CN104698264B - 具有用于分流测量的可调整箝位的无源输入滤波器 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有用于分流测量的可调整箝位的无源输入滤波器。提供了用于分流测量的方法和装置。在一个实施例中，一种测量单元包括：用于源设备的输入，该源设备被配置用于提供要在源设备的第一操作模式中测量的第一模拟电压电平以及要在源设备的第二操作设备中测量的第二模拟电压电平；控制输入，被配置用于检测源设备的操作模式；以及输入级，被配置为最小化在源设备的操作模式中改变之后的测量单元的反应时间。

Description

具有用于分流测量的可调整箝位的无源输入滤波器

技术领域

本发明涉及用于分流测量单元和对诸如微控制器的控制设备的数字接口的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于具有用于分流测量的可调整箝位的无源输入滤波器的方法和系统。

背景技术

在一些应用中，诸如在电气AC电机的控制中，通过模拟到数字转换器(ADC)来测量多于一个的模拟输入电压并将其转换成数字值。在仅一个ADC可用的情况下，不同的模拟输入值必须一个接一个地被连接到ADC的输入。在AC电机控制应用中，这是经由独立的分流电阻器测量相电流的常见情形。

在其他应用中，一个模拟输入值还能够用作对ADC的输入，但是在特定时间点改变该模拟输入值的操作模式(例如，不同的信号调节设置，诸如输入放大)。在AC电机控制应用中，这也是经由共享分流电阻器测量相电流的常见情形。此外，AC电机中的功率开关的切换还可能引入噪声，并且功率开关的不同切换模式限定了要经由公共分流电阻器测量的不同电流。例如，在第一开关模式(第一操作模式)的情况下，可以经由公共分流来测量第一相位的相电流，并且在第二开关模式(第二操作模式)的情况下，也可以经由公共分流来测量第二相位的相电流。

在这样的情况下，模拟输入处的电压可以在不同的操作模式之间显著改变(这里，操作模式的限定还可以包括输入信号的改变以及信号调节参数的改变)。特别是在公共分流电阻器处测量多于一个电压的应用中，输入电压可能显著改变。

在一些应用中，输入电压可以直接用作针对ADC的输入，而在其他应用中，需要通过比较器单元的附加放大或更快水平的检查。这些功能可以由与ADC相关联的输入级来处理。

图1示出了要测量的典型电压。该电压在几百mV的范围内，并且被转换为数字值。在切换时间点(例如，输入信号的操作模式的改变)，过冲可能在几伏特的范围内发生。此外，要测量的电压(例如，共模电压)还可能在不同的操作模式之间以几伏特进行变化。

对输入级的输入信号中的改变的反应时间(即，在操作模式的改变和例如ADC可以输送正确的结果或比较器输出是有效的点之间的时间)应当被最小化，以允许更高水平的控制回路的快速反应或者避免在例如针对过电流事件而对阈值检查输入电压时的“盲窗口”。反应取决于当改变输入信号的操作模式时的噪声和不期望的过冲。该系统的反应时间在系统架构中起重要的作用并且应当被最小化。

此外，测量单元的实施方式(即，诸如图2中以下示出的输入放大器的信号调节单元或ADC的输入)应当在标准技术中是可行的，而不需要特别高的速度或高电压设备。测量还应当带有过载限制的抗混叠滤波器(即，箝位属性)。

图2是图示用于通过高电流分流器的标准分流测量的传统电路10的高级框图。传统分流电路10使得能够进行芯片外的分流电压的测量。传统分流电路10可以包括分流电阻器12，分流电流行进通过该分流电阻器12，前置放大器14耦合到分流电阻器12以及无源RC滤波器16、20。可以位于微控制器或其他控制设备上的模拟到数字转换器(ADC)18被耦合到传统分流电路10。

分流电流Is可以在几安培到100安培范围内，并且可以生成几百mV的电压Vmeas。该电压可以被馈送到前置放大器14，该前置放大器14生成具有通常3V到5V的满量程范围的输出电压。然后，该电压由无源一阶抗混叠滤波器16、20进行滤波，并且通过常规的模拟到数字转换器(ADC)18被转换成数字值。传统分流电路10的放大器还具有将输出电压限制为最大3V到5V的输出电压(取决于ADC的最大输入电压)的钳位特性，从而避免了在分流时发生高过冲时的抗混叠滤波器的强过载。强过载导致了特定应用不可接受的长恢复时间。

诸如图2中所示的传统分流电路具有若干缺点。图2的传统分流电路10需要非常快速并且准确的前置放大器、外部组件以及用于ADC的输入通道。传统分流电路10的前置放大器难以被实现为标准控制设备(例如，微控制器)并且需要大量的面积和电流，由此显著增加了与该控制设备相关联的成本。前置放大器的另一严格要求是在几伏特的范围内变化的大共模输入电压范围(这里，“大”是指由于电流流动通过分流电阻器而导致所需要的共模范围远大于测量电压的输入信号范围)。这意味着，共模输入电压可以是测量电压的10倍。此外，图2中的实施方式示出了用于消耗大量面积和功率的ADC和前置放大器的两个不同的集成电路。最后，用于分流测量的传统ADC通常直接位于控制设备(如微控制器)上，而分流电阻器通常位于功率开关附近。结果，模拟输入信号“看到了”具有所有已知缺点(诸如，感生噪声)的从分流器到控制设备的输入的长路径。

因此，存在对克服这些缺点的用于分流测量的系统和方法的需要。更具体地，需要要求更少面积和更少功率但是提高准确性、速度和效率的用于具有用于分流测量的可调整箝位的无源输入滤波器的方法和系统。

发明内容

根据本发明的实施例，一种用于执行分流测量的系统，包括：用于源设备的输入，该源设备提供要在源设备的第一操作模式中测量的第一模拟电压电平以及要在源设备的第二操作设备中测量的第二模拟电压电平；控制输入，用于检测源设备的操作模式；以及输入级，被配置为最小化在源设备的操作模式中改变之后的测量单元的反应时间。

根据本发明的实施例，该系统还包括用于根据源设备的操作模式来至少部分地改变输入级的参数的装置。在另一实施例中，系统的输入级还包括能够根据源设备的操作模式进行配置的输入电压的箝位结构。该系统的输入级还可以包括能够根据源设备的操作模式进行配置的输入电压的滤波器结构。

在又一实施例中，输入结构的参数被配置用于源设备的不同操作模式，并且可以被动态地改变。

此外，输入可以被配置为使得其可以连接到用于功率开关的至少一个控制信号，其中，功率开关的控制信号的逻辑状态限定了输入级的参数的至少一部分。替代地，该系统还可以包括模拟到数字转换器(ADC)，其中ADC被配置为转换由源设备输送的至少一个模拟电压电平，并且可以至少部分地基于ADC的先前转换结果来改变输入级的参数。

根据本发明的另一实施例，一种用于配置分流测量单元的输入级的参数的方法包括下述步骤：接收限定源设备的操作模式的控制信号，并且根据控制信号来配置输入结构的参数的至少一部分。在一个实施例中，该方法进一步包括下述步骤：根据模拟到数字转换器的先前转换结果来配置输入级的参数的至少一部分。在另一实施例中，该方法进一步包括下述步骤：经由模拟到数字转换器来测量测量单元的输入信号。

从参考附图进行的本发明的实施例的以下具体描述中，本发明的实施例的其他特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

附图被包括以提供对本发明的实施例的进一步理解，并且被并入并构成本说明书的一部分。附图图示了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本原理。因为通过参考下面的具体描述将变得更好理解，所以本发明的其他实施例和本发明的实施例的许多期望优点将更容易理解。

图1示出了要测量的典型分流电压的波形；

图2示出了用于分流测量的传统电路的示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的分流测量单元的输入级的示例性示意图；

图4示出了根据本发明的另一实施例的分流测量单元的输入级的示例性示意图；

图5示出了根据本发明的另一实施例的分流测量单元的输入级的示例性示意图；

图6示出了根据本发明的一个实施例中的用于抗混叠滤波器的箝位电路的示例性示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的用于ADC的缓冲器的示例性示意图；

图8示出了由B6桥控制3相电机并且经由公共分流器测量相电流的分流电路的示例性示意图；

图9示出了根据本发明的一个实施例的具有可调整箝位电路的分流测量单元的输入级的示例性示意图；以及

图10是示出根据本发明的另一实施例的用于执行分流测量的方法的流程图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图示示出了可以实践本发明的具体实施例。应当理解，可以利用其他实施例，并且可以在不背离本发明的范围的情况下进行结构或其他改变。因此，下面的详细描述不应被认为具有限制意义，并且本发明的实施例的范围由所附权利要求来限定。

图3示出了根据本发明的一个实施例的分流测量单元的输入级的示例性示意图。根据本发明的实施例的分流测量单元的输入级100包括要通过分流电流(Is)103和分流电压(Vmeas)104测量的分流器102、以及优选地位于集成电路上的模拟到数字转换器(ADC)108。ADC在不存在前置放大器的情况下被直接耦合到分流器102。ADC 108利用在Vmeas 104的范围内的满量程输入电压，并且可以使用开关电容器ADC来处理任何得到的共模电压。在另一实施例中，滤波器可以被集成到ADC。在图3中的实施例中存在抗混叠滤波器是指，无法过度驱动滤波器，由此消除了长的恢复时间。因此，因为分流电路和ADC被集成在集成电路上，所以本发明的实施例有利地减少了分流电路所需要的总面积，同时提高了电路的准确度(例如，较少的可能引入噪声并且信号可能失真的点)。

图4示出了根据本发明的另一实施例的分流测量单元的输入级的示例性示意图。根据本发明的另一实施例的输入级200包括要测量的分流器202、分流电流(Is)203、箝位电路204、分流电压(Vmeas)205、缓冲器206、ADC 208、用于抗混叠的无源RC滤波器210、212，优选地位于集成电路上。ADC 208可以与要被测量的输入结构202不同的功率域上，并且共模电压差可以通过使用开关电容器ADC来处理。缓冲器206使得滤波器210、212能够集成，并且有助于操纵ADC 208。

在另一实施例中，只要容许在ADC输入处的不完整安置，就可以移除缓冲器206。无源箝位电路204支持输送到抗混叠滤波器210、212的信号的箝位。在另一实施例中，可以代替箝位电路204来使用有源输入缓冲器。箝位电路204和缓冲器206可以被耦合到分流器202的负节点。分流节点202中的小电流应当不会对系统200产生问题，但是集成分流电路200对分流器202的耦合将产生造成偏移的一定电阻。该偏移可以通过校准来消除。

图5示出了根据本发明的另一实施例的分流测量单元300的输入级的示例性示意图。输入级300包括要测量的分流器302、箝位电路304和连续时间Σ-ΔADC(CT SD ADC)308。该CT SD ADC 308在输入级提供滤波器功能，并且不需要缓冲器。ADC与控制设备的后续数字部分的共模偏移可以通过电平移位器来处理。在控制设备的分流电压域和数字域之间的共模电压可能非常高(例如，如果分流器位于电池处，则高达10V或更高)。该信号必须经由模拟或数字装置在这些电压域之间传输(例如，经由电容性电平移位器)。

在图5中，ADC的输出信号是数字的，并且然后可以被施加到电平移位器并且在其他电压域中使用。在另一实施例中，变压器可以用于基于提供在控制设备的ADC和另一部分之间的电流隔离的线圈来传输ADC输出信号。

在实施例中，输入级包括用于箝位电路和缓冲器的具有简单电路的ADC。现在参考图6，示出了根据本发明的一个实施例的用于抗混叠滤波器的箝位电路的示例性示意图。高电压保护设备414在信号路径之前。该设备作为共源共栅进行操作，由此栅极414被耦合到限定的Vprotect信号路径。该电压经由快速PMOS 416被传递到滤波器，并且经由NMOS 418共源共栅被传递到滤波器。这两个设备作为常规共源共栅进行操作，由此参考电压Vpos和Vneg的电平限定了传递到滤波器的最大电压。输送到NMOS器件的电压Vpos限定了最大正电压(满量程电压＝FS)，并且输送到PMOS器件的电压Vneg限定了最大负电压。该类型的电路可以比前置放大器更容易地被实现。对于缓冲器电路，可以使用简单的源极跟随器来将ADC与滤波器解耦合。因为输入电压是地相关的，所以使用PMOS源极跟随器是有利的。

图7示出了根据本发明的一个实施例的用于ADC的缓冲器的示例性示意图。缓冲器500包括源极跟随器530。在一个实施例中，该信号可以在模拟域中通过，并且缓冲器的输出驱动耦合到ADC的电容器。因为开关电容器负载无法被直接耦合到高阻抗输出，开关电容器的负载需要低驱动电路或者需要不完全设置。为了实现完整设置，可以使用缓冲器500。源极跟随器530向ADC的开关电容器提供电流。因此，该缓冲器比前置放大器更有效和稳健。在另一实施例中，还可以使用两个或更多级的架构来实现缓冲器。

根据源设备的操作模式或改变(从旧的操作模式到新的操作模式)，可以适配输入级的参数，诸如箝位电平(例如，经由参考电压Vpos或Vneg的修改)或输入滤波器特性(例如，如由Rfilter和Cfilter限定的滤波器时间常数和滤波器的阶数)。

在一个实施例中，参考电压可以由根据源设备的操作模式进行控制的DAC机制(数字到模拟转换器)来适配。还可以通过并行切换更多或更少的R元件或C元件来适配Rfilter或Cfilter的值。

图8示出了分流电路的示意图，其中，3相电机660由B6桥640来控制，并且经由公共分流器来测量相电流(Ia，Ib，Ic)。分流电路600包括要被测量的分流器602、具有输入箝位308的ADC以及B6桥640。B6桥640还包括3个独立的半桥，其中的每一个具有低侧晶体管TLx和高侧晶体管THx，每个相电流一个半桥。通过公共分流器602的电流Is根据桥中的开关的状态而显著变化。因此，可以通PWM定时器来生成开关的控制模式。施加到桥的开关TLx和THx的PWM模式控制电机的相位中的哪一个连接到B6桥的正电源Vbus或负电源GND。PWM模式快速改变(典型的PWM频率是在20kHz或更大的范围内)以实现平滑相电流。通常，在PWM的一个周期期间，高达3-4个不同的PWM模式被施加到开关。结果，要由ADC测量的得到的分流电压可能非常快地改变，因为PWM模式可以仅在非常短的时间间隔期间被施加到B6桥(通常是为几微秒)。

如果分流电压测量在相关PWM模式被施加到桥时明确发生，则通过公共分流器的电流可以用于确定相电流。如果ADC测量与用于开关的PWM模式同步，则可以仅精确测量相电流。

因此，可以应用下面的PWM模式：

TLA，TLB，TLC关闭：无电流测量(续流)

TLA，TLB，THC关闭：Is＝Ic

TLA，THB，TLC关闭：Is＝Ib

TLA，THB，THC关闭：Is＝-Ia

THA，TLB，TLC关闭：Is＝Ia

THA，TLB，THC关闭：Is＝-Ib

THA，THB，TLC关闭：Is＝-Ic

THA，THB，THC关闭：没有电流测量(续流)

虽然导致续流的模式被施加到桥，但是没有额外的能量被传送到电机，而在其他的PWM模式期间，额外的能量可以被输送到电机。

在一个实施例中，需要在非常短的时间中施加确定相电流所需要的切换模式。当在每个PWM时段的长间隔期间施加引起桥的续流的模式时，这通常根据转子位置或特别在电机处低负载的情况下发生。

每个PWM模式可以被解释为分流设备的独立操作模式，因为分流电压的值和意义可能从施加到桥的一个PWM模式改变为下一个PWM模式。

根据电机的负载条件和施加到电机的负载，相同的PWM模式可以导致不同的分流电压。例如，在电动机上高负载的情况下，与用于与电机上的低负载相同的PWM模式的幅度相比，相电流幅度高得多。

因此，ADC的输入处的斜率限制电路或可调整箝位电路的阈值应当根据PWM施加的模式和电机上的负载条件来设置。

ADC或比较器设备(未示出)的反应时间由输入结构的建立时间来限定。由于操作模式的改变所允许的电压的过冲越高，在达到信号的期望准确度之前的建立时间能够越长。

在当前的电路，取可以在所有负载条件下的电机的操作期间发生的最大值。该最大值(例如，用作用于箝位元件的阈值)将限制由于从一个PWM模式到另一个的负载电流的换流。如果总是施加相同的最大值，这可能产生比较小电流值所需要的更长的建立时间。对于低负载条件，换流噪声和栅极驱动电流比建立负载电流值更重要。虽然仅提供用于测量的短时间间隔，如果应用固定的高阈值，则可能需要长的建立时间。

因此，根据本发明的实施例的用于箝位电路的可调整阈值最小化过冲，并且因此还最小化建立时间。这允许该系统用于较小的负载电流，并且ADC测量了可以在分流设备的操作模式的改变之后更迅速地发生。

图9示出了根据本发明的一个实施例的具有可调整箝位电路的分流测量单元700的输入级的示例性示意图。分流电路700包括要测量的分流器702、具有可调整箝位电路的ADC 708、由B6桥740控制的3相电机760、门极驱动器762、系统控制器764和缩放单元766。

在一个实施例中，可调整箝位电路700或斜率限制阈值可以根据用于下一控制模式的期望测量电流的负载电流来控制。

在另一实施例中，系统控制器764根据负载电流来配置阈值。对于较高的负载电流，可以应用较高的阈值，而对于较低的电流，可以设置较低的阈值。因此，本发明的实施例有利地减少了用于较低相电流的ADC输入装置的建立时间。

在又一实施例中，切换模式本身输送关于要应用的阈值的信息。电机位置以及因此相电流比PWM周期更慢地改变，可以自动地应用基于在最后PWM周期得类似切换模式期间的实际测量的相电流的阈值。结果，在换流之后的建立时间和阈值遵循相电流的形状。由于负载改变而导致的变化和用于控制循环的参考值还可以在阐述阈值时被期望。例如，阈值可以被设置为在相同切换模式下的最后测量的电流的150％(通过缩放单元766来实现)。因此，如果具有可调整箝位或斜率限制级的ADC具有关于切换模式的信息(例如，其被集成在同一设备中)，则可以根据切换模式来存储测量结果。该实施例还简化了测量的相电流的CPU处理，因为结果已经以适当的方式被分类(例如，CPU可以读取寄存器中的与先前Ia相对应的电流Ia)。

在另一实施例中，可以在切换模式改变之后配置可调整箝位或斜率限制间隔的长度，以允许对短路情况的更快的反应。在这种情况下，阈值不应当在切换模式的持续时间期间被应用，而仅在切换模式改变之后被应用。另外，ADC固有滤波器机制(例如，如果生成Σ-Δ数据流)可以在切换模式的改变后复位。这减少了在新的有效转换结果可用之前的时间。

在又一实施例中，控制源设备(例如，PWM单元)的操作模式的控制单元可以在与测量单元的输入级相同的设备上被实现，并且可以对其产生直接影响。在另一实施例中，该单元可以经由控制线连接到输入级。在这两种情况下，控制单元可以指示在改变变得有效之前的源设备的操作模式中的改变。该预先提供的控制信号可以超前引起输入结构的参数的改变，以减少反应时间。特别是对于非常短的测量窗口，可以使用该方法。

在另一实施例中，控制单元可以指示就在源设备的操作模式的改变之前或之后的时间窗口，以无效输入级的反应或将内部值强制为限定的水平。这确保了在操作模式的改变的情况下的输入级的限定的开始行为。

图10是示出根据本发明的一个实施例的用于执行分流测量的方法1000的流程图。为清楚起见，在先前附图中描述的系统的上下文中描述了用于执行分流测量的方法1000。然而，在替代实施例中，可以使用其他配置。此外，其他实施例可以以不同的顺序执行这里所描述的步骤和/或其他实施例可以执行与这里描述的不同和/或附加的步骤。

用于配置分流测量单元的输入结构的参数的方法1000包括下述步骤：接收1004限定源设备的操作模式的控制信号，并且根据控制信号来配置1006输入结构的参数的至少一部分。在一个实施例中，该方法进一步包括下述步骤：根据模拟到数字转换器的先前转换结果来配置1008输入级的参数的至少一部分。在另一实施例中，该方法可以进一步包括下述步骤：提供1010在ADC和要测量的电压之间耦合的箝位电路，提供1012在箝位电路和ADC之间的集成滤波器，并且提供1014在集成电路和ADC之间耦合的缓冲器电路。最后，本发明的实施例包括下述步骤：经由ADC来测量1016测量单元的输入信号。

尽管这里已经图示和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员应当理解，在不背离本发明的实施例的范围的情况下，各种替代和/或等同实现可以代替所示出和描述的特定实施例。本申请意在涵盖这里所讨论的具体实施例的任何适配或变化。

Claims (21)

1.一种分流测量单元包括：

用于源设备的输入，所述源设备被配置为提供要在所述源设备的第一操作模式中测量的第一模拟电压电平以及要在所述源设备的第二操作模式中测量的第二模拟电压电平；

控制输入，所述控制输入被配置为检测所述源设备的操作模式；以及

输入级，所述输入级被配置为最小化在所述源设备的所述操作模式改变之后的所述测量单元的反应时间，其中所述输入级包括分流电阻器。

2.根据权利要求1所述的测量单元，进一步包括用于根据所述源设备的所述操作模式来改变所述输入级的至少一个参数的部件。

3.根据权利要求2所述的测量单元，其中，所述输入级包含用于其输入电压的箝位结构，所述输入电压能够根据所述源设备的所述操作模式进行配置。

4.根据权利要求3所述的测量单元，其中，所述箝位结构进一步包括高电压保护设备以及PMOS和NMOS共源共栅。

5.根据权利要求2所述的测量单元，其中，所述输入级包含用于其输入电压的滤波器结构，所述输入电压能够根据所述源设备的所述操作模式进行配置。

6.根据权利要求2所述的测量单元，其中，所述输入级的至少一个参数被配置用于所述源设备的不同的所述操作模式。

7.根据权利要求6所述的测量单元，其中，所述至少一个参数被配置为被动态地改变。

8.根据权利要求1所述的测量单元，其中，所述控制输入被配置为连接到用于功率开关的至少一个控制信号，并且其中，功率开关的控制信号的逻辑状态限定了所述输入级的至少一个参数。

9.根据权利要求1所述的测量单元，进一步包括模拟到数字转换器，其中所述模拟到数字转换器被配置为转换由所述源设备输送的至少一个模拟电压电平。

10.根据权利要求9所述的测量单元，其中，所述模拟到数字转换器是连续时间Σ-Δ模拟到数字转换器。

11.根据权利要求9所述的测量单元，进一步包括：用于至少部分地基于所述模拟到数字转换器的先前转换结果来改变所述输入级的参数的装置。

12.根据权利要求1所述的测量单元，其中，所述输入级进一步包括缓冲器。

13.一种用于分流测量模拟电压的系统，包括：

源设备，所述源设备用于在第一操作模式中输送第一模拟电压并且在第二操作模式中输送第二模拟电压；

测量单元，所述测量单元包含输入级；以及

控制信号，所述控制信号限定了所述源设备的操作模式，

其中，所述输入级的至少一个参数能够根据所述源设备的所述操作模式来配置，

以及其中，所述输入级被配置为最小化在所述源设备的所述操作模式改变之后的所述测量单元的反应时间，其中所述输入级包括分流电阻器。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述输入级是分流电阻器。

15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述控制信号还控制至少一个功率开关。

16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述控制信号是通过控制功率逆变器的至少一部分的PWM单元来生成。

17.一种配置分流测量单元的输入结构的参数的方法，所述方法包括：

接收限定源设备的操作模式的控制信号；以及

根据所述控制信号来配置所述输入结构的至少一个参数，

其中，所述输入结构被配置为最小化在所述源设备的所述操作模式改变之后的所述测量单元的反应时间，其中所述输入结构包括分流电阻器。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：经由模拟到数字转换器来测量所述测量单元的输入信号。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：根据所述模拟到数字转换器的先前转换结果来配置所述输入结构的所述至少一个参数。

20.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：提供在模拟到数字转换器和要测量的电压之间耦合的集成滤波器。

21.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：提供在集成滤波器和要测量的电压之间耦合的箝位结构。