CN103516182B - 应用于开关变流器的电流观测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流观测器，旨在提供一种应用于开关变流器的电流观测器。该电流观测器包括：运算电路，其第一输入端耦接至代表流过开关电流的开关电流信号，输出端产生电压信号；以及第一模拟选通器，具有第一输入端、第二输入端、控制信号端和输出端，其中第一输入端耦接至运算电路的输出端以接收电压信号，第二输入端接地，控制信号端接收指示开关导通的开关导通信号，输出端耦接至运算电路的第二输入端，第一模拟选通器基于开关导通信号，将电压信号或零电压信号提供至输出端。本发明具有结构简单、精度高等特点，适合各种工作模式，可应用于反激变流器及其他变流器。其核心是基于运算放大器、模拟选通器和运放组成的运算电路，无需乘法器。

Description

应用于开关变流器的电流观测器

技术领域

本发明涉及电流观测器，特别涉及一种应用于开关变流器的电流观测器。

背景技术

目前很多隔离型开关变流器（也称开关电源或者电源），如手机充电器或者LED驱动电源，负载需要电源的输出电流恒定。为此，通常需要采样输出电流，通过闭环反馈的方式实现输出电流的恒定。以图1所示的反激变流器为例，其输入与输出需要电气隔离。为了实现输出的恒流，在输出端，需要通过取样电阻采样，在副边进行恒流控制之后，误差信号经光耦反馈送到原边控制电路，调节开关管的开通和关断，实现恒流输出。图1所示现有技术方案由于副边电流采样电路和光耦的存在，增加了电路的复杂性，进一步，由于光耦存在老化问题，使电路的稳定性和使用寿命都受到一定影响。

针对上述问题，提出了很多的原边恒流控制方法，即无需输出电流采样和光耦元件，直接利用隔离变压器原边的信号，计算出输出电流的信息，并加以控制实现输出恒流。原边恒流控制的一个框图示意如图2所示。目前市场上有较多的集成电路实现这一功能，如Infineon公司的ICL8001G、MPS的MP4021、PI的LinkSwitch-PH系列等。在原边实现输出电流估算的方法也有多种多样，但大部分只能适用于断续模式（DCM模式）或者临界断续模式（CRM模式）的反激变流器，不能适用于连续模式（CCM模式）的反激变流器。如申请专利CN201010262226.0所利用的基于峰值采样保持的方法，但仅适用于断续以及临界断续模式。采样保持电路的延时，对输出电流估算的精度产生影响。申请专利CN201110111079.1提出了一种基于多个乘法器的输出电流估算方法，可以应用于连续模式的反激变流器，但其实现非常复杂，需要多个乘法器，乘法器的线性度对其输出电流估算的精度影响很大。若乘法器精度高，则输出电流估算精度高，但是乘法器设计复杂、成本高；若乘法器精度低，则精度低，但乘法器成本低。

图3-5所示是反激变流器在各种模式下的工作波形。其中，Vgs是原边开关Q1的门极驱动信号，Isw是原边开关的电流信号，Isec是变压器副边的电流，其平均值就是输出电流。Iavg是原边开关电流Isw在一个周期内的平均值。Ton_p就是原边开关导通的时间，Ton_s为副边二极管Dr的导通时间。ZCD信号是指示副边二极管导通时间的信号，在Ton_s时间段内，为高电平。Va是变压器辅助绕组的信号，用于产生ZCD信号，也称为过零检测、零电流检测等，在本领域属于常识。不失一般性，在一个开关周期内的输出电流可以表示为：

$\mathrm{Io}=N\·\mathrm{Iavg}\·\frac{\mathrm{Ton}\_s}{\mathrm{Ton}\_p}---\left(1\right)$

其中N是变压器的匝比（原边比副边），对一个具体变压器而言，N为恒定值，输出电流的表达式也可以不考虑匝比N（因为是常数），即也可以表示为：

$\mathrm{Io}=\mathrm{Iavg}\·\frac{\mathrm{Ton}\_s}{\mathrm{Ton}\_p}---\left(2\right)$

在现有技术中，需要采用乘法器（除法器）实现公式（2）所代表输出电流估算。如前所述，其性能和成本取决于乘法器，乘法器精度高，则输出电流估算精度高，但是乘法器设计复杂、成本高；若乘法器精度低，则精度低，但乘法器成本低。

如何简单、可靠实现适用于所有工作状况的反激变流器的输出电流估算方法，并具有高的计算精度，这一问题仍然没有得到很好解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种应用于开关变流器的简单的电流观测器。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种应用于开关变流器的电流观测器，其中开关变流器包括开关和二极管，该电流观测器还包括：

运算电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至代表流过开关电流的开关电流信号，输出端产生电压信号；以及

第一模拟选通器，具有第一输入端、第二输入端、控制信号端和输出端，其中第一输入端耦接至运算电路的输出端以接收电压信号，第二输入端接地，控制信号端接收指示开关导通的开关导通信号，输出端耦接至运算电路的第二输入端，第一模拟选通器基于开关导通信号，将电压信号或零电压信号提供至输出端。

本发明中，其中运算电路包括：

第一电阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至开关电流信号；

第二电阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一模拟选通器的输出端；

运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一电阻的第二端，第二输入端耦接至第二电阻的第二端；以及

电容或电阻和电容的串联，耦接在运算放大器的第二输入端和输出端之间；或耦接在运算放大器输出端与地之间。

本发明中，还包括：

第一低通滤波器，具有输入端和输出端，其中输入端接收开关电流信号，输出端耦接至运算电路的第一输入端，第一低通滤波器对开关电流信号进行低通滤波，在输出端产生平均值信号。

本发明中，还包括：

第二模拟选通器，具有第一输入端、第二输入端、控制信号端和输出端，其中第一输入端耦接至第一低通滤波器的输出端以接收平均值信号，第二输入端接地，输出端耦接至运算电路的第一输入端，控制信号端接收控制信号，第二模拟选通器基于控制信号，将平均值信号或零电压信号提供至输出端。

本发明中，还包括：

比例放大器，耦接在第一低通滤波器的输出端和第二模拟选通器的第一输入端之间。

本发明中，还包括：

第二模拟选通器，具有第一输入端、第二输入端、控制信号端和输出端，其中第一输入端耦接至运算电路的输出端以电压信号，第二输入端接地，控制信号端接收控制信号，第二模拟选通器基于控制信号，将电压信号或零电压信号提供至输出端；

第二低通滤波器，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第二模拟选通器的输出端。

本发明中，其中第二模拟选通器的控制信号为指示二极管导通的二极管导通信号。

本发明中，还包括：

或门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收指示二极管导通的二级管导通信号，第二输入端接收开关导通信号，输出端耦接至第二模拟选通器的控制信号端以提供控制信号。

本发明中，其中开关变流器包括反激电路、正激电路、半桥电路、全桥电路或非隔离BUCK电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明具有结构简单、精度高等特点，适合各种工作模式（如DCM、CRM以及CCM模式），可应用于反激变流器及其他变流器。其核心是基于运算放大器、模拟选通器和运放组成的运算电路，无需乘法器。

附图说明

图1为传统的采用输出电流反馈的反激变流器；

图2原边恒流控制的反激电路框图；

图3为反激变流器在CRM模式下工作波形；

图4为反激变流器在DCM模式下工作波形；

图5为反激变流器在CCM模式下工作波形；

图6为模拟选通器及其一种实施方式；

图7为模拟选通器2控制信号电路框图；

图8为零电压检测及ZCD信号产生；

图9为本发明应用于反激变流器的第二实施例；

图10为本发明应用于反激变流器的第三实施例；

图11为本发明应用于反激变流器的第四实施例；

图12为非隔离BUCK-BOOST电路框图；

图13为非隔离型BUCK电路框图；

图14为非隔离型BUCK电路CRM模式下工作波形；

图15为非隔离型BUCK电路DCM模式下工作波形；

图16为非隔离型BUCK电路CCM模式下工作波形；

图17为本发明应用于BUCK电路的第一实施例；

图18为本发明应用于BUCK电路的第二实施例；

图19为本发明应用于BUCK电路的第三实施例；

图20为本发明应用于BUCK电路的第四实施例；

图21为本发明应用于CCM模式的BUCK电路的实施例1；

图22为本发明应用于CCM模式的BUCK电路的实施例2；

图23为本发明应用于CCM模式的BUCK电路的实施例3；

图24为本发明应用于CCM模式的BUCK电路的实施例4。

具体实施方式

本发明中，拟采用模拟选通器（也可称为模拟多路开关，多路模拟开关，MUX）及运放实现电流观测。

图6所示为一个模拟选通器及其一种实施方式的示意图，具有两个输入端，一个输出端和一个控制信号端。模拟选通器的输出信号取决于控制信号，随着控制信号高低电平的变换，模拟选通器把相应的输入信号连接到输出端。在图6中的实施方式中，当控制信号为高电平时，开关S1导通，控制信号为低电平时，开关S2导通。当控制信号为高电平时，模拟选通器的输出信号为输入1；当制信号为低电平时，模拟选通器的输出信号为输入2。本领域技术人员基于本领域常识可知，模拟选通器可以有很多的实现方式。

图7所示是是本发明应用于反激变流器的一个具体实施例，用于反激变流器的输出电流观测（或者输出电流估算、输出电流计算）。图中，Q1是反激变流器的原边开关。在图7所示的输出电流观测器中，原边开关电流Isw被采样电阻Rs所采样，Isw信号通过Rf与Cf组成的低通滤波器（图中所示为RC滤波器，本领域技术人员可知这也可以是别的低通滤波器），其高频开关分量被滤除，低通滤波器的输出得到原边开关电流的平均电流信号Iavg。模拟选通器2的一个输入端连接上述低通滤波器的输出，即Iavg信号。模拟选通器2另一个输入端接地（零电压）。模拟选通器2的控制信号（也称为选通信号）为副边二极管导通信号ZCD，在一个开关周期T内，副边二极管导通时间内（即ZCD信号为高电平时间内）模拟选通器2选通平均电流信号Iavg，在其他时间，模拟选通器2选通零电压（即另一个接地的输入端）。这样，由于开关周期为T，副边二极管开通时间为Ton_s，模拟选通器2输出的电压信号在副边二极管导通时间Ton_s内为Iavg，在其他时间内为0，其平均值为Iavg*Tons/T，这一信号连接到运算电路内的运算放大器OA的同相输入端（正输入端、正端）。

模拟选通器1也具有两个输入端和一个控制信号端。控制信号为原边开关导通信号（即原边开关Q1的门极驱动信号Vgs）。模拟选通器1的一个输入端连接运算电路运放OA的输出端，另一个输入端接地。假设运算放大器OA的输出端电压为Vo。在一个开关周期T内，当原边开关Q1导通时（附图3所示的Ton_p时间段），模拟选通器1选通Vo，其他时间模拟选通器1选通零电压。这样，由于开关周期为T，原边开关导通时间为Ton_p，模拟选通器1输出的电压信号平均值为Vo*Ton_p/T，这一信号连接到运算放大器OA的反相输入端（负输入端、负端）。在实施例中，运算电路为一积分电路，包括运算放大器OA及积分电容C1，用于消除稳态误差，实施例中运算放大器OA负输入端与输出端由电容C1连接并构成负反馈，该电容同时具有滤除输入信号的高频分量的能力。本领域技术人员可知，积分电路也可以是比例积分电路（积分电容与一个电阻串联）等其他实施方式，运算放大器也可以是跨导型运放（跨导型运放积分电路中，积分电容连接于输出端与地之间），这里不再详细阐述。基于运算放大器OA的两个输入端有“虚短”、“虚断”特性，即运放OA的两个输入端平均电压可认为相等。由此，可得到关系式

$\mathrm{Iavg}\frac{\mathrm{Ton}\_s}{T}=\mathrm{Vo}\frac{\mathrm{Ton}\_p}{T}\⇒\mathrm{Vo}=\mathrm{Iavg}\frac{\mathrm{Ton}\_s}{\mathrm{Ton}\_p}---\left(3\right)$

对照前面公式（2），运放OA的输出电压Vo代表了输出电流Io的大小，即变压器副边电流Isec的平均值。这样，该输出电流估算电路无需乘法器，通过简单的模拟选通器及运放实现了精确的输出电流计算。

模拟选通器1的控制信号就是原边开关导通信号Vgs，由原边控制电路产生。当Vgs为高电平时，原边开关导通，模拟选通器1的开关S3导通，S4关断，运放OA的输出信号连接到模拟选通器1的输出端。当Vgs为低电平时，原边开关关断，模拟选通器1的开关S4导通，S3关断，零电压信号（接地端）接模拟选通器1的输出端。这样模拟选通器1的输出信号，作为运算电路内运放OA的负端输入信号，通常通过一个电阻连接到运放OA的负输入端。

在一个实施例中，模拟选通器2控制信号ZCD的产生及其控制框图如图8所示。由变压器的第三绕组（也称辅助绕组）得到代表副边电压信息的信号Va，该信号Va与预先设定的基准电压Vth分别作为运算放大器正、负输入信号。运算放大器的输出端接一RS触发器的R端。原边开关导通信号Vgs接RS触发器的S端。RS触发器的输出端Q端接一与门的输入端，运算放大器的输出端接该与门的另一输入端。该与门的输出信号就是信号ZCD。当原边开关关断，副边二极管导通时，ZCD信号为高电平，在副边二极管电流下降到零时，ZCD信号由高电平转为低电平。ZCD信号作为模拟选通器2的控制信号。在ZCD信号为高电平时（副边二极管导通时间，Ton_s），开关S1开通，S2关断，模拟选通器2输出原边开关电流的平均值信号Iavg。当ZCD信号为低电平时，开关S1关断，S2开通，模拟选通器2输出零电压信号。这样模拟选通器2输出信号的平均电压就是Iavg*Ton_s/T。该信号作为运算放大器OA的正端输入信号。

最后利用运放两端输入信号平均值相等的原理，运算电路中运放OA的输出信号即代表了输出电流信号（不考虑变压器匝比）。

图9为本发明应用于反激变流器的第二实施例。与图7所示实施例基本一致。在一些场合，原边开关电流的取样电阻Rs较小，因此平均值信号Iavg幅度较小。可以增加一个比例放大器，将该信号放大K倍，相当于在不增加损耗的基础上，将取样电阻Rs增加K倍，然后将放大后的信号作为模拟选通器2的一个输入信号。该放大后的信号，同样也是表示了原边开关电流信号。这样运放OA的输出电压为Vo=K*Iavg*Ton_s/Ton_p。

图10为本发明应用于反激变流器时的第三实施例。原边电流经Rs采样之后，经过Rf与Cf组成的滤波网络，得到平均值信号Iavg。与图7所示实施例相比，平均值信号Iavg直接输入到运放OA的同相输入端，模拟选通器1与模拟选通器2的一个输入端均接收运放OA的输出信号，另一输入端均为接地。模拟选通器1的输出端接运放OA的反相输入端。按照上述原理，运放OA的输出电压Vo=Iavg*T/Ton_p。模拟选通器2的输出信号通过一个低通滤波器得到输出平均电压信号Vo1，Vo1=Iavg*Ton_s/Ton_p，即代表了输出电流Io的大小。

图11为本发明应用于反激变流器的第四实施例。该电路与图8所示第三实施例相似。由于运算电路的积分功能本身带有滤除高频分量的功能，可以省去将原边开关电流Isw滤波为平均值信号Iavg的低通滤波器。

在一些非隔离的电源场合，尽管输入输出不需要电气隔离，但是由于输出电流采样信号与控制电路不共地（即电压的参考点不一样），也同样存在信号隔离的问题。如图12所示的非隔离的BUCK-BOOST电路（非隔离型的反激变流器），为了方便驱动开关管，通常的做法是将开关管串联在输入的地线上，也需要不采样输出电流实现输出恒流控制。本发明上述实施例同样适用于附图12所示的非隔离式Buck-Boost变流器。其工作原理与反激变流器基本一致。

在不违背本发明本质的前提下，针对BUCK类电路（如正激、半桥、全桥以及非隔离的BUCK电路），也可以采用本发明所提出的电流观测器方法估算该类电路的输出电流。以图13-16所示为非隔离型BUCK电路为例，图17是应用于BUCK电路的一个实施例。

与前面图7所示应用于反激变流器的实施例类似，两者的区别是，模拟选通器2的控制信号为ZCD与Vgs的或，即在原边开关导通期间和副边二极管导通期间，模拟选通器2的输出信号均为原边开关电流的平均值Iavg，并将它连接至运放OA的一个输入端（同相输入端）。因此，运放OA的输出电压信号可以表示为：Vo=Iavg*(Ton_p+Ton_s)/Ton_p，这代表了BUCK电路的输出电流。这个差别是由于两者电路工作模式不同引起的。在反激变流器中，仅在Ton_s阶段向输出传送电流；而在BUCK变流器中，在Ton_p与Ton_s阶段向输出传送电流。因此，仅需要调整上述实施例中模拟选通器2的控制信号，就可以将实施例应用到BUCK类电路。这也说明，本发明所发明的方法，可以适用于任何电路，仅需要调整模拟选通器的控制信号，即该控制信号与输出电流存在的阶段相关。

同样，对应附图9-11等本发明应用于反激变流器的其他实施例，针对BUCK电流也有相应的实施例。如附图18-20所示，仅仅需要将模拟选通器2的控制信号改变为是副边二极管导通信号ZCD与原边开关导通信号Vgs的或。

适合CCM模式的BUCK电路的实施例如附图21-24所示。

如果BUCK电路的电感电流连续（CCM模式），那么在一个开关周期内，模拟选通器2的S1处于常通状态，因此，可以省去模拟选通器2。电路可以大大简化。附图23、24所示的实施例中，还可以省去模拟选通器2后面的低通滤波器。

总而言之，无论上文说明如何详细，还有可以有许多方式实施本发明，说明书中所述的知识本发明的一个具体实施例子。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明实施例的上述详细说明并不是穷举的或者用于将本发明限制在上述明确的形式上。在上述以示意性目的说明本发明的特定实施例和实例的同时，本领域技术人员将认识到可以在本发明的范围内进行各种等同修改。

本发明这里所提供的启示并不是必须应用到上述系统中，还可以应用到其它系统中。可将上述各种实施例的元件和作用相结合以提供更多的实施例。可以根据上述详细说明对本发明进行修改，在上述说明描述了本发明的特定实施例并且描述了预期最佳模式的同时，无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述电路结构及其控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。

如上述一样应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。

Claims (5)

1.应用于开关变流器的电流观测器，其中开关变流器包括输入开关和输出二极管，其特征在于，该电流观测器还包括：

运算电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第二模拟选通器输出端，输出端产生电压信号；以及

第一模拟选通器，具有第一输入端、第二输入端、控制信号端和输出端，其中第一输入端耦接至运算电路的输出端以接收电压信号，第二输入端接地，控制信号端接收指示开关导通的开关导通信号，输出端耦接至运算电路的第二输入端，第一模拟选通器基于开关导通信号，将电压信号或零电压信号提供至输出端；

第一低通滤波器，具有输入端和输出端，其中输入端接收开关电流信号，第一低通滤波器对开关电流信号进行低通滤波，在输出端产生平均值信号；

第二模拟选通器，具有第一输入端、第二输入端、控制信号端和输出端，其中第一输入端耦接至第一低通滤波器的输出端以接收平均值信号，第二输入端接地，输出端耦接至运算电路的第一输入端，控制信号端接收控制信号，第二模拟选通器基于控制信号，将平均值信号或零电压信号提供至输出端；所述第二模拟选通器的控制信号为指示输出二极管导通的二极管导通信号，或者为二极管导通信号和输入开关导通信号的或运算结果。

2.如权利要求1所述的电流观测器，其特征在于，其中运算电路包括：

第一电阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第二模拟选通器的输出端；

第二电阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一模拟选通器的输出端；

运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一电阻的第二端，第二输入端耦接至第二电阻的第二端；以及

电容或电阻和电容的串联，耦接在运算放大器的第二输入端和输出端之间；或耦接在运算放大器输出端与地之间。

3.如权利要求1所述的电流观测器，其特征在于，还包括：

比例放大器，耦接在第一低通滤波器的输出端和第二模拟选通器的第一输入端之间。

4.应用于开关变流器的电流观测器，其中开关变流器包括输入开关和输出二极管，其特征在于，该电流观测器还包括：

运算电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至代表流过开关电流的开关电流信号，输出端产生电压信号；

第一模拟选通器，具有第一输入端、第二输入端、控制信号端和输出端，其中第一输入端耦接至运算电路的输出端以接收电压信号，第二输入端接地，控制信号端接收指示开关导通的开关导通信号，输出端耦接至运算电路的第二输入端，第一模拟选通器基于开关导通信号，将电压信号或零电压信号提供至输出端；以及

第二模拟选通器，具有第一输入端、第二输入端、控制信号端和输出端，其中第一输入端耦接至运算电路的输出端以接收电压信号，第二输入端接地，控制信号端接收控制信号，第二模拟选通器基于控制信号，将电压信号或零电压信号提供至输出端；所述第二模拟选通器的控制信号为指示输出二极管导通的二极管导通信号，或者为二极管导通信号和输入开关导通信号的或运算结果；

第二低通滤波器，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第二模拟选通器的输出端。

5.如权利要求1至4中任一项所述的电流观测器，其特征在于，其中开关变流器包括反激电路、正激电路、半桥电路、全桥电路或非隔离BUCK电路。