CN108712059B - 开关模式电源的电流传感器件、斜率传感器件及传感方法 - Google Patents

开关模式电源的电流传感器件、斜率传感器件及传感方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108712059B
CN108712059B CN201810239983.2A CN201810239983A CN108712059B CN 108712059 B CN108712059 B CN 108712059B CN 201810239983 A CN201810239983 A CN 201810239983A CN 108712059 B CN108712059 B CN 108712059B
Authority
CN
China
Prior art keywords
slope
current
signal
constant
information
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810239983.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108712059A (zh
Inventor
李承柱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alpha and Omega Semiconductor Cayman Ltd
Original Assignee
Alpha and Omega Semiconductor Cayman Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alpha and Omega Semiconductor Cayman Ltd filed Critical Alpha and Omega Semiconductor Cayman Ltd
Publication of CN108712059A publication Critical patent/CN108712059A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108712059B publication Critical patent/CN108712059B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1588—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load comprising at least one synchronous rectifier element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/003—Measuring mean values of current or voltage during a given time interval
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
    • G01R19/16538—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • G01R19/16552—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies in I.C. power supplies
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

本发明提出一种SMPS系统，包括一个SMPS和一个电感电流传感器件。该SMPS包括一个HS开关和一个串联在一起的LS开关，以及一个输出滤波器，输出滤波器包括一个电感器和一个电容器，耦合到由HS和LS开关形成的开关节点上。电感电流由电感器提供给负载。电感电流传感器件耦合到LS开关上，具有一个第一输入端，接收表示开关节点处电压电平的节点信号，一个第二输入端，接收系统的输入电压，一个第三输入端，接收系统的输出电压。配置电感电流传感器件，以根据第一、第二和第三输入端，获得第一、第二恒定直流斜率信息以及谷值电流信息，并根据该些信息产生输出信号。输出信号具有三角波形，包括一个上升斜率和一个下降斜率，正比于电感电流的上升和下降斜率。

Description

开关模式电源的电流传感器件、斜率传感器件及传感方法
技术领域
本发明涉及集成电路，更确切地说是用于开关模式电源(Switch Mode PowerSupply，SMPS)中的电流传感器件。
背景技术
微处理器和存储器件等集成电路包括多个金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)，提供基本的开关功能，用于配置逻辑门、数据存储、电源开关及其他器件。在一种应用中，MOSFET因其功率有效性和热有效性，已经被广泛应用于开关模式电源(SMPS)。除了MOSFET开关之外，SMPS还包括电感器或电容器等节能器件。
电源在任何电子器件中都是一个关键器件，其性能可以影响电源效率、生产的安全性以及产品的性能。因此，对电源来说，必须包括一个电源监控系统，监控和/或调制其输出。电源调制通常包括输出电压或电流反馈。由于许多SMPS系统(即SMPS包括电源监控或调制功能)使用电流模块调制，因此这种系统的关键之处在于获得实际的电流信息。
目前的计算应用要求SMPS系统在较高的频率下运行，以增大带宽。这些应用还要求SMPS系统具有较小的制备因子和很低的成本。SMPS系统制造商已经通过使用小电感器和电容器，响应了这些需求。另外，有一种降低SMPS系统工作电压的趋势(例如降压直流-直流转换器)，以获得较高的速度操作和更好的节能。这样一来，输入电压和输出电压之间的电压比(VIN/VOUT)增大，节能周期(即导通时间周期D)会变得更短。这种系统中由于高开关频率、短导通时间周期以及开关接通和断开时产生的噪声，使得要在这种系统中真实地传感电流信息是一个挑战。
正是在这样的背景下，提出了本发明的实施例。
发明内容
本发明的目的在于提出通过传感低端开关的全时电感电流监控方法，以改善现有技术中的一个或多个问题。
本发明的一个方面在于提出一种开关模式电源系统，包括：一个开关模式电源，包括一个高端开关和一个低端开关，串联耦合在一起；一个输出滤波器，包括一个电感器和一个电容器，耦合到高端和低端开关串联的开关节点上，其中电感电流由电感器提供给负载；以及一个电感电流传感器件，耦合在低端开关上；电感电流传感器件具有一个第一输入端，用于接收节点信号，表示开关节点处的电压电平；一个第二输入端，用于接收系统的输入电压VIN；以及一个第三输入端，用于接收系统的输出电压VOUT；其中电感电流传感器件用于根据第一输入端、第二输入端和第三输入端，接收第一恒定直流斜率信息、第二恒定直流斜率信息以及谷值电流信息，并根据第一恒定直流斜率信息、第二恒定直流斜率信息以及谷值电流信息，产生输出信号，其中输出信号具有一个三角波形，包括一个上升斜率和一个下降斜率，正比于电感电流的上升和下降斜率。
其中，电感电流传感器件包括：一个电流传感电路，根据节点信息，产生感应电流，其中感应电流包括第一电流斜率和最小的电流值；一个斜率感应电路，耦合到电流传感电路上；斜率传感电路具有一个第一输入端，用于接收来自电流传感电路的感应电流，其中斜率传感电路用于将感应电流中的第一电流斜率转换成第一恒定直流斜率信息；一个运算电路，耦合到斜率传感电路上；运算电路具有一个第一输入端，用于接收来自斜率传感电路的第一恒定直流斜率信息；一个第二输入端，用于接收输入电压VIN；以及一个第三输入端，用于接收输出电压VOUT；其中运算电路用于根据第一、第二和第三输入端，产生第二恒定直流斜率信息；以及一个电流斜率合成电路，耦合到运算电路和效率传感电路上；电流斜率合成电路具有一个第一输入端，用于接收第一恒定直流斜率信息；一个第二输入端，用于接收第二恒定直流斜率信息；以及一个第三输入端，用于接收控制信号；其中配置电流斜率合成电路，将第一和第二恒定直流斜率信息集成起来，根据控制信号，产生合成信号，其中合成信号具有三角波形，包括当控制信号处于第一态时的上升斜率以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时的下降斜率，其中合成信号的上升和下降斜率分别正比于电感电流的上升和下降斜率。
其中，电感电流传感器件还包括一个谷值电流传感电路，耦合到电流传感电路上，谷值电流传感电路具有一个第一输入端，用于接收来自电流传感电路的感应电流，其中谷值电流传感电路用于将感应电流中最小的电流值转换成谷值电流信息。
其中，每个斜率传感电路和谷值电流传感电路都具有一个采样和保持电路。
其中，电感电流传感器件还包括一个求和电路，耦合到电流斜率合成电路和谷值电流传感电路上，其中配置求和电路，通过结合合成信号和谷值电流信息，产生结合信号。
其中，电感电流传感器件还包括一个缓冲驱动器，耦合到求和电路上，其中配置缓冲驱动器，驱动来自求和电路的结合信号，产生输出信号。
其中，配置运算电路，通过将第一恒定直流斜率信息乘以((VIN-VOUT)/VOUT)，产生第二恒定直流斜率信息。
本发明的另一个方面在于提出一种电感电流传感器件，用于检测开关模式电源中的电感电流，其中开关模式电源具有一个高端开关和一个串联在一起的低端开关，以及一个输出滤波器，输出滤波器包括一个电感器和一个电容器，通过高端和低端开关耦合到开关节点上，其中电感电流由电感器提供给负载；电感电流传感器件包括：一个电流传感电路，耦合到低端开关上；配置电流传感电路，传感低端开关上的电流，并产生感应电流，其中感应电流包括第一电流斜率和最小的电流值；一个斜率传感电路，耦合到电流感应电路上；斜率传感电路具有第一输入端，用于接收来自电流传感电路的感应电流，其中配置斜率传感电路，用于将感应电流中的第一电流斜率转换成第一恒定直流斜率信息；一个运算电路，耦合到斜率传感电路上；运算电路具有一个第一输入端，用于接收来自斜率传感电路的第一恒定直流斜率信息；一个第二输入端，用于接收SMPS的输入电压VIN；一个第三输入端，用于接收SMPS的输出电压VOUT；其中配置运算电路，根据第一、第二和第三输入端，产生第二恒定直流斜率信息；以及一个电流斜率合成电路，耦合到运算电路和斜率传感电路上；电流斜率合成电路具有一个第一输入端，用于接收第一恒定直流斜率信息；一个第二输入端，用于接收第二恒定直流斜率信息，一个第三输入端，用于接收控制信号，其中配置电流斜率缓冲电路，通过根据控制信号，集成第一和第二恒定直流斜率信息，其中合成信号具有三角波形，包括当控制信号处于第一态时的上升斜率以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时的下降斜率，其中合成信号的上升和下降斜率分别正比于电感电流的上升和下降斜率。
其中，电感电流传感器件还包括一个谷值电流传感电路，耦合到电流沟槽的路上；谷值传感电路具有一个第一输入端，用于接收来自电流感应电路的传感电流，其中配置谷值电流传感电路，将感应电流中最小的电流值转换成谷值电流信息。
其中，每个斜率传感电路和谷值电流传感电路都具有一个采样和保持电路。
其中，电感电流传感器件还包括一个求和电路，耦合到电流斜率合成电路和谷值电流传感电路上，其中配置求和电路，通过结合合成信号和谷值电流信息，产生结合信号。
其中，电感电流传感器件还包括一个缓冲驱动器，耦合到求和电路上，其中配置缓冲驱动器，驱动来自求和电路的结合信号，产生输出信号，其中输出信号具有三角波形，包括一个上升斜率和一个下降斜率，正比于电感电流的上升和下降斜率。
其中，配置运算电路，用于通过将第一恒定直流斜率信息乘以((VIN-VOUT)/VOUT)，产生第二恒定直流斜率信息。
本发明的另一个方面在于提出一种用于传感开关模式电源中电感电流的方法，其中开关模式电源具有一个高端开关和一个串联在一起的低端开关；以及一个输出滤波器，输出滤波器包括一个电感器和一个电容器，耦合到高端和低端开关形成的开关节点上，其中电感电流由电感器提供给负载；该方法包括：通过传感低端开关上的电流，产生感应电流，其中感应电流包括第一电流斜率和最小的电流值；将感应电流中的第一电流斜率转换成第一恒定直流斜率信息；根据第一恒定直流斜率信息、开关模式电源的输入电压VIN和开关模式电源的输出电压VOUT，产生第二恒定直流斜率信息；并且通过依据控制信号，集成第一和第二恒定直流斜率信息，产生合成信号，其中合成信号具有三角波形，包括当控制信号处于第一态时的上升斜率以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时的下降斜率，其中合成信号的上升和下降斜率分别正比于电感电流的上升和下降斜率。
其中，还包括将感应电流中的最小电流值转换成谷值电流信息。
其中，将感应电流中的最小电流值转换成谷值电流信息，包括根据触发信号的采样和保持最小的电流值。
其中，将感应电流中的第一电流斜率转换成第一恒定直流斜率信息，包括根据触发信号，采样和保持第一电流斜率。
其中，还包括通过结合合成信号和谷值电流信息，产生结合信号。
其中，产生第二恒定直流斜率信息，包括将第一恒定直流斜率信息乘以((VIN-VOUT)/VOUT)。
本发明的另一个方面在于提出一种斜率传感器件，用于传感输入信号的斜率，并提供正比于输入信号的输出信号，该斜率传感器件包括：一个微分器，具有一个输入端，用于接收具有三角波形的输入信号，带有至少一个斜率；其中配置微分器，利用第一电容器，通过微分输入信号，产生微分信号；一个采样和保持电路，具有第一输入端，用于接收微分信号；以及第二输入端，用于接收触发信号；其中配置采样和保持电路，当触发信号接通时，通过采样和保持微分信号，将微分信号转换成恒定直流斜率信息；以及一个积分器，具有一个输入端，用于接收恒定直流斜率信息；其中积分器用于接收输出信号，使用第二电容器，输出信号的波形正比于输入信号的波形。
其中，微分器包括一个跨导放大器。
其中，配置积分器，根据恒定直流斜率信息，通过第二电容器的充电和放电，产生输出信号。
在本发明的一个优选实施例中，斜率传感器件还包括一个运算电路，耦合到采样和保持电路上，配置运算电路，根据恒定直流斜率信息，产生第二恒定直流斜率信息。
其中，积分器具有第二输入端，用于接收第二恒定直流斜率，其中配置积分器，通过使用第二电容器，产生输出信号，以集成恒定直流斜率信息和第二恒定直流斜率信息。
其中，积分器包括两个由控制信号控制的开关，其中当控制信号处于第一态时，第一个开关接通，第二个开关断开；当控制信号处于与第一态相反的第二态时，第一个开关断开，第二个开关接通；其中当控制信号处于第一态时，根据恒定直流斜率信息，第二个电容器放电；当控制信号处于第二态时，根据第二个恒定直流斜率信息，第二个电容器充电。
在本发明的另一个优选实施例中，斜率传感器件还包括第二个微分器，利用第一个电容器，产生第二个微分信号；以及第二个采样和保持电路，将第二个微分信号转换成第二个恒定直流斜率信息。
其中，积分器具有第二个输入端，用于接收第二个恒定直流斜率；其中配置积分器，利用第二个电容器，产生输出信号，以集成恒定直流斜率信息和第二个恒定直流斜率信息。
其中，积分器包括两个由控制信号控制的开关，其中当控制信号处于第一态时，第一个开关接通，第二个开关断开；当控制信号处于与第一态相反的第二态时，第一个开关断开，第二个开关接通；其中当控制信号处于第一态时，根据恒定直流斜率信息，第二个电容器放电；当控制信号处于第二态时，根据第二个恒定直流斜率信息，第二个电容器充电。
本发明的另一个方面在于提出一种方法，用于传感输入信号斜率，并提供正比于输入信号的输出信号，该方法包括：微分具有三角波形的输入信号，带有至少一个斜率，通过利用第一个电容器，产生微分信号；当触发信号接通时，利用采样和保持微分信号，将微分信号转换成恒定直流斜率信息；利用第二个电容器，产生输出信号，集成恒定直流斜率信息，其中输出信号的波形正比于输入信号的波形。
其中，产生输出信号，包括根据恒定直流斜率，对第二个电容器充电和放电。
其中，还包括根据恒定直流斜率信息，产生第二恒定直流斜率信息。
其中，利用第二个电容器，产生输出信号，包括当控制信号处于第一态时，根据恒定直流斜率信息，对第二个电容器放电；以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时，根据第二恒定直流斜率信息，对第二个电容器充电。
其中，还包括利用第一个电容器，产生第二微分信号，并将第二微分信号，转换成第二恒定直流斜率信息。
其中，利用第二个电容器，产生输出信号，包括当控制信号处于第一态时，根据恒定直流斜率信息，对第二个电容器放电；以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时，根据第二恒定直流斜率信息，对第二个电容器充电。
阅读以下详细说明的实施例并参照各种附图，本发明的这些特点和优势对于本领域的技术人员来说，无疑将显而易见。
附图说明
图1(a)表示带有电感电流传感器件的传统的SMPS的结构示意图；
图1(b)表示图1(a)所示的SMPS中的信号波形图；
图2表示依据本发明的各个方面，带有电感电流传感器件的SMPS系统的结构示意图；
图3表示依据本发明的各个方面，电感电流传感器件的结构示意图；
图4表示图3所示的电感电流传感器件的信号波形图；
图5(a)表示一种传统的SMPS的结构示意图；
图5(b)表示带有图5(c)所示的传统的电感电流斜率传感器件的图5(a)所示的SMPS中的信号波形图；
图5(c)表示一种传统的电感电流斜率传感器件的结构示意图；
图6(a)表示依据本发明的各个方面，电感电流斜率传感器件的结构示意图；
图6(b)表示图6(a)所示的电感电流斜率传感器件的信号波形图；
图7(a)表示依据本发明的各个方面，SMPS系统中所用的电感电流斜率传感器件的示意图；
图7(b)表示图7(a)所示的电感电流斜率传感器件中的信号波形图；
图8表示依据本发明的各个方面，SMPS系统中所用的电感电流斜率传感器件的结构示意图；
图9(a)和9(b)表示图6(a)所示的电感电流斜率传感器件中配置的微分器的结构示意图。
具体实施方式
在以下说明中，使用或参考与信号有关的变量，例如VIN、VOUT、iL。要注意的是，大信号是一个直流信号(或者是在一个时间点上的交流信号)，比小信号大一个或多个数量级，用于分析含有非线性零件的电路，计算这些零件的工作点(偏压)。大信号直流量用带有大写下标的大写字母表示。小信号量用带有小写下标的小写字母表示。一个小信号的示例是一个交流信号，叠加在一个含有大信号的电路上。含有小信号和大信号量的总量用带有大写下标的小写字母表示。
引言
如上所述，由于系统需要电源调制的电流信息，因此实际的电流监控在电流模式运行系统中至关重要。在SMPS中已经提出了多种设计方案用于电感电流传感/监控，以监控其电流信息。
图1(a)表示带有电流传感器件的传统的SMPS。SMPS系统100是一个降压直流-直流转换器，包括电源开关元件M1-D1、M2-D2，串联在输入电压源上。电源开关元件M1-D1耦合到电压源VIN上，电源开关元件M2-D2接地GND。电源开关元件M1-D1也称为高端(High-Side，HS)开关，电源开关元件M2-D2也称为低端(Low-Side，LS)开关。输出滤波器包括一个电感器L1和一个电容器C1，连接到节点105(即相位节点或开关节点)，节点105由一对HS和LS开关制成，用于提供输出电压VOUT到负载。电感器L1具有一个寄生直流电阻RDC。通过HS和LS开关，输出电感器L1交替开关，一端连接到输入电压VIN和地电平GND。因此，通过控制器(图中没有表示出)，控制HS和LS开关的接通和断开动作，可以产生低于输入电压电平VIN的输出电压VOUT。控制器以开关频率fsw，接通和断开HS和LS开关。输出电压VOUT在电容器C1上缓冲。负载(图中没有表示出)可以耦合到输出节点107上，电流iL可以通过电感器L1提供给负载。对于电流模式操作系统来说，必须为电源调制获得或传感电感电流iL。
关于电感电流传感，系统100具有一个低通RC传感器件。低通RC传感器件由一个电阻器Rs与电容器Cs串联。RC传感器件与电感器L1并联，电感器L1具有寄生直流电阻RDC。RC传感器件滤波电感器L1上的电压，通过电感器L1的寄生直流电阻RDC传感电流。一般来说，电容器Cs上的感应电压VCS表示为传感输出电压。如图1(b)所示，感应电压VCS的波形遵从电感电流iL的波形。因此，电感器传感的电流iL可以通过获得感应电压VCS来实现。
通常为了使直流-直流转换器具有良好的性能，电感器L1的时间常数(L1/RDC)应远远大于开关时间(1/fsw)。另外，低通RC传感器件的时间常数(Rs/Cs)必须与电感器L1的时间常数一样，用于真实传感，如下式(1)所示：
Figure GDA0002373211500000081
然而，上述RC传感方法也有一些不足。首先，由于电感器L1的寄生电阻RDC，系统会有很差的精确性或功率损耗。依据方程式(1)，寄生电阻RDC应很小，以便在高频下工作。较小的寄生电阻RDC还有助于降低功率损耗，有利于能量效率。然而，当寄生电阻RDC很小时，其电压波纹也很小，变得很难识别下降信息。也就是说，电容器Cs上感应的电压VCS太小了，很难识别。这个问题在电流极小的轻负载情况下会更严重。虽然，大寄生电阻RDC有助于识别下降信息和精确地传感电流斜率，但是会引起很大的功率损耗。
另外，传统的RC传感方法中所用的元件对温度很敏感。替换这些元件会降低成本，并且在轻负载情况下仍然无法保证精确性。此外，寄生电阻RDC的值有分配。因此，不可能测量寄生电阻RDC，也就没有办法补偿它。基于寄生电阻RDC获得的电感电流信息，不可能是精确的。
电感电流传感器件/方法
本发明的各个方面为SMPS系统提供了一种电感电流传感器件和/或方法，仅通过LS开关的传感信息，获得电感电流。依据本发明的各个方面，电感电流传感信息分为上升和下降电流斜率信息和平均电流信息。此处的“平均电流”是指电感电流的直流值。图1(b)表示电感电流波形，由直流(平均)部分和交流(三角形)组成，交流部分的特征在于最大电流iL_峰值(iL_peak)和最小电流iL_谷值(iL_valley)。在这种情况下，平均电流为iL(平均)＝iL_谷值+△iL/2，其中△iL＝iL_峰值-iL_谷值。信息的传感和处理分开进行，合并成一个输出信号，报告给控制器，用于调制。依据本发明的各个方面，根据应用，传感方法可以由控制器IC、驱动器IC或独立器件配置。
依据本发明的各个方面，SMPS系统包括一个SMPS和一个电感电流传感器件。SMPS包括一个HS开关和一个串联的LS开关，一个含有电感器和耦合到开关节点上的电容器的输出滤波器，开关节点由HS和LS开关构成。电感电流由电感器提供给负载。LS开关上的电感电流传感器件具有配置的第一输入端，以接收节点信号，表示开关节点处的电压电平，配置的第二输入端，以接收系统的输入电压，以及配置的第三输入端，以接收系统的输出电压。配置电感电流传感器件，以根据第一输入端、第二和第三输入端，获得第一恒定直流斜率信息、第二恒定直流斜率信息和谷值电流信息，根据第一恒定直流斜率信息、第二恒定电流信息和谷值电流信息，产生输出信号。输出信号具有一个三角波形，包括一个上升斜率和一个下降斜率，与电感电流的上升和下降斜率成正比。
图2表示依据本发明的各个方面，带有电感电流传感器件的SMPS系统的结构示意图。在本实施例中，SMPS系统200包括一个降压直流-直流转换器，以及一个电感电流传感器件300耦合到转换器上。在其他实施例中，SMPS系统200中的电源可以是一个升压直流-直流转换器、或一个降压和升压直流-直流转换器、或任意其他的SMPS。与图1(a)类似，图2所示的SMPS系统中的直流-直流转换器包括电源开关元件M1-D1、M2-D2，串联在输入电压源上。电源开关元件M1-D1耦合到电压源VIN，电源开关元件M2-D2接地GND。电源开关元件M1-D1也称为高端(HS)开关，电源开关元件M2-D2也称为低端(LS)开关。输出滤波器包括一个电感器L1和一个电容器C1，连接到接地105(即相位节点或开关节点)上，节点105由一对HS开关和LS开关组成，用于为负载提供输出电压VOUT。输出电压VOUT在电容器C1上缓冲。负载(图中没有表示出)可以耦合到输出节点107，电流iL可以由电感器L1提供给负载。
HS和LS开关由脉宽调制(PWM)信号控制，PWM信号由控制器(图中没有表示出)产生。在一个实施例中，HS开关由PWM信号控制，LS开关由PWM信号的互补模式，或者PWM信号的非(NOT)信号控制。因此，当PWM信号处于第一逻辑态(例如高逻辑信号)，PWM信号的非信号处于低逻辑信号时，HS开关接通(即MOSFET M1接通)，LS开关断开(即MOSFET M2断开)。此时，电流从输入节点开始，通过HS开关，流到电感器L1。流经电感器L1的电感电流iL等于流经HS开关的HS电流iHS。当PWM信号处于第二逻辑态(例如低逻辑信号)，PWM信号的非信号处于高逻辑信号时，HS开关断开(即MOSFET M1断开)，LS开关接通(即MOSFET M2接通)。如图2所示，电流从地流经LS开关，流到电感器L1。在这段时间内，电感电流iL等于流经LS开关(M2或D2)的LS电流iLS。由于HS开关的接通时间很短，因此传感HS电流信息虽然是可能的，但是非常困难。本发明的各个方面提出了仅仅通过传感LS开关的信息，就能传感电感电流的方法。因此，当HS开关接通和LS开关断开时，根据LS开关的传感信息，可以产生或仿真等于电感电流的HS电流信息。当HS开关断开并且LS开关接通时，电感电流就是LS开关的传感电流信息。
为了传感LS电流信息(即MOSFET M2的源极至漏极电流)，首先要获取MOSFET M2的漏极至源极电压VDS和导通电阻RDS_ON。MOSFET M2的漏极至源极电压VDS等于电感电流iL的下降电压。因此，漏源电压VDS包括电感器L1的电流信息。如图2所示，电感电流传感器件300耦合到LS开关的源极和漏极，接收漏源电压VDS，作为电感电流传感器件300的其中一个输入端。在一个实施例中，漏源电压VDS可以从电压VLX获得，这是因为电压VDS等于电压VLX和地电压GND之间的差。另外，输入和输出电压VIN和VOUT的信息也提供给电感电流传感器件300。在一个实施例中，输出电压VOUT的信息可以用滤波(或平均)电压VLX代替，这是由于滤波电压VLX与输出电压VOUT几乎一样。
图3表示电感电流传感器件300的结构示意图。电感电流传感器件300包括一个LS电流传感电路310、一个斜率传感电路320、一个谷值电流传感电路330、一个运算电路340、一个电流斜率合成电路350以及一个缓冲驱动器360。LS电流传感电路310接收来自LS开关的漏源电压VDS，并将其转换成感应电流信号Iss。感应电流信号Iss包括电流斜率的信息(例如来自△VDS/△t)以及最小电流值(例如来自漏源电压VDS的最小电压)。然后，来自LS电流传感电路310的感应电流信号Iss提供给斜率传感电路320和谷值电流传感电路330。
在斜率传感电路320中，感应电流信号Iss的电流斜率信息转换成恒定电流斜率信息。在一个实施例中，斜率传感电路320包括一个样品和保持电路(图中没有表示出)，以产生LS电流斜率(ILS_SLP)的恒定直流信息。谷值电流传感电路330将感应电流信号Iss中的最小电流值转换成谷值电路信息。在一个实施例中，谷值电路传感电路330包括一个样品和保持电路(图中没有表示出)，以产生LS谷值电流(IS_VALLEY)的恒定直流信息。
运算电路340接收来自斜率传感电路320、输入电压VIN和输出电压VOUT的LS电流斜率信息ILS_SLP，作为输入端。根据这些输入，配置运算电路340，根据HS电流斜率和LS是电流斜率之间的关系，计算HS电流斜率信息，如下式(2)所示：
Figure GDA0002373211500000121
对于运算电路340来说，方程式(2)可以转换成下列方程式(3)，以计算HS电流斜率信息：
Figure GDA0002373211500000122
其中△iL_FALL和△iL_RISE可以分别用LS电流斜率信息ILS_SLP、以及HS电流斜率信息IHS_SLP代替。因此，HS电流斜率信息IHS_SLP可以用LS电流斜率信息ILS_SLP乘以(VIN/VOUT)，然后减去LS电流斜率信息ILS_SLP。在一个实施例中，运算电路340包括电路(例如运算放大器)进行数值运算，将LS电流斜率信息ILS_SLP乘以(VIN/VOUT)，然后被LS电流斜率信息ILS_SLP减去。在另一个实施例中，配置运算电路340，进行数值运算，用LS电流斜率信息ILS_SLP乘以(VIN/VOUT)；而减法电路342与运算电路340分开，用于从运算电路340的输出减去LS电流斜率信息ILS_SLP。
一旦获得LS电流斜率信息ILS_SLP和HS电流斜率信息IHS_SLP之后，电流斜率合成电路350根据PWM信号集成信息，并产生一个合成信号iSLP。当PWM信号处于高态时，合成信号iSLP是一个含有上升斜率的三角波形，当PWM信号处于低态时，是一个下降斜率。上升斜率是基于HS电流斜率信息IHS_SLP，下降斜率是基于LS电流斜率信息ILS_SLP。合成信号iSLP的上升和下降斜率正比于电感电流iL的上升和下降斜率，如下式(4)所示：
Figure GDA0002373211500000123
其中(1/K1)是LS电流传感电路310的转换增益，(1/K2)是电流斜率合成电路350的转换增益。要注意的是，谷值电流信息IS_VALLEY也有相同的转换增益，如下式(5)所示：
Figure GDA0002373211500000131
加法电路352将来自电流斜率合成电路350的合成信号iSLP和来自谷值电流传感电路330的谷值电流信息IS_VALLEY结合起来，并产生一个组合信号。然后缓冲驱动器360驱动组合信号，输出信号IMON，如下式(6)所示。信号IMON可以输入到开关控制器，开关控制器控制HS和LS开关的接通和断开；
Figure GDA0002373211500000132
依据方程式(6)，信号IMON可以代表电感器L1的电感电流iL。在一个实施例中，缓冲驱动器360可以将信号IMON通过乘以电阻RMON转换成电压信号VMON。在本实施例中，根据下式，可以产生输出波形。
当(0<t<DT)时，
Figure GDA0002373211500000133
当(DT<t<T)时，
Figure GDA0002373211500000134
其中PWM＝H是指PWM信号处于高态(即0<t<DT)，PWM＝L是指PWM信号处于低态(即DT<t<T)，所用的谷值电流信息VS_VALLEY是谷值电流信息上一个(n-1)信息，所用的斜率信息△VMON是上一个(n-1)斜率信息。当前的(n)VMON信息用上一个(n-1)VS_VALLEY和上一个(n-1)△VMON计算。
图4表示图3所示的电感电流传感器件300中信号的信号波形。信号402是图2所示的直流-直流转换器中电感电流iL的波形。信号404是LX节点电压信号VLX。PWM信号406的上升和下降边缘过程中，信号404中大的压降，由死时间过程中的LS二极管D2正向操作引起，正向操作断开HS和LS开关。信号406是PWM信号，控制HS和LS开关。信号408是信号LXf，表示LS开关的导通时间。信号410是信号LXfd，表示传感时间，从信号LXf中减去前沿熄灭时间td_led。信号412和信号414是斜率传感电路320和谷值电流传感电路330中相应的样品和保持电路的触发信号(即图3所示的SH1和SH2)。信号416是信号Iss，当信号410是高时，来自LS电流传感电路310。当相应的触发信号412和414接通时，如图波形418中所示的下降斜率信息ILS-SLP和谷值电流信息IS_VALLEY分别采样和保持。样品和保持操作通常在PWM时间结束时尽可能晚地发生，以获得真实的信息。
根据下降斜率信息ILS_SLP和上述输入和输出电压VIN和VOUT以及运算电路340，计算如图信号420所示的上升斜率信息IHS-SLP。如图所示，信号418(即上升斜率信号ILS_SLP)和信号420(即上升斜率信息IHS-SLP)是恒定直流电流。信号418和420通过电流斜率合成电路350组合在一起，电流斜率合成电路350根据PWM信号406组合信息，并产生合成信号422(iSLP)。当PWM信号406处于高态时，合成信号422(iSLP)是一个含有上升斜率的三角波形，当PWM信号处于低态时，合成信号422(iSLP)含有下降斜率。上升斜率是基于HS电流斜率信息420(IHS_SLP)，下降斜率是基于LS电流斜率信息418(ILS_SLP)。在一个实施例中，三角波形ISLP可以通过已知的直流偏移IREF移动。信号424是含有信号422(iSLP)和谷值电流信息(IS_VALLEY)的最终波形IMON。由于，信号IMON可以表示电感器L1的电感电流iL，因此，由图1(b)可以看出，例如利用方程式(6)和iL＝iL_valley+△iL可以获得电感电流iL。
电流斜率传感方法/器件
电感电流传感器件，例如图3所示的传感器件300，通常需要传感电流斜率。关于斜率传感，直流-直流转换器(例如图5(a)所示的降压直流-直流转换器500)采用的传统方法，采用模拟到数字转换器(ADC)和数字到模拟转换器(DAC)。当LS开关M2接通时，如图5(b)所示的电压VLX是LX节点处的电压。要注意的是在二极管D1和D2工作时有两个死区时间，当HS开关M1和LS开关M2在跃迁时间时，防止交叉传导。除了二极管工作时间之外，电压VLX的斜率正比于电感电流斜率。因此，如图5(c)所示的传统的电流传感器件/方法510使用ADC 512、数字运算器520和DAC 530，根据电压VLX传感电流斜率。然而，在电流传感器件中使用ADC和DAC等元件相对来说很昂贵，并且在器件上会占据很大空间，因此会增加整体设计和成本。
依据本发明的各个方面，图6(a)和6(b)表示一种斜率传感器件，用于传感输入信号的斜率，并通过预定义的增益路由电容器，提供与输入信号成正比的输出信号。依据本发明的各个方面，斜率传感器件包括配置一个微分器，利用第一电容器微分输入信号，配置一个采样和保持电路，将微分信号转换成恒定直流斜率信息，并配置一个集成器，利用第二电容器，产生输出信号，输出信号的波形正比于输入信号波形。本发明的各个方面与图6(a)和6(b)一起可以配置在图3所示的电感电流传感器件300中，尤其是LS电流传感电路310、斜率传感电路320以及电流斜率合成电路350。
图6(a)表示电流斜率传感器件600的结构图，电流斜率传感电路600包括一个电容器610、一个微分器620、一个采样和保持电路630、一个集成器640和电容器650。图6(b)表示图6(a)所示的电流斜率传感器件600中信号的信号波形。
电流斜率传感器件600的输入电压信号Vin(t)为下降电压，如同下列方程式(8)所示：
vin(t)＝iLxRDS-ON (8)；
其中iL是目标电感电流，RDS-ON是相应开关的接通电阻。在图2所示的直流-直流转换器示例中，电流斜率传感器件600的输入电压可以是相位节点处的电压VLX，方程式(8)中的RDS-ON可以是LS开关(M2)的接通电阻。
输入信号Vin(t)首先被微分器620中的电容器610微分，然后乘以第一阶增益的K1。因此，根据下式(9)，线性电压斜率被转换成微分器620中的直流电流值(Is)；
Figure GDA0002373211500000151
图9(a)表示微分器620的一个示例，表示电容器610。图9(a)所示的微分器900a是一个下降电压斜率传感微分器，其中电流斜率传感器件600的输入电压(例如电压VLX)在其下降斜率上具有一个前边缘锯齿波形。图9(a)表示上升电压斜率传感微分器，其中斜率传感器件600的输入电压在其上升斜率上具有一个后边缘锯齿波形。
微分器620产生电流Is，如图6(b)所示。所产生的电流Is在跃迁时间内具有噪声。然后，配置采样和保持电路630，以获得稳定态斜率信息Is(n)，如图6(b)所示。在采样和保持电路630中，对信号Is采样和保持，作为稳定态斜率信息Is(n)的第n个信息。第n个斜率信息Is(n)由电容器650集成，并乘以集成器640中的第二阶增益1/K2。因此，依据下式，直流电流斜率信息Is(n)转换成电压信号；
Figure GDA0002373211500000161
利用方程式(9)和方程式(10)可以转换成下式：
Figure GDA0002373211500000162
其中，当C1＝C2时，△vout＝△vin/(K1×K2)。因此，利用预定义增益1/(K1×K2)，输出电压斜率正比于输入电压斜率。在一个实施例中，输出电压Vout(t)可以转换成电流信息，例如通过跨导放大器、电阻放大器或电阻器，并且通过特定的才看到有，被之前传感的谷值信息(即第(n-1)个谷值信息)水平位移。
图7(a)表示在SMPS系统中器件300等电感电流传感器件中配置的电流斜率传感器件700的一个示例，例如图2所示的系统200，用于传感SMPS(例如一个下降直流-直流转换器)中的电感电流。图7(b)表示电流斜率传感器件700中的信号波形。
输入电压VLX是下降直流-直流转换器的相位(或LX)节点处的电压。输入电压VLX被微分器微分，微分器包括一个电容器710和跨导放大器720，增益为1/K1。开关SW1由表示传感时间的信号Lxfd控制。传感时间等于LS开关的接通时间，减去前边缘空白时间。当信号Lxfd变为高时(即当电感电流下降的时间内)，开关SW1接通。当电压VLX伴着稳定斜率开始下降时，电容器710开始通过电流为放大器720充电。如图7(a)所示，放大器720调制其转换的输入电压，等于其未转换的输入电压，未转换的输入电压接地。电容器710的充电电流将达到稳态中恒定的直流电流电平。线性电压斜率转换成微分器720中的直流电流斜率值ISLP_F，如同下式所示：
Figure GDA0002373211500000171
然后，在采样和保持电路730中采样和保持电流斜率信息，在第n个时间内，转换成电流斜率信息ISLP_F(n)。它是一个恒定值，如图7(b)所示。电流斜率信息ISLP_F(n)用于上升斜率运算电路735，具有增益A2。在上升斜率运算电路735中，根据下述方程式(13)，按照下降电流斜率信息ISLP_F(n)计算上升电流斜率；
Figure GDA0002373211500000172
利用下降电流斜率ISLP_F(n)和上升电流斜率ISLP_R(n)的信息，由PWM信号控制的开关SW2和SW3可以帮助电容器750集成信息。在一个示例中，当PWM信号处于高时，开关SW2接通，开关SW3断开。在这个时间内，电容器750由上升电流斜率ISLP_R(n)充电。根据下式，获得电压VSEN_R(n)：
Figure GDA0002373211500000173
当PWM信号处于低时，开关SW2断开，开关SW3接通。在这个时间内，电容器750由下降电流斜率ISLP_F(n)放电。根据下式(15)，获得电压VSEN_F(n)：
Figure GDA0002373211500000174
随着谷值电压信息VSEN_VALLEY从电压VLX传感出来之后，根据方程式(16a)和(16b)获得最终的输出电压VSEN(n)。当PWM信号处于低态时：(如果(A2-1)＝1/K2)
Figure GDA0002373211500000175
当PWM信号处于高态时：
Figure GDA0002373211500000181
其中VSEN_VALLEY(n-1)是从电压VLX传感出来的第(n-1)个谷值电压信息，DT与HS开关的接通时间相同。利用预定义的增益(1/(K1×K2)，输出电压斜率正比于电感电流iL相应的斜率。因此，输出电压VSEN(n)(t)可以表示电感电流iL。
图8表示SMPS系统中配置的电流斜率传感器件800的另一个示例，例如图2所示的系统200，用于SMPS中(例如下降直流-直流转换器)传感电感电流。在图7中，电流斜率传感器件700根据传感的LS下降电流斜率，计算HS上升电流斜率，然后通过结合HS和LS电流斜率以及单独的谷值电流信息，获得电感电流信息。不像图7所示的器件700那样，配置电流斜率传感器件800，传感LS下降电流斜率信息以及HS上升电流斜率信息，将传感到的信息集成在一起，获得电感电流信息。由于用于传感LS下降电流斜率的部分器件800与图7所示的电流斜率器件700类似，关于传感LS下降电流斜率信息零部件的详细说明再次不再赘述，以免重复。
关于HS上升电流斜率，开关SW1a由信号LXrd控制，信号LXrd表示上升电流斜率的传感时间。传感时间等于HS开关的接通时间减去后边缘空白时间。当信号LXfd变为高(即电感电流上升时间内)时，开关SW1a接通。上升的输入电压VLX被微分器微分，微分器包括一个电容器710和跨导放大器720a，跨导放大器720a转换成直流电流斜率值ISLP_R。然后，在采样和保持电路730a中对电流斜率信息ISLP_R采样并保持，在第n个时间内，转换成电流斜率信息ISLP_R(n)。在本实施例中，由于配置传感器件传感HS斜率信息，因此，不需要LS斜率信息，上升斜率运算器就能获得HS斜率信息。利用下降电流斜率ISLP_F(n)的信息，上升电流斜率ISLP_R(n)和谷值电压信息VSEN_VALLEY从电压V＝传感，开关SW2和SW3由PWM信号控制，有助于使信息和电容器750集成在一起，产生输出电压VSEN(n)，如图7所示。
尽管本发明关于某些较佳的版本已经做了详细的叙述，但是仍可能存在各种不同的修正、变化和等效情况。因此，本发明的范围不应由上述说明决定，与之相反，本发明的范围应参照所附的权利要求书及其全部等效内容。任何可选件(无论首选与否)，都可与其他任何可选件(无论首选与否)组合。在权利要求中，除非特别声明，否则不定冠词“一个”或 “一种”都指下文内容中的一个或多个项目的数量。除非用“意思是”明确指出限定功能，否则所附的权利要求书并不应认为是意义-加-功能的局限。

Claims (35)

1.一种开关模式电源系统，其特征在于，包括：
一个开关模式电源，包括一个高端开关和一个低端开关，串联耦合在一起；一个输出滤波器，包括一个电感器和一个电容器，耦合到高端和低端开关串联的开关节点上，其中电感电流由电感器提供给负载；以及
一个电感电流传感器件，耦合在低端开关上；电感电流传感器件具有一个第一输入端，用于接收节点信号，表示开关节点处的电压电平；一个第二输入端，用于接收系统的输入电压VIN；以及一个第三输入端，用于接收系统的输出电压VOUT；其中电感电流传感器件用于根据第一输入端、第二输入端和第三输入端，接收第一恒定直流斜率信息、第二恒定直流斜率信息以及谷值电流信息，并根据第一恒定直流斜率信息、第二恒定直流斜率信息以及谷值电流信息，产生输出信号，其中输出信号具有一个三角波形，包括一个上升斜率和一个下降斜率，正比于电感电流的上升和下降斜率。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，电感电流传感器件包括：
一个电流传感电路，根据节点信息，产生感应电流，其中感应电流包括第一电流斜率和最小的电流值；
一个斜率传感电路，耦合到电流传感电路上；斜率传感电路具有一个第一输入端，用于接收来自电流传感电路的感应电流，其中斜率传感电路用于将感应电流中的第一电流斜率转换成第一恒定直流斜率信息；
一个运算电路，耦合到斜率传感电路上；运算电路具有一个第一输入端，用于接收来自斜率传感电路的第一恒定直流斜率信息；一个第二输入端，用于接收输入电压VIN；以及一个第三输入端，用于接收输出电压VOUT；其中运算电路用于根据第一、第二和第三输入端，产生第二恒定直流斜率信息；以及
一个电流斜率合成电路，耦合到运算电路和斜率传感电路上；电流斜率合成电路具有一个第一输入端，用于接收第一恒定直流斜率信息；一个第二输入端，用于接收第二恒定直流斜率信息；以及一个第三输入端，用于接收控制信号；其中配置电流斜率合成电路，将第一和第二恒定直流斜率信息集成起来，根据控制信号，产生合成信号，其中合成信号具有三角波形，包括当控制信号处于第一态时的上升斜率以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时的下降斜率，其中合成信号的上升和下降斜率分别正比于电感电流的上升和下降斜率。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括一个谷值电流传感电路，耦合到电流传感电路上，谷值电流传感电路具有一个第一输入端，用于接收来自电流传感电路的感应电流，其中谷值电流传感电路用于将感应电流中最小的电流值转换成谷值电流信息。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，每个斜率传感电路和谷值电流传感电路都具有一个采样和保持电路。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括一个求和电路，耦合到电流斜率合成电路和谷值电流传感电路上，其中配置求和电路，通过结合合成信号和谷值电流信息，产生结合信号。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括一个缓冲驱动器，耦合到求和电路上，其中配置缓冲驱动器，驱动来自求和电路的结合信号，产生输出信号。
7.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中配置运算电路，通过将第一恒定直流斜率信息乘以((VIN-VOUT)/VOUT)，产生第二恒定直流斜率信息。
8.一种电感电流传感器件，其特征在于，用于检测开关模式电源中的电感电流，其中开关模式电源具有一个高端开关和一个串联在一起的低端开关，以及一个输出滤波器，输出滤波器包括一个电感器和一个电容器，通过高端和低端开关耦合到开关节点上，其中电感电流由电感器提供给负载；电感电流传感器件包括：
一个电流传感电路，耦合到低端开关上；配置电流传感电路，传感低端开关上的电流，并产生感应电流，其中感应电流包括第一电流斜率和最小的电流值；
一个斜率传感电路，耦合到电流传感电路上；斜率传感电路具有第一输入端，用于接收来自电流传感电路的感应电流，其中配置斜率传感电路，用于将感应电流中的第一电流斜率转换成第一恒定直流斜率信息；
一个运算电路，耦合到斜率传感电路上；运算电路具有一个第一输入端，用于接收来自斜率传感电路的第一恒定直流斜率信息；一个第二输入端，用于接收开关模式电源的输入电压VIN；一个第三输入端，用于接收开关模式电源的输出电压VOUT；其中配置运算电路，根据第一、第二和第三输入端，产生第二恒定直流斜率信息；以及
一个电流斜率合成电路，耦合到运算电路和斜率传感电路上；电流斜率合成电路具有一个第一输入端，用于接收第一恒定直流斜率信息；一个第二输入端，用于接收第二恒定直流斜率信息，一个第三输入端，用于接收控制信号，其中配置电流斜率合成电路，通过根据控制信号，集成第一和第二恒定直流斜率信息，其中合成信号具有三角波形，包括当控制信号处于第一态时的上升斜率以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时的下降斜率，其中合成信号的上升和下降斜率分别正比于电感电流的上升和下降斜率。
9.如权利要求8所述的器件，其特征在于，还包括一个谷值电流传感电路，耦合到电流传感电路上；谷值电流传感电路具有一个第一输入端，用于接收来自电流传感电路的感应电流，其中配置谷值电流传感电路，将感应电流中最小的电流值转换成谷值电流信息。
10.如权利要求9所述的器件，其特征在于，每个斜率传感电路和谷值电流传感电路都具有一个采样和保持电路。
11.如权利要求9所述的器件，其特征在于，还包括一个求和电路，耦合到电流斜率合成电路和谷值电流传感电路上，其中配置求和电路，通过结合合成信号和谷值电流信息，产生结合信号。
12.如权利要求11所述的器件，其特征在于，还包括一个缓冲驱动器，耦合到求和电路上，其中配置缓冲驱动器，驱动来自求和电路的结合信号，产生输出信号，其中输出信号具有三角波形，包括一个上升斜率和一个下降斜率，正比于电感电流的上升和下降斜率。
13.如权利要求8所述的器件，其特征在于，配置运算电路，用于通过将第一恒定直流斜率信息乘以((VIN-VOUT)/VOUT)，产生第二恒定直流斜率信息。
14.一种用于传感开关模式电源中电感电流的方法，其特征在于，其中开关模式电源具有一个高端开关和一个串联在一起的低端开关；以及一个输出滤波器，输出滤波器包括一个电感器和一个电容器，耦合到高端和低端开关形成的开关节点上，其中电感电流由电感器提供给负载；该方法包括：
通过传感低端开关上的电流，产生感应电流，其中感应电流包括第一电流斜率和最小的电流值；
将感应电流中的第一电流斜率转换成第一恒定直流斜率信息；
根据第一恒定直流斜率信息、开关模式电源的输入电压VIN和开关模式电源的输出电压VOUT，产生第二恒定直流斜率信息；并且
通过依据控制信号，集成第一和第二恒定直流斜率信息，产生合成信号，其中合成信号具有三角波形，包括当控制信号处于第一态时的上升斜率以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时的下降斜率，其中合成信号的上升和下降斜率分别正比于电感电流的上升和下降斜率。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将感应电流中的最小电流值转换成谷值电流信息。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，将感应电流中的最小电流值转换成谷值电流信息，包括根据触发信号的采样和保持最小的电流值。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，将感应电流中的第一电流斜率转换成第一恒定直流斜率信息，包括根据触发信号，采样和保持第一电流斜率。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括通过结合合成信号和谷值电流信息，产生结合信号。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，产生第二恒定直流斜率信息，包括将第一恒定直流斜率信息乘以((VIN-VOUT)/VOUT)。
20.一种斜率传感器件，其特征在于，用于传感输入信号的斜率，并提供正比于输入信号的输出信号，该斜率传感器件包括：
一个微分器，具有一个输入端，用于接收具有三角波形的输入信号，带有至少一个斜率；其中配置微分器，利用第一电容器，通过微分输入信号，产生微分信号；
一个采样和保持电路，具有第一输入端，用于接收微分信号；以及第二输入端，用于接收触发信号；其中配置采样和保持电路，当触发信号接通时，通过采样和保持微分信号，将微分信号转换成恒定直流斜率信息；以及
一个集成器，具有一个输入端，用于接收恒定直流斜率信息；其中集成器用于接收输出信号，使用第二电容器，输出信号的波形正比于输入信号的波形；
一个运算电路，耦合到采样和保持电路上，配置运算电路，根据恒定直流斜率信息，产生第二恒定直流斜率信息。
21.如权利要求20所述的器件，其特征在于，微分器包括一个跨导放大器。
22.如权利要求20所述的器件，其特征在于，配置集成器，根据恒定直流斜率信息，通过第二电容器的充电和放电，产生输出信号。
23.如权利要求20所述的器件，其特征在于，集成器具有第二输入端，用于接收第二恒定直流斜率，其中配置集成器，通过使用第二电容器，产生输出信号，以集成恒定直流斜率信息和第二恒定直流斜率信息。
24.如权利要求23所述的器件，其特征在于，集成器包括两个由控制信号控制的开关，其中当控制信号处于第一态时，第一个开关接通，第二个开关断开；当控制信号处于与第一态相反的第二态时，第一个开关断开，第二个开关接通；其中当控制信号处于第一态时，根据恒定直流斜率信息，第二个电容器放电；当控制信号处于第二态时，根据第二个恒定直流斜率信息，第二个电容器充电。
25.一种斜率传感器件，其特征在于，用于传感输入信号的斜率，并提供正比于输入信号的输出信号，该斜率传感器件包括：
第一个微分器，具有一个输入端，用于接收具有三角波形的输入信号，带有至少一个斜率；其中配置微分器，利用第一电容器，通过微分输入信号，产生微分信号；
一个采样和保持电路，具有第一输入端，用于接收微分信号；以及第二输入端，用于接收触发信号；其中配置采样和保持电路，当触发信号接通时，通过采样和保持微分信号，将微分信号转换成恒定直流斜率信息；以及
一个集成器，具有一个输入端，用于接收恒定直流斜率信息；其中集成器用于接收输出信号，使用第二电容器，输出信号的波形正比于输入信号的波形；
第二个微分器，利用第一个电容器，产生第二个微分信号；以及第二个采样和保持电路，将第二个微分信号转换成第二个恒定直流斜率信息。
26.如权利要求25所述的器件，其特征在于，第一个微分器包括一个跨导放大器。
27.如权利要求25所述的器件，其特征在于，配置集成器，根据恒定直流斜率信息，通过第二电容器的充电和放电，产生输出信号。
28.权利要求25所述的器件，其特征在于，集成器具有第二个输入端，用于接收第二个恒定直流斜率；其中配置集成器，利用第二个电容器，产生输出信号，以集成恒定直流斜率信息和第二个恒定直流斜率信息。
29.如权利要求28所述的器件，其特征在于，集成器包括两个由控制信号控制的开关，其中当控制信号处于第一态时，第一个开关接通，第二个开关断开；当控制信号处于与第一态相反的第二态时，第一个开关断开，第二个开关接通；其中当控制信号处于第一态时，根据恒定直流斜率信息，第二个电容器放电；当控制信号处于第二态时，根据第二个恒定直流斜率信息，第二个电容器充电。
30.一种用于传感斜率的方法，其特征在于，用于传感输入信号斜率，并提供正比于输入信号的输出信号，该方法包括：
微分具有三角波形的输入信号，带有至少一个斜率，通过利用第一个电容器，产生微分信号；
当触发信号接通时，利用采样和保持微分信号，将微分信号转换成恒定直流斜率信息；
利用第二个电容器，产生输出信号，集成恒定直流斜率信息，其中输出信号的波形正比于输入信号的波形；
利用第二个电容器，产生输出信号，包括当控制信号处于第一态时，根据恒定直流斜率信息，对第二个电容器放电；以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时，根据第二恒定直流斜率信息，对第二个电容器充电。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，产生输出信号，包括根据恒定直流斜率，对第二个电容器充电和放电。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括根据恒定直流斜率信息，产生第二恒定直流斜率信息。
33.一种用于传感斜率的方法，其特征在于，用于传感输入信号斜率，并提供正比于输入信号的输出信号，该方法包括：
微分具有三角波形的输入信号，带有至少一个斜率，通过利用第一个电容器，产生微分信号；
当触发信号接通时，利用采样和保持微分信号，将微分信号转换成恒定直流斜率信息；
利用第二个电容器，产生输出信号，集成恒定直流斜率信息，其中输出信号的波形正比于输入信号的波形；
还包括利用第一个电容器，产生第二微分信号，并将第二微分信号，转换成第二恒定直流斜率信息。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，产生输出信号，包括根据恒定直流斜率，对第二个电容器充电和放电。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，利用第二个电容器，产生输出信号，包括当控制信号处于第一态时，根据恒定直流斜率信息，对第二个电容器放电；以及当控制信号处于与第一态相反的第二态时，根据第二恒定直流斜率信息，对第二个电容器充电。
CN201810239983.2A 2017-03-31 2018-03-22 开关模式电源的电流传感器件、斜率传感器件及传感方法 Active CN108712059B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/476,790 2017-03-31
US15/476,790 US10063146B1 (en) 2017-03-31 2017-03-31 Full-time inductor current monitoring method by sensing low side switch

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108712059A CN108712059A (zh) 2018-10-26
CN108712059B true CN108712059B (zh) 2020-05-29

Family

ID=63208305

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810239983.2A Active CN108712059B (zh) 2017-03-31 2018-03-22 开关模式电源的电流传感器件、斜率传感器件及传感方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10063146B1 (zh)
CN (1) CN108712059B (zh)
TW (1) TWI677175B (zh)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10680522B2 (en) * 2017-02-09 2020-06-09 Rohm Co., Ltd. Switching regulator and control device therefor
JP7167559B2 (ja) * 2018-08-30 2022-11-09 株式会社オートネットワーク技術研究所 給電制御装置、給電制御方法及びコンピュータプログラム
CN111725998A (zh) * 2019-03-21 2020-09-29 深圳卓运半导体有限公司 死区时间优化控制装置及其方法
US10830799B1 (en) * 2019-07-12 2020-11-10 Alpha And Omega Semiconductor (Cayman) Ltd. Temperature and VGS compensation for current sensing using Rdson in MOSFETS
TWI695572B (zh) * 2019-09-28 2020-06-01 立錡科技股份有限公司 電感電流仿擬電路及電感電流仿擬方法
US11081963B2 (en) * 2019-11-27 2021-08-03 Infineon Technologies Austria Ag Slope detection and correction for current sensing using on-state resistance of a power switch
US11522451B2 (en) * 2019-12-13 2022-12-06 Alpha And Omega Semiconductor (Cayman) Ltd. Inductor binning enhanced current sense
WO2021124910A1 (ja) * 2019-12-17 2021-06-24 ローム株式会社 出力帰還制御回路
CN113533840A (zh) 2020-04-15 2021-10-22 力智电子股份有限公司 电源转换电路的模拟电流产生电路及其方法
TW202144804A (zh) * 2020-05-22 2021-12-01 茂達電子股份有限公司 電感電流偵測電路
CN111999545B (zh) * 2020-08-14 2023-03-21 Oppo广东移动通信有限公司 一种电流测量方法、电源设备及电源芯片
AT524279B1 (de) * 2020-09-29 2023-02-15 Avl List Gmbh Gleichspannungswandler mit Stromsensoranordnung
CN112510972A (zh) * 2020-12-09 2021-03-16 杰华特微电子（杭州）有限公司 开关电路的电感电流模拟电路、模拟方法及开关电源
JP2022144129A (ja) * 2021-03-18 2022-10-03 ローム株式会社 電流検出回路、同期整流型の降圧ｄｃ／ｄｃコンバータおよびその制御回路
TWI777531B (zh) * 2021-04-28 2022-09-11 力林科技股份有限公司 Llc轉換器電路
TWI796951B (zh) * 2022-02-14 2023-03-21 晶豪科技股份有限公司 線性充電器
US20230396141A1 (en) * 2022-06-02 2023-12-07 Psemi Corporation Circuits and methods for generating a continuous current sense signal
CN116846200B (zh) * 2023-08-30 2023-11-10 苏州锴威特半导体股份有限公司 一种控制芯片和pfc变换器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1246633A (zh) * 1998-09-03 2000-03-08 国际商业机器公司 用于使液晶显示器通断反差比实时最佳化的方法和装置
CN101093958A (zh) * 2006-06-23 2007-12-26 联发科技股份有限公司 切换式电压调整器以及其斜率补偿方法
CN101621250A (zh) * 2008-07-01 2010-01-06 立锜科技股份有限公司 电压调节器的输出电流检测装置及方法
CN102810982A (zh) * 2011-05-31 2012-12-05 富士通半导体股份有限公司 电源装置、控制电路、电子装置以及电源的控制方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7068022B2 (en) * 2001-11-13 2006-06-27 Power Integrations, Inc. Method and apparatus for a switch mode power supply that generates a high pulse width modulation gain while maintaining low noise sensitivity
US20050237042A1 (en) * 2004-04-21 2005-10-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Switching power supply circuit and semiconductor device integrating the same
CN101604912A (zh) * 2008-06-11 2009-12-16 立锜科技股份有限公司 切换式升降压电源供应器及其控制方法
US8957651B2 (en) * 2010-12-06 2015-02-17 Microchip Technology Incorporated User-configurable, efficiency-optimizing, power/energy conversion switch-mode power supply with a serial communications interface
US8836304B2 (en) * 2011-03-16 2014-09-16 Monolithic Power Systems, Inc. Switching mode power supply with virtual current sensing and associated methods
CN103378726B (zh) * 2012-04-18 2015-08-19 立锜科技股份有限公司 切换式电源供应器及其控制电路与控制方法
US9367111B2 (en) 2013-03-12 2016-06-14 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Fault tolerant power supply incorporating intelligent load switch to provide uninterrupted power
US9106075B2 (en) 2013-03-12 2015-08-11 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Fault tolerant power supply incorporating intelligent gate driver-switch circuit to provide uninterrupted power
US9379606B2 (en) * 2013-05-30 2016-06-28 Apple Inc. Discrete narrow-band switching frequency avoidance of a switch mode power converter
TWI509967B (zh) * 2013-12-18 2015-11-21 Richtek Technology Corp 切換式電源供應器及其控制電路與控制方法
US20150255930A1 (en) 2014-03-04 2015-09-10 Gilbert Lee Interfaces with built-in transient voltage suppression
CN105305817B (zh) * 2014-07-07 2018-07-13 群联电子股份有限公司 切换式稳压器控制电路及稳定输出电气信号的方法
US20160049876A1 (en) 2014-08-12 2016-02-18 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Single package synchronous rectifier
US9778289B2 (en) * 2014-10-17 2017-10-03 Microchip Technology Incorporated Measuring output current in a buck SMPS
TWI569569B (zh) * 2015-03-03 2017-02-01 晶豪科技股份有限公司 切換式穩壓器
TWI559665B (zh) * 2015-03-25 2016-11-21 天鈺科技股份有限公司 具有斜率補償功能的切換模式電源供應器
US9491014B1 (en) 2015-09-23 2016-11-08 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Compact duty modulator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1246633A (zh) * 1998-09-03 2000-03-08 国际商业机器公司 用于使液晶显示器通断反差比实时最佳化的方法和装置
CN101093958A (zh) * 2006-06-23 2007-12-26 联发科技股份有限公司 切换式电压调整器以及其斜率补偿方法
CN101621250A (zh) * 2008-07-01 2010-01-06 立锜科技股份有限公司 电压调节器的输出电流检测装置及方法
CN102810982A (zh) * 2011-05-31 2012-12-05 富士通半导体股份有限公司 电源装置、控制电路、电子装置以及电源的控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
US10063146B1 (en) 2018-08-28
TWI677175B (zh) 2019-11-11
CN108712059A (zh) 2018-10-26
TW201838304A (zh) 2018-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108712059B (zh) 开关模式电源的电流传感器件、斜率传感器件及传感方法
US9035640B2 (en) High efficient control circuit for buck-boost converters and control method thereof
US9479047B2 (en) System and method for controlling a power supply with a feed forward controller
US7800352B2 (en) Controller having comp node voltage shift cancellation for improved discontinuous conduction mode (DCM) regulator performance and related methods
US7148669B2 (en) Predictive digital current controllers for switching power converters
KR100593521B1 (ko) 스위치모드 파워서플라이를 컨트롤하기 위한 최적화된디지털 신호프로세서 아키텍쳐
CN108418429B (zh) 开关调节器及其控制装置
US9325242B2 (en) Switching regulator output capacitor current estimation
CN105305818A (zh) 用于开关电源电流采样的系统和方法
US10439494B2 (en) Inductor current sensing and regulation for power converter
KR20010033237A (ko) 스위칭 조정기에서 사용하기 위한 데이터의 이산-시간샘플링
JP2010279132A (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータ
US20210351687A1 (en) Inductor current reconstruction circuit, power converter and inductor current reconstruction method thereof
TWI483523B (zh) 多相直流對直流轉換器與其控制方法
CN105991030B (zh) 加强的峰值电流模式脉波宽度调变切换调节器
US6946823B2 (en) Delta-sigma DC-to-DC converter and method thereof
Jia et al. Low cost microcontroller based implementation of robust voltage based capacitor charge balance control algorithm
US11183935B2 (en) Current control for buck-boost converters using conditional offsets
US7002327B2 (en) Digital control apparatus for a switching DC-DC converter
US11722058B2 (en) Emulated current generation circuit of power converting circuit and method thereof
US10014770B1 (en) Power supply device, control circuit for power supply device, and control method for power supply device
EP1994633A1 (en) Buck-boost dc/dc converter
Channappanavar et al. A novel bidirectional current estimator for digital controlled DC-DC converters
WO2012101234A2 (en) Switched dc/dc boost power stage with linear control-to-output conversion ratio, based on the ramp-modulated pwm generator
Su et al. Adaptive control scheme for interleaved DC/DC power converters

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant