CN107636958B - 具有使用电压到电流转换器的平均电流测量电路的微控制器 - Google Patents

具有使用电压到电流转换器的平均电流测量电路的微控制器 Download PDF

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Abstract

在时间周期内测量的复杂波形的平均值可通过首先将所述复杂波形转换成电压、接着将此电压转换成电流且使用此电流来对电容器充电而确定。在所述测量时间周期结束时，所述电容器上的所述电压电荷(样本电压)可由与模/数转换器ADC相关联的取样与保持电路取样。接着，所述样本电容器上的所述电压电荷可经移除，例如，电容器板在准备所述复杂波形样本测量循环的下一平均值时由倾卸开关短接。接着，所述ADC将此经取样电压电荷转换成其数字表示且可确定所述复杂波形的实际平均值，例如，结合所述测量时间周期而从所述数字表示计算。

Description

具有使用电压到电流转换器的平均电流测量电路的微控制器
相关专利申请案
此申请案主张2015年5月20日申请的共同拥有的第62/164,316号美国临时专利申请案的优先权；所述美国专利申请案出于所有目的以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及微控制器，特定来说，涉及具有集成平均电流测量电路的微控制器。
背景技术
在SMPS(开关模式电力供应器)应用中，电力供应器设计者需要测量电力供应器中的平均电流。图1(a)及1(b)展示用于传统(经典)SMPS拓扑的典型电流波形。最简单设计使用峰值电流感测，其通常使用模拟比较器实施。在此情况下，平均电流简单地是峰值电流(Ipk)的一半(图1(a))。针对其中电流不达到零的应用中(图1(b))，需要两个测量来计算平均电流：Imin及Imax。这通常使用具有集成模/数转换器(ADC)的微控制器而实施。在许多较新SMPS拓扑中(其中许多晶体管在PWM循环期间切入及切出电路元件)，经感测电流波形可为非常不规则(图1(c))。计算在样本周期内的平均电流值是非常困难的，因为信号转变太快而使模/数转换器(ADC)不能跟随。图1(c)中所展示的电流波形是使用先进软切换技术以改进效率的电力供应器中的电流的表示。测量此电流波形的唯一有效方法是实施一种方法以“在曲线下积分”以获得每个样本周期的总平均电流。参考图2，信号波形样本已使用运算放大器完成以“在曲线下积分”但需要高电阻值电阻器R(其大小物理上是大的)，来自运算放大器的经积分输出经反相，且运算放大器需要负电力供应轨。
发明内容
因此，需要一种简单及有效方法来测量复杂电流波形的平均值。
根据实施例，一种微控制器可包括：外部连接，其经配置以接收电压；电压到电流转换器，其具有耦合到所述外部连接的输入且经调适以使所述电压转换成电流，其中所述电压到电流转换器的输出可耦合到样本电容器且来自其的所述电流在测量时间周期期间将所述样本电容器充电到样本电压；模/数转换器(ADC)，其经配置以在所述测量时间周期可能结束之后耦合到所述样本电容器，其中所述ADC取样且接着将所述样本电容器上的所述样本电压转换成其数字表示；及样本电压复位开关，其耦合到所述样本电容器，其中所述样本电压复位开关在所述ADC已取样其上的所述样本电压之后可使所述样本电容器复位到基本上零电压。
根据另一实施例，至少一个样本时间周期调整电容器可经配置以选择性地切换成与所述样本电容器并联。根据另一实施例，可编程增益放大器(PGA)可耦合于所述外部连接与所述电压到电流转换器的所述输入之间。根据另一实施例，电平移位器可耦合于所述PGA与所述电压到电流转换器之间。根据另一实施例，所述样本电容器还可用作所述ADC的取样与保持电容器。根据另一实施例，缓冲放大器可耦合于所述样本电容器与所述ADC之间。根据另一实施例，所述缓冲放大器可具有差分输出及差分输入，其中其所述差分输入可差分地耦合到所述样本电容器。根据另一实施例，所述电压到电流转换器可为运算跨导放大器(OTA)。根据另一实施例，所述OTA包括可差分地耦合到所述样本电容器的差分输出。根据另一实施例，可编程增益放大器(PGA)可具有差分输出及差分输入且可耦合于第一及第二外部连接与所述OTA的差分输入之间。根据另一实施例，平均电流测量控制器可耦合到样本电容器开关、至少一个样本周期调整电容器开关及样本电压复位开关。
根据另一实施例，一种开关模式电力供应器(SMPS)可包括：功率电感器，其具有耦合到电源的第一端；功率开关，其耦合到所述功率电感器的第二端；电流测量电阻器，其耦合到所述功率开关且与功率电感器串联，其中跨越所述电流测量电阻器的电压可与通过所述功率电感器的电流成比例；整流器，其耦合到所述功率电感器的所述第二端及所述功率开关；滤波器电容器，其耦合到所述整流器；微控制器可包括：连接，其经配置以接收来自所述电流测量电阻器的所述电压；电压到电流转换器，其具有耦合到所述连接的输入且经调适以使所述电压转换成电流，其中所述电压到电流转换器的输出可耦合到样本电容器且来自其的所述电流在测量周期期间将所述样本电容器充电到样本电压；模/数转换器(ADC)，其经配置以在所述测量周期可能结束之后耦合到所述样本电容器，其中所述ADC取样且接着将所述样本电容器上的所述样本电压转换成其数字表示；样本电压复位开关，其耦合到所述样本电容器，其中所述样本电压复位开关在所述ADC已取样其上的所述样本电压之后使所述样本电容器复位到基本上零电压；SMPS控制器，其耦合到所述ADC及所述功率开关，且当控制所述功率开关时使用所述样本电压的所述数字表示；及数字处理器及存储器。
根据另一实施例，一种用于确定复杂电压波形的平均值的方法可包括下列步骤：使外部电压耦合到电压到电流转换器；使用所述电压到电流转换器而使所述外部电压转换成电流；使所述电流耦合到样本电容器达测量时间周期，其中在所述测量时间周期期间所述电流将所述样本电容器充电到样本电压；在所述测量时间周期之后使用模/数转换器(ADC)取样所述样本电压；使用所述ADC而使所述经取样样本电压转换成其数字表示；在所述ADC已取样其的所述样本电压之后使所述样本电容器复位到基本上零电压；及从所述经取样样本电压的所述数字表示确定所述测量时间周期取得的所述外部电压的平均值。
根据另一实施例，所述方法可包括下列步骤：使至少一个样本时间周期调整电容器切换成与所述样本电容器并联用于增加可用测量时间周期。根据另一实施例，所述方法可包括下列步骤：控制耦合于所述外部电压与所述电压到电流转换器之间的可编程增益放大器(PGA)的增益。根据所述方法的进一步实施例，所述电压到电流转换器可为运算跨导放大器(OTA)。根据所述方法的进一步实施例，取样所述样本电压的所述步骤可使用与所述ADC相关联的取样与保持电路完成。
附图说明
通过结合附图参考下列描述可获得本发明的更完全理解，在附图中：
图1(a)到1(c)说明开关模式电力供应器(SMPS)中所见的电流波形的示意性图表；
图2说明经配置为积分器电路的运算放大器的示意图；
图3说明根据本发明的特定实例实施例的平均电流测量电路的示意性电路及框图；
图4说明根据本发明的另一特定实例实施例的平均电流测量电路的示意性电路及框图；
图5说明根据本发明的另一特定实例实施例的平均电流测量电路的示意性电路及框图；及
图6说明根据本发明的特定实例实施例的开关模式电力供应器(SMPS)的示意性电路及框图，所述SMPS包括具有平均电流测量电路的微控制器及SMPS控制器。
虽然本发明易于受多种修改及替代形式影响，但其特定实例实施例已在所述图式中展示且在本文中详细描述。然而，应理解，本文的特定实例实施例的描述并非希望将本发明限制在本文所揭示的特定形式。
具体实施方式
根据本发明的各种实施例，一种嵌入式系统可包括中央处理单元(CPU)、存储器及多个外围装置以形成单芯片系统或单芯片微控制器。根据各种实施例，基于电压到电流转换电路的电流积分器可提供于微控制器内。各种实施例使用电压到电流转换器以使有噪声及/或复杂波形输入信号转换成在一段时间周期内被积分(平均化)成样本电容器上的电压电荷的电流。在电容器板上的所述电荷Q的量值与所述电容器板之间的电势差V直接成比例。其中C是称为所述电容器的电容的比例常数。如果电压V及电容C已知，那么Q可经计算且用于在其经取得的时间周期内从电荷Q的值确定平均电流。接着，在所述测量时间周期结束时一次读取包括在样本电容器上的经积分电流的电压，接着可确定(例如计算)实际平均电流。在所述样本电容器上表示所述经积分电流样本的电压经测量之后，在所述样本电容器上的电压电荷在准备下一电流样本测量循环时中经倾卸到接地。
现参考图式，示意性地说明实例实施例的细节。在所述图式中的相同元件将由相同元件符号表示，且类似元件将由具有不同小写字体字母下标的相同元件符号表示。
参考图3，描绘根据本发明的特定实例实施例的平均电流测量电路的示意性电路及框图。平均电流测量电路(通常由元件符号300表示)可包括可编程增益放大器(PGA)302、电压电平移位器304、电压到电流转换器306、缓冲放大器308、多个开关310、312及316、样本电容器314及至少一个样本时间周期调整电容器318。待测量的信号(例如，来自SMPS的电流)可穿过PGA 302及电压电平移位器304。所述经放大及电压移位信号可接着被施加到电压到电流转换器306。当开关312闭合时，电压到电流转换器306的电流输出可耦合到样本电容器314。在测量时间周期内，所述变化输入电压(例如，图6中所展示的跨越电阻器614的电压)将样本电容器314在测量时间周期内充电到与经测量的所述平均电流成比例的电压。在所述测量时间周期结束时，样本电容器314上的所得电压可由模/数转换器(ADC)(例如，图6中所展示的ADC 608)读取(经由输出缓冲器308)，例如使用与所述ADC相关联的取样与保持电路。此电压表示发生于所述测量时间周期内的复杂电流波形的平均电流。
一旦ADC 608已将样本电容器314上的所述模拟电压转换成其数字表示，样本电容器314就可经由复位开关310而“复位到接地”，且接着所述电流测量过程重复。图3还展示至少一个额外样本时间周期调整电容器318，其可经由相应开关316而添加以取决于所述测量时间周期而缩放所得电压，例如添加更多电容允许更长充电时间用于给定电压电荷。此外，PGA 302还可添加缩放所述待测量的信号电压(例如，从流动通过图6中所展示的测量电阻器618的电流导出)的灵活性。
现有微控制器(例如(举例来说)由本申请案的受让人制造的dsPIC产品)已具有电流源，例如充电时间测量单元(CTMU)及电流偏置模块。这些电路可经设计以可重新配置以允许根据本文中所揭示的各种特定实例实施例实施平均电流测量。因此，额外电流源的电路额外开销是最小的。根据一些实施例，样本电容器314可与所述ADC取样与保持电容器(未展示)共享。用于复位样本电容器314及ADC转换起始的时序可能已经存在于dsPIC装置中。开关310、312及316可为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。
参考图4，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的平均电流测量电路的示意性电路及框图。平均电流测量电路(通常由元件符号400表示)可包括可编程增益放大器(PGA)402、用作电压到电流转换器的运算跨导放大器(OTA)406、缓冲放大器408、多个开关410、412及416、样本电容器414、至少一个样本周期调整电容器418、多个电阻器424至430及平均电流测量控制器及配置寄存器422。待测量的输入电压信号(例如，来自SMPS的电流)可穿过PGA 402及OTA 406，其中所述输入电压信号可经转换成电流且当开关412闭合时可耦合到样本电容器414。在测量时间周期内，所述变化输入电压(例如，图6中所展示的跨越电阻器614的电压)将样本电容器414在测量时间周期内充电到与经测量的所述平均电流成比例的电压。在所述测量周期结束时，样本电容器414上的所得电压可由模/数转换器(ADC)(例如，图6中所展示的ADC 608)读取(经由输出缓冲器408)。此电压表示发生于所述测量时间周期内的复杂电流波形的平均电流。
一旦ADC 608已将样本电容器414上的所述模拟电压转换成其数字表示，样本电容器414就可经由复位开关410而“复位到接地”，且接着所述电流测量过程重复。图4还展示至少一个额外样本时间周期调整电容器418，其可经由相应至少一个开关416而添加以取决于所述测量时间周期而缩放所得电压，例如添加更多电容允许更长充电时间用于给定电压电荷。此外，PGA 402还可添加缩放所述待测量的信号电压(例如，从流动通过图6中所展示的测量电阻器618的电流导出)的灵活性。根据一些实施例，样本电容器414可与所述ADC取样与保持电容器(未展示)共享。开关410、412及416可为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。
参考图5，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的平均电流测量电路的示意性电路及框图。平均电流测量电路(通常由元件符号500表示)可包括可编程增益放大器(PGA)502、用作电压到电流转换器的运算跨导放大器(OTA)506、缓冲放大器408、多个开关410、412及416、样本电容器414、至少一个样本时间周期调整电容器418、多个电阻器424至430及具有配置寄存器522的平均电流测量控制器。图5中所展示的电路以与图4中所展示的电路(如上文更加全面描述)基本上相同的方式运作，但从缓冲器408的电压输入到差分输出完全不同。
参考图6，描绘根据本发明的特定实例实施例的开关模式电力供应器(SMPS)的示意性电路及框图，所述SMPS包括具有平均电流测量电路及SMPS控制器的微控制器。所述SMPS(通常由元件符号600表示)可包括功率电感器610、功率开关612、功率整流器614、滤波器电容器616、电流测量电阻器618及经配置以从DC电源给负载620供电的微控制器602。除其它功能外，微控制器602可进一步包括数字处理器及存储器604、SMPS控制器606、ADC 608及图3、4或5中所展示的平均电流测量电路。
SMPS控制器606(结合数字处理器及存储器604中的SMPS程序)可包括用于SMPS600的有效操作的复杂及高级的SMPS控制功能。数字处理器及存储器604还可通过对平均电流测量控制器的配置寄存器422、522及PGA 402的增益进行编程来配置并控制图3、4或5的平均电流测量电路。根据本发明的教示，测量有噪声及/或复杂电流波形的平均电流的非常简单方法可在无处理器额外开销的情况下完成且具有最小额外电路成本。

Claims (15)

1.一种微控制器，其包括：
外部连接，其经配置以接收电压；
电压到电流转换器，其具有耦合到所述外部连接的输入且经调适以使所述电压转换成电流，其中所述电压到电流转换器的输出耦合到样本电容器的第一端子，所述样本电容器的第二端子与参考电位耦合，且来自其的所述电流在测量时间周期期间将所述样本电容器充电到样本电压；
至少一个样本时间周期调整电容器，其经配置以选择性地切换成与所述样本电容器并联；
模/数转换器，其经配置以在所述测量时间周期结束之后耦合到所述样本电容器的所述第一端子，其中所述模/数转换器将所述样本电容器上的所述样本电压转换成其数字表示；及
样本电压复位开关，其耦合到所述样本电容器，其中所述样本电压复位开关在所述模/数转换器已取样其上的所述样本电压之后使所述样本电容器复位到基本上零电压。
2.根据权利要求1所述的微控制器，其进一步包括耦合于所述外部连接与所述电压到电流转换器的所述输入之间的可编程增益放大器。
3.根据权利要求2所述的微控制器，其进一步包括耦合于所述可编程增益放大器与所述电压到电流转换器之间的电平移位器。
4.根据权利要求1所述的微控制器，其中所述样本电容器也用作所述模/数转换器的取样与保持电容器。
5.根据权利要求1所述的微控制器，其进一步包括耦合于所述样本电容器与所述模/数转换器之间的缓冲放大器。
6.根据权利要求5所述的微控制器，其中所述缓冲放大器具有差分输出及差分输入，其中其所述差分输入差分地耦合到所述样本电容器。
7.根据权利要求1所述的微控制器，其中所述电压到电流转换器是运算跨导放大器。
8.根据权利要求7所述的微控制器，其中所述运算跨导放大器包括差分地耦合到所述样本电容器的差分输出。
9.根据权利要求7所述的微控制器，其进一步包括具有差分输出及差分输入的可编程增益放大器，其中所述可编程增益放大器耦合于第一及第二外部连接与所述运算跨导放大器的差分输入之间。
10.根据权利要求1所述的微控制器，其进一步包括耦合到样本电容器开关、至少一个样本周期调整电容器开关及所述样本电压复位开关的平均电流测量控制器。
11.一种开关模式电力供应器，其包括：
功率电感器，其具有耦合到电源的第一端；
功率开关，其耦合到所述功率电感器的第二端；
电流测量电阻器，其耦合到所述功率开关且与所述功率电感器串联，其中跨越所述电流测量电阻器的电压与通过所述功率电感器的电流成比例；
整流器，其耦合到所述功率电感器的所述第二端及所述功率开关；
滤波器电容器，其耦合到所述整流器；以及
根据前述权利要求1-10中任一权利要求所述的微控制器，其中所述电流测量电阻器处的电压被馈送到所述外部连接；
其中所述微控制器进一步包括：
开关模式电力供应控制器，其耦合到所述模/数转换器及所述功率开关，且当控制所述功率开关时使用所述样本电压的所述数字表示；及
数字处理器及存储器。
12.一种用于确定复杂电压波形的平均值的方法，所述方法包括下列步骤：
使外部电压耦合到电压到电流转换器；
使用所述电压到电流转换器而使所述外部电压转换成电流；
在测量时间周期内使所述电流耦合到样本电容器的第一端子，所述样本电容器的第二端子与参考电位耦合，其中在所述测量时间周期期间所述电流将所述样本电容器充电到样本电压，其中使所述电流耦合到样本电容器的步骤包括：使至少一个样本时间周期调整电容器切换成与所述样本电容器并联用于增加可用测量时间周期；
在所述测量时间周期之后使用模/数转换器取样所述样本电压；
使用所述模/数转换器而使跨越所述样本电容器的所述样本电压转换成其数字表示；
在所述模/数转换器已取样其的所述样本电压之后使所述样本电容器复位到基本上零电压；及
从所述经取样样本电压的所述数字表示确定所述测量时间周期取得的所述外部电压的平均值。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括控制耦合于所述外部电压与所述电压到电流转换器之间的可编程增益放大器的增益的步骤。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述电压到电流转换器是运算跨导放大器。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中取样所述样本电压的步骤是使用与所述模/数转换器相关联的取样与保持电路完成。
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