CN102088243B - 用于确定电流的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有转换器电路的供电电路和用于确定流入转换器电路的电流的方法。转换器电路包括放大器和电流到电流转换器模块。放大器具有耦合在其反相输入端子和非反相输入端子之间的电流感测部件。放大器由流经电流感测部件的充电电流产生感测信号。感测信号被输入到电流到电流转换器模块，其按比例缩放充电电流并调制缩放的充电电流。电流到电流转换器模块将调制的电流转换为代表充电电流的充电电压。充电电流被转换为代表输入到转化器电路的输入电流的电流。到转化器电路的输入电流被添加到辅助负载电流以产生供电电路的电流。

Description

用于确定电流的电路和方法
技术领域
本发明一般涉及半导体元件，且更具体地涉及包括转换器电路的半导体元件。
背景技术
半导体元件用于包括膝上计算机、蜂窝电话、个人数字助手、视频游戏、摄像机等的不同的便携电子设备中。在这些应用中，设备可在不连接到外部交流(AC)电源的情况下操作。这里电池可用于供电。但是，以这种方式操作设备使来自电池的电荷耗尽，以致于它们需要重新充电。当对电池重新充电时，希望在重新充电操作过程中快速为其重新充电而没有过度功率损失，以便设备可以尽可能快地在便携模方式被使用。
图1是现有技术转换器电路10的电路示意图。图1中示出的是具有连接到放大器14的非反相输入端子的端子和连接到放大器14的反相输入端子的端子的电阻器12。放大器14的非反相输入端子和连接到放大器14的反相输入端子的电阻器12的端子被耦合，以用于在节点或输入端子16接收输入信号。放大器14具有提供代表流经电阻器12的电流IR12的电压信号VIR12的输出端子13。电阻器12的另一端子公共地连接到系统负载20和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)22的漏极端子。MOSFET 22具有接收来自PWM控制电路24的脉冲宽度调制(PWM)控制信号的栅极端子和公共地连接到MOSFET 26的漏极端子和电感器28的一个端子的源极端子。电感器28的另一端子公共地连接到放大器30的非反相输入端子和电阻器32的一个端子。电阻器32的另一端子公共地连接到放大器30的反相输入端和电容器34以及电池36，以形成出现输出电压VOUT的输出端子38。放大器30具有输出端子31。
在操作中，电流IR12流入节点18。电流IR12的部分IL20流到系统负载20，且电流IR12的部分ID22流到MOSFET 22的漏极端子，部分IR32由此流经电阻器32。电压VIR12出现在输出端子13，且电压VIR32出现在输出端子31。因此，转换器电路10包括两个电流回路，其中一个电流回路测量输入电流IR12且另一个电流回路测量例如电池充电电流IR32。将电池充电电流IR32传送通过两个感测电阻器即电阻器12和32增加了从转换器电路10中耗散的电量，而使其效率低下。
因此，具有用于确定高效操作的充电电流的方法和电路是有益的。该方法和电路的进一步的优势是对于制造和操作是具有成本效益的并且是可靠的。
附图说明
通过阅读以下的详细描述，结合附图图示，本发明将被更好地理解，附图中相同的参考符号指示相同的部件，且其中：
图1是现有技术转换器电路的一部分的电路示意图；
图2是依照本发明的实施方式的包括开关转换器电路的供电电路的电路示意图；以及
图3是图2的供电电路的一部分的电路示意图。
具体实施方式
一般地，本发明提供了包括充电电路101的供电电路100和用于确定流入充电电路101的输入电流的方法。依照实施方式，供电电路100的系统电流ISYS实质上等于充电电路101的输入电流IQIN和流入系统负载126的辅助电流IAUX的和。流经阻抗的充电电流ICHG被转换为反射电压VIQIN，且流经另一个阻抗的辅助电流IAUX被转换为求和器输入电压VAUX。反射电压VIQIN代表输入电流IQIN，且求和器输入电压VAUX代表辅助电流IAUX。因此，输入电流IQIN通过测量经过阻抗的充电电流ICHG并将其转换为等效输入电流IQIN来确定。以举例的方式，充电电路101的输入电流IQIN可通过感测充电电流ICHG并将充电电流ICHG按比例缩放(scale)ICHG以产生缩放的(scaled)充电电流IDRV来确定。缩放的充电电流IDRV被调制以产生被转换为电压VIQIN的调制电流IMOD。反射电压VIQIN增加到求和器输入电压VAUX，以形成代表系统电流ISYS的系统电压VSYS。
图2是依照本发明的实施方式的包括具有降低的功耗的充电电路101的供电电路100的电路示意图。在图2中示出的是连接到交流(AC)适配器114的相应的输出端子的供电电路100的输入端子110和112。应注意到供电电路100的电源不限于是AC适配器。其他适当的电源包括直流(DC)电源适配器、光生伏打电路、燃料电池等。AC适配器114可包括耦合到整流器124的电磁干扰(EMI)滤波器122。EMI滤波器122具有被耦合以用于接收来自AC电源120的输入端子，且整流器124具有连接到供电电路100的输入端子110和112的输出端子。因此供电电路100被耦合以用于通过输入端子110和112接收输入信号，其中输入端子112作为电流返回端子起作用。以举例的方式说，供电电路100包括具有非反相输入端子、反相输入端子、输出端子、以及可使用未示出的反馈网络实现的增益A1的放大器102。非反相输入端子公共地连接到可以是例如电阻器的阻抗104的一个端子和MOSFET 106的漏极端子以形成节点108。节点108连接到输入端子110。应注意到节点108可作为输入端子110起作用。放大器102的反相输入端子公共地连接到电阻器104的另一端子和系统负载126的输入端子以形成节点109。系统负载126的适当的例子包括中央处理单元(CPU)、芯片组、双数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM)等。放大器102的输出端子连接到求和器128的输入端子。求和器128可称为求和器电路或求和电路。
MOSFET 106具有被耦合以接收来自PWM控制电路130的输出端132的控制信号VCTLH的栅极端子、以及公共地连接到MOSFET 136的漏极端子和能量存储器件或部件138的端子的源极端子，以形成节点140。MOSFET 136具有被耦合以用于接收来自PWM控制电路130的输出端子134的控制信号VCTLL的栅极端子、以及被耦合以用于接收操作电势源VSS的源极端子。通过举例的方式说，操作电势源VSS是接地电势。应注意到，例如MOSFET 106和136的器件的漏极和源极端子可称为载流电极，且MOSFET 106和136的栅极端子可称为控制端子。进一步应注意到，器件106和136不限于是MOSFET。晶体管106和136的其他适当的器件包括场效应晶体管、双极型结型场效应晶体管、结型场效应晶体管等。
供电电路100还包括具有非反相输入端子、反相输入端子、输出端子143的放大器142，以及可使用未示出的反馈网络实现的增益A2。非反相输入端子在节点146公共地连接到的能量存储部件138的另一端子和阻抗144的一个端子。以举例的方式说，阻抗144是电阻器。放大器142的反相输入端子公共地耦合到电阻器144的另一端子和电容器147的一个端子，以形成节点148。节点148连接到供电电路100的充电端子150。电容器147的另一端子被耦合以用于接收操作电势源VSS。放大器142的输出端子143连接到电流到电流转换器模块152的输入端子，且PWM控制电路130的输出端子132连接到电流到电流转换器模块152的另一个输入端子。转换器模块152具有连接到求和器128的输入端子的输出端子153，并在其输出端子产生代表流经MOSFET 106的漏极到源极电流的电压信号VIQIN。求和器128将来自放大器102的信号和来自转换器模块152的信号相加以在输出端子154形成代表流入节点108的电流ISYS的相加后的信号VSYS。MOSFET106和136、PWM控制电路130、电感器138、电阻器144、放大器142和电流到电流转换器模块152可称为充电电路101。代表电流ISYS的相加后的信号VSYS被转换为电流ISYS。
图3是依照实施方式的电流到电流转换器模块152的电流示意图，在该实施方式中，电流到电流转换器模块152包括比较器160，该比较器160具有耦合到PWM控制电路130的输出端子132的反相输入端子、被耦合以接收参考电压VREF的非反相输入端子、以及耦合到MOSFET 162的栅极端子的输出端子。MOSFET 162具有被耦合以接收操作电势源VSS的源极端子以及公共地连接到电压控制电流源164的载流端子和二极管166的阳极的漏极端子。电压控制电流源164具有被耦合以接收操作电势源VCC的另一个载流端子和连接到放大器142(在图2中示出)的输出端子143的控制端子。二极管166的阴极公共地连接到电阻器168的一个端子和电容器170的一个端子以形成充电端子153。电压VIQIN出现在充电端子153处。电阻器168和电容器170的另外的端子被耦合以接收例如操作电势源VSS。电阻器168和电容器170协作以形成滤波器171。虽然转换器模块152被示出并被描述为在开关设置中，但这并非对本发明的限制。在另一个适当的设置中，转换器模块152包括模拟乘法器电路。
在操作中，电流ISYS响应于来自AC适配器114的AC信号而产生。PWM控制电路130在输出端子132和134的脉冲宽度调制输出信号VCTLH和VCTLL以用于分别开启和关闭MOSFET 106和136。当MOSFET 106开启并传导时，ISYS流入节点108并被分为部分IAUX和IQIN。部分IAUX称为辅助负载电流或辅助电流并通过电阻器104流入系统负载126，且部分IQIN称为充电器输入电流并从漏极端子流到MOSFET 106的源极端子并流向充电端子150。因此，供电电路100具有耦合到节点108的接收系统电流ISYS的部分IAUX的系统路径、和耦合到节点108的接收系统电流ISYS的部分IQIN的电池充电路径。电流IAUX流经电阻器104但是不经过电阻器144，且电流IQIN流经电阻器144但不经过电阻器104。电流IAUX产生电阻器104两端的电流感测电压VR104，即，电流感测电压VR104是出现在放大器102的非反相输入端子和反相输入端子之间的电压，或出现在节点108和109之间的电压，其中节点108的电压可由参考符号V108标识，且节点109上的电压可由参考符号V109标识。应注意电流感测电压VR104可称为差值电压，因为其是电压V108和V109之间的差值。电阻器104可称为电压产生部件或电流感测部件。响应于电流感测电压VR104，放大器102在其输出端子产生了可称为缩放的电流感测电压的电压VAUX。因此，电阻器104用于感测电流IAUX。电压VAUX被传送到求和器128的一个输入端子。
充电电流ICHG产生了电阻器144两端的电流感测电压VR144，即，电压VR144出现在放大器142的非反相输入端子和反相输入端子之间或节点146和148之间，其中节点146上的电压可由参考符号V146标识，且节点148上的电压可由参考符号V148标识。电阻器144还可称为电压产生部件或电流感测部件。因此，电阻器144用于感测电流ICHG。应注意到充电电流ICHG不限于使用电阻器144来确定。例如，充电电流ICHG可使用低边感测FET、高边感测FET、或低边和高边感测FET两者等来确定。响应于电压VR144，放大器142在输出端子143产生被传送到电流到电流转换器模块152的输入端子的缩放的电压VCHG。缩放的电压VCHG还称为充电电压。另外，来自PWM控制电路130的输出端子132的脉冲宽度调制电压信号VCTLH被传送到电流到电流转换器模块152。响应于信号VCHG和VCTLH，电流到电流转换器模块512在输出端子153产生代表充电电流IQIN的电压VIQIN。电流对电流转换器模块的152的操作参考图3被进一步描述。电压VIQIN被传送到求和器128的另一个输入端子。求和器128产生了是电压VAUX和VIQIN的和的输出电压VSYS，其中电压VSYS代表流入节点108的电流ISYS。
现参考图3，充电电流ICHG流经电阻器144并产生代表电流ICHG的电流感测电压VR144。因此，电阻器144用于感测充电电流ICHG。应注意到电压VR144可称为差值电压，因为其是电压V146和V148之间的差值。放大器142通过按比例缩放(scale)电流感测电压VR144产生缩放的电压VCHG。按比例缩放(scale)电流感测电压VR144增加其信号电平，这提供了改进的抗扰度和准确度。因为电流感测电压VR144代表充电电流ICHG，按比例缩放(scale)电流感测电压VR144相当于按比例缩放(scale)充电电流ICHG。缩放的电压VCHG作为电压控制电流源164的控制电压起作用，其产生与电流ICHG的标称值成比例的缩放的电流IDRV。依照实施例，缩放的电压VCHG按比例缩放(scale)来自电压控制电流源164的电流以产生具有比电流ICHG更低的值的缩放的电流IDRV，这改进了电流到电流转换器152的效率。PWM控制电路130将来自输出端132的PWM控制信号VCTLH传送到比较器160的反相输入端子。以举例的方式说，控制信号VCTLH是具有被设置成驱动开关106的占空因数的脉冲序列。占空因数提供缩放因子KSCL以将输入电压V108(在图2中的节点108上示出)改变为在输出端子150和操作电势源VSS之间出现的输出电压VOUT。另外，包含在控制信号VCTLH中的缩放因子KSCL可用于通过按比例缩放(scale)充电电流ICHG来产生充电输入电流IQIN。
比较器160产生用于控制MOSFET 162的控制信号，其中控制信号具有反相占空因数作为控制信号VCTLH。当开关晶体管106传导电流时，MOSFET 162不传导实质的电流。当MOSFET 162以非传导模式操作时，缩放的电流IDRV的部分IMOD流入输出滤波器171中，向电容器170增加电荷并产生代表输入电流IQIN的电压VIQIN。电压VIQIN可称为反射电压并由输出滤波器171滤波。因此，缩放的电流IDRV被转换为反射电压VIQIN。因此，MOSFET 162将电流IDRV的部分IMOD引导向输出滤波器171，而电流IDRV的部分IDSMOD通过MOSFET 162流到操作电势源VSS。在开关晶体管106不传导的时间间隔期间，MOSFET 162传导电流并分流电流IDRV或将电流IDRV从电流源164引导到接地以使得不向输出滤波器171增加任何电荷或能量。当MOSFET 162传导时，二极管166阻挡输出滤波器171的传导路径，这可能以其他方式将输出滤波器171的电容器170放电。与电容器170组合的电容器168设置了时间常数，以用于集成来自电流IMOD的脉冲电流信号。由电阻器168和电容器170设置的时间常数一般比控制信号VCTLH的脉冲频率低大约十倍。应注意到，时间常数可通过选择电阻器168和电容器170的值来增加或减小。
如以上参考图2所讨论的，求和器128将电压VAUX和VCHG相加以产生代表系统电流ISYS的相加的电压VSYS。应注意到，系统电流ISYS实质上等于电流IAUX和IQIN的和。电流IQIN可称为反射电流，因为其代表反射回MOSFET 106的漏极的充电电流ICHG。系统使用相加的电压VSYS以监控来自AC适配器114的或来自某个其他源的总输入电流，以在系统电流ISYS达到超过AC适配器114的电流极限的水平时控制充电电流ICHG。
到现在为止应认识到，已提供了用于确定在供电电路中流动的电流的电路和方法。依照实施方式，供电电路的系统电流ISYS是系统负载和辅助电流IAUX和充电器模块或电路电流IQIN的和。充电器模块电流IQIN可通过将充电电流ICHG转换为电流感测电压并按比例缩放(scale)电流感测电压以产生缩放的电压VCHG来确定，该缩放的电压VCHG作为电压控制电流源的控制电压起作用。缩放的电压VCHG按比例缩放(scale)电流源电流。缩放的电流源电流依照脉冲宽度调制信号被路由，以产生反射电压VIQIN。电流感测电压由辅助电流IAUX产生并被按比例缩放(scale)以形成求和器输入电压VAUX。电压VIQIN和VAUX被相加以形成代表系统电流ISYS的系统电压VSYS。将电压VIQIN和VAUX相加类似于将电流IQIN和IAUX相加以产生系统电流ISYS。电流IQIN和IAUX沿着两个独立的路径流动，其中每个路径具有减少了的数量的电阻部件从而减少电阻损失。这个设置通过减小阻抗路径损失来降低功耗，因为电池充电电流流经较低的电阻。
虽然本文中公开了具体的实施方式，但并不意味着本发明限于所公开的实施方式。本领域技术人员将认识到可作出修改和变型而不偏离本发明的精神。这意指本发明包括落入所附的权利要求的范围内的所有这样的修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于确定包括转换器电路(101)的电路(100)中的系统电流(ISYS)的方法，包括如下步骤：
将系统电流(ISYS)分为输入电流和辅助电流，其中所述输入电流流经第一阻抗部件(144)和第一能量存储部件，所述辅助电流流经第二阻抗部件(104)，并且在所述辅助电流的电流流动路径中不存在第二能量存储部件；
将充电电流(ICHG)转换为代表所述输入电流的反射电压(VIQIN)；
将所述辅助电流(IAUX)转换为求和器输入电压(VAUX)；以及
将所述反射电压(VIQIN)添加到所述求和器输入电压(VAUX)以产生代表所述系统电流(ISYS)的充电器输入电压(VSYS)。
2.如权利要求1所述的方法，其中
将所述辅助电流(IAUX)转换为求和器输入电压(VAUX)的步骤包括：将第一差值电压(VR104)放大以产生所述求和器输入电压(VAUX)；
将所述充电电流(ICHG)转换为所述反射电压(VIQIN)的步骤包括：产生第二差值电压(VR144)，且还包括：
将所述第二差值电压(VR144)放大以产生缩放的电流感测电压(VCHG)；
产生脉冲宽度调制控制电压(VCTLH)；
使用所述缩放的电流感测电压(VCHG)和所述脉冲宽度调制控制电压(VCTLH)以产生反射电流(IQIN)；以及
由所述反射电流(IQIN)产生所述反射电压(VIQIN)。
3.如权利要求1所述的方法，其中：
将所述辅助电流(IAUX)转换为所述求和器输入电压(VAUX)的步骤包括：将第一差值电压(VR104)放大以产生所述求和器输入电压(VAUX)并将所述辅助电流(IAUX)传送通过所述第二阻抗部件(104)；
将所述充电电流(ICHG)转换为所述反射电压(VIQIN)的步骤包括：产生第二差值电压(VR144)，且还包括：放大所述第二差值电压(VR144)以产生缩放的电流感测电压(VCHG)；
产生脉冲宽度调制控制电压(VCTLH)；
使用所述缩放的电流感测电压(VCHG)和所述脉冲宽度调制控制电压(VCTLH)以产生反射电流(IQIN)；以及
由所述反射电流(IQIN)产生所述反射电压(VIQIN)；
传送所述充电电流(ICHG)通过所述第一阻抗部件(144)；
并且其中当传送所述充电电流(ICHG)通过所述第一阻抗部件(144)时，所述充电电流(ICHG)不在所述第二阻抗部件(104)中，且当传送所述辅助电流(IAUX)通过所述第二阻抗部件(104)时，所述辅助电流(IAUX)不在所述第一阻抗部件(144)中。
4.一种用于确定电路的输入电流的方法，包括以下步骤：
将系统电流(ISYS)分为充电电流和辅助电流，其中所述充电电流流经第一阻抗(144)和第一能量存储部件，所述辅助电流流经第二阻抗(104)；
使用所述充电电流(ICHG)以产生第一电流感测电压(VR144)；
使用所述第一电流感测电压(VR144)以产生充电电压(VCHG)；
使用所述充电电压(VCHG)以按比例缩放驱动电流(IDRV)；以及
将所缩放的驱动电流(IDRV)转换为反射电压(VIQIN)。
5.如权利要求4所述的方法，还包括步骤：
使用所述辅助电流(IAUX)产生第二电流感测电压(VR104)，包括：传导所述辅助电流(IAUX)通过具有第一端子和第二端子的所述第二阻抗(104)；以及
产生所述第二电流感测电压(VR104)作为所述第二阻抗(104)的第一端子和第二端子之间的差值电压；
按比例缩放所述第二电流感测电压(VR104)以产生缩放的第二电流感测电压(VAUX)；以及
将所述缩放的第二电流感测电压(VAUX)和所述反射电压(VIQIN)相加以产生相加的电压(VSYS)，其中使用所述第一电流感测电压(VR144)以产生所述充电电压(VCHG)的步骤包括：按比例缩放所述第一电流感测电压(VR144)以产生所述充电电压(VCHG)。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述充电电流(ICHG)沿着包括所述第一阻抗(144)的所述第一电流(IAUX)路径流动，且所述方法还包括：使用辅助电流(IAUX)产生第二电流感测电压(VR104)，其中所述辅助电流(IAUX)沿着包括所述第二阻抗(104)且不包括所述第一阻抗(144)的第二电流路径流动。
7.一种供电电路(100)，包括：
系统路径，其耦合到第一节点(108)以接收电流(ISYS)的第一部分(IAUX)，所述系统路径包括具有第一端子和第二端子的第二阻抗(104)，其中在所述系统路径中不存在一个或多个能量存储部件；以及
电池充电路径，其耦合到所述第一节点(108)以接收所述电流(ISYS)的第二部分(IQIN)，所述电池充电路径包括具有第一端子和第二端子的第一阻抗(144)以及耦合到所述第一阻抗(144)的所述第二端子的第一能量存储部件，且其中所述第一阻抗和所述第一能量存储部件存在于所述电池充电路径中。
8.如权利要求7所述的供电电路(100)，还包括：
第一放大器(102)，其具有第一输入端子和第二输入端子和输出端子，所述第一输入端子耦合到所述第二阻抗(104)的所述第一端子，且所述第二输入端子耦合到所述第二阻抗(104)的所述第二端子；以及
求和器电路(128)，其具有第一输入端子和第二输入端子，所述第一输入端子耦合到所述第一放大器(102)的所述输出端子；
第二放大器(142)，其具有第一输入端子和第二输入端子和输出端子，所述第一输入端子耦合到所述第一阻抗(144)的所述第一端子，且所述第二输入端子耦合到所述第一阻抗(144)的所述第二端子；
转换器电路(152)，其具有第一输入端子和第二输入端子和输出端子，所述第一输入端子耦合到所述第二放大器(142)的所述输出端子，且所述转换器电路(152)的所述输出端子耦合到所述求和器电路(128)的第二输入端子；以及
脉冲宽度调制控制电路(130)，其具有第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子耦合到所述转换器电路(152)的所述第二输入端子。
9.如权利要求8所述的供电电路(100)，还包括：
第一晶体管(106)，其具有第一载流电极和第二载流电极以及控制电极，所述第一载流电极耦合到所述第一节点(108)，所述第二载流电极耦合到所述第一阻抗(144)，且所述控制电极耦合到所述脉冲宽度调制控制电路(130)的所述第一输出端子；以及
第二晶体管(136)，其具有第一载流电极和第二载流电极和控制电极，所述第一载流电极耦合到所述第一晶体管(106)的所述第二载流电极，且所述控制电极耦合到所述控制电路(130)的所述第二输出端子。
10.如权利要求9所述的供电电路(100)，其中所述转换器电路(152)包括：
比较器(160)，其具有第一输入端子和第二输入端子和输出端子，所述第一输入端子耦合到所述脉冲宽度调制控制电路(130)的所述第一输出端子；
第三晶体管(162)，其具有控制电极和第一载流电极和第二载流电极，所述控制电极耦合到所述比较器(160)的所述输出端子；
电压控制电流源(164)，其具有耦合到所述第三晶体管(162)的所述第一载流电极的载流端子；以及
电阻器(168)，其具有第一端子和第二端子；所述第一端子耦合到所述电流源(164)的载流端子。
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