CN106645879B - 一种开关电源电路的电感电流采样保持装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源电路的电感电流采样保持装置及方法。该装置包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一采样保持单元以及第二采样保持单元，其中：第一开关管、第二开关管以及第一采样保持单元组成第一采样支路，第三开关管、第四开关管以及第二采样保持单元组成第二采样支路；第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管分别接收第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号以及第四驱动信号，使得第一采样保持单元和第二采样保持单元分别对电感电流进行间隔采样和保持。通过上述方式，本发明对采样保持单元中的元件的要求大大降低，降低成本。

Description

一种开关电源电路的电感电流采样保持装置及方法

技术领域

本发明涉及开关电源电路技术领域，特别是涉及一种PWM控制的开关电源电路的电感电流采样保持装置及方法。

背景技术

开关电源转换电路是常见的电压转换电路，分为降压型(Buck)，升压型(Boost)，升压-降压型(Buck-Boost)，其电路拓扑结构分别如图1-3所示。

在开关电源电路中，电感作为储能元件，会不断的进行励磁和消磁动作。如图4所示，在CCM(Continuous Conduction Mode，连续导通模式)下，电感电流随着励磁消磁动作呈现出高频的锯齿波形，其电流峰值IPK通过系统环路控制，跟随输入电压、电流，输出负载的变化而变化，通过IPK可以间接检测输入电流或者输出电流，电感电流信号的采样和保持是开关电源电路中经常遇到的课题。

如图4所示，在励磁阶段，电感电流信号通过电阻元件转换为电压信号VSEN。请参阅图5，以Boost型电路为例，为采样电感电流信号，在电感励磁通路上串接一个小的采样电阻Rsen，电感电流在电阻Rsen上产生电压信号VSEN。由于电阻Rsen仅在励磁支路上，电压信号VSEN波形仅体现电感励磁时电流波形。

请参阅图6和图7，现有技术的采样保持电路中，在励磁周期CLK内采样开关S1导通，开关S2断开，电容C1对电压信号VSEN进行采样，电容C2保持上一个周期的IPK信号。在消磁周期CLKN内，开关S1断开，开关S2导通，通过电容C1和C2的电荷分配，电容C2上保持电容C1上采集到的信号。

现有技术的采样保持电路中，要求电容C1远大于电容C2，以保证电容C1和C2电荷分配对采样信号的误差足够小或者电容C1、C2具有精确的容值比例，可以计算出电荷分配产生的误差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种开关电源电路的电感电流采样保持装置及方法，对采样元件的要求大大降低，降低成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种开关电源电路的电感电流采样保持装置，该装置包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一采样保持单元以及第二采样保持单元，其中：

所述第一开关管、第二开关管以及第一采样保持单元组成第一采样支路，第三开关管、第四开关管以及第二采样保持单元组成第二采样支路；

所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管分别接收第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号以及第四驱动信号，使得所述第一采样保持单元和第二采样保持单元分别对电感电流进行间隔采样和保持；

其中，第一开关管的驱动端接收所述第一驱动信号，所述第一开关管的输入端接收所述电压采样信号VSEN，第一开关管的输出端分别与所述第一采样保持单元以及所述第二开关管的输入端电连接；

所述第二开关管的驱动端接收所述第二驱动信号，所述第二开关管的输入端分别与所述第一开关管的输出端以及所述第一采样保持单元电连接，所述第二开关管的输出端输出电感电流对应的电压保持信号VHOLD；

所述第三开关管的驱动端接收所述第三驱动信号，所述第三开关管的输入端接收所述开关电压采样信号VSEN，第三开关管的输出端分别与所述第二采样保持单元以及所述第四开关管的输入端电连接；

所述第四开关管的驱动端接收所述第四驱动信号，所述第四开关管的输入端分别与所述第三开关管的输出端以及所述第二采样保持单元电连接，所述第四开关管的输出端输出电感电流对应的电压保持信号VHOLD；

其中，所述电压采样信号VSEN为所述的电感电流在采样电阻上的体现。

其中，第一驱动信号驱动第一开关管采样第一周期，第三驱动信号驱动第三开关管采样第二周期，依次交替采样，其中，第一驱动信号和第三驱动信号由所需要采样的电感电流点决定，在电感峰值电流采样保持中第一驱动信号和第三驱动信号在电感电流到达峰值时分别关闭第一开关管和所述第三开关管的采样。

其中，第二驱动信号和第四驱动信号分别驱动第二开关管和第四开关管保持电压保持信号，其中，第二驱动信号与第四驱动信号互为反信号，以交替保持电压保持信号。

其中，第一开关管、第二开关管、第三开关管以及所述第四开关管均为MOS开关管，其中所述驱动端为MOS开关管的栅极，所述输入端为所述MOS开关管的源极，所述输出端为所述MOS开关管的漏极。

其中，第一采样保持单元和所述第二采样保持单元均为电容。

其中，电容为MOS电容。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种开关电源电路的电感电流采样保持方法，该方法应用于开关电源电路的电感电流采样保持装置中，所述装置包括前文所述的任一项的开关电源电路的电感电流采样保持装置；

所述方法包括以下步骤：

S1：通过采样电阻将电感电流励磁部分转换为电压采样信号；

S2：开启所述第一开关管，使得所述第一采样保持单元对所述电压采样信号进行采样，并在所述第一采样保持单元采样到设定的电压采样信号值后关闭所述第一开关管使所述第一采样单元保持所述电压采样信号，同时，开启所述第四开关管，使得所述第二采样保持单元所保持的上一周期的电压采样信号输出为电压保持信号，其中，关闭所述第二开关管和所述第三开关管；

S3：在励磁结束后，关闭所述第四开关管，同时开启所述第二开关管，使得第一采样单元所保持的电压采样信号输出为电压保持信号，同时，保持关闭所述第一开关管，开启所述第三开关管，使得所述第二采样单元初始化并准备采样；

S4：开启所述第三开关管，使得所述第二采样保持单元对所述电压采样信号进行采样，在所述第二采样单元采样到设定的电压采样信号值后关闭所述第三开关管，使所述第二采单元保持所采样到的电压采样信号，同时，保持开启所述第二开关管，使得所述第一采样单元所保持的上一周期的电压采样信号输出为电压保持信号，关闭所述第一开关管与第四开关管；

S5：在励磁结束后，关闭所述第二开关管，同时开启所述第四开关管，使得所述第二采样单元所保持的电压采样信号输出为电压保持信号，保持关闭所述第三开关管，开启所述第一开关管91，使得所述第一采样单元初始化并准备采样；

通过重复所述步骤S2～S5以实现对电感电流的间隔采样和保持。

其中，第一驱动信号和第三驱动信号由所需要采样的电感电流点决定，第一驱动信号和第三驱动信号在电感电流到达峰值时分别关闭所述第一开关管和所述第三开关管的采样。

其中，第二驱动信号与所述第四驱动信号互为反信号，以交替保持电压保持信号。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种PWM开关电源电路的电感电流采样保持装置及方法，该装置包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一采样保持单元以及第二采样保持单元，其中，第一开关管、第二开关管以及第一采样保持单元组成第一采样支路，第三开关管、第四开关管以及第二采样保持单元组成第二采样支路，第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管分别接收第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号以及第四驱动信号，使得第一采样保持单元和第二采样保持单元分别对PWM开关电源电路的电感电流进行间隔采样和保持。因此，本发明对采样保持单元中的元件的要求大大降低，降低成本。

附图说明

图1是现有技术的降压型开关电源的结构示意图；

图2是现有技术的升压型开关电源的结构示意图；

图3是现有技术的升压-降压型开关电源的结构示意图；

图4是电感电流的波形图和电感电流通过电阻元件后转换为的电压信号VSEN的波形图；

图5是升压型开关电源串联采样电阻的结构示意图；

图6是现有技术的采样保持电路的结构示意图；

图7是图6所示的采样保持电路中的电压采样信号和电压保持信号的波形图；

图8是本发明实施例提供的一种PWM开关电源电路的电感电流采样保持装置的结构示意图；

图9是图8所示的电感电流采样保持装置的采样保持电感电流峰值的驱动信号的一种波形图；

图10是图8所示的电感电流保持装置的电压采样信号VSEN在图9所示的驱动信号驱动下的电压保持信号VHOLD的波形；

图11是图8所示的电感电流保持装置在图9所示的驱动信号驱动下的第一采样保持单元和第二采样保持单元的波形图；

图12是图8所示的电感电流采样保持装置的采样保持电感电流初始值的驱动信号的波形图；

图13是本发明实施例提供的一种开关电源的电感电流采样保持方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图8，图8是本发明实施例提供的一种开关电源电路的电感电流采样保持装置的结构示意图。如图8所示，该装置90包括第一开关管91、第二开关管92、第三开关管93、第四开关管94、第一采样保持单元95以及第二采样保持单元96。

其中，第一开关管91、第二开关管92以及第一采样保持单元95组成第一采样支路901。第三开关管93、第四开关管94以及第二采样保持单元96组成第二采样支路902。

第一开关管91、第二开关管92、第三开关管93以及第四开关管94分别接收第一驱动信号CK1、第二驱动信号CK2、第三驱动信号CK3以及第四驱动信号CK4，使得第一采样保持单元95和第二采样保持单元96分别对开关电源电路的电感电流进行间隔采样和保持。

具体而言，第一开关管91的驱动端接收第一驱动信号CK1，第一开关管91的输入端接收电压采样信号VSEN，第一开关管91的输出端分别与第一采样保持单元95以及第二开关管92的输入端电连接，采样单元95在第一开关管91开启时跟随采样电压采样信号VSEN，并保持第一开关管关闭瞬间的电压采样信号VSEN值。

第二开关管92的驱动端接收第二驱动信号CK2，第二开关管92的输入端分别与第一开关管91的输出端以及第一采样保持单元95电连接，第二开关管92的输出端输出电感电流相对应的电压保持信号VHOLD，在第二开关管92开启时将第一采样单元95保持的电压采样信号VSEN值输出为电压保持信号VHOLD。

第三开关管93的驱动端接收第三驱动信号CK3，第三开关管93的输入端的接收电压采样信号VSEN，第三开关管93的输出端分别与第二采样保持单元96以及第四开关管94的输入端电连接，第二采样单元96在第三开关管93开启时跟随采样电压采样信号VSEN，并保持第三开关管93关闭瞬间的电压采样信号VSEN值。

第四开关管94的驱动端接收第四驱动信号CK4，第四开关管94的输入端分别与第三开关管93的输出端以及第二采样保持单元96电连接，第四开关管94的输出端输出电感电流相对应的电压保持信号VHOLD，在第四开关管开启时将第二采样单元96保持的VSEN值输出为VHOLD。

其中，电压采样信号VSEN为开关电源电路的电感电流在负载采样电阻上的体现，具体如前文所述以及图5所示。

本实施例中，第一开关管91、第二开关管92、第三开关管93以及第四开关管94均为MOS开关管，其中驱动端为MOS开关管的栅极，输入端为MOS开关管的源极，输出端为MOS开关管的漏极。第一采样保持单元95和第二采样保持单元96均为电容。

本实施例中，电感电流包括电感励磁起始时刻的电感电流和励磁结束时刻的电感电流，对该两种电感电流的采样保持的方法不同，具体如下所述。

对于励磁结束时刻的电感电流的采样保持，本实施例采用的方案是：第一驱动信号CLK1和第四驱动信号CLK4相同，第二驱动信号CLK2和第三驱动信号CLK3相同，并且第一驱动信号CLK1和第二驱动信号CLK2互为反向信号，即第一驱动信号CLK1和第二驱动信号CLK2的周期相同，相位相反。具体而言，第一驱动信号CLK1驱动第一开关管91采样第一周期，第三驱动信号CLK3驱动第三开关管93采样第二周期，依次交替采样，其中，第一驱动信号CLK1和第三驱动信号CLK3由所需要采样的电感电流点决定，例如图9-11所示，第一驱动信号CLK1和第三驱动信号CLK3在电感电流到达峰值IPK时分别关闭第一开关管91和第三开关管93的采样。使得在第一采样保持单元95采样时，第二采样保持单元96保持上一个周期的采样值。

进一步的，第二驱动信号CLK2和第四驱动信号CLK4分别驱动第二开关管92和第四开关管94保持电压保持信号，其中，第二驱动信号CLK2与第四驱动信号CLK4互为反信号，以交替保持电压保持信号VHOLD。

采样保持电感电流峰值的驱动信号的波形具体如图9所述。其中，电压采样信号VSEN在图9所示的驱动信号驱动下的电压保持信号VHOLD的波形如图10所示，在图9所示的驱动信号驱动下的电容结构的第一采样保持单元95和第二采样保持单元96的波形如图11所示。

具体工作原理为：驱动信号为高电平有效。当第一驱动信号CLK1和第三驱动信号CLK4有效时，开关91和94导通，开关92和93断开，第一采样保持单元95对电压采样信号VSEN进行采样，第二采样保持单元96保持上一周期的信号，由于开关94导通，即输出的电压保持信号VHOLD信号保持上个周期的信号。

同理，当第二驱动信号CLK2和第四驱动信号CLK3有效时，开关91和94断开，开关92和93导通，第二采样保持单元96对电压采样信号VSEN进行采样，第一采样保持单元95保持上一周期的信号，由于开关92导通，即输出的电压保持信号VHOLD信号保持上个周期的信号。

因此，本实施例通过开关周期分频产生相位相反的两个采样时钟驱动信号来控制开关91-94；通过电容结构的采样保持单元95和96隔周期对电压采样信号VSEN进行采样保持。通过驱动信号的错时采样，间隔保持，实现电感励磁结束时刻电感电流即电感峰值电感电流IPK的采样保持。

本实施例的采样电路对作为采样保持单元的电容的要求大大降低，只需要很小的采样电容，同时两者没有比例要求，可以使用MOS电容实现，在控制芯片设计时避免芯片内部电容的使用，减少光刻层数，降低成本。

对于起始时刻的电感电流的采样保持，本实施例采用的方案是：第一驱动信号CLK1在上一个励磁周期结束后有效，在本次励磁周期起始时第一采样保持单元95采样起始电感电流信号后关闭，第二驱动信号CLK2在本次励磁结束后有效，将第一采样保持单元95所保持的信号输出。

第三驱动信号CLK3在上一个励磁周期结束后有效，在本次励磁周期起始时第二采样保持单元96采样起电感电流始信号后关闭，第四驱动信号CLK4在本次励磁结束后有效，将第二采样保持单元96所保持的信号输出。

采样保持电感电流初始值的驱动信号的波形具体如图12所示，第一采样支路901与第二采样支路902对电感电流对应的电压采样信号VSEN交替采样保持。

本发明实施例还提供了一种开关电源电路的电感电流采样保持方法，该方法应用于开关电源电路的电感电流采样保持装置中。其中开关电源电路的电感电流采样保持装置如前文所述，在此不再赘述。请参阅图13所示，本实施例的方法包括以下步骤：

步骤S1：通过采样电阻将电感电流励磁部分转换为电压采样信号VSEN。

步骤S2：开启第一开关管91，使得第一采样保持单元95对电压采样信号VSEN进行采样，并在第一采样单元95采样到设定的电压采样信号VSEN值后关闭第一开关管91使第一采单元95保持采样信号，同时，开启第四开关管94，使得第二采样单元96所保持的上一周期的电压采样信号输出为电压保持信号，其中，第二开关管92与第三开关管93关闭。

步骤S3：在励磁结束后，关闭第四开关管94，同时开启第二开关管92，使得第一采样单元95所保持的电压采样信号输出为电压保持信号，同时，保持关闭第一开关管91，开启第三开关管93，使得第二采样单元96初始化并准备采样。

步骤S4：开启第三开关管93，使得第二采样保持单元96对电压采样信号VSEN进行采样，在第二采样单元96采样到设定的电压采样信号VSEN值后关闭第三开关管93，使第二采单元保持所采样到的电压采样信号，同时，保持开启第二开关管92，使得第一采样单元95所保持的上一周期的电压采样信号输出为电压保持信号，关闭第一开关管91与第四开关管94。

步骤S5：在励磁结束后，关闭第二开关管92，同时开启第四开关管94，使得第二采样单元96所保持的电压采样信号输出为电压保持信号，保持关闭第三开关管93，开启第一开关管91，使得第一采样单元95初始化并准备采样。

通过重复步骤S2～S5实现对电感电流的间隔采样和保持。

本实施例中，电感电流包括电感励磁起始时刻的电感电流和终止时刻的电感电流，具体如前文所述以及图9-图12所示。

综上所述，本发明对采样保持单元中的元件的要求大大降低，降低成本。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种开关电源电路的电感电流采样保持装置，其特征在于，所述装置包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一采样保持单元以及第二采样保持单元，其中：

所述第一开关管、第二开关管以及第一采样保持单元组成第一采样支路，第三开关管、第四开关管以及第二采样保持单元组成第二采样支路；

所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管分别接收第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号以及第四驱动信号，使得所述第一采样保持单元和第二采样保持单元分别对开关电源电感电流进行间隔采样和保持；

所述第一开关管的驱动端接收所述第一驱动信号，所述第一开关管的输入端接收电压采样信号，第一开关管的输出端分别与所述第一采样保持单元以及所述第二开关管的输入端电连接；

所述第二开关管的驱动端接收所述第二驱动信号，所述第二开关管的输入端分别与所述第一开关管的输出端以及所述第一采样保持单元电连接，所述第二开关管的输出端输出电感电流相对应的电压保持信号；

所述第三开关管的驱动端接收所述第三驱动信号，所述第三开关管的输入端接收所述电压采样信号，第三开关管的输出端分别与所述第二采样保持单元以及所述第四开关管的输入端电连接；

所述第四开关管的驱动端接收所述第四驱动信号，所述第四开关管的输入端分别与所述第三开关管的输出端以及所述第二采样保持单元电连接，所述第四开关管的输出端输出电感电流相对应的电压保持信号；

其中，所述电压采样信号为所述开关电源电路的电感电流在负载采样电阻上的体现。

2.根据权利要求1所述的电感电流采样保持装置，其特征在于，所述第一驱动信号驱动所述第一开关管采样第一周期，所述第三驱动信号驱动所述第三开关管采样第二周期，依次交替采样，其中，所述第一驱动信号和第三驱动信号由所需要采样的电感电流点决定。

3.根据权利要求1所述的电感电流采样保持装置，其特征在于，第二驱动信号和所述第四驱动信号分别驱动所述第二开关管和所述第四开关管保持所述电压保持信号，其中，所述第二驱动信号与所述第四驱动信号互为反信号，以交替保持电压保持信号。

4.根据权利要求1所述的电感电流采样保持装置，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及所述第四开关管均为MOS开关管，其中所述驱动端为MOS开关管的栅极，所述输入端为所述MOS开关管的源极，所述输出端为所述MOS开关管的漏极。

5.根据权利要求1所述的电感电流采样保持装置，其特征在于，第一采样保持单元和所述第二采样保持单元均为电容。

6.根据权利要求5所述的电感电流采样保持装置，其特征在于，所述电容为MOS电容。

7.一种开关电源电路的电感电流采样保持方法，其特征在于，所述方法应用于开关电源电路的电感电流采样保持装置中，所述装置包括权利要求1-6任一项所述的开关电源电路的电感电流采样保持装置；

所述方法包括以下步骤：

S1：通过采样电阻将电感电流励磁部分转换为电压采样信号；

S2：开启所述第一开关管，使得所述第一采样保持单元对所述电压采样信号进行采样，并在所述第一采样保持单元采样到设定的电压采样信号值后关闭所述第一开关管使所述第一采样单元保持所述电压采样信号；同时，开启所述第四开关管，使得所述第二采样保持单元所保持的上一周期的电压采样信号输出为电压保持信号，其中，关闭所述第二开关管和所述第三开关管；

S3：在励磁结束后，关闭所述第四开关管，同时开启所述第二开关管，使得第一采样单元所保持的电压采样信号输出为电压保持信号；同时，保持关闭所述第一开关管，开启所述第三开关管，使得所述第二采样单元初始化并准备采样；

S4：开启所述第三开关管，使得所述第二采样保持单元对所述电压采样信号进行采样，在所述第二采样单元采样到设定的电压采样信号值后关闭所述第三开关管，使所述第二采单元保持所采样到的电压采样信号；同时，保持开启所述第二开关管，使得所述第一采样单元所保持的上一周期的电压采样信号输出为电压保持信号，关闭所述第一开关管与第四开关管；

S5：在励磁结束后，关闭所述第二开关管，同时开启所述第四开关管，使得所述第二采样单元所保持的电压采样信号输出为电压保持信号，保持关闭所述第三开关管，开启所述第一开关管，使得所述第一采样单元初始化并准备采样；

通过重复所述步骤S2～S5以实现对电感电流的间隔采样和保持。

8.根据权利要求7所述的电感电流采样保持方法，其特征在于，所述第一驱动信号和第三驱动信号由所需要采样的电感电流点决定，在采样电感峰值电流时第一驱动信号和第三驱动信号在电感电流到达峰值时分别关闭所述第一开关管和所述第三开关管的采样。

9.根据权利要求7所述的电感电流采样保持方法，其特征在于，所述第二驱动信号与所述第四驱动信号互为反信号，以交替保持电压保持信号。