CN112994454A - 电感器分组增强电流传感 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括一个MOSFET、一个耦合到MOSFET上的控制器、一个导电耦合到MOSFET上的电感器。根据固定属性值的电感器属性的预定偏移，调节控制器所报告的电流输出。

Description

电感器分组增强电流传感
技术领域
本发明的各个方面主要涉及功率调制器，更确切地说是涉及功率监控和功率调制器的内部控制。
背景技术
在电子学中，分组是根据电气部件或器件的一个或多个特性将一个生产批次的电气部件或器件进行分别归类的过程。例如，多核中央处理单元(cpu)可以基于时钟速度能力被分组。器件也可以以单个特性分组，作为生产批次的合格或不合格指标。对于电感器，直流电阻(DCR)可用于判定同一生产批次中的器件通过或不通过。例如，当平均DCR满足生产规格时，DCR值在一生产批次的平均DCR之外有两个或两个以上标准偏差的电感器，可以作为废料进行丢弃和回收，因为它们不能满足基本规格。此外，在部件或器件的生产过程中，可能存在材料质量或制造方面的问题，导致部件或器件的平均特性不符合规格。这被称为生产位移，并导致低于预期的组件或器件产量。
通常来说，选择组件或器件的规格是为了确保在系统中工作时，与其他组件或器件兼容。规格限值的设定为系统中的每个器件创建一个基线工作条件，并创建一个工作窗口，在该窗口中组件或器件可以可靠地实现适当的操作。组件或器件不能在规格内可靠运行通常被视为组件故障，系统中的其他组件或器件由于超出规格的操作而不能可靠运行。虽然器件规格确保了兼容性，但它们也增加了器件或组件的成本，因为严格的规格要求可能需要更严格的材料和制造控制。
对于开关模式稳压器来说，一个关键的规格是电压误差，其中指定开关模式调节器，在一定的误差约束下产生所需的电压。例如，开关模式电源可能需要提供5伏电压，误差为+/-0.05伏。为了达到此电压误差规格，开关模式调节器制造商可能要求电源内的每个组件都在一定的DCR值范围内。超出此范围的器件将被视为不符合规格并丢弃。丢弃不合规格的电感器，会增加功率调制器的整体价格。
正是在这一前提下，提出了本发明的各种实施例。
发明内容
本发明公开了一种装置，包括：一个MOSFET；一个控制器，耦合到MOSFET上；一个电感器，导电耦合到MOSFET上，其中根据电感器的直流电阻(DCR)值从一固定的DCR值的预定偏移，来调节控制器报告的电流增益。
其中，控制器包括一个电压传感元件，通过配置，测量电感器上的电压，并且根据测得的电感器上的电压，调节一下降系数应用到输出电压上。
其中，还包括一个耦合到控制器上的电阻器，其中配置控制器，根据电阻器的电阻，改变下降系数。
其中，还包括一个增益值确定单元，耦合到控制器上，通过配置，应用增益在报告的电流上。
其中，增益值确定单元被配置成根据管脚之间的短路，将所选择的增益应用于所报告的电流。
其中，增益值确定单元被配置成从耦合到增益值确定单元的电阻器确定所选增益应用于报告的电流。
其中，还包括一个耦合到增益值确定单元上的存储器，其中配置存储器，存储和交流信息，并根据所交流的信息，将所选择的增益应用到所报告的电流上。
其中，信息被编码在表示电感器的DCR值从固定值偏移的电感器上，并且其中增益值确定单元被配置成从被配置为识别该信息的代码扫描器，接收在该电感器上编码的信息。
其中，还包括一个耦合到所述控制器上的存储器，其中所述控制器被配置为基于所述存储器中存储的与所述电感器的固定属性值的偏移相关的数据，来读取所述存储器并调整所报告的电流。
本发明还公开了一种用于调制稳压器的方法，包括：确定稳压器中电感器的直流电阻(DCR)值从一固定DCR值的偏移；并且利用该电感器的DCR值从该固定DCR值的偏移，修正稳压器的运行。
其中，修正稳压器的运行包括调制由稳压器报告的电流。
其中，修正稳压器的运行包括测量电感器上的电压，并根据测得的电压，对目标调制电压应用一下降系数。
附图说明
阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本发明的其他特征和优势将显而易见：
图1A表示依据本发明的各个方面，电感器值分布的一个示例的示意图。
图1B表示依据本发明的各个方面，功率调制器的一种调制方法的框图。
图2表示依据本发明的各个方面，功率调制器的另一种调制方法的框图。
图3表示依据本发明的各个方面，一种功率调制器装置的示意图，该功率调制器装置具有通过管脚跳线调谐的输出电流报告的控制器。
图4表示依据本发明的各个方面，一种可选的功率调制器装置的示意图，该功率调制器装置具有通过电阻器调谐的输出电流报告的控制器。
图5表示依据本发明的各个方面，一种功率调制器的另一个实施例的示意图，该功率调制器具有通过内存调谐的输出电流报告的控制器。
图6表示一种功率调制器的另一个示例的示意图，该功率调制器具有从编码信息调谐的输出电流报告的控制器。
具体实施方式
虽然为了解释说明，以下详细说明中含有许多典型细节，但是本领域的技术人员应理解依据以下细节做出的修改和变化都属于本发明的范围内。因此，以下说明的典型实施例，并不会对所要求保护的发明造成任何一般性损失，并且不对所要求保护的发明施加任何限制。
根据本发明的说明书，可以是有利地使用传统上认为超出规格范围的电感器，制造出能在整个器件规格指标范围内工作的稳压器。当生产位移使一个生产批次的很大一部分电感器根据传统规格不能使用时，使用传统的不符合规格的电感器将降低功率调制器器件的整体价格，并可以增加部件的可获得性。
如上所述，在生产过程中，电感器通常使用DCR作为定义属性进行分组。电感器制造商可基于电感器属性相对于标称值的预定偏移，来销售和/或标记电感器。在这里，偏离标称DCR值的偏差可以用电阻单位测量，例如欧姆或毫欧姆(mOhm)，也可以是相对测量值，例如百分比。
通常来说，电感器制造商可以选择只销售高于或低于额定DCR值一定百分比的电感器。他们也可能销售比这个范围更广的电感器，但某些客户，例如稳压器制造商，往往愿意为更紧密的分部支付溢价。更紧密的分部确保稳压器制造商能够直接使用电感器，而无需在生产过程中调整电感器的DCR。相反，这也意味着电感器制造商需要找到准备购买DCR值超出更严格范围的电感器的客户。如果这是不可能的，电感器往往最终作为废料浪费，为了弥补这种浪费，往往推高了电感器的成本。电感器制造商可能会给许多电感器贴上与标称DCR值偏差范围的标签，但是这些信息不会被稳压器制造商使用，因为当前的实际作法是确保大多数电感器适合其用途。例如，制造商可以将DCR值在标称值±5％范围内的电感器分组，并以较低的价格出售更大范围(例如±8％或±10％)的DCR值的电感器。然而，即使在±5％的分组范围内，稳压稳压器制造商也可能无法满足其产品规格。
电感器的DCR误差将导致稳压器报告的电流输出产生误差。使用一个称为电压下降的指标，该电流水平可用于相对标称值(nominal_VOUT_target)调整稳压器的目标输出电压(VOUT_target)，该电压下降的指标与随着电流负载Iout增加而降低的VOUT_目标值相关，如下式所示：
VOUT_target＝nominal_VOUT_target–Rdroop*Iout
在上述方程式中，Rdroop有时也称为“下降系数”，是下降函数的增益。如上所述，负载电流Iout有时需要被监控，以便将电压下降考虑在内。
在理想情况下，为稳压器输入PID控制器的下降项增益，将与电感器的精确的DCR稳压器的其他元件相匹配，以确保精确的电压输出。对于稳压器制造商来说，为了自动校准而测试每个电感器的DCR在经济上是不可行的，有时终端电路本身也不可能这样做，因此制造商只依赖于由电感器制造商执行的通用通过/失败分组。
根据本发明的各个方面，可以基于电感器的属性偏离标称属性值，来选择功率控制器的下降函数和输出电流报告的增益，以确保准确的电流输出，并降低稳压器的成本。通过这种方式，稳压器制造商可以利用电感器制造商已经提供的信息，并通过使用通常被认为不太理想的电感器来降低成本。
方法
电感器的DCR通常很小，但它会影响电流调节的精度。图1B表示根据本发明的各个方面，用于调谐稳压器的方法。接收电感器生产批次的稳压器制造商可对102批次的电感器的DCR值进行统计分析，以确定例如但不限于平均DCR、中值DCR、DCR范围、DCR模式、标称DCR值等值。或者，电感器制造商可以执行这些统计分析，并提供给稳压器生产商。在生产批次的统计分析期间或之后，如103所示，可以确定每个电感器相对于固定DCR值的偏移。
DCR的测定可使用一个试验装置进行，该试验装置使已知电流通过电感器，并监测电压降，以根据欧姆定律确定电感器的电阻。生产批次中的每个电感器都可以通过这种方式确定其DCR，然后可以选择性地对整个电感器生产批次进行统计分析。
传统的分组是将电感器分成不同紧密度规格的分布(例如±5％、±8％)，但它不允许分布中心值偏移。此外，使用标准偏差作为衡量标准可能也不是特别有用。通常来说，标准差同时适用于相对于平均值的正方向和负方向。另外，制造商通常不会泄露关于分布标准差的信息。根据本发明的各个方面，以电感器平均DCR(即电感器制造商确定为其数据表上分布平均值的DCR值)的百分比带来描述值的范围更有用。在可选实施例中，值的范围可以用毫欧的绝对值来描述。
图1A表示根据固定值DCR0和偏移增量Δ，分为三个范围的分布的示例。在本示例中，第一个范围11包含DCR0-3Δ到DCR0-Δ之间的值，第二个范围12包含DCR0-Δ和DCR0+Δ之间的值，第三个范围13包含DCR0+Δ和DCR0+3Δ之间的DCR值。通过数值例子，给出了一批具有固定值DCR0为1.00毫欧和偏移增量Δ为0.03毫欧的电感器的DCR分布，DCR值在0.91毫欧到1.09毫欧之间，即偏移范围为±0.09毫欧或±9％。在这个数值示例中，第一组11的上述范围内的DCR值为0.91毫欧至0.97毫欧，第二组12为0.97至1.03毫欧，第三组13为1.03至1.09毫欧。这与-9％至-3％、-3％至+3％和+3％至+9％的偏移范围相同，在使用±9％电感器时，在所有的情况下，增益调整后的精确度都将达到±3％。
电感器的DCR相对于固定DCR值的偏移，可以通过示例和不受限制地根据与标称DCR的标准偏差、来自标称DCR的分组、百分位等来定义。在确定了电感器的DCR与固定DCR值的偏移之后，电感器可以与其他组件一起安装，以便形成稳压器，如104所示。具体地说，该电感器可以连接到一个或多个晶体管、电容器和控制器，所述控制器可以包括比例积分和微分控制器(PID)、脉冲宽度调制信号发生器(PWM)和单独或一起封装为一个或多个离散封装的栅极驱动器。
如105所示，在安装之前、之后或期间，可以根据DCR相对于固定DCR值的预定偏移，来调谐控制器。参照上述公式，可在将测量电流Iout的增益(Rdroop)用于增加标称目标电压的降速(也就是说，从标称目标电压Nominal_VOUT_target成比例地降低Vout)或简单地报告准确的电流电平之前，进行调节。
图2表示根据本发明的各个方面，用于调谐稳压器的另一方法。在本实施例中，第三方制造并测试了该电感器。因此，如201所示，稳压器制造商可以简单地从电感器生产商那里接收电感器。在将电感器运送到制造商之前，电感器生产商对电感器进行测试和分组装箱，以确保电感器分组箱具有足够紧密的分部，以满足稳压器制造商的规格要求。使用根据本发明各个方面所述的方法，稳压器制造商可以使用在传统情况下由电感器生产商回收的电感器，来制造稳压器。稳压器制造商可以利用电感器制造商已经形成的分组数据来选择控制器的增益，从而使用这些传统意义上不符合规格的部件。电感器制造商可以提供电感器固定DCR值的DCR偏移量。如202所示，稳压器制造商可使用该信息来确定电感器的DCR值相对于固定DCR值的偏移。稳压器制造商可以使用该信息在203处调谐稳压器中的控制器。可以通过修改控制器的增益来调整控制器。
此外，电感器制造商可以制定其电感器分组，以满足稳压器制造商的新要求。可以改变分组系统，以便对控制器进行更精确的调整。根据本发明的各个方面，可以调整每个分组的宽度和中心，以便稳压器可以使用来自整个分布的电感器。
器件
图3表示根据本发明的各个方面，具有通过管脚跳线调谐的控制器的稳压器器件。稳压器可以包括一个或多个晶体管电子开关Q1、Q2、电感器L0、电容器C0、控制器301和晶体管驱动器306。应当注意的是，尽管图3中所示的实施例配置有两个晶体管电子开关，如MOSFET，但是本发明的范围并不如此有限，仍然可以用一个二极管代替一个晶体管，并且可以用其他电子开关代替所有晶体管，例如且不限于真空管五极管、三极管、继电器等。此外，尽管图3中表示出了一个单相位调制器，但是本发明的各个方面还包括涉及多相调节器的实施例。
在运行期间，电子开关、晶体管Q1和Q2可由在其栅极处接收到的来自驱动器305的电信号来控制。驱动器305可以从控制器301接收控制信号。如图所示，控制器可以包括脉宽调制信号发生器302、传感和报告电路303和增益值确定单元304。传感和报告电路303包括传感穿过电感器L0的电压的传感元件306，以及根据传感的电压确定电流输入并报告的电流报告元件308。增益值确定单元304可以被配置成确定要应用于感应电流Iout上的增益Rdroop，该增益Rdroop用于根据上述下降函数，来设定输出电压的目标值。在某些实施例中，这可能仅限于报告电流Iout，并且不会对VOUT的目标值产生影响。另外，控制器可以在电感器L0和电容器C0之后，接收反馈307。本发明的各个方面不必要求在电感器L0之前必须包括单独的电流传感元件，该电感器L0传送与流入电感器的电流成比例的信号。相反，可以使用电感器L0的二次特性，即DCR来测量电流，而不必添加附加元件。
在所描述的实施例中，增益值确定单元304由稳压器制造商使用基于相对于固定DCR值的偏移，而划定的管脚之间的管脚跳线305来设定。在所描述的示例中，偏移以任意单位表示，跨接器将引脚接地，表明所安装的电感器来自与生产批次的固定DCR值偏离+1单位的分组。为了实现这一点，增益值确定单元304可以将观察L0的电流报告电路中的适当增益值Rdroop应用于传感/报告电路303中的放大器，并且随后将增益设定为所安装的电感器的适当电平。由传感/报告电路303生成的信号，随后被发送到PWM发生器302，在那里它被转换成脉冲宽度调制信号，并被传送到驱动器305。
虽然控制器301和驱动器306被表示为单独的离散组件，但是在一些实施例中，它们可以实现为一个单独的封装。另外，在其它实施例中，传感/报告电路303、PWM 302和增益值304确定组件，可以是独立的离散单元或集成电路。
图4表示根据本发明的各个方面，具有用电阻器402调谐的控制器403的一种可选稳压器装置。在该实施例中，所描绘的实施例可以使用输入管脚和接地管脚之间的电阻器402来设定增益值确定单元。电阻器可以根据电感偏离固定DCR的DCR值来选择电阻。当向其施加固定的电流或电压时，所产生的通过电阻器402的电压降/电流，可由增益值确定单元401解码，并用于将适当的增益施加到电流报告元件308。还可选择，增益值确定单元401可以包括以模拟的方式，使用电阻器来定义增益，而不需要对其进行解码的电路。可以通过向增益电流报告元件308中的放大器提供电流，来应用适当的增益。可以选择增益值确定单元401的离散增益值，以匹配与固定DCR值的偏移的不同分组。例如，离散值可以表示从固定DCR值偏移的-2、-1、0、1和+1单位补偿的增益值。
图5表示具有从存储器调谐的控制器503的稳压器的另一个实施例。如图所示，使用存储器502设定增益值确定单元501。存储器可以保存表示所安装的电感器L0的DCR偏离固定DCR值的信息。增益值确定单元501可以被配置成从存储器中读取该信息，并将该值转换为相应的适当增益，并将该增益应用于电流报告元件308。适当的增益可以通过向电流报告元件中的放大器提供电流来应用。增益值确定单元501的电路可以被配置成基于存储器中存储的信息，将离散增益值应用到电流报告元件308上。
仅作为示例，但不作为局限，增益值确定单元可以包括一个存储器单元，所述存储器单元具有非瞬态表，所述表包含与所述固定DCR值的电感器的DCR偏移相对应的增益值。该表可任选地包含附加信息，例如且不限于，取决于诸如部件序列号、生产批号、电感器制造商、电感器生产日期等变量的不同增益值。相应地，存储器502可以任选地包含关于所安装电感器的附加信息，例如但不限于，零件序列号、生产批号、电感器制造商、电感器生产日期等。存储器本身可以是被配置成以编码形式保留信息的任何此类装置，例如且不限于，磁荷状态、晶体管状态、二极管配置，光干涉图等。存储器的一些示例包括但不局限于，EEPROM、EPROM、PROM或NVRAM。具有关于电感器信息的电感器制造商可以编程存储器502；还可选择，利用电感器制造商提供的信息，稳压器生产商可以编程存储器。
图6表示带有从代码605调谐的控制器603的功率调节器的另一个示例，该代码在其中进行了编码，表示电感器的DCR偏离固定DCR值的偏移信息。如图所示，控制器可以选择性地耦合到代码扫描器604上。这样的配置在电感器上存在条形码或其他指示符的情况下是有用的，这些标记可以被读取然后存储在存储器中。代码扫描器604可以被配置成在材料表面上，以光学方式检测编码为交替的深色和浅色区域的信息。仅作为示例，但不作为局限，代码605可以位于电感器L0附近的任何地方，代码605可以打印在电感器L0上、电感器附近的贴纸上、或以其他方式包括在电感器中。仅作为示例，但不作为局限，条码扫描器604可以是条形码扫描器或其它光学码扫描器，例如QR码扫描器，而码605可以是对应的码，例如条形码或QR码。
在调谐过程中，控制器603可以耦合到代码扫描器604可以读取代码605。代码扫描器可以将该信息传送到控制器603，其中增益值确定单元601可以被配置为从条形码扫描器接收该信息，并将该信息转换为适当的对应增益。增益值确定单元可以基于所述信息将适当的增益水平应用于电流报告元件308。增益值确定单元601的电路可以被配置成基于从条形码扫描器604接收到的信息来应用离散增益值。另外，控制器603可以(可选地)配置为包括存储器602。存储器602可以被配置成存储来自条形码扫描器604读取的条形码605的信息。存储器的增加使得控制器能够在条形码605和/或条形码扫描器604不再存在的情况下保留信息。
本发明的各个方面允许传统意义上被认为不符合规格的电感器，应用于在整体器件规格指南内工作的功率调节器中。使用这种不合规格的电感器将降低功率调节器器件的总体成本，并允许增加原本可能的部件可用性。或者，这可以用来允许器件规格被收紧到通常在经济上不可行的水平。
尽管本发明关于某些较佳的版本已经做了详细的叙述，但是仍可能存在其他版本。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)分组。在以下权利要求中，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和功能的局限。权利要求书中没有进行特定功能的精确指明的任何项目，都应理解为所述的“意义是”。

Claims (12)

1.一种装置，包括：
一个MOSFET；
一个控制器，耦合到MOSFET上；
一个电感器，导电耦合到MOSFET上，其中根据电感器的直流电阻(DCR)值从一固定的DCR值的预定偏移，来调节控制器报告的电流增益。
2.权利要求1所述的装置，其中控制器包括一个电压传感元件，通过配置，测量电感器上的电压，并且根据测得的电感器上的电压，调节一下降系数应用到输出电压上。
3.权利要求2所述的装置，还包括一个耦合到控制器上的电阻器，其中配置控制器，根据电阻器的电阻，改变下降系数。
4.权利要求1所述的装置，还包括一个增益值确定单元，耦合到控制器上，通过配置，应用增益在报告的电流上。
5.权利要求4所述的装置，其中增益值确定单元被配置成根据管脚之间的短路，将所选择的增益应用于所报告的电流。
6.权利要求4所述的装置，其中增益值确定单元被配置成从耦合到增益值确定单元的电阻器确定所选增益应用于报告的电流。
7.权利要求4所述的装置，还包括一个耦合到增益值确定单元上的存储器，其中配置存储器，存储和交流信息，并根据所交流的信息，将所选择的增益应用到所报告的电流上。
8.权利要求4所述的装置，其中信息被编码在表示电感器的DCR值从固定值偏移的电感器上，并且其中增益值确定单元被配置成从被配置为识别该信息的代码扫描器，接收在该电感器上编码的信息。
9.权利要求1所述的装置，还包括一个耦合到所述控制器上的存储器，其中所述控制器被配置为基于所述存储器中存储的与所述电感器的固定属性值的偏移相关的数据，来读取所述存储器并调整所报告的电流。
10.一种用于调制稳压器的方法，包括：
确定稳压器中电感器的直流电阻(DCR)值从一固定DCR值的偏移；并且
利用该电感器的DCR值从该固定DCR值的偏移，修正稳压器的运行。
11.权利要求10所述的方法，其中修正稳压器的运行包括调制由稳压器报告的电流。
12.权利要求10所述的方法，其中修正稳压器的运行包括测量电感器上的电压，并根据测得的电压，对目标调制电压应用一下降系数。
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