CN103329416A - 在开关模式电源中的无损电感器电流感测 - Google Patents

在开关模式电源中的无损电感器电流感测 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无损电感器电流感测技术，其集成了匹配可调谐互补滤波器与开关模式电源SMPS控制器以精确测量流过所述SMPS的电力电感器的电流而未将损耗引入电力电路中。所述互补滤波器可经电路内调整以显著减少组件容限的效应，其精确测量所述电力电感器电流以用于过电流保护及/或闭合环路控制。所述互补集成滤波器的频率极点及增益可经实时调整以适于所述SMPS系统的动态改变的操作条件。

Description

在开关模式电源中的无损电感器电流感测
技术领域
本发明涉及开关模式电源，且更特定来说涉及利用匹配互补可调谐滤波器而在开关模式电源(SMPS)中的无损电感器电流感测。
背景技术
同步降压开关模式电力转换器是一种用于SMPS应用的常用拓扑。此拓扑中的电流感测可具有挑战性且必须在设计中克服。了解或监视注入到负载中的电流对电力转换器提供保护且可在其闭合环路控制期间改进动态性能。
一些现有技术电流感测技术如下：主要电力路径中的串联感测电阻器、电流感测变压器、感测跨上MOSFET开关的电压降，及通过对电力电感器108使用辅助绕组的电感器电压积分测量。现参考图1，其描绘具有主要电力路径中的串联感测电阻器110的现有技术SMPS。跨串联感测电阻器110的电压由差分输入运算放大器114检测，且从其输出的VSENSE与由SMPS供应的负载电流成比例。然而，串联感测电阻器110引入非所需的电力损失。由于高效率通常为大多数SMPS应用中的最重要的需求，所以电力路径中的电阻电路元件应被避免或最小化。仅在少数情况中及出于非常特定原因，才将消耗电力的电阻引入到主要电力控制路径中。在辅助电路中(例如，整体系统的序列、监视器及控制电子元件)，高值电阻器为常见的，因为其损失贡献通常不明显。
参考图2，其描绘具有用于测量到负载的电流的电流感测变压器的现有技术SMPS。电流感测变压器214具有与所述SMPS的电力路径串联连接的初级(primary)。感测二极管216及感测电阻器218提供与由所述SMPS供应的负载电流成比例的VSENSE输出。电流感测变压器214对逐循环峰值电流限制及峰值电流模式控制提供电流监视。对于此电流监视配置而言，电力损失为最小，然而，实施费用是昂贵的。
参考图3，其描绘监视跨上MOSFET开关104的接通电压降的现有技术SMPS。在开关104为接通时感测跨上MOSFET开关104的电压降提供表示通过其的电流的无损信号。差分输入运算放大器314感测跨MOSFET开关104的电压且产生感测电压输出VSENSE。然而，此电压降为负载电流的不准确表示且由于MOSFETRDS-ON的高温度系数而进一步不准确。
参考图4，其描绘具有通过对电力电感器使用辅助绕组的电感器电压积分测量的现有技术SMPS。通过添加辅助绕组416到电力电感器108，提供表示通过电力电感器108的电流的大体上无损信号VSENSE。然而，耦合电感器的需求增加所述SMPS的磁性组件的成本。
参考图5，其描绘具有用于测量流过SMPS电感器的电流的匹配互补滤波器的现有技术SMPS。此匹配互补滤波器与电力电感器108的电感器线圈电阻RL组合使用以感测从中穿过的电流。所述匹配互补滤波器由与小值电容器522(CF)串联的电阻器520(RF)组成。此串联连接的组合与电感器108并联连接。当所述互补滤波器阻抗与电力电感器108的阻抗匹配(即，L/RL＝RF*CF)时，电容器电压VCF直接与流过电感器108的电流成比例。此从下列等式容易展示：
VL＝IL*(RL+s*L)
VL＝IL*RL*(1+s*(L/RL))
VCF＝VL/(1+S*RF*CF)
VCF＝IL*RL*[(1+s*(L/RL))/(1+S*RF*CF)]
如果L/RL＝RF*CF，那么VCF＝IL*RL
其中VL为跨电感器108的电压，L为电感器108的以亨利(henry)为单位的电感，RL为电感器108的以欧姆(ohm)为单位的线圈电阻，IL为流过电感器108的以安培(ampere)为单位的电流，及s为s域(即，频域)的复频率。其中VCF为跨匹配互补滤波器电容器522的电压，CF为电容器522的以法拉(farad)为单位的电容，及RF为匹配互补滤波器电阻器520的以欧姆(ohm)为单位的电阻。
将跨电容器522(CF)的电压VCF施加到差分放大器514的输入，且从其输出的VSENSE与由所述SMPS供应的负载电流IL成比例。由于未将电阻器或阻抗引入到所述SMPS的高电流路径中，所以流过电感器108的电流的测量为无损的。然而，此互补滤波器必须与电感器108的等效电感L及串联电阻RL匹配以用于精确及绝对的电流测量结果。由于离散组件值在操作温度范围上改变，因此此电路还受高温度系数影响，由此减小SMPS的操作条件的范围上的精确性。
发明内容
需要一种用于精确测量流过不浪费电力、在所有操作条件上具有高度精确性及具有灵活性并且以低成本在混合信号集成电路中实施的SMPS电力电感器的电流的系统、方法及设备。
根据本发明的特定实例实施例，用于测量流过开关模式电源(SMPS)中的电感器的电流的可调谐互补滤波器包括：运算跨导放大器(OTA)，其具有耦合到开关模式电源(SMPS)中的电感器的电压源侧的第一输入、耦合到所述电感器的负载侧的第二输入、及电流输出；运算放大器，其经配置为缓冲放大器且具有耦合到所述OTA的电流输出的输入；耦合在所述OTA的电流输出与所述电压源的回线之间的第一可调整电阻器；具有耦合到所述运算放大器的输出的第一端的第二可调整电阻器；及耦合在所述第二可调整电阻器的第二端与所述电压源的所述回线之间的调谐电容器；来自可调谐互补滤波器的电压在所述第二可调整电阻器的第二端处为可用，其中所述电压表示流经所述SMPS的电感器的电流。
根据本发明的另一特定实例实施例，用于测量流过开关模式电源(SMPS)中的电感器的电流的可调谐互补滤波器包括：运算跨导放大器(OTA)，其具有耦合到开关模式电源(SMPS)中的电感器的电压源侧的第一输入、耦合到所述电感器的负载侧的第二输入、及电流输出；耦合在所述OTA的电流输出与所述电压源的回线之间的可调整电阻器；及耦合在所述OTA的电流输出与所述电压源的所述回线之间的调谐电容器；来自所述可调谐互补滤波器的电压在所述OTA的电流输出处为可用，其中所述电压表示流经所述SMPS的电感器的电流。
根据本发明的又一特定实例实施例，用于控制开关模式电源(SMPS)的系统包括：电力电感器；分别耦合在所述电力电感器与电压源的正及负节点之间的高及低切换电力晶体管；耦合到所述电力电感器及所述电压源的负节点的滤波电容器；耦合到所述电力电感器的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器通过提供来自所述可调谐互补滤波器的表示流经所述电力电感器的电流的电压输出而测量流过所述电力电感器的电流；SMPS控制器，其具有耦合到所述高及低切换晶体管的驱动器输出、耦合到用于测量来自所述SMPS的经调节的输出电压的滤波电容器的第一输入、及耦合到所述可调谐互补滤波器的电压输出的第二输入，其中所述SMPS控制器使用耦合到所述第一输入的所述经调节的输出电压及来自所述可调谐互补滤波器的表示流经所述电感器的电流的所述电压输出作为SMPS控制参数。
附图说明
本发明的更完全理解可通过参考结合附图的以下描述而获取，其中：
图1说明具有主要电力路径中的串联感测电阻器的现有技术SMPS的示意图；
图2说明具有用于测量到负载的电流的电流感测变压器的现有技术SMPS的示意图；
图3说明监视跨上MOSFET开关的接通电压降的现有技术SMPS的示意图；
图4说明具有通过对电力电感器使用辅助绕组的电感器电压积分测量的现有技术SMPS的示意图；
图5说明具有用于测量流过SMPS电感器的电流的匹配互补滤波器的现有技术SMPS的示意图；
图6说明根据本发明的特定实例实施例用于无损测量SMPS的电感器电流的电路的示意图；
图7说明根据本发明的另一特定实例实施例用于无损测量SMPS的电感器电流的电路的示意图；
图8说明展示于图6及7中的电路的极点频率调整的图表；
图9说明展示于图6及7中的电路的DC增益调整的图表；及
图10说明使用展示于图6及7中的可调谐互补滤波器的特定实例实施例控制SMPS系统的混合信号集成电路装置的示意性框图。
虽然本发明可具有多种修改及替换形式，但其特定实例实施例已显示于图式中且将在本文中予以详细描述。然而应了解，本文的特定实例实施例的描述并非希望将本发明限制于本文所揭示的特定形式，恰相反，本发明将涵盖如所附权利要求书所定义的所有修改及等效物。
具体实施方式
现在参考图式，其示意性说明特定实例实施例的细节。在所述图式中相同元件将由相同数字代表，且相似元件将由具有不同小写字母后缀的相同数字代表。
图5中所展示的匹配滤波器为根据本发明的教示用于无损测量SMPS电力电感器电流的新型、新颖及非显而易见的系统、方法及设备的基础。在一个特定实例实施例(图6)中，通过利用包括运算跨导放大器(OTA)、可变电阻器及可变电容器的可调谐滤波器而将匹配互补滤波器集成到SMPS控制器中。在另一特定实例实施例中，已添加配置为缓冲器的运算放大器及可变电阻器，其提供独立增益及极点位置调整(图7)。
参考图6，其描绘根据本发明的特定实例实施例用于无损测量SMPS的电感器电流的电路的示意图。可调谐互补滤波器电感器电流测量电路包括运算跨导放大器(OTA)622、可变电阻器624，及可变电容器626。OTA622被配置为电压可变积分器且用作一阶低通滤波器(见图8及9)。此积分器的转移函数如下：
VO/(VI1-VI2)＝gm/(S*CF)
图6中所展示的OTA622电路具有可调整极点频率及可调整DC增益。通过电容器626(CF)及电阻器624(RF)调整所述极点频率；及通过电阻器624(RF)调整所述DC增益。图6中所展示的滤波器的转移函数通过如下表示：
VO/(VI1-VI2)＝(gm*RF)/(S*RF*CF+1)
如从所述转移函数注意到，所述DC增益等于gm*RF；且所述极点频率等于1/(2π*RF*CF)Hz。不可独立调整所述极点频率及DC增益。
参考图7，其描绘根据本发明的另一特定实例实施例用于无损测量SMPS的电感器电流的电路的示意图。可调谐互补滤波器电感器电流测量电路包括运算跨导放大器(OTA)622、可变电阻器624、配置为缓冲器的运算放大器728、可变电阻器730及可变电容器626。OTA622被配置为具有宽带宽的电压可变输入增益级。运算放大器728从单一极低通滤波器解耦输入增益级。可通过改变电阻器624(RF)及/或电容器626(CF)而调整所述极点频率，且随后可通过改变可变电阻器730(RG)而调整所述DC增益。图7中所展示的滤波器的转移函数通过如下表示：
VO/(VI1-VI2)＝(gm*RG)/(S*RF*CF+1)
如从所述转移函数注意到，所述DC增益等于gm*RG；且所述极点频率等于1/(2π*RF*CF)Hz。可独立调整所述极点频率及DC增益。
图6及7中所展示的可调谐互补滤波器可经调整(例如，调谐)以与L/RL零极点匹配，及经增益调整以将所感测电流信号放大到所需电压电平。所述可调谐互补滤波器可经进一步电路内调整以显著减少组件容限的效应。所述可调谐互补滤波器可经实时调整以适于SMPS的改变的操作条件。所述可调谐互补滤波器精确测量电感器108电流以用于所述SMPS的过电流保护及/或闭合环路控制。
参考图8，其描绘图6及7中所展示的电路的极点频率调整的图表。
参考图9，其描绘图6及7中所展示的电路的DC增益调整的图表。
参考图10，其描绘使用图6及7中所展示的可调谐互补滤波器的特定实例实施例控制SMPS系统的混合信号集成电路装置的示意性框图。混合信号集成电路装置1002包括SMPS控制器1004、电力晶体管驱动器1006、微控制器1008及相关存储器1010、OTA622、运算放大器728、DC增益设定电阻器730、极点频率设定电阻器624及极点频率设定电容器626。SMPS控制器1004可产生脉宽调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲密度调制(PDM)等信号以控制将电力控制信号提供到SMPS的电力MOSFET开关104及106的电力晶体管驱动器1006。SMPS控制器1004监视经电压调节的输出电压VOUT及来自包括OTA622、运算放大器728、可变电阻器624及730及调谐电容器626的可调谐互补滤波器的经测量的电感器电流信号VO。
连接OTA622、运算放大器728、可变电阻器624及730以及调谐电容器626且如上文更完全描述而操作。微控制器1008控制可变电阻器624及730，以及设定SMPS控制器1004的参数(虚线表示控制信号)。可预期及在本发明的范围内，微控制器1008可执行与SMPS控制器1004相同的功能且代替SMPS控制器1004。微控制器1008具有模拟输入及模/数转换电路(未展示)。用于混合信号集成电路装置1002的操作程序可储存在与微控制器1008相关联的存储器1010中。额外电容器626a可添加到混合信号集成电路装置1002的外部且与内部电容器626并联。微控制器1008可控制电容器626的电容值，且结合控制可变电阻器624及730。通过微控制器1008控制电容器626及/或可变电阻器624及730容许实时地动态调谐可调谐互补滤波器的增益及/或极点频率以在改变所述SMPS的操作条件下最优化电流测量。根据本发明的教示，所述可调谐互补滤波器实施方案还可应用于(但不限于)开关模式电力转换器、(SMPC)、无刷直流电动机等。
虽然本发明的实施例已参考本发明的实例实施例而描绘、描述及定义，但是此些参考不意味对本发明的限制，且不应推断出此限制。所揭示的标的可在形式及功能上存在相当多的修改、替代及等效物，如所属领域及获益于本发明的普通技术者所了解。本发明的所描绘及描述的实施例仅为实例，并非本发明的范围的详尽内容。

Claims (30)

1.一种用于测量流过开关模式电源SMPS中的电感器的电流的可调谐互补滤波器，其包括：
运算跨导放大器OTA，其具有耦合到开关模式电源SMPS中的电感器的电压源侧的第一输入、耦合到所述电感器的负载侧的第二输入及电流输出；
运算放大器，其经配置为缓冲放大器且具有耦合到所述OTA的所述电流输出的输入；
第一可调整电阻器，其耦合在所述OTA的所述电流输出与所述电压源的回线之间；
第二可调整电阻器，其具有耦合到所述运算放大器的输出的第一端；及
调谐电容器，其耦合在所述第二可调整电阻器的第二端与所述电压源的所述回线之间；
来自所述可调谐互补滤波器的电压在所述第二可调整电阻器的所述第二端处为可用，其中所述电压表示流经所述SMPS的所述电感器的电流。
2.根据权利要求1所述的可调谐互补滤波器，其中所述OTA、所述运算放大器、所述第一可调整电阻器及所述第二可调整电阻器及所述调谐电容器构成一阶低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的可调谐互补滤波器，其中所述OTA被配置为具有宽的频率带宽的电压可变输入增益级。
4.根据权利要求1所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的极点频率是通过改变所述第二可调整电阻器的电阻而调整。
5.根据权利要求1所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的极点频率是通过改变所述第二可调整电阻器的电阻而调整以与所述电感器的零频率匹配。
6.根据权利要求1所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的极点频率是通过改变所述调谐电容器的电容而调整。
7.根据权利要求1所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的极点频率是通过改变所述调谐电容器的电容而调整以与所述电感器零频率匹配。
8.根据权利要求1所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的增益是通过改变所述第一可调整电阻器的电阻而调整。
9.根据权利要求1所述的可调谐互补滤波器，其中调整所述可调谐互补滤波器的极点频率同时测量流过所述电感器的电流。
10.根据权利要求1所述的可调谐互补滤波器，其中所述OTA、所述运算放大器、所述第一可调整电阻器及所述第二可调整电阻器及调谐电容器是制作于混合信号集成电路的半导体裸片上。
11.根据权利要求10所述的可调谐互补滤波器，其进一步包括制作于所述集成电路裸片上的微控制器，其中所述微控制器控制所述第一可调整电阻器及所述第二可调整电阻器的电阻及所述调谐电容器的电容。
12.根据权利要求10所述的可调谐互补滤波器，其进一步包括开关模式电源控制器，以及制作于所述半导体裸片上的高及低电力晶体管驱动器。
13.根据权利要求10所述的可调谐互补滤波器，其进一步包括耦合到制作于所述半导体裸片上的所述调谐电容器的外部调谐电容器。
14.一种用于测量流过开关模式电源SMPS中的电感器的电流的可调谐互补滤波器，其包括：
运算跨导放大器OTA，其具有耦合到开关模式电源SMPS中的电感器的电压源侧的第一输入、耦合到所述电感器的负载侧的第二输入及电流输出；
可调整电阻器，其耦合在所述OTA的所述电流输出与所述电压源的回线之间；及
调谐电容器，其耦合在所述OTA的所述电流输出与所述电压源的所述回线之间；
来自所述可调谐互补滤波器的电压在所述OTA的所述电流输出处为可用，其中所述电压表示流经所述SMPS的所述电感器的电流。
15.根据权利要求14所述的可调谐互补滤波器，其中所述OTA被配置为电压可变积分器且用作一阶低通滤波器。
16.根据权利要求14所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的极点频率是通过改变所述可调整电阻器的电阻而调整。
17.根据权利要求14所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的极点频率是通过所述改变所述可调整电阻器的电阻而调整以与所述电感器的零频率匹配。
18.根据权利要求14所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的极点频率是通过改变所述调谐电容器的电容而调整。
19.根据权利要求14所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的极点频率是通过改变所述调谐电容器的电容而调整以与所述电感器零频率匹配。
20.根据权利要求14所述的可调谐互补滤波器，其中所述可调谐互补滤波器的增益是通过改变所述可调整电阻器的电阻而调整。
21.根据权利要求14所述的可调谐互补滤波器，其中调整所述可调谐互补滤波器的极点频率同时测量流过所述电感器的电流。
22.根据权利要求14所述的可调谐互补滤波器，其中所述OTA、所述可调整电阻器及调谐电容器制作于混合信号集成电路的集成电路裸片上。
23.根据权利要求22所述的可调谐互补滤波器，其进一步包括制作于所述集成电路裸片上的微控制器，其中所述微控制器控制所述可调整电阻器的电阻及所述调谐电容器的电容。
24.根据权利要求22所述的可调谐互补滤波器，其进一步包括开关模式电源控制器，以及制作于半导体裸片上的高及低电力晶体管驱动器。
25.根据权利要求22所述的可调谐互补滤波器，其进一步包括耦合到制作于所述半导体裸片上的所述调谐电容器的外部调谐电容器。
26.一种用于控制开关模式电源SMPS的系统，所述系统包括：
电力电感器；
高及低切换电力晶体管，其分别耦合在所述电力电感器与电压源的正及负节点之间；
滤波器电容器，其耦合到所述电力电感器及所述电压源的所述负节点；
可调谐互补滤波器，其耦合到所述电力电感器，其中所述可调谐互补滤波器通过提供来自所述可调谐互补滤波器的表示流经所述电力电感器的电流的电压输出而测量流过所述电力电感器的电流；
SMPS控制器，其具有耦合到所述高及低切换晶体管的驱动器输出、耦合到所述滤波电容器以用于测量来自所述SMPS的经调节的输出电压的第一输入及耦合到所述可调谐互补滤波器的电压输出的第二输入，其中所述SMPS控制器使用耦合到所述第一输入的所述经调节的输出电压及来自所述可调谐互补滤波器的表示流经所述电感器的电流的所述电压输出作为SMPS控制参数。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述可调谐互补滤波器包括：
运算跨导放大器OTA，其具有耦合到所述SMPS中的电感器的电压源侧的第一输入、耦合到所述电感器的负载侧的第二输入及电流输出；
运算放大器，其经配置为缓冲放大器且具有耦合到所述OTA的所述电流输出的输入；
第一可调整电阻器，其耦合在所述OTA的所述电流输出与所述电压源的回线之间；
第二可调整电阻器，其具有耦合到所述运算放大器的输出的第一端；及
调谐电容器，其耦合在所述第二可调整电阻器的第二端与所述电压源的所述回线之间；
来自所述可调谐互补滤波器的电压在所述第二可调整电阻器的所述第二端处为可用，其中所述电压表示流经所述SMPS的所述电感器的电流。
28.根据权利要求26所述的系统，其中所述可调谐互补滤波器包括：
运算跨导放大器OTA，其具有耦合到所述SMPS中的电感器的电压源侧的第一输入、耦合到所述电感器的负载侧的第二输入及电流输出；
可调整电阻器，其耦合在所述OTA的所述电流输出与所述电压源的回线之间；及
调谐电容器，其耦合在所述OTA的所述电流输出与所述电压源的所述回线之间；
来自所述可调谐互补滤波器的电压在所述OTA的所述电流输出处为可用，其中所述电压表示流经所述SMPS的所述电感器的电流。
29.根据权利要求27所述的系统，其进一步包括具有所述可调谐互补滤波器及制作于混合信号集成电路的集成电路裸片上的所述SMPS控制器的集成电路裸片。
30.根据权利要求29所述的系统，其进一步包括制作于所述集成电路裸片上的微控制器，其中所述微控制器控制所述可调谐互补滤波器及所述SMPS控制器。
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