CN111999545B - 一种电流测量方法、电源设备及电源芯片 - Google Patents

一种电流测量方法、电源设备及电源芯片 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种电流测量方法、电源设备及电源芯片。其中，该方法应用于电源芯片，电源芯片包括：输出模块以及控制模块，其中，输出模块包括第一开关元件和第二开关元件，输出模块经由外部耦合至电源芯片的电感元件、电容元件向负载供电，方法包括：向第一开关元件提供开关信号，并且获取电感元件的电压信号，其中，电压信号包括电感元件的输入电压信号与输出电压信号；获取电感元件的电流纹波特征参数，并基于电流纹波特征参数确定电感元件的电感值；基于电压信号、电感值以及开关信号，确定电感元件的电流信号。通过本申请实施例，可以提高电流测量精度，进而提高电源效率。

Description

一种电流测量方法、电源设备及电源芯片
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种电流测量方法、电源设备及电源芯片。
背景技术
随着互联网科技的快速发展，人们对终端设备的需求日趋增长，终端设备的能量来源于电池，电池的供电电压一般为恒定值，终端设备由许多内部电路组成，不同的内部电路需要的电压可能与电池的供电电压不同。而直流转直流(Direct Current convertDirect Current，DC-DC)电源能将电池电压转换成符合内部要求的特定电压，在DC-DC电路中测量电流成为研究的热门话题。
目前，在DC-DC电路中测量电流的方法通常有两种：直接串联电阻法与电流镜测量电流法。其中，直接串联电阻法具体做法是输出端直接串联电阻，这样会导致在电阻上产生压降，当输出电流大，产生的压降大，输出电压将会达不到输出要求；基于这种情况，一般做法是加入负反馈电路进一步调整输出电压使其达到设定值，但这样会额外增加功耗。因此，直接串联电阻法不能很好的兼顾输出电流的大小情况，而且也会降低电源效率。其中，电流镜测量电流法由于加入了电流镜电路，当金属氧化物开关元件(Metal OxideSemiconductor，MOS)管的宽长比值较小时，电流镜电路功耗过大，当开关元件的宽长比值较大时，测量精度会降低。因此，电流镜测量电流法很难实现静态功耗的最优化。
基于以上分析，如何提高电源效率以及提高电流测量精度是当前亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提出了一种电流测量方法、电源设备、电源芯片及终端设备，可以提高电流测量精度，降低电路的输出功耗，进而提高电源效率。
第一方面，本申请实施例提供了一种电流测量方法，应用于电源芯片，所述电源芯片包括：输出模块以及控制模块，其中，所述输出模块包括第一开关元件和第二开关元件，所述输出模块经由外部耦合至所述电源芯片的电感元件、电容元件向负载供电，所述方法包括：
向所述第一开关元件提供所述开关信号，并且获取所述电感元件的电压信号，其中，所述电压信号包括所述电感元件的输入电压信号与输出电压信号；
获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值；
基于所述电压信号、所述电感值以及所述开关信号，确定所述电感元件的电流信号。
第二方面，本申请实施例提供了一种电源设备，包括：
DC-DC转换器，所述DC-DC转换器包括：
电感元件，用于向输出端供电；
第一开关元件，用于响应于开关信号向所述电感元件供电；
控制器，用于向所述第一开关元件提供所述开关信号，并且获取所述电感元件的电压信号，其中，所述电压信号包括所述电感元件的输入电压信号与输出电压信号，所述控制器，还用于：
获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值；
基于所述电压信号、所述电感值以及所述开关信号，确定所述电感元件的电流信号。
第三方面，本申请实施例提供了一种电源芯片，包括：
输出模块，其包括第一开关元件和第二开关元件，其中，所述输出模块经由外部耦合至所述电源芯片的电感元件、电容元件向负载供电；
控制模块，用于向所述用于向所述第一开关元件提供所述开关信号，并且获取所述电感元件的电压信号，其中，所述电压信号包括所述电感元件的输入电压信号与输出电压信号，所述控制模块，还用于：
获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值；
基于所述电压信号、所述电感值以及所述开关信号，确定所述电感元件的电流信号。
第四方面，本申请实施例提供了一种终端设备，包括处理器、存储器和通信接口，所述处理器、所述存储器和所述通信接口相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如第一方面所述的电流测量方法。
本申请实施例中，不需要在DC-DC电路的输出端串连电阻，因此减小了电源输出电阻，提高了电源效率；也不需要在电路中并连电流镜电路，减小了电路的静态功耗；只需通过测量电感元件的电压信号和第一开关元件的开关信号等参数，即可实时测量输出电流值，提高了输出电流的精度。并且，硬件控制模块自动控制模数转换模块读取采样数据，并可以在电源芯片内部完成数据处理，进而提高了数据处理的实时性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种现有电流测量电路的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的另一种现有电流测量电路的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种电流测量电路的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的一种电流测量方法的流程示意图；
图5为本申请实施例所提供的一种PWM模式下的电流测量方法的流程示意图；
图6是本申请实施例提供的一种PWM在连续导通模式下的时序图；
图7是本申请实施例提供的一种PWM模式下电压采样时序图；
图8为本申请实施例所提供的一种PFM模式下的电流测量方法的流程示意图；
图9是本申请实施例提供的一种PFM在非连续导通模式下的时序图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本申请实施例中所涉及到的“第一”、“第二”等描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的技术特征可以明示或者隐含的包括至少一个该特征。
目前，终端设备的需求随着时间的推移而变得越来越大，其能量来源于电池。电池的供电电压通常由化学性质决定的，一般为恒定值。终端设备由许多内部电路组成，不同的内部电路需要的电压可能与电池供电电压不同，而DC-DC电源能将电池电压转换成符合内部电路要求的特定电压。在DC-DC电路中测量电流成为研究的热门话题。
现有技术中，在DC-DC电路中测量电流的方法通常有两种：直接串联电阻法与电流镜测量电流法。如图1所示，图1为本申请实施例提供的一种现有电流测量电路的结构示意图，该电路图使用的是直接串联电阻法，具体做法是：在DC-DC输出端串联一个高精度小阻值电阻Rs，测量电阻两端的电压差Vs，然后根据欧姆定律计算出输出电流Io，因为Rs电阻阻值通常比较小，需要放大电路放大电阻上的电压后得到电压Vmeas，然后送到模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)去采样。如果放大电路增益是固定的，在输出小电流时，Vmeas将会过小不利于后端ADC测量，除非更换阻值大些的电阻，但是当输出大电流时，阻值大的电阻压降较大，功耗增加很多，所以此方法不能很好的兼顾大小电流情况，而且也会降低电源效率。
Vmeas＝G·Vs
Figure BDA0002634423460000041
基于以上分析，直接串联电阻法的缺点：在输出端直接串联电阻，会在电阻上产生压降Vs，当Io较大时，产生的压降Vs变大，输出电压Vo将会达不到输出要求；一般电路都会加入负反馈电路进一步调整输出电压使其达到设定值，但这无疑在Rs会增加额外的功耗Pe＝Vs·Io；因此不能很好的兼顾大小电流情况，而且也会降低电源效率。此方法增加了输出电阻，如果电路负载变化比较大而且比较频繁，再加上负反馈会有滞后，所以输出电压也将会更不平滑。
如图2所示，图2为本申请实施例提供的另一种现有电流测量电路的结构示意图，该电路图使用的是电流镜测量电流法，具体做法是：开关元件Q1和Q3保持镜像关系，Iq1，Iq3分别是流过Q1和Q3的电流，Iq1∶Iq3＝N：1(开关元件开关元件的宽长比)。因为buck降压电路Iq1＝D·IL＝D·Io(D是bulk电路PWM的占空比)，所以可以通过测量Iq3来得到DC-DC输出的电流Io，类似直接串联电阻法也需要一个在电流镜中串联一个高精度小阻值电阻Rs，然后用运算放大器放大电压后送到ADC去采样。下面是计算公式：
Vmeas＝G·Vs
Figure BDA0002634423460000051
Figure BDA0002634423460000052
Figure BDA0002634423460000053
基于以上分析，电流镜测量电流法的缺点：此方案加入电流镜电路，当开关元件开关元件的宽长比N较小时，虽然测量精度增加，但电流镜电路功耗过大，如果增大宽长比N，能够减少电流镜电路消耗，但测量精度会降低。所以此电路很难实现静态功耗的最优化，对于目前使用电池供电的终端设备(例如手机)是不利的。
因此，本申请实施例出了一种电流测量方法、电源设备、电源芯片及终端设备，其中，该方法应用于电源芯片，所述电源芯片包括：输出模块以及控制模块，其中，所述输出模块包括第一开关元件和第二开关元件，所述输出模块经由外部耦合至所述电源芯片的电感元件、电容元件向负载供电，所述方法包括：
向所述第一开关元件提供所述开关信号，并且获取所述电感元件的电压信号，其中，所述电压信号包括所述电感元件的输入电压信号与输出电压信号；
获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值；
基于所述电压信号、所述电感值以及所述开关信号，确定所述电感元件的电流信号。通过本申请实施例提供的方法，可以提高电流测量精度，进而提高电源效率。
本申请实施例中涉及的终端设备，是一种用于接收或发射信号的实体。终端设备可以是一种向用户提供语音和/或数据连通性的设备，例如，具有无线连接功能的手持式设备、车载设备等。终端设备也可以是连接到无线调制解调器的其他处理设备。终端设备可以与无线接入网(Radio Access Network，RAN)进行通信。终端设备也可以称为无线终端、订户单元(Subscriber Unit)、订户站(Subscriber Station)，移动站(Mobile Station)、移动台(Mobile)、远程站(Remote Station)、接入点(Access Point)、远程终端(RemoteTerminal)、接入终端(Access Terminal)、用户终端(User Terminal)、用户代理(UserAgent)、用户设备(User Device)、或用户设备(User Equipment，UE)等等。终端设备可以是移动终端，如移动电话(或称为“蜂窝”电话)和具有移动终端的计算机，例如，可以是便携式、袖珍式、手持式、计算机内置的或者车载的移动装置，它们与无线接入网交换语言和/或数据。例如，终端设备还可以是个人通信业务(Personal Communication Service，PCS)电话、无绳电话、会话发起协议(Session Initiation Protocol，SIP)话机、无线本地环路(Wireless Local Loop，WLL)站、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、等设备。常见的终端设备例如包括：手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(Mobile Internet Device，MID)、车辆、路边设备、飞行器、可穿戴设备，例如智能手表、智能手环、计步器等，但本申请实施例不限于此。
请参见图3，图3是本申请实施例提供的一种电源设备的结构示意图。该电源设备结构图包括：中央处理模块301，硬件控制模块302，模数转换模块303、脉冲调制模块304，开关元件模块305以及电感元件306。其中，开关元件模块305包括第一开关元件以及第二开关元件，脉冲调制模块304分别与开关元件模块305和硬件控制模块302连接；硬件控制模块302分别与模数转换模块303和中央处理模块301连接；电感元件306的一端与开关元件模块305连接，电感元件306的另一端与模数转换模块303连接。
在一种可能的实现方式中，该电源设备还包括电源，模数转换模块303包括第一运算放大器(放大器A1)、第二运算放大器(放大器A2)以及第三运算放大器(放大器A3)。其中，电源的正极与第一开关元件的左端连接，电源的负极接地；第一开关元件的右端分别与电感元件306的一端和第二开关元件的上端连接，第一开关元件的下端与第一缓冲器的一端连接；第一运算放大器的一端接地，第一运算放大器的另一端与电感元件306的另一端连接；第二运算放大器的一端接地，第一运算放大器的另一端与电感元件306的一端连接；第三运算放大器的一端接地，第三运算放大器的另一端与第一开关元件的左端连接。
在一种可能的实现方式中，该电源设备还包括第一缓冲器以及第二缓冲器。其中，第一缓冲器的一端与脉冲调制模块304连接，第一缓冲器的另一端与第一开关元件的下端连接；第二缓冲器的一端与脉冲调制模块304连接，第二缓冲器的另一端与第二开关元件的左端连接。
在一种可能的实现方式中，该电源设备还包括数模转换模块(Digital-to-AnalogConverter，D/A)、比较器、电容元件、第一电阻、第二电阻以及第三电阻。其中：比较器的左端与脉冲调制模块304连接；比较器的右上端分别与第一电阻的另一端和第二电阻的一端连接；数模转换器分别与硬件控制模块302和比较器的右下端连接；电容元件的负极接地，电容元件的正极分别与电感元件306的另一端和第一电阻的一端连接；第一电阻的一端分别与第三电阻的一端和电容元件的正极连接；第二电阻的一端与第一电阻的另一端连接，第二电阻的另一端接地。
在一种可能的实现方式中，第一电阻以及第二电阻用于向脉冲调制模块304发送负反馈信号，以控制脉冲调制模块304在接收到负反馈信号后，调整电源输出电压。
通过本申请实施例所提供的一种电源设备，相比串联电阻电路，不在输出端引入测量电阻，减少了电源输出电阻，提高了电源效率，解决了大电流时在测量电阻上的压降和小电流时的测量精度问题；相比电流镜测量电路，无须并联电流镜电路，减少了测量电路的静态功耗，同时也保证了大小电流时的测量精度的一致性。
可以理解的是，图3实施例所提供的电源设备的结构示意图是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着电源设备结构的演变和新业务场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
基于图3，请参见图4，图4为本申请实施例所提供的一种电流测量方法。该方法应用于电源芯片，电源芯片包括：输出模块以及控制模块，其中，输出模块包括第一开关元件和第二开关元件，输出模块经由外部耦合至电源芯片的电感元件、电容元件向负载供电，该方法包括但不限于如下步骤S410～S430：
步骤S410：向第一开关元件提供开关信号，并且获取电感元件的电压信号，其中，电压信号包括电感元件的输入电压信号与输出电压信号。
其中，控制模块包括中央处理模块、硬件控制模块、模数转换模块以及脉冲调制模块。
在一种可能的实现方式中，控制模块在向第一开关元件提供开关信号之前，控制第一开关元件处于导通状态。
在一种可能的实现方式中，控制模块在向第一开关元件提供开关信号之前，配置脉冲调制模块的工作模式和工作频率，初始电源输出电压值，配置模数转换模块的模式、通道以及校准模数转换模块的数据。
其中，脉冲调制模块可以为脉冲宽度(PWM)调制模块，脉冲调制模块也可以为脉冲频率(Pulse Frequency Modulation，PFM)调制模块。举例来说，硬件控制模块配置脉冲调制模块的工作模式为PWM模式，工作频率为f，初始电源输出电压值V0。
在一种可能的实现方式中，在脉冲调制模块在控制第一开关元件处于导通状态之前，中央处理模块获取初始电源输出电压值、初始电源输出电压值、第一压降值、第二压降值、初始电流纹波特征参数、初始电流信号以及工作频率；中央处理模块根据初始电源输出电压值、初始电源输出电压值、第一压降值、第二压降值、初始电流纹波特征参数、初始电流信号以及工作频率，计算得到理论电感值；中央处理模块，选定满足理论电感值的电感元件，使得电感元件的一端与开关元件模块连接，电感元件的另一端与模数转换模块连接。
步骤S420：获取电感元件的电流纹波特征参数，并基于电流纹波特征参数确定电感元件的电感值。
在一种可能的实现方式中，控制模块根据电流纹波特征参数、电感元件的压降以及开关信号的周期，确定电感值。其中，电感元件的压降包括第一压降值以及第二压降值。
具体的，中央处理模块获取初始电源输入电压值与第一压降值之间的第一差值，并获取第一差值与初始电源输出电压值之间的第二差值；获取初始电源输出电压值与第二压降值之间的第三差值；获取初始电源输入电压值与第一压降值之间的第四差值，并获取第四差值与第二压降值之间的第五差值；获取第二差值与第三差值之间的第八乘积；获取初始电流纹波特征参数、初始电流信号、工作频率以及第五差值之间的第九乘积；将第八乘积与第九乘积之间的比值，作为电感值。
举例来说，在设计buck降压电路时首先确定最恶劣的条件下的电感，在连续导通模式(CCM)下确定电感通常的规则是：在输入电压Vin_max最大，输出最大电流Io_max的条件下去确定电感参数，因为此时开关元件所承受的电压最大，电感上电流峰值也最大。基于这个条件通常选择
Figure BDA0002634423460000091
(ΔI:电感电流的交流幅度，IL:电感平均电流)作为最优。其中，把
Figure BDA0002634423460000092
称为电感电流纹波特征参数r。
Figure BDA0002634423460000093
基本的电感方程：
Figure BDA0002634423460000094
由上式变换后,从而可以计算出电感值：
Figure BDA0002634423460000095
其中，VL·t：称为伏秒积。
当开关元件Q1导通时：
导通时间：
Figure BDA0002634423460000096
其中，D为占空比，f为PWM模式下的工作频率。
电感电压：
VL＝Vin-VQ1-Vo 公式5
其中，Vin：电源输入电压；VQ1：第一开关元件导通压降；Vo：电源输出电压。
电感电流交流变化幅度：
ΔI＝r·IL 公式6
Figure BDA0002634423460000101
其中，Voff：第一开关元件处于关闭状态时，电感电压；Von：第一开关元件处于导通状态时，电感电压。
把公式4/5/6/7带入公式3可以计算出电感值：
Figure BDA0002634423460000102
Vin：预设计最大输入电压Vin_max；
开关元件可以给定一个典型值；
Vo：预设计输出电压；
r：预设定的电流纹波特征参数；
IL：电感平均电流等于设计输出最大电流Io；
f：PWM工作在CCM下的工作频率。
基于上述公式的推导，中央处理模块可以计算得到理论电感值，然后，选定满足理论电感值的电感元件，使得电感元件的一端与第一开关元件连接，电感元件的另一端与模数转换模块连接。需要说明的是，选定的标准电感不一定正好是计算出的电感值，电感出厂时由于碰撞、挤压等原因导致会有一些偏差，因此在选定电感以后，将实际测量该电感元件的电感值作为中央处理模块获取到的电感的电感值。
步骤S430：基于电压信号、电感值以及开关信号，确定电感元件的电流信号。
在一种可能的实现方式中，脉冲调制模块为PWM模块，模数转换模块包括模数转换器、第一运算放大器、第二运算放大器以及第三运算放大器。其中，第一运算放大器测量电源输出电压Vo，第二运算放大器测量电感的电感输入电压VL_in，第三运算放大器测量电源输入电压Vin。
举例来说，当PWM模块控制第一开关元件导通时，PWM模块向硬件控制模块发送开关信号，硬件控制模块读取第一开关元件的导通时长，假设为Ton，硬件控制模块控制模数转换模块获取电源输出电压值Vo、电感输入电压VL_in以及电源输入电压Vin。
在一种可能的实现方式中，硬件控制模块在获取第一开关元件的导通时长，以及控制模数转换模块获取电源输出电压值以及电感元件的电感输入电压值之后，向脉冲调制模块发送对第一开关元件的状态请求；脉冲调制模块响应状态请求并查询第一开关元件的工作状态，得到查询结果，并将查询结果发送给硬件控制模块，查询结果用于指示第一开关元件处于导通状态或关闭状态；硬件控制模块在查询结果指示第一开关元件处于导通状态时，执行获取第一开关元件的导通时长，并控制模数转换模块获取电源输出电压值以及电感元件的电感输入电压值的步骤，直至从脉冲调制模块控制第一开关元件处于导通状态开始到达测量周期。
举例来说，脉冲调制模块每控制第一开关元件导通一次，则向硬件控制模块发送开关信号，硬件控制模块接收开关信号后，获取导通时长Ton、电源输出电压值Vo、电感输入电压VL_in以及电源输入电压Vin。然后，硬件控制模块再次向脉冲调制模块发送状态请求，脉冲调制模块接收并响应该状态请求，查询第一开关元件的工作状态，若第一开关元件的工作状态为导通状态，则脉冲调制模块再一次向硬件控制模块发送开关信号，硬件控制模块再次接收到脉冲调制模块发送的该开关信号，执行获取第一开关元件的导通时长，以及控制模数转换模块获取电源输出电压值以及电感元件的电感输入电压值。依此类推，直到从脉冲调制模块控制第一开关元件管处于导通状态开始到达测量周期，测量周期为定时器设定的，假设为t。
在一种可能的实现方式中，硬件控制模块在查询结果指示第一开关元件处于关闭状态时，判断从脉冲调制模块控制第一开关元件处于导通状态开始是否到达测量周期，若在从脉冲调制模块控制第一开关元件处于导通状态开始未到达测量周期，则向脉冲调制模块发送对第一开关元件的状态请求。
在一种可能的实现方式中，硬件控制模块在查询结果指示第一开关元件处于关闭状态时，判断从脉冲调制模块控制第一开关元件处于导通状态开始是否到达测量周期，若在从脉冲调制模块控制第一开关元件处于导通状态开始到达测量周期，则触发执行将导通时长、电源输出电压值以及电感输入电压值发送给中央处理模块的步骤。
在一种可能的实现方式中，获取电感元件的电流在指定负载的条件下的交流幅值；基于交流幅值，确定电流纹波特征参数，进而确定电感元件中的电流信号。
在一种可能的实现方式中，中央处理模块对硬件控制模块在同一时间段获取到的导通时长、电感输入电压值以及电源输出电压值进行处理，得到针对时间段的电感元件的伏秒积；将针对各个时间段的伏秒积进行平均运算，得到平均伏秒积。
在一种可能的实现方式中，脉冲调制模块包括PWM模块；中央处理模块在通过伏秒积算法对导通时长、电感输入电压值以及电源输出电压值进行处理，得到电感元件的伏秒积时，获取电感输入电压值与电源输出电压值之间的差值；将差值与导通时长相乘，得到伏秒积。
在一种可能的实现方式中，中央处理模块对硬件控制模块在同一时间段获取到的导通时长、电感输入电压值以及电源输出电压值进行处理，得到针对时间段的电感的伏秒积；将针对各个时间段的伏秒积进行平均运算，得到平均伏秒积；中央处理模块通过电流算法对平均伏秒积进行处理，得到平均电流信号。
在一种可能的实现方式中，脉冲调制模块包括PWM模块。中央处理模块在通过电流算法对伏秒积进行处理，得到电流信号时，具体包括：获取电感元件的电感值以及电流纹波特征参数；根据伏秒积、电感值以及电流纹波特征参数，计算得到电流信号。
在一种可能的实现方式中，脉冲调制模块包括PFM模块。中央处理模块在通过电流算法对伏秒积进行处理，得到电流信号时，具体包括：根据伏秒积、测量周期、脉冲数量、电感元件的电感值以及电源输出电压值，计算得到电流信号。
通过本申请实施例所提供的一种电流测量方法，本方案仅测量电感电压和导通时间，硬件控制模块自动控制模数转换模块读取采样数据并在PMIC内部完成数据处理，能够按测量周期实时测量电源输出电流，功耗，以及电源效率，是一种无损的实时测量电流的方法；同时，PMIC芯片提供与外部CPU的通信接口，可以方便的实时监测电源电流以及效率，为调试DC-DC电路提供了有力支撑。
请参见图5，图5为本申请实施例所提供的一种PWM模式下的电流测量方法的流程示意图。该方法包括但不限于如下步骤S510～S540，步骤S510～S540是上述图4对应实施例中的步骤S430的一个具体实施例：
步骤S510：获取电感输入电压值与电源输出电压值之间的差值。
步骤S520：将所述差值与导通时长相乘，得到伏秒积。
步骤S530：获取电感的电感值以及电流纹波特征参数。
步骤S540：根据伏秒积、电感值以及电流纹波特征参数，计算得到电流信号。
在一种可能的实现方式中，脉冲调制模块包括脉冲宽度调制模块。中央处理模块在根据伏秒积、电感值以及电流纹波特征参数，计算得到电流信号时，具体包括：获取电感值以及电流纹波特征参数之间的第一乘积；将伏秒积与第一乘积之间的比值，作为电流信号。
在一种可能的实现方式中，选定的标准电感不一定正好是计算出的电感值，一般会有一些偏差，这会引起设计的电流纹波特征参数r的变化，所以为了准确计算电流信号，我们需要校准r值。
举例来说，首先，加载一个固定的负载并准确测量出平均电流Io，再通过示波器测量出准确的第一开关元件的导通时长Ton和第一开关元件导通时的电感电压VL，根据公式2，可以计算出电感电流的交流幅值ΔI：
Figure BDA0002634423460000131
再由公式1计算出实际的电流纹波特征参数r校准：
Figure BDA0002634423460000132
把公式11代入公式9即可以计算出准确的输出电流Io：
Figure BDA0002634423460000133
请参见图6，图6是本申请实施例提供的一种PWM在连续导通模式下的时序图。由图6可知，举例来说，以第一开关元件为Q1，第二开关元件为Q2为例，在Q1导通，Q2关闭的时间段内，PWM波形为正值，在Q1关闭，Q2导通的时间段内，PWM波形为0。电感电压Von＝Vin-VQ1-VO,Voff＝Vo-VQ2。
基于上面的分析以及公式推导，将具体测量以下参数。第一运算放大器测量电源输出电压Vo，第二运算放大器测量电感输入电压VL_in，第三运算放大器测量电源输入电压Vin；所以电感两端电压VL可以按照下式计算：
VL＝VL_in-Vo 公式13
其中，第一开关元件导通时间Ton可以从PWM模块中读出，这样利用公式12即可计算出电源输出电流Io：
Figure BDA0002634423460000141
在一种可能的实现方式中，根据伏秒积、电感值以及电流纹波特征参数，计算得到电流信号之后，获取脉冲宽度调制模块的工作频率。获取电流信号与电源输出电压值之间的第四乘积；将第四乘积与工作频率之间的比值，作为输出功耗值。
在一种可能的实现方式中，根据伏秒积、电感值以及电流纹波特征参数，计算得到电流信号之后，获取电源输入电压值以及脉冲宽度调制模块的工作频率。获取电源输入电压值、导通时长以及工作频率之间的第五乘积；将电源输出电压值与第五乘积之间的比值，作为电源效率值。
举例来说，计算输出功率Po和Wo：
Po＝Io·Vo 公式15
Figure BDA0002634423460000142
由于，电源输入电流Iin等于第一开关元件导通期间电流的PWM周期的平均：
Figure BDA0002634423460000143
因此，PWM模块工作在连续导通模式下的电源效率η：
Figure BDA0002634423460000144
请参见图7，图7为本申请实施例所提供的一种PWM模式下电压采样时序图。如图7，当硬件控制模块接收到PWM模块发送的开关信号时，硬件控制模块控制模数转换模块自动采样，触发模数转换模块开始采样的时刻为第一开关元件刚开始导通的时刻。在一个测量周期内，PWM的周期不变，即T＝1/f＝Ton+Toff，每个PWM周期内，第一开关元件导通，则第二开关元件关闭；第一开关元件关闭，则第二开关元件导通。
上面的分析和计算是基于buck降压电路工作在连续导通模式，但是当负载变小到一定程度占空比将会非常小，如果仍然工作在连续导通模式，效率也会大大降低，此时可以切换到脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)模式。请参见图8，图8为本申请实施例所提供的一种PFM模式下的电流测量方法的流程示意图。该方法包括但不限于如下步骤S810～S840，步骤S810～S840是上述图4对应实施例中的步骤S430的一个具体实施例：
步骤S810：获取电感输入电压值与电源输出电压值之间的差值。
步骤S820：将所述差值与导通时长相乘，得到伏秒积。
步骤S830：获取电感元件的电感值以及脉冲数量。
步骤S840：根据伏秒积、电感值以及脉冲数量，计算得到电流信号。
在一种可能的实现方式中，脉冲调制模块包括脉冲频率调制模块。硬件控制模块从脉冲调制模块控制第一开关元件处于导通状态开始到达测量周期时，控制脉冲频率调制模块获取脉冲数量，并将脉冲数量发送给中央处理模块；中央处理模块对硬件控制模块在同一时间段获取到的导通时长、电感输入电压值以及电源输出电压值进行处理，得到针对时间段的电感元件的伏秒积；将针对各个时间段的伏秒积进行平均运算，得到平均伏秒积。
在一种可能的实现方式中，脉冲调制模块包括脉冲频率调制模块。中央处理模块根据平均伏秒积、测量周期、脉冲数量、电感的电感值以及电源输出电压值，计算得到电流信号。
在一种可能的实现方式中，中央处理模块获取脉冲数量与平均伏秒积的平方之间的第二乘积；获取电源输出电压值、所述电感值以及测量周期之间的第三乘积；将第二乘积与第三乘积之间的比值的一半，作为电流信号。
举例来说，PFM模式下工作在非连续导通，所以上面推导的有些公式不可以直接使用，但是电感基本方程仍然成立。
Figure BDA0002634423460000151
于是计算一个脉冲周期内的电感平均电流IL_avg：
Figure BDA0002634423460000152
一个脉冲周期内的提供的能量w：
Figure BDA0002634423460000161
因为电感的总的脉冲能量WL等于输出的能量Wo，所以计算N个脉冲的能量和除以总的时间和电压就可以计算出输出平均电流Io：
WL＝Wo
Figure BDA0002634423460000162
Figure BDA0002634423460000163
(t：包含N个脉冲的测量周期)
请参见图9，图9为本申请实施例所提供的一种PFM模式下电压采样时序图。如图9，在一个测量周期t内，第一开关元件导通了4次，与PWM模式下电压采样时序图不一样的是，存在第一开关元件与第二开关元件均关闭的时间段，着这段时间段内，由于电感放电完毕，因此输出电流为0，此时间段内电容向负载放电。同样的，当硬件控制模块接收到PFM模块发送的开关信号时，硬件控制模块控制模数转换模块自动采样，触发模数转换模块开始采样的时刻为第一开关元件刚开始导通的时刻。
在一种可能的实现方式中，脉冲调制模块包括脉冲频率调制模块。中央处理模块在通过电流算法对伏秒积进行处理，得到电流信号之后，根据电源输出电压值、测量周期、脉冲数量、所述导通时长以及电源输入电压值，得到电源效率值。
在一种可能的实现方式中，脉冲调制模块包括脉冲频率调制模块。中央处理模块获取电源输出电压值与测量周期之间的第六乘积；获取脉冲数量、导通时长以及电源输入电压值之间的第七乘积；将第六乘积与第七乘积之间的比值，作为电源效率值。
举例来说，PFM模块工作在非连续导通模式下的电源效率η：
Figure BDA0002634423460000164
以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种电源设备，包括：
DC-DC转换器，所述DC-DC转换器包括：
电感元件，用于向输出端供电；
第一开关元件，用于响应于开关信号向所述电感元件供电；
控制器，用于向所述第一开关元件提供所述开关信号，并且获取所述电感元件的电压信号，其中，所述电压信号包括所述电感元件的输入电压信号与输出电压信号，所述控制器，还用于：
获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值；
基于所述电压信号、所述电感值以及所述开关信号，确定所述电感元件的电流信号。
2.如权利要求1所述的电源设备，其特征在于，所述控制器在获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值时，包括：
根据所述电流纹波特征参数、所述电感元件的压降以及所述开关信号的周期，确定所述电感值。
3.如权利要求1所述的电源设备，其特征在于，所述控制器还用于：
获取所述电感元件的电流在指定负载的条件下的交流幅值；
基于所述交流幅值，确定所述电流纹波特征参数，进而确定所述电感元件中的电流信号。
4.如权利要求3所述的电源设备，其特征在于，所述控制器在基于所述交流幅值，确定所述电流纹波特征参数，进而确定所述电感元件中的电流信号之后，还包括：
获取电源输出电压值，并根据所述电源输出电压值、所述电流信号以及所述开关信号的周期，确定所述电源设备的输出功耗和/或电源效率。
5.如权利要求1所述的电源设备，其特征在于，所述控制器还包括：中央处理模块、硬件控制模块、模数转换模块以及脉冲调制模块，其中：
所述脉冲调制模块与所述硬件控制模块连接，所述脉冲调制模块用于在控制所述第一开关元件处于导通状态时，向所述硬件控制模块发送开关信号；
所述硬件控制模块分别与所述模数转换模块和所述中央处理模块连接，所述硬件控制模块用于响应所述开关信号并获取所述电感元件的电压信号，其中，所述电压信号包括所述电感元件的输入电压信号与输出电压信号；
所述硬件控制模块，还用于将所述电压信号以及所述开关信号发送给所述中央处理模块；
所述中央处理模块，用于：
获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值；
基于所述电压信号、所述电感值以及所述开关信号，确定所述电感元件的电流信号。
6.如权利要求5所述的电源设备，其特征在于，所述脉冲调制模块包括脉冲频率调制模块；
所述脉冲频率调制模块，用于在控制所述第一开关元件处于导通状态时，向所述硬件控制模块发送PFM信号。
7.如权利要求5所述的电源设备，其特征在于，所述脉冲调制模块包括脉冲宽度调制模块；
所述脉冲宽度调制模块，用于在控制所述第一开关元件处于导通状态时，向所述硬件控制模块发送PWM信号。
8.一种电源芯片，包括：
输出模块，其包括第一开关元件和第二开关元件，其中，所述输出模块经由外部耦合至所述电源芯片的电感元件向负载供电；
控制模块，用于向所述第一开关元件提供开关信号，并且获取所述电感元件的电压信号，其中，所述开关信号用于使得所述第一开关元件响应于所述开关信号向所述电感元件供电，所述电压信号包括所述电感元件的输入电压信号与输出电压信号，所述控制模块，还用于：
获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值；
基于所述电压信号、所述电感值以及所述开关信号，确定所述电感元件的电流信号。
9.如权利要求8所述的电源芯片，其特征在于，所述控制模块在获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值时，包括：
根据所述电流纹波特征参数、所述电感元件的压降以及所述开关信号的周期，确定所述电感值。
10.如权利要求8所述的电源芯片，其特征在于，所述控制模块还用于：
获取所述电感元件的电流在指定负载的条件下的交流幅值；
基于所述交流幅值，确定所述电流纹波特征参数，进而确定所述电感元件中的电流信号。
11.如权利要求10所述的电源芯片，其特征在于，所述控制模块在基于所述交流幅值，确定所述电流纹波特征参数，进而确定所述电感元件中的电流信号之后，还包括：
获取电源输出电压值，并根据所述电源输出电压值、所述电流信号以及所述开关信号的周期，确定所述电源设备的输出功耗和/或电源效率。
12.一种电流测量方法，其特征在于，应用于电源芯片，所述电源芯片包括：输出模块以及控制模块，其中，所述输出模块包括第一开关元件和第二开关元件，所述输出模块经由外部耦合至所述电源芯片的电感元件向负载供电，所述方法包括：
向所述第一开关元件提供开关信号，并且获取所述电感元件的电压信号，其中，所述开关信号用于使得所述第一开关元件响应于所述开关信号向所述电感元件供电，所述电压信号包括所述电感元件的输入电压信号与输出电压信号；
获取所述电感元件的电流纹波特征参数，并基于所述电流纹波特征参数确定所述电感元件的电感值；
基于所述电压信号、所述电感值以及所述开关信号，确定所述电感元件的电流信号。
13.一种终端设备，其特征在于，包括处理器、存储器和通信接口，所述处理器、所述存储器和所述通信接口相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如权利要求12中所述的电流测量方法。
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