CN106471379A - 感测流动通过电容器的电流 - Google Patents

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Abstract

在一种用于感测电流的方法及电路的所描述实例中，第一电流(Ir)流动通过第一电容器(108)。第二电容器(220)耦合到所述第一电容器(108)以形成分流器。第二电流(Is)流动通过所述第二电容器(220)且与所述第一电流(Ir)成比例。跨阻抗放大器(240)耦合到所述第二电容器(220)的输出且具有与所述第二电流(Is)成比例的电压输出(VO)。

Description

感测流动通过电容器的电流
技术领域
本发明一般来说涉及电子电路，且特定来说涉及感测流动通过电容器的电流。
背景技术
DC-DC转换器是将直流电源从一个电压电平转换为另一电压电平的电子电路。DC-DC转换器广泛用于便携式电子装置中以从电池或从AC-DC转换器提供电力，且通常用于电子电路中以调节输出电压。举例来说，DC-DC转换器可补偿变化的负载电流及/或输入电压的变化。
以最小电力损耗且以廉价方式测量DC-DC转换器中的电流出于各种各样的控制及安全目的是有用的。然而，尤其在切换式电力转换器中，此类测量可为困难的或需要额外组件。
举例来说，隔离切换式转换器(例如LLC串联谐振转换器)具有从高电压DC源供电的输入。电路包含半桥电力级，所述半桥电力级连接到LLC谐振电路的串联元件。LLC谐振电路由磁化电感与变压器的串联组合及桥接器的输出侧上的经组合电容形成。
用于感测电流的一种解决方案在初级电路中添加DC电阻器且感测跨电阻器的电压降。尽管此解决方案是廉价的，但其也形成额外损耗且减小电力转换器的总体效率。另一解决方案并入有霍尔效应(Hall Effect)传感器，所述霍尔效应传感器是感测由电流载运导体产生的磁场且响应于所述磁场而产生输出信号(电压或电流)的换能器。然而，此解决方案是昂贵且复杂的。又一解决方案使用连接到电容性节点的电容器但提供有限带宽及准确性。
发明内容
在用于感测电流的方法及电路的所描述实例中，第一电流流动通过第一电容器。第二电容器耦合到所述第一电容器以形成分流器。第二电流流动通过所述第二电容器且与所述第一电流成比例。跨阻抗放大器耦合到所述第二电容器的输出且具有与所述第二电流成比例的电压输出。
附图说明
图1是基于半桥的LLC谐振隔离电力转换器的初级侧电路的电路示意图。
图2是用于感测图1的电路中的电流的跨阻抗放大器的电路示意图。
图3是用于图2的电路的电流反馈放大器的示意性框图。
图4是并入有图2的跨阻抗放大器的集成电路的电路示意图。
具体实施方式
本发明描述用于感测电容性网络中的电流的电路。举例来说，串联谐振DC-DC转换器包含耦合(例如连接)于第一节点与接地之间的谐振电容器。所述谐振电容器载运待测量的初级电流。感测电容器耦合到所述谐振电容器以形成分流器。感测电流流动通过所述感测电容器，所述感测电流与通过所述谐振电容器的所述初级电流成比例。跨阻抗放大器耦合到所述感测电容器且产生与流动通过所述感测电容器的所述感测电流成比例的电压输出。在实施例中，所述跨阻抗放大器使用电流反馈放大器来实施。
图1是隔离电力转换器的初级侧电路的简化电路示意图，所述电路示意图图解说明常规DC-DC转换器100。PWM信号产生级101产生以接地为参考的逻辑电压电平PWM信号。栅极驱动器级102耦合到信号产生级101，且：将PWM信号提供到高侧电力晶体管103的栅极；并将反相非重叠PWM信号提供到低侧电力晶体管104的栅极。信号产生级101及栅极驱动器级102可为单独模块或完全集成于单个控制、逻辑与驱动器集成电路中。
高侧电力晶体管103的漏极耦合到电压供应端子，电压Vin被施加到所述电压供应端子。高侧电力晶体管103的源极在切换节点105处耦合到低侧电力晶体管104的漏极。低侧电力晶体管104的源极耦合到第二电压供应端子，所述第二电压供应端子耦合到接地。电感器106的一端耦合到切换节点105且另一端耦合到变压器107的初级绕组。电容器108耦合于变压器107的初级绕组的另一端与接地之间且载运待感测的初级电流Ir。在一些实施例中，多个电容器可耦合于变压器107的初级绕组与接地之间，且那时电流Ir为通过所述多个电容器的电流的和。变压器107的次级绕组连接到整流器电路(未展示)以从跨越电感器106产生(develop)的电流产生隔离DC电压输出。
图2是用于感测图1的电路中的电流的跨阻抗放大器240的电路示意图，且展示电路100的谐振电容器108耦合到共同参考(例如接地)或具有与接地的DC偏移的电力轨或者电压参考或具有与接地的DC偏移(及低阻抗)的其它电压。较小感测电容器220在节点215处与所述谐振电容器并联耦合以形成分流器。在许多转换器实施方案中，感测电容器220是外部组件，但其可替代地集成于芯片上。感测电容器220未直接连接到接地，而是替代地连接到呈感测网络的形式的虚拟接地或共同参考。在实施例中，所述感测网络是跨阻抗放大器240。来自感测电容器220的感测电流Is馈送到具有跨阻抗配置的放大器模块240中，其中所述放大器模块的输出电压Vo与输入到所述放大器模块的感测电流Is成比例。优选地，对于电力转换器及/或其它相关应用，跨阻抗放大器配置完全“芯片上”实施为集成电路的一部分。
在实施例中，跨阻抗放大器240具有包含运算放大器230的电压反馈配置，所述电压反馈配置具有：串联电阻器232，其串联耦合于感测电容器220与所述运算放大器的反相输入之间；反馈电阻器234，其耦合于所述运算放大器的输出与反相输入之间；及电压参考Vref，其耦合到所述运算放大器的非反相输入。在此配置中，根据以下转移函数，输出电压Vo(s)与谐振电流Ir直接成比例：
其中Rs是串联电阻器232的值；Cs是感测电容器220的值；Cr是谐振电容器108的值；Rf是反馈电阻器234的值；且ω是以弧度/秒为单位的频率。
在此应用中，电压反馈(“VFB”)运算放大器可遭受带宽及稳定性限制。举例来说，已知VFB放大器具有提供单位增益稳定性的跨越频率(GWBP)以上的单个主导极点，而且还具有在跨越频率之后的众多极点。除非Rs足够大以在足够低的频率下形成消除极点，否则反馈路径中添加的零会使相位裕量减小90度且导致不稳定性。此外，大的Rs会使电流感测带宽减小数个数量级而低于放大器的GWBP。
图3是用于代替跨阻抗放大器240(图2)的VFB放大器230的电流反馈放大器(“CFB”)330的示意性框图。CFB 330的非反相输入耦合到运算放大器330内部的缓冲器301的输入。所述CFB的反相输入耦合到运算放大器330内部的缓冲器301的输出。缓冲器301具有由电阻302表示的阻抗ZB，及增益GB。电流I通过阻抗ZB产生且被称作误差电流。电流反馈放大器330包含产生电压Z(I)(其为通过缓冲器301的电流I的函数)的电压源303，电压Z(I)通过输出缓冲器304缓冲以产生输出电压VOUT。输出缓冲器304具有由电阻305表示的阻抗ZOUT。
以CFB放大器330替代VFB放大器230允许图2的跨阻抗网络包含相同组件，但所述网络的带宽及稳定性通过使用CFB放大器而显著改善。此外，串联电阻器232在使用CFB放大器时不必为了稳定性而被需要，且因此串联电阻器232在此实施例中为任选的。然而，串联电阻器232的存在允许减小网络的带宽以控制处于极高频率的噪声。反馈电阻器234控制跨阻抗放大器电路的DC增益。
图4是实施图2的跨阻抗放大器的专用集成电路400的电路示意图。DC-DC转换器的应用电路400包含为所述应用电路提供脉冲宽度调制控制器功能的集成电路芯片401。举例来说，集成电路(“IC”)芯片401在引脚402处产生第一脉冲宽度调制信号DPWM0A输出且在引脚403处产生第二脉冲宽度调制信号DPWM0B输出。这些脉冲宽度调制信号耦合到外部转换器电路，例如电路100。第一信号DPWM0A耦合到隔离级411。隔离级411的输出耦合到栅极驱动器集成电路413。栅极驱动电路413的输出耦合到高侧晶体管103的栅极。第二信号DPWM0B耦合到栅极驱动器IC 415，且栅极驱动器IC 415的输出耦合到低侧晶体管104的栅极。
在实施例中，感测电容器220耦合到节点215。感测电容器220的输出经由引脚404耦合为到控制器401的输入，引脚404耦合到芯片上形成为控制器401的一部分的跨阻抗放大器。电阻器320与电压放大器一起用于形成跨阻抗放大器。然而，如果在控制器IC 401内部提供跨阻抗放大器，那么电阻器320是任选的，如上文所描述。
跨阻抗放大器还可使用共栅极放大器级或共基极放大器级作为多级晶体管放大器的第一级或输入级来实施。此方法将减小放大器的复杂性且减小针对给定带宽的电力消耗，但在不在放大器周围使用反馈的情况下将在某种程度上减小准确性。如果电流测量仅用于逐循环电流控制以及故障及短路保护，那么准确性的缺乏可为可接受的。
使用跨阻抗配置的电容性电流感测可扩展到切换电力转换器的其它形式。举例来说，所述电路可用于感测LLC及其它隔离变压器拓扑中的倍压器输出级中的电流。电容性电流感测还可用于检测输出级中的电流反向以出于同步整流目的而接通及关断晶体管。
为了准确地感测电流，此解决方案是相对廉价的，不会造成明显电力损耗且具有低组件计数。使用电流反馈放大器作为跨阻抗放大器明显改善带宽及稳定性。
修改在所描述实施例中为可能的，且其它实施例在权利要求书的范围内为可能的。

Claims (19)

1.一种用于感测流动通过电容器的电流的电路，所述电路包括：
感测电容器，其耦合到第一电容器，所述感测电容器具有流动通过其的感测电流，所述感测电流与流动通过所述第一电容器的第一电流成比例，所述第一电容器耦合到共同参考；及
跨阻抗放大器，其耦合到所述感测电容器，其中所述跨阻抗放大器的电压输出与流动通过所述感测电容器的所述感测电流成比例。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述跨阻抗放大器使用共栅极放大器或共源极放大器作为输入级。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述跨阻抗放大器是电流反馈放大器。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述电流反馈放大器是具有反相输入、非反相输入及输出的运算放大器，所述感测电容器耦合到所述运算放大器的所述反相输入，反馈电阻器耦合于所述运算放大器的所述输出与所述反相输入之间，且所述运算放大器的所述非反相输入耦合到所述共同参考。
5.根据权利要求4所述的电路，其中所述运算放大器的所述非反相输入耦合到电压参考。
6.根据权利要求5所述的电路，其进一步包括：串联电阻器，其耦合于所述感测电容器与所述运算放大器的所述反相输入之间。
7.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括耦合到共同参考的多个第一电容器，其中所述第一电流等于通过所述第一电容器中的每一者的电流的和。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述跨阻抗放大器形成为集成电路的一部分，且所述感测电容器位于所述集成电路外部。
9.一种用于感测串联谐振DC-DC转换器中的电流的电路，所述电路包括：
所述转换器的至少一个电力电容器，所述电力电容器用于载运初级电流且耦合于第一节点与共同参考之间；
感测电容器，其具有第一端子及第二端子，其中所述第一端子耦合到所述第一节点，所述感测电容器具有流动通过其的感测电流，所述感测电流与流动通过所述电力电容器的所述初级电流成比例；及
跨阻抗放大器，其具有耦合到所述感测电容器的所述第二端子的输入，其中所述跨阻抗放大器的电压输出与流动通过所述感测电容器的电流成比例。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述运算放大器是使用共栅极放大器及共源极放大器中的一者作为输入级来实施。
11.根据权利要求9所述的电路，其中所述运算放大器实施为电流反馈放大器。
12.根据权利要求11所述的电路，其中所述电流反馈放大器是具有反相输入、非反相输入及输出的运算放大器，所述感测电容器的所述第二端子耦合到所述运算放大器的所述反相输入，反馈电阻器耦合于所述运算放大器的所述输出与所述反相输入之间，且所述运算放大器的所述非反相输入耦合到所述共同参考。
13.根据权利要求12所述的电路，其中所述运算放大器的所述非反相输入耦合到电压参考。
14.根据权利要求13所述的电路，其进一步包括：串联电阻器，其耦合于所述感测电容器的所述第二端子与所述运算放大器的所述反相输入之间。
15.根据权利要求9所述的电路，其进一步包括并联耦合于所述第一节点与所述共同参考之间的多个电力电容器，其中所述初级电流等于通过所有所述电力电容器的电流的和。
16.一种用于感测流动通过电容器的电流的方法，所述方法包括：
提供第一电容器，所述第一电容器具有流动通过所述第一电容器的第一电流且耦合到共同参考；
将第二电容器耦合到所述第一电容器以形成分流器，其中流动通过所述第二电容器的第二电流与所述第一电流成比例；及
将跨阻抗放大器耦合到所述第二电容器的输出，其中所述跨阻抗放大器的电压输出与流动通过所述第二电容器的所述第二电流成比例。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述跨阻抗放大器使用共栅极放大器或共源极放大器作为输入级。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述跨阻抗放大器是电流反馈放大器。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述电流反馈放大器是具有反相输入、非反相输入及输出的运算放大器，所述第二电容器耦合到所述运算放大器的所述反相输入，反馈电阻器耦合于所述运算放大器的所述输出与所述反相输入之间，且所述运算放大器的所述非反相输入耦合到所述共同参考。
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