CN109802567B - 一种开关电源及其电感电流重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源及其电感电流重构方法。其中的开关电源，包括多相VR控制器、智能功率级、驱动电路、输出电感。本发明的开关电源及其电感电流重构方法，其中的时钟计数和在特定时刻进行电流检测的方法，以重构合成电路中的电感电流。SPS利用下管电流感测电路获得合成电流，形成合成电路，以实现对SMPS的理想控制。

Description

一种开关电源及其电感电流重构方法

技术领域

本发明涉及开关电源，具体涉及一种开关电源及其无上管电流检测的电感电流重构低成本方法。

背景技术

目前，电源或稳压器(VR)广泛应用于各种电子系统中，以提供负载所需的恒压电平和电流。在所有的电源和转换器设计中，有几种决定功率转换系统主要性能的关键技术，即功率效率、功率密度、实时电流检测、功率监控数据遥测。对于大多数功率转换器系统，电感电流需要以实时的方式检测和报告。另一个设计关键因素是如何在有限的PCB和装配空间下提高功率密度。

在传统的VR解决方案中，功率级通常由分立MOSFET、MOSFET驱动、电流检测电路和温度检测补偿电路组成。随着电子系统功率的增加，对功率密度的要求也越来越高。为了解决功率密度问题，由MOSFET和驱动器组成的集成功率器件得到了广泛的应用。此外，还集成了电流检测电路和温度补偿单元，这种高度集成的器件被称为智能功率级器件(SPS)。然而，成本的增加变得可发明，尤其是在应用了集成技术和更多的智能引入到设备之后。

因此，无论是采用分立器件方案还是采用SPS，简化、低成本的实时电感电流重构都成为关键技术。实时电感电流重构需要智能功率级产生连续的电流波形，包括上管(HS)导通、下管(LS)导通期间的电流流动。实时连续电流波形的要求增加了FET驱动器内部设计的复杂性，延长了设计周期和生产时间，最终增加了成本。此外，耦合在波形上的噪声要求控制器“滤波”或忽略峰值，这增加了另一层的复杂性。无论是通过实时电路还是通过部分仿真产生的完整连续电流波形，由于功率级还不够智能，无法处理复杂性和一些困难情况，因而整体的电流检测性能/成本仍然不理想。

此外，由于高功率芯片组稳压器应用中典型的占空比(上管导通时间) 较小，因此与更长下管导通时间IMON信号相比，上管导通时间IMON信号更容易受到开关噪声的破坏。由于下管的传导时间比开关事件时间长，因此开关噪声事件时间在总时间中的百分比要小得多。在电感电流下降过程中，噪声有一定的衰减时间，信号保真度更清晰，获得的数据也更好。此外，还需要处理共模噪声进行以检测实时上管导通电流信号。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种开关电源及其电感电流重构方法。

本发明采用的技术方案为：一种开关电源，包括多相VR控制器、智能功率级、驱动电路、输出电感；

所述多相VR控制器与智能功率级通信，执行配置VR控制器，以从合成电路接收IMON值的指令；

所述智能功率级包括：在输入电压和输入开关节点之间耦合的上管；在输入开关节点和地之间耦合的下管；

所述驱动电路与多相VR控制器、上管和下管耦合；所述驱动电路包括下管电流检测器、合成电路、死区电路和电平移位电路；下管电流检测器在特定的时间内检测流经下管的电流，得到电流检测信号，合成电路基于电流检测信号重构电感电流；

所述输出电感在输入开关节点与输出电压之间耦合；

所述开关电源的电感电流重构方法，包括以下步骤：

由包含在驱动电路中的下管电流检测器测量在下管电流检测屏蔽时间结束到上管开启期间的电感电流值；

由锁相环电路或时钟计数器计量时钟周期；根据计量结果，下管电流检测器在时间分别为2t0、TOFF/2和(TOFF+t0)/2时检测下管电流值；

由包含在驱动电路中的合成电路对不同时间段电流检测信号进行合成，并从该合成电路中获得合成电流；

控制开关电源PWM信号至少部分基于合成电流；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：合成电路的输入端耦合下管电流检测器和PWM信号，并将合成电流大小通过IMON管脚报告给多相VR控制器；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：合成电路报告上管导通时间TON期间的电感电流振幅M；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：合成电路报告屏蔽期间的电感电流振幅2N；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：时钟计数器基于一个高频率的时钟，时钟计数器在开关电源的第一个周期，时钟计数器将屏蔽时间TB和下管导通时间TOFF存储在两个寄存器中，并将信息传递给下一个周期，用于电感电流重构。

本发明的优点：

本发明的开关电源及其电感电流重构方法，其中的时钟计数和在特定时刻进行电流检测的方法，以重构合成电路中的电感电流。SPS利用下管电流感测电路获得合成电流，形成合成电路，以实现对SMPS的理想控制。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1根据本发明的开关电源的智能功率级原理框图；

图2出示了现有技术的广义电流检测电路的电路原理图；

图3本发明开关电源信号波形图；

图4为本发明开关电源实施例中的合成电路原理图；

图5为本发明开关电源的电感电流和时间波形图；

图6是本发明实施例的电流检测方法流程图；

图7是本发明实施例的电流合成方法流程图；

图8是本发明实施例的合成电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，如图1所示，一种开关电源，包括多相VR控制器、智能功率级、驱动电路、输出电感；

所述多相VR控制器与智能功率级通信，执行配置VR控制器，以从合成电路接收IMON值的指令；

所述智能功率级包括：在输入电压和输入开关节点之间耦合的上管；在输入开关节点和地之间耦合的下管；

所述驱动电路与多相VR控制器、上管和下管耦合；所述驱动电路包括下管电流检测器、合成电路、死区电路和电平移位电路；下管电流检测器在特定的时间内检测流经下管的电流，得到电流检测信号，合成电路基于电流检测信号重构电感电流；

所述输出电感在输入开关节点与输出电压之间耦合；

所述开关电源的电感电流重构方法，包括以下步骤：

由包含在驱动电路中的下管电流检测器测量在下管电流检测屏蔽时间结束到上管开启期间的电感电流值；

由锁相环电路或时钟计数器计量时钟周期；根据计量结果，下管电流检测器在时间分别为2t0、TOFF/2和(TOFF+t0)/2时检测下管电流值；

由包含在驱动电路中的合成电路对不同时间段电流检测信号进行合成，并从该合成电路中获得合成电流；

控制开关电源PWM信号至少部分基于合成电流；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：合成电路的输入端耦合下管电流检测器和PWM信号，并将合成电流大小通过IMON管脚报告给多相VR控制器；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：合成电路报告上管导通时间TON期间的电感电流振幅M；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：合成电路报告屏蔽期间的电感电流振幅2N；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：时钟计数器基于一个高频率的时钟，时钟计数器在开关电源的第一个周期，时钟计数器将屏蔽时间TB和下管导通时间TOFF存储在两个寄存器中，并将信息传递给下一个周期，用于电感电流重构。

图1示出了具有电流感测方法的现有技术的三相DC-DC功率转换器。相位1 100、相位2 200和相位3 300被并联连接并且交错运行，这能够减少输入和输出电容500，并且对负载600提供快速瞬变。多相VR控制器400 接收电流信号和输出电压，以调整PWM信号以维持输出电压VOUT恒定。

图2示出了来自图1三相功率转换器的三相之一的智能功率阶段100 的现有技术。驱动器111包含在智能功率级100中，并且包括死区电路110、上管缓冲器105、上管电流检测电路107、上管电流信号处理106、下管电流检测电路109、下管缓冲器108。驱动器111通过来自缓冲器105的HG 信号控制功率上管Q1 103导通，以从VIN输出能量来供应输出电感101、输出电容500和负载600。然而，由于MOSFET固有的寄生电容和电感，导致MOSFET的开关需要时间。为了防止上管103和下管104同时打开导致通过上管103和下管104从输入端到地面产生大电流，需要一个死区电路110。如图3所示的关键波形,HG是上管103的驱动信号，LG是下管104的驱动信号，死区电路110产生一个称为TD的死区时间段以防止12V的电流，并生成一个称为TB的屏蔽时间以跳过电流检测不稳定的时间。另外，SPS接收来自多相VR控制器400的PWM信号以对HG和LG信号进行调节。上管电流检测电路检测功率上管103的电流流动，并且由信号处理电路106处理电流信号以产生IHIGH信号。另一方面，驱动器111还通过来自缓冲器108 的LG信号控制下管Q2 104，以便电感电流整流。下管电流检测电路检测流过功率下管104的电流，以产生信号ILOW。常规SPS检测上管103和下管 104的电流，并将这两个电流信号组合为图1所示的多相VR控制器400的 IMON信号。报告电流信号IMON是功率上管103电流流动IHIGH和功率下管 104电流流动ILOW的总和：

IMON＝IHIGH+ILOW (1)

根据本发明的一个实施例，用图4所示的合成电路709重构电感电流。图3的电路与图2的电路相似，除了图4的驱动电路用合成电路709代替上管电流检测电路107和信号处理电路106以产生IMON信号外：

IMON＝ILOW_NEW (2)

其中ILOW_NEW是合成电路的输出。

如图5所示的合成电流的方法，合成电路709内部的计数器从时间为0 时开始计时。屏蔽时间过后，在时间为2t0时，下管电流检测电路706检测功率下管的电流，其中电流幅值为F点。在时间为TOFF/2时，下管电流检测电路检测功率下管，其中电流幅值为M点。当时间为(TOFF/2)-t0时，下管电流检测电路检测功率下管104，其中电流幅值为N点。在下个周期，合成电路内部的计数器重新启动并计数，下管电流检测电路重新检测功率下管104等等。图5中，基于a的面积与面积1相等，并且平均电流在TON 和TOFF时间段内都相等：

area a＝area 1 (3)

因此，合成电路的输出信号幅值在TON时间段内为M。

同时，图5中，基于b的面积与面积2相等：

area b＝area 2 (4)

因此，合成电路的输出信号幅值在TON时间段内为2N。在一个周期内，重构电感电流可以表示为：

图6示出了由多相VR控制器400和包括功率上管703、功率下管704 和驱动器7011的智能功率级702组成的开关模式电源中使用的用于电感电流检测的电感重构过程的流程图。如图6所示，该过程包括：

在方框601中，合成电路存储参数TON，TOFF和屏蔽时间TB。根据这些参数，合成电路可以计算具体的时间如TON/2、TOFF/2、t0，并计算 (TOFF/2)-t0的时间。

在方框602中，一旦HG电平下降，合成电路内的计数器启动/重启计数。

在方框603中，合成电路记录通过屏蔽时间TB后，时间为2t0时的下管电流检测电路输出的电流幅值。电流幅值在图5中标记为F。

在方框604中，合成电路记录时间为TOFF/2时下管电流检测电路输出的电流幅值。电流幅值在图5中标记为M。

在方框605中，合成电路记录时间为(TOFF/2)-t0时下管电流检测电路输出的电流幅值。电流幅值在图5中标记为N。

如方框606所示，在采集和计算了合成电路的TON/2、TOFF/2、TB/2、 (TOFF/2)-t0、F、M、N等参数后，重构电感电流。

图7示出了由多相VR控制器400和包括功率上管703、功率下管704 和驱动器7011的智能功率级702组成的开关模式电源中使用的用于电感电流检测的电感重构过程的流程图。如图7所示，该过程包括：

在方框606中，将这些参数TON/2、TOFF/2、t0、(TOFF/2)-t0、F、M、 N收集到合成电路中。

在方框607中，判断HG信号是否为低。如果HG信号较低，则合成电路输出信号的IMON幅值为2N，如方框609所示。如果HG信号不为低，则合成电路输出信号的IMON振幅为M，如方框608所示。

在方框610中，根据计数器的结果来确定合成电路输出信号IMON的幅值。如果在屏蔽时间段内，合成电路输出信号IMON的幅值为2N，如方框609 块所示。如果不在屏蔽时间段内，则合成电路输出信号IMON的幅值与下管电流检测电路相同。

图8示出了在开关模式电源中实现的用于在开关模式电源中重建电感电流的合成功能的另一实施例，例如图4。

本发明的开关电源及其电感电流重构方法，其中的时钟计数和在特定时刻进行电流检测的方法，以重构合成电路中的电感电流。SPS利用下管电流感测电路获得合成电流，形成合成电路，以实现对SMPS的理想控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种开关电源，其特征在于，包括多相VR控制器、智能功率级、驱动电路、输出电感；

所述多相VR控制器与智能功率级通信，执行配置VR控制器，以从合成电路接收IMON值的指令；

所述智能功率级包括：在输入电压和输入开关节点之间耦合的上管；在输入开关节点和地之间耦合的下管；

所述驱动电路与多相VR控制器、上管和下管耦合；所述驱动电路包括下管电流检测器、合成电路、死区电路和电平移位电路；下管电流检测器在特定的时间内检测流经下管的电流，得到电流检测信号，合成电路基于电流检测信号重构电感电流；

所述输出电感在输入开关节点与输出电压之间耦合；

所述开关电源的电感电流重构方法，包括以下步骤：

由包含在驱动电路中的下管电流检测器测量在下管电流检测屏蔽时间结束到上管开启期间的电感电流值；

由锁相环电路或时钟计数器计量时钟周期；根据计量结果，下管电流检测器在时间分别为2t0、TOFF/2和(TOFF+t0)/2时检测下管电流值；

由包含在驱动电路中的合成电路对不同时间段电流检测信号进行合成，并从该合成电路中获得合成电流；

控制开关电源PWM信号至少部分基于合成电流；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：合成电路的输入端耦合下管电流检测器和PWM信号，并将合成电流大小通过IMON管脚报告给多相VR控制器；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：合成电路报告上管导通时间TON期间的电感电流振幅M；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：合成电路报告屏蔽期间的电感电流振幅2N；

所述开关电源的电感电流的重构方法，还包括：时钟计数器基于一个高频率的时钟，时钟计数器在开关电源的第一个周期，时钟计数器将屏蔽时间TB和下管导通时间TOFF存储在两个寄存器中，并将信息传递给下一个周期，用于电感电流重构。

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