，该电阻分压器由电阻器124和电阻器126构成，电阻器124和电阻器126串联连接在节点104和地之间。输出电压反馈信号处理单元128监控来自节点130处的分压电路的输出电压。输出电压反馈信号处理器128将反馈电压信号提供给比较器132的反相输入。
电流控制环路134将输入提供给比较器132的非反相输入。电流控制环路134包括电流传感器136，电流传感器136与输出电感器114并联连接以检测流过电感器114的电流。电流传感器136包括串联连接在一起的电阻器RCS 138和NTC电容器140。响应于通过电感器114的检测的电流，电流传感器136通过电感器电流处理电路142将电流控制信号返回给PWM控制电路112，以帮助控制功率开关108和110。
在实践中，所有的电感器都包括由导线(比如铜)围绕着磁性材料或空气而构成的绕组。这种导线具有单位长度电阻，这种单位长度电阻导致一种分布电阻，可以测量这种分布电阻作为电感器的DC电阻(DCR)。如图2所示，实用的电感器的相当好的模型将分布绕组电阻集总成单个元件DCR，该单个元件DCR与理想的电感L串联在一起。相应地，根据方程τ1＝L/DCR，可以使DC/DC转换器102的输出电感器LOUT 114模型化成具有纯电感L和用于定义第一时间常数τ1的DCR。在一个实施方式中，与电感器114并联的电流传感器136的电阻器RCS 138和电容器CCS 140定义了第二时间常数τ2，根据方程τ2＝RC，基本上等于第一时间常数。
知道电感器114的电感值并测量DCR的值，可以选择电阻器138和电容器140的值以使τ1等于τ2。当这两个时间常数匹配时，就可以准确地测量流过电感器的平均电流以及电感器的DCR的两端的电压驱动，并且提供在控制环路内的实时的电流信息。当电感L和DCR所产生的电感器的时间常数(τ1＝L/DCR)匹配于电流传感器136的时间常数(τ2＝RCS x CCS)时，电流检测电容器140两端的电压等于电感器114的等效DC电阻(DCR)两端的电压降。通过电感器电流反馈信号处理器142来测量电容器140两端的电压。
然而，在使用时，有多个变量使这些电路中的每个电路的τ1和τ2定时常数发生变动。温度对这两个时间常数的匹配能力有很大的影响。一个关键的因素是，温度的上升使电感器的芯材料的饱和电流能力下降。当流过电感器的电流增大时，饱和的芯材料呈现出电感的损耗。根据应用，在饱和时，电感的值可以改变多达30％。
从室温(+25C)到全负载电流温度(在某些情况下是+105C)的DCR的变化可以导致铜绕组的串联电阻DCR中有32％的差异，并且引起假的电压输出电平或落后于电流波形一有限的时间周期的电压输出电平，从而允许输出电压下降到负载106的可允许的最小值以下，这是因这些变化对调节器控制响应环路造成的影响所致。图3a和3b示出了这样的示例。图3a和3b示出了负载电流302、检测的电流304以及输出电压306的轨迹。在图3a中，示出了这些波形在热状态下的操作，在图3b中，则示出了在冷状态下的情况。在图3b所示的冷状态下，电感器的DCR更小，从而导致输出电压的上冲以及下冲，这是因电流检测网络内相对较短的RC时间常数所致。图3a和3b的图示仅仅代表了因自加热而导致的失配，而并非是因电路通常工作所处的完全温度范围所致。
当将标准RC部件用作电流传感器136时，会出现RC时间常数τ2的变化，这是因电感器的电阻性阻抗和电感器的电感性阻抗的变化所引起的温度变化所致。如通常实现的那样，随温度而变化的RC时间常数(τ2)并不匹配于τ1时间常数L/DCR温度变化特征，从而导致在监控的电流数据中有AC和DC失配。用公知的技术来补偿DC失配。然而，这些技术并不补偿AC变化。
AC失配导致了过电流保护准确度下降，环路性能变差(因电流模式环路中不正确的电流信息所致)，欠电压保护下降，并且数字调节器中的测量准确度下降。先前曾尝试将热敏电阻用作电阻器138从而解决AC失配问题。然而，NTC热敏电阻的成本会非常高，因为它们大约是每个部件$0.05。基于热敏电阻的设计比最佳状况要差点，因为NTC热敏电阻不像L/DCR的商的变化那样是线性的。
考虑到所有的变量，在正常操作期间，L/DCR时间常数值可以剧烈地变化。当DCR值变化时，它将具有两个主要的效果。如果DCR值增大从而导致L/DCR小于R x C(τ1＜τ2)，则电容器140两端的电压将低于电感器的DCR两端的电压降，并且经调节的响应将是缓慢的并且有可能引起低VOUT情况(UVP)(即关于VOUT的欠电压故障状态)。在第二条件下，DCR已从额定值减小，从而导致L/DCR大于R x C(τ1＞τ2)。这产生了一种情况，其中电容器140两端的电压大于电感器的DCR两端的电压降，从而需要更多的电流流过电感器114。这导致一种可能的情况，其中电感器电流向上突增(spike up)，并且可能在过电流保护电路上引起假的触发。
通过将NTC电容器用作电容器140，实现了如图4所示的负温度系数，使得当温度上升时电容就下降。与目前的NTC热敏电阻相比，NTC电容器证明了对温度的更线性的响应。在备选实施方式中，如果电阻具有与铜相反的温度特征，则可以使用PTC电容器。可以用NTC电容器的特征来匹配电感器的DCR温度特征。通过仔细设计NTC电容器温度系数，在所有操作温度下，电流传感器136所提供的时间常数RC将匹配于所有操作温度下的电感器的时间常数L/DCR。与使用NTC热敏电阻相比，NTC电容器提供了许多优点，因为它们具有非常稳定的温度系数(大约是-4000ppm，如果需要的话还可以更大)并且成本明显更低(大约是$0.015)。对于多阶段设计而言(其中每个阶段都需要NTC热敏电阻)，这种成本节省是特别显著的。
NTC电容器140减小/取消了针对所有操作温度的时间常数失配。NTC电容器140产生了负的温度系数，使得电容器140的电容随着温度上升而下降。NTC电容器140证明了对温度的更线性的响应，并且要求电阻138为电流传感器136设置时间常数τ2。可以用NTC电容器140的温度特征来匹配电感器的DCR温度特征。通过仔细设计NTC电容器温度系数，时间常数RC将匹配于所有操作温度下的时间常数L/DCR。
当仅考虑DCR变化时，L/DCR的商具有大致为+4000ppm的随温度的变化率，这是因铜绕组电阻的增大而导致的。所建议的外部NTC电容器将至少要求这一大小的线性变化率。在实践中，上述系数需要更高些，以补偿像温度的电感性阻抗的减小以及因温度梯度而导致的二阶效应，其中电容器的温度稍稍不同于电感器中的温度。
在完全的温度变化情况下，电流测量的失配可以是22％或更大，正如图5所示那样。这些变化取决于电感器的电感性阻抗的温度变化率，而后者又因制造商不同而不同。图5示出了集总的DCR电感器的电流波形502(用方框表示)、使用NTC电容器的电流传感器的波形504(用倒三角表示)以及不使用NTC电容器的电流传感器的波形506(用菱形表示)。无法从集总的DCR电压降中区分出具有匹配的电容器(即NTC电容器)的AC波形。这种模拟假定了用正常的补偿技术来补偿DC部件。
在电流传感器136之内使用NTC电容器140，就解决了电流传感器内的许多问题。首先，该解决方案提供了匹配的时间常数，使得负载电流的快速变化可以被用于保护电路部件(例如，OCP事件)，准确地监控流过电感器的电流的效率，并且在被用作到控制环路的输入时改进暂态响应。另外，该解决方案提供了这样一种电流传感器，其线性好于使用热敏电阻的电流传感器(其NTC非线性响应比NTC电容器大很多)。最终，该解决方案提供了这样一种电流传感器，其成本显著低于热敏电阻解决方案，考虑到成本约为$0.015的新NTC电容器替代了成本约为$0.002的标准电容器，当与包括成本约为$0.05的热敏电阻的电流传感器相比较，这带来的成本影响可以忽略不计。
从本申请中获益的本领域普通技术人员应该理解，通过dc/dc调压器的电感器改善电流检测准确度的系统和方法提供了一种使用NTC电容器的电流传感器，用于更准确地测量流过电感器的电流。应该理解，应该认为这里的附图和详细描述是示例性的而非限制性的，并不旨在限于所揭示的特定形式和示例。相反，对于本领域普通技术人员而言，很明显，本申请包括任何进一步的修改、变化、重新排列、替代、替换、设计选择以及实施方式，而不背离下面权利要求书定义的本发明的精神和范围。由此，旨在把下列权利要求书解释为包括所有这样的进一步修改、变化、重新排列、替代、替换、设计选择以及实施方式。

Claims (20)

1.一种DC到DC电压转换器，包括：
至少一个开关晶体管；
连接到所述至少一个开关晶体管的电感器；
脉冲宽度调制电路，用于响应于电流控制信号向所述至少一个开关晶体管产生控制信号；
与所述电感器并联连接的电流传感器，用于检测流过所述电感器的电流，所述传感器还包括：
电阻器；
与所述电阻器串联连接的NTC电容器或PTC电容器中的至少一个；
用于监控NTC电容器两端的电压并响应于所监控的电压产生电流控制信号的电路。
2.如权利要求1所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述电感器还包括用于定义第一时间常数的电感和直流(DC)电阻。
3.如权利要求2所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述电阻器和NTC电容器定义第二时间常数，在基本上所有的操作温度下所述第二时间常数基本上等于所述第一时间常数。
4.如权利要求2所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述NTC电容器的操作特征补偿所述电感器的直流(DC)电阻的操作特征。
5.如权利要求2所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述电阻器和NTC电容器定义第二时间常数，在基本上所有的操作温度下所述第二时间常数基本上减小所述第一时间常数和所述第二时间常数之间的失配。
6.如权利要求1所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述NTC电容器的电容响应于温度增大而减小。
7.如权利要求1所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
当测量流过所述电感器的电流时，所述NTC电容器提供AC失配的补偿。
8.如权利要求1所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述NTC电容器具有-4000ppm或更大的相对于温度的线性变化。
9.一种DC到DC电压转换器，包括：
至少一个开关晶体管；
连接到所述至少一个开关晶体管的电感器，所述电感器具有用于定义第一时间常数的电感和直流(DC)电阻；
脉冲宽度调制电路，用于响应于电流控制信号向所述至少一个开关晶体管产生控制信号；
与所述电感器并联连接的电流传感器，用于检测流过所述电感器的电流，所述传感器还包括：
电阻器；
与所述电阻器串联连接的NTC电容器；
其中，所述电阻器和NTC电容器定义第二时间常数，在基本上所有的操作温度下所述第二时间常数基本上减小所述第一时间常数和所述第二时间常数之间的失配；
用于监控NTC电容器两端的电压并响应于所监控的电压产生电流控制信号的电路。
10.如权利要求9所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述电阻器和NTC电容器定义第二时间常数，在基本上所有的操作温度下所述第二时间常数基本上等于所述第一时间常数。
11.如权利要求9所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述NTC电容器的电容响应于温度增大而减小。
12.如权利要求9所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述NTC电容器的操作特征基本上匹配于所述电感器的直流(DC)电阻的操作特征。
13.如权利要求9所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
当测量流过所述电感器的电流时，所述NTC电容器提供AC失配的补偿。
14.如权利要求9所述的DC到DC电压转换器，其特征在于，
所述NTC电容器具有-4000ppm或更大的相对于温度的线性变化。
15.一种用于检测流过电感器的电流的电流传感器，所述传感器包括：
电阻器；
与所述电阻器串联连接的NTC电容器；以及
其中，所述电阻器和电容器与所述电感器并联连接。
16.如权利要求15所述的电流传感器，其特征在于，
所述电感器还包括用于定义第一时间常数的电感和直流(DC)电阻。
17.如权利要求16所述的电流传感器，其特征在于，
所述电阻器和NTC电容器定义第二时间常数，在基本上所有的操作温度下所述第二时间常数基本上等于所述第一时间常数。
18.如权利要求16所述的电流传感器，其特征在于，
所述电阻器和NTC电容器定义第二时间常数，在基本上所有的操作温度下所述第二时间常数基本上减小所述第一时间常数和所述第二时间常数之间的失配。
19.如权利要求15所述的电流传感器，其特征在于，
所述NTC电容器的电容响应于温度增大而减小。
20.如权利要求15所述的电流传感器，其特征在于，
当测量流过所述电感器的电流时，所述NTC电容器提供AC失配的补偿。
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