CN107066001A - 用于控制在具有未知电流对电压特性的负载中的电流的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于控制在具有未知电流对电压特性的负载中的电流的设备。一种控制流过负载的电流的方法，包括以下步骤：将表示负载的第一传递函数应用至第一电流以获得第二电压；将第二电压应用至电路的第一端子以用于生成电流；在负载的第一端子与第二端子之间采样第三电压；将第三电压与第二电压比较；以及根据该比较的结果确定待被供应到负载的电流。

Description

用于控制在具有未知电流对电压特性的负载中的电流的设备

优先权

本申请要求于2016年2月11日递交的、法国专利申请号为16/51114的优先权，其公开在此通过引用并入其全部以法律允许的最大程度。

技术领域

本公开通常涉及电子电路，并且更具体地，涉及针对具有未知的电流对电压(current-vs.-voltage)特性的负载的电流控制设备。

背景技术

针对未知负载的电流控制设备通常包括在负载和电阻器中施加电流的电流源，其使能调节在未知负载中的电流。电阻器引致显著的能量损耗。

因而其需要改进针对未知负载的电流控制设备的能量性能。

发明内容

因而，一个实施例提供了改进具有未知电流对电压特性的负载的电流控制设备的电功率消耗。

一个实施例提供了一种控制流过负载的电流的方法，包括以下步骤：将表示负载的第一传递函数应用至第一电流以获得第二电压；将第二电压应用至电路的第一端子以用于生成所述电流；在负载的第一端子与第二端子之间采样第三电压；将第三电压与第二电压比较；以及根据该比较的结果确定待被供应到负载的电流。

根据一个实施例，第一传递函数通过以下步骤而被确定：a)将负载的第二端子耦合到被耦合到接地应用的端子的电阻器；b)初始化第一传递函数；c)通过针对第一电压的多个值确定电流的值来构建表示负载的第二传递函数，针对该电流的值，跨负载采样到的电压的值等于具有第一传递函数应用至其的第一电压的值；d)使用第二函数的逆函数来更新第一函数；e)重复步骤c)和d)，直到条件被满足；f)将负载的第二端子耦合到接地应用的端子。

根据一个实施例，第一传递函数的初始化被执行，使得针对第一电压的任何值，传递函数的结果是控制电压的实际值。

根据一个实施例，第一函数的初始化通过负载的特性的第一估计而被执行。

根据一个实施例，第二函数的逆函数通过差值算法而被计算。

根据一个实施例，第二函数的逆函数通过计算多项式的系数而被计算。

根据一个实施例，步骤c)包括以下步骤：c1)针对第一电压的每个值，应用第一函数以获得第二电压；c2)应用第二电压至电路的第一输入端子以用于生成电流；c3)应用负载中的电流使得跨负载采样的电压等于第二电压；c4)跨电阻器采样第四电压；c5)通过将第四电压除以所述电阻而计算流过负载和电阻器的电流。

根据一个实施例，至少当第一函数与第二函数的复合(composition)运算的结果大约等于恒等(identity)时，条件被认为是满足的。

根据一个实施例，步骤a)至f)被周期性重复。

根据一个实施例，当操作条件改变时步骤a)至f)被重复。

根据一个实施例，多个第一传递函数根据不同的操作条件而被确定。

根据一个实施例，负载使得其第一端子被耦合到电流生成电路的输出端子，其第二端子被耦合到接地应用的端子。

附图说明

前述和其他特征及优点将在以下特定的实施例的非限制性描述中结合附图进行详细讨论，其中：

图1示出了用于控制负载中的电流的惯常设备的示例；

图2示出了用于控制负载中的电流的设备的实施例；

图3示出了在图2中描述的实施例中实施的训练方法的不同步骤；

图4示出了执行图2的实施例的或图3的方法的指令的微处理器的示例；以及

图5示出了在标准操作模式的图2的设备的配置。

具体实施方式

在不同附图中，相同的要素被指定具有相同的附图标记。为了清楚起见，只有对理解所述实施例有用的那些要素已被示出并且进行详细说明。在本说明书中，词语“连接”被用来指代直接电连接而没有中间电子元件，例如，通过一个或多个导电迹线或一个或多个导线，并且词语“耦合”或词语“链接”被用来指代直接电连接(“连接”的意思)或经由一个或多个中间元件(电阻器、二极管、电容器等)的连接。

图1示出了在具有未知电流对电压特性的负载中的电流控制设备的通常示例。设备包括在功率源电势VCC的应用的第一端子103与到接地GND的连接的端子104之间串联的功率转换器101、负载LOAD、以及值R的电阻器102。功率转换器101进一步包括具有向其应用控制电压V_COM’的第一输入端子105、耦合到电阻器102的未连接到接地的端子的第二输入端子106、以及耦合到负载LOAD的端子108的输出端子107。

负载LOAD和电阻器102在由转换器101的第二输入端子采样的误差以内传导相同的电流I_LOAD。根据耦合到端子106的输入级的性质，误差可以是零。跨电阻器102的电压V_SENSE’的值等于电流I_LOAD的值与电阻器的值R的乘积。电压V_SENSE’因而是流过负载LOAD的电流I_LOAD的像。

当控制电压V_COM’被应用至功率转换器的第一输入端子105时，功率转换器将该电压与在其第二输入端子106上出现的电压V_SENSE’比较。功率转换器因而确定被递送至负载LOAD的电流I_LOAD的值以消除电压V_COM’与V_SENSE’之间的差。

这样的设备因而使能根据控制电压而控制在未知特性的负载中递送的电流。该设备的缺点是由于流过电阻器102的电流导致的能量损耗。

根据之后描述的实施例，其因而提供以减小由于电阻器导致的能量损耗。

图2示出了在具有未知电流对电压特性的负载中的电流控制设备的实施例。

设备包括在功率源电势VCC的应用的第一端子204与到接地GND的连接的端子206之间串联的功率转换器201、负载LOAD、以及值R的电阻器202。功率转换器201进一步包括具有向其应用电压V_COMPPRED的第一输入端子208、耦合到跨负载LOAD的电压V_LOAD的值的传感器212的第二输入端子210、以及耦合到负载LOAD的端子216的输出端子214。负载LOAD的耦合到电阻器202的另一端子218也被耦合到使得其另一端子连接到接地的开关220的端子。

功率转换器201的第一输入端子208在一方面被耦合到块222(f_PRED(V_COM))，该块222向在输入端子224上出现的电压V_COM应用传递函数。在另一方面的端子208被耦合到电路228(查找表)的输入端子226，该查找表从存储在电路228内部或外部的存储器中的表提供了电压与电流之间的对应关系。电路228包括耦合到负载LOAD的端子218的另一输入端子230。电路228可以包括一个或多个模数转换器以将其输入端子226和230处出现的模拟信号转换为数字信号。其他实施例可以包括一个或多个外部模数转换器。负载LOAD和电阻器202在由查找电路228的输入端子230采样的电流的误差以内传导相同的电流I_LOAD。电流I_LOAD的值因而通过将跨电阻器202的电压V_SENSE除以电阻器的值R而被获得：I_LOAD＝V_SENSE/R。查找电路228针对V_COMPRED的每个值提供对应电流I_LOAD的值。

电路228的输出端子被耦合到计算函数和其逆函数的计算块232(插值f^-1 _LOAD)的输入端子236。计算块232的输出端子被耦合到应用传递函数f_PRED的块222的第二输入端子234。

图4示出了集成了图2的块222、232和电路228的微处理器401的示例。微处理器包括图2的端子224、208、226和230。微处理器还控制相同图示的开关220的状态。

图3示出了由图2的设备执行的训练(校正)方法的不同步骤。这些步骤例如由微控制器控制，该微处理器执行块222、232和228的函数并且控制开关220的状态，如由图4所示。

在第一步骤S1(开关220关断)处，开关220被关断。在第二步骤S2(初始化f_PRED＝恒等)处，块222的传递函数被初始化，使得针对应用至输入224的电压V_COM而言，输出电压V_COMPRED等于输入电压VCOM。在接下来的步骤S3(V_COM)和S4(V_COMPRED＝f_PRED(V_COM))处，块222的传递函数f_PRED被应用至在端子224上出现的电压V_COM以获得电压V_COMPRED。在步骤S5处(确定I_LOAD以使得V_COMPRED＝V_LOAD)，功率转换器201将在端子208上出现的电压V_COMPRED与在端子210上出现的电压V_LOAD比较，并且调整在负载中的电流I_LOAD以消除两个电压之间的差。

因而，在平衡状态下具有V_LOAD＝V_COMPRED以及I_LOAD＝V_SENSE/R。在步骤S6处(存储I_LOAD&V_LOAD)，值V_COMPRED(即V_LOAD)和I_LOAD分别经由端子226和230被存储在查找电路228中。

在步骤S7处(足够的V_COM值？)，微处理器评定是否充分数量的电压值V_COM已经被应用至设备。如果不是(块S7的输出“否”)，在步骤S12处(新V_COM)，V_COM的新值被应用并且其返回步骤S3。例如根据期望使用负载处的电流/电压的范围，待被应用至设备的值的数目取决于目标应用。可能存在其他准则。一种实施例是生成以斜坡(ramp)形式的电压V_COM的不同值，但也可以设想其他方法。

由于不同的迭代，查找电路228包含负载LOAD的特性f_LOAD的描述，使得：I_LOAD＝f_LOAD(V_LOAD)。

当值V_COM的数目是充分(块S7的输出“是”)时，那么在步骤S8处((V_COM–I_LOAD)/V_COM<误差？))，评价误差条件是否满足。

在一个实施例中，待被满足的条件是使得传递函数f_PRED等于表示被定义在误差内的负载的特性的函数f_LOAD的逆函数；或换言之，f_PRED与描述负载LOAD的特性的函数f_LOAD的复合(composition)运算的结果大约等于恒等(identity)。

如果该条件被满足(块S8的输出“是”)，其随后进行到开关220被接通的步骤S11(开关220接通)。

在相反的情况下(块S8的输出“否”)，其随后进行到步骤S9(计算f^-1 _LOAD)。

在步骤S9处，计算块232经由端子230恢复描述特性f_LOAD的信息。在查找电路228中描述特性f_LOAD的值在构建上是离散的。计算块的第一操作因而是使得特性的描述不连续。该操作的一个实施例是使用差值方法。另一实施例是计算多项式的系数以描述该特性。差值算法的或多项式的系数的计算的细节并未用来描述函数而进行讨论。由块232执行的第二操作是计算特性f_LOAD的逆函数f^-1 _LOAD。该步骤可以通过简单的移项运算而执行。其他方法可以被使用。一种实施例提供了在第一步骤中使得特性连续并且在第二步骤中计算逆函数。另一实施例是首先执行移项运算并且随后是差值运算或多项式系数计算运算。

在步骤S10处(更新f_PRED＝f^-1 _LOAD)，块224的传递函数f_PRED通过向其替换在步骤S9处计算出的f^-1 _LOAD而被更新：

f_PRED＝f^-1 _LOAD。

随后返回步骤S3。

这样的训练方法的实际示例在之后进行描述。

开关220在步骤S1处被关断。

函数f_PRED在步骤S2处被初始化至恒等函数。

在步骤S3、S4、S5、S6和S7重复充分次数之后，针对向应用传递函数f_PRED的块222的端子224应用的电压V_COM的不同值，在电路228中已经存储了值V_LOAD和I_LOAD，使得：

V_LOAD＝V_COMPRED，其中V_COMPRED＝f_PRED(V_COM)且V_COMPRED＝V_COM，由于f_PRED＝恒等

即：

V_LOAD＝V_COM(等式1)

及I_LOAD＝V_SENSE/R(等式2)

这些值描述了负载的特性f_LOAD。

在步骤S8处，误差条件并未被满足，因为(V_COM–I_LOAD)/V_COM大于阈值误差：

I_LOAD＝f_LOAD(V_LOAD)，其中根据(等式1)，V_LOAD＝V_COM

实际上：I_LOAD＝f_LOAD(V_COM)。

由此该误差：

(V_COM–I_LOAD)/V_COM＝(V_COM–f_LOAD(V_COM))/V_COM

＝1-f_LOAD(V_COM)/V_COM

微处理器401随后进行到步骤S9。

在步骤S9和S10处，微处理器计算f_LOAD的逆函数f^-1 _LOAD并且根据以下更新函数f_PRED：

f_PRED(V_COM)＝f^-1 _LOAD(V_COM)+ε1(V_COM)(等式3)

ε1是误差函数。

微处理器随后以新定义的传递函数f_PRED返回步骤S3。

在步骤S3、S4、S5、S6、S7、S12处，针对期望的应用重复必要次数，使能描述负载LOAD的特性f_Load的量I_LOAD和V_LOAD被再次构建及存储。这相当于存储：

I_LOAD＝V_SENSE/R使得V_LOAD＝V_COMPRED；

现在，V_LOAD＝f_PRED(V_COM)。

通过使用(等式3)：

V_LOAD＝f^-1 _LOAD(V_COM)+ε1(V_COM)

I_LOAD的值可以被推断：

I_LOAD＝f_LOAD(V_LOAD)

＝f_LOAD(f^-1 _LOAD(V_COM)+ε1(V_COM))

＝f_LOAD(f^-1 _LOAD(V_COM))+f_LOAD(ε1(V_COM))

I_LOAD＝V_COM+δ1(V_COM)(等式4)，

δ1是误差函数。

在多次迭代(步骤S7的分支“是”)的结束处，函数I_LOAD因而已被描述为：

I_LOAD＝V_COM+δ1(V_COM)。

在步骤S8处，相对于阈值误差的误差被评估：

(V_COM–I_LOAD)/V_COM＝δ1(V_COM)/V_COM

如果针对所有浏览的VCOM而言δ1(V_COM)/V_COM<误差，随后进行到步骤S11。

在相反的情况下，在步骤S9和S10处，新的函数f_PRED被计算并且存储，且其返回步骤S3以用于新的迭代，即，执行步骤S3、S4、S5、S6、S7、S12给定次数以获得函数的描述：

I_LOAD＝V_COM+δ2(V_COM)，

δ2是针对V_COM的所有值而言小于误差δ1的误差。

该新的误差：

(V_COM–I_LOAD)/V_COM＝δ2(V_COM)/V_COM因而将小于之前的误差。

沿着迭代，误差(V_COM–I_LOAD)/V_COM减小到针对V_COM的所有值而言变得比阈值误差更小。

随后进行到步骤S11，在其期间开关220被接通，其结束训练阶段。

在一个实施例中，电路228的查找表通过负载的特性的第一估计而被初始化，其提供了训练阶段的更快速收敛。

在训练阶段的结束处，图2的设备切换到标准操作模式，如在图5中所示的。

图5与图2不同之处在于，由于开关220的动作，之前通过电阻器202耦合到接地GND连接的端子206的负载LOAD的端子218现在被直接接地。事实上，开关的大小被调节以使得当其被接通时其电操作等效于与电阻器R的值相比可忽略值的串联电阻器。块232和228并未被示出，由于它们在标准操作模式期间并不活动。

在以上描述的训练阶段期间，被应用到在设备的输入端子224上出现的任何控制电压V_COM的传递函数f_PRED已经被构建。已经看出的是，该函数执行预失真，使得任何电压V_COM由传递函数与对应于电流I_LOAD的应用的电压V_COMPRED比较，使得V_COMPRED＝V_LOAD。

在标准操作模式中，该设备因而根据在其输入端子224上出现的电压V_COM但不使用电阻器202而控制流过负载LOAD的电流I_LOAD，这提供了能量性能增加。

在一个实施例中，使用了比在惯常设备中值更大的电阻器202以用于控制负载中的电流，这具有增大调节的准确度的优点而没有能量性能上的处罚。

在一个实施例中，为了考虑到使操作条件的变化，训练阶段被周期性或在某事件后重复。触发时间可以是温度变化的、功率源电压的、或任何其他影响操作条件的参数的检测。

在一个实施例中，训练阶段针对不同操作条件(例如不同的操作温度)被实施，并且对应于每个操作条件的不同传递函数被存储。当操作条件改变时，对应的传递函数也被改变而不历经新的训练阶段。

特定的实施例已经被描述。本领域技术人员将易于想到各种变化、修改和改进。

这样的变化、修改和改进旨在属于本公开的部分，并且旨在处于本发明的精神和范围以内。因此，前述说明书仅出于示例的方式并且并不旨在用于限制。本发明仅被在以下权利要求书和其等同物中定义的所限制。

Claims (19)

1.一种控制流过负载的电流的方法，包括以下步骤：

将表示所述负载的第一传递函数应用至第一电压以获得第二电压；

将所述第二电压应用至电路的第一端子以用于生成所述电流；

在所述负载的第一端子与第二端子之间采样第三电压；

将所述第三电压与所述第二电压比较；以及

根据所述比较的结果而确定待被供应至所述负载的所述电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传递函数通过以下步骤而被确定：

a)将所述负载的所述第二端子耦合到电阻器，所述电阻器被耦合到用于接地应用的端子；

b)初始化所述第一传递函数；

c)通过针对所述第一电压的多个值确定所述电流的所述值来构建表示所述负载的第二传递函数，针对所述电流的所述值，跨所述负载采样到的所述电压的所述值等于具有所述第一传递函数应用至其的所述第一电压的所述值；

d)使用所述第二函数的逆函数更新所述第一传递函数；

e)重复步骤c)和d)，直到条件被满足；

f)将所述负载的所述第二端子耦合到接地应用的所述端子。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一传递函数的所述初始化被执行，使得针对所述第一电压的任何值，所述第一传递函数的结果是所述控制电压的实际值。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一传递函数的所述初始化通过所述负载的特性的第一估计而被执行。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二传递函数的逆函数通过插值算法而被计算。

6.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二传递函数的逆函数通过计算多项式的系数而被计算。

7.根据权利要求2所述的方法，其中步骤c)包括以下步骤：

c1)针对所述第一电压的每个值，应用所述第一传递函数以获得所述第二电压；

c2)将所述第二电压应用至所述电路的所述第一输入端子以用于生成所述电流；

c3)在所述负载中应用所述电流，使得在所述负载的第一端子与第二端子之间的所述电压等于所述第二电压；

c4)跨所述电阻器采样第四电压；

c5)通过将所述第四电压除以所述电阻器的电阻值而计算流过所述负载和所述电阻器的所述电流。

8.根据权利要求2所述的方法，其中至少当所述第一传递函数与所述第二传递函数的复合运算的结果大约等于恒等时，所述条件被认为是满足的。

9.根据权利要求2所述的方法，其中步骤a)至f)被周期性重复。

10.根据权利要求2所述的方法，其中当操作条件改变时步骤a)至f)被重复。

11.根据权利要求1所述的方法，其中多个第一传递函数根据不同的操作条件而被确定。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述负载的所述第一端子被耦合到所述电流生成电路的输出端子，所述负载的所述第二端子被耦合到接地应用的端子。

13.一种电路，包括：

功率转换电路，具有第一输入、第二输入和输出；

负载，被耦合在所述输出与中间节点之间；

电阻器，被耦合在所述中间节点与接地参考之间；

开关电路，被耦合在所述中间节点与所述接地参考之间；

差分电路，被配置为感测跨所述负载的压降并且供应所述压降至所述第二输入；

传递函数电路，具有被配置为接收第一电压的输入以及被配置为生成用于应用到所述第一输入的第二电压的输出，所述传递函数电路将表示所述负载的第一传递函数应用至所述第一电压以获得所述第二电压；以及

控制电路，被配置为在训练操作模式期间退动所述开关电路以用于确定所述第一传递函数并且随后在普通操作模式期间致动所述开关电路以旁路所述电阻器。

14.根据权利要求13所述的电路，其中所述控制电路在所述训练操作模式中进一步被配置为：

通过针对所述第一电压的多个值确定流过所述负载的电流的值来构建表示所述负载的第二传递函数，针对流过所述负载的电流的值，所述压降的值等于具有所述第一传递函数应用至其的所述第一电压的所述值；以及

使用所述第二函数的逆函数更新所述第一传递函数。

15.根据权利要求14所述的电路，其中所述第二传递函数的逆函数通过插值算法而被计算。

16.根据权利要求14所述的电路，其中所述第二传递函数的逆函数通过计算多项式的系数而被计算。

17.根据权利要求14所述的电路，进一步包括从所述第一传递函数的初始化开始。

18.根据权利要求17所述的电路，其中所述第一传递函数的所述初始化作为所述负载的特性的第一估计而被获得。

19.根据权利要求14所述的电路，其中用来构建所述第二传递函数的所述操作包括：

1)针对所述第一电压的每个值，应用所述第一传递函数以获得所述第二电压；

2)将所述第二电压应用至所述第一输入；

3)在所述负载中应用所述电流，使得所述压降等于所述第二电压；

4)跨所述电阻器采样电压；以及

5)通过将跨所述电阻器的所述电压除以所述电阻器的电阻值而计算流过所述负载和所述电阻器的所述电流。