CN113589033A - 功率信号检测电路和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种功率信号检测电路和方法。该功率信号检测电路包括：第一转换模块，被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成脉宽调制信号，其中，脉宽调制信号的占空比与第一信号的大小线性相关；第二转换模块，被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第二信号生成表征电压信号，其中，表征电压信号的大小与第二信号的大小线性相关；以及低通滤波模块，被配置为基于脉宽调制信号和表征电压信号，生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，输入功率信号是指输入电压信号和输入电流信号相乘产生的功率信号。

Description

功率信号检测电路和方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种功率信号检测电路和方法。
背景技术
传统的功率信号检测是分别检测电压信号和电流信号，再用模拟乘法器对电压信号和电流信号做乘法运算来得出功率信号。图1示出了传统的功率信号检测电路的工作原理示意图。传统上，应用较为广泛的变跨导模拟乘法器基于差分三极管运放设计，具有电路设计复杂、线性范围小、噪声大、温度稳定性差等缺点。
发明内容
鉴于传统的模拟乘法器存在的缺陷，本发明提供了一种功率检测电路和方法。
根据本发明第一方面实施例的功率信号检测电路包括：第一转换模块，被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成脉宽调制信号，其中，脉宽调制信号的占空比与第一信号的大小线性相关；第二转换模块，被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第二信号生成表征电压信号，其中，表征电压信号的大小与第二信号的大小线性相关；以及低通滤波模块，被配置为基于脉宽调制信号和表征电压信号，生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，输入功率信号是指输入电压信号和输入电流信号相乘产生的功率信号。
根据本发明第二方面实施例的功率信号检测电路包括：第三转换模块，被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成计时方波信号，其中，计时方波信号处于第一电平的时长与第一信号的大小线性相关；第四转换模块，被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第二信号生成表征电流信号，其中，表征电流信号的大小与第二信号的大小线性相关；以及电容充放电与电压采样模块，被配置为基于计时方波信号和表征电流信号，生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，输入功率信号是指输入电压信号和输入电流信号相乘产生的功率信号。
根据本发明第三方面实施例的功率信号检测方法，包括：基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成脉宽调制信号，其中，脉宽调制信号的占空比与第一信号的大小线性相关；基于输入电压信号和输入电流信号中的第二信号生成表征电压信号，其中，表征电压信号的大小与第二信号的大小线性相关；以及基于脉宽调制信号和表征电压信号，通过低通滤波方式生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，输入功率信号是指输入电压信号和输入电流信号相乘产生的功率信号。
根据本发明第四方面实施例的功率信号检测方法，包括：基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成计时方波信号，其中，计时方波信号处于第一电平的时长与第一信号的大小线性相关；基于输入电压信号和输入电流信号中的第二信号生成表征电流信号，其中，表征电流信号的大小与第二信号的大小线性相关；以及基于计时方波信号和表征电流信号，通过电容充放电与电压采样方式生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，输入功率信号是指输入电压信号和输入电流信号相乘产生的功率信号。
根据本发明实施例的功率信号检测电路和方法将电压信号与电流信号的乘积转换成电压信号与脉宽调制信号的占空比的乘积或者电流信号与时间的乘积，省去了传统的模拟乘法器，简化了电路设计，提升了功率信号检测的线性范围和稳定性。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
图1示出了传统的功率信号检测电路的工作原理示意图。
图2示出了根据本发明第一方面实施例的功率信号检测电路的框图。
图3A示出了图2所示的功率信号检测电路的第一实现方式的框图。
图3B示出了图2所示的功率信号检测电路的第二实现方式的框图。
图4示出了与图3A所示的电压-占空比转换模块有关的多个信号的波形示意图。
图5示出了图3A所示的低通滤波模块的电路示意图。
图6示出了与图3A所示的低通滤波模块有关的多个信号的波形示意图。
图7示出了应用图3A所示的功率信号检测电路的反激式开关电源的结构示意图。
图8示出了根据本发明第二方面实施例的功率信号检测电路的框图。
图9A示出了图8所示的功率信号检测电路的第一实现方式的框图。
图9B示出了图8所示的功率信号检测电路的第二实现方式的框图。
图10示出了与图9A所示的电压-时间转换模块有关的多个信号的波形示意图。
图11示出了图9A所示的电容充放电与电压采样模块的电路示意图。
图12示出了与图9A所示的电容充放电与电压采样模块有关的多个信号的波形示意图。
图13示出了应用图9A所示的功率信号检测电路的反激式开关电源的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件、和算法的任何修改、替换、和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
为了避免采用传统的模拟乘法器，本发明提出了一种功率信号检测电路和方法，通过将电压信号与电流信号的乘积转换成电压信号与脉宽调制信号的占空比的乘积或者电流信号与时间的乘积来获取功率相关信号，可以更便捷、精确地为功率比较模块、功率转换模块、或者基于功率信号进行性能补偿等的其他电路模块提供功率相关信息。
图2示出了根据本发明第一方面实施例的功率信号检测电路200的框图。如图2所示，功率信号检测电路200包括第一转换模块202、第二转换模块204、以及低通滤波模块206，其中：第一转换模块202被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成脉宽调制信号，其中，脉宽调制信号的占空比与第一信号的大小线性相关；第二转换模块204被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第二信号生成表征电压信号，其中，表征电压信号的大小与第二信号的大小线性相关；以及低通滤波模块206被配置为基于脉宽调制信号和表征电压信号，生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，输入功率信号是指输入电压信号和输入电流信号相乘产生的功率信号。
根据本发明第一方面实施例的功率信号检测电路200将电压信号与电流信号的乘积转换成电压信号与脉宽调制信号的占空比的乘积，省去了传统的模拟乘法器，简化了电路设计，提升了功率信号检测的线性范围和稳定性。
在一些实施例中，第一转换模块202可以被配置为基于第一信号，利用锯齿波信号生成脉宽调制信号，其中，锯齿波信号具有固定斜率和固定频率。
在一些实施例中，锯齿波信号的大小在第一阈值和第二阈值之间变化，并且当第一信号为输入电压信号时：在锯齿波信号的大小在第一信号的大小和第一阈值之间的时段中，脉宽调制信号处于第一电平；在锯齿波信号的大小在第一信号的大小和第二阈值之间的时段中，脉宽调制信号处于第二电平。
在一些实施例中，当第一信号为输入电流信号时，第一转换模块可以被配置为利用阻值固定的电阻性组件，基于输入电流信号生成输入电流表征电压，并基于输入电流表征电压生成脉宽调制信号。在这种情况下，锯齿波信号的大小在第三阈值和第四阈值之间变化，并且：在锯齿波信号的大小在输入电流表征电压的大小和第三阈值之间的时段中，脉宽调制信号处于第一电平；在锯齿波信号的大小在输入电流表征电压的大小和第二阈值之间的时段中，脉宽调制信号处于第二电平。
在一些实施例中，当第二信号为输入电压信号时，第二转换模块可以被配置为直接将输入电压信号作为表征电压信号。
图3A示出了图2所示的功率信号检测电路的第一实现方式的框图。如图3A所示，功率信号检测电路200-1包括电压-占空比转换模块202-1(其是第一转换模块202的第一实现方式)、电流-电压转换模块204-1(其是第二转换模块204的第一实现方式)、以及低通滤波模块206，其中：电压-占空比转换模块202-1被配置为基于输入电压信号V1，生成脉宽调制信号PWM_Duty，其中，脉宽调制信号PWM_Duty的占空比与输入电压信号V1的大小线性相关；电流-电压转换模块204-1被配置为基于输入电流信号I1，生成表征电压信号Vin，其中，表征电压信号Vin的大小与输入电流信号I1的大小线性相关；低通滤波模块206被配置为基于脉宽调制信号PWM_Duty和表征电压信号Vin，生成与输入功率信号V1*I1线性相关的表征功率的电压信号VP。
图3B示出了图2所示的功率信号检测电路的第二实现方式的框图。如图3B所示，功率信号检测电路200-2包括电流-占空比转换模块202-2(其是第一转换模块202的第二实现方式)、输入电压检测模块204-2(其是第二转换模块204的第二实现方式)、以及低通滤波模块206，其中：电流-占空比转换模块202-2被配置为基于输入电流信号I1，生成脉宽调制信号PWM_Duty，其中，脉宽调制信号PWM_Duty的占空比与输入电压信号V1的大小线性相关；输入电压检测模块204-2被配置为基于输入电压信号V1，生成表征电压信号Vin，其中，表征电压信号Vin的大小与输入电压信号V1的大小线性相关；低通滤波模块206被配置为基于脉宽调制信号PWM_Duty和表征电压信号Vin，生成与输入功率信号V1*I1线性相关的表征功率的电压信号VP。这里，电流-占空比转换模块202-1可以被配置为先将输入电流信号I1转换为输入电流表征电压，再基于输入电流表征电压生成脉宽调制信号PWM_Duty；输入电压检测模块204-2可以被配置为直接将输入电压信号V1作为表征电压信号Vin。
可以看出，图3A和图3B所示的功率信号检测电路将输入电压信号V1和输入电流信号I1中的一者转换成脉宽调制信号PWM_Duty，将输入电压信号V1和输出电流信号I1中的另一者转换成表征电压信号Vin，基于脉宽调制信号PWM_Duty和表征电压信号Vin通过低通滤波方式即可得到代表输入功率信号V1*I1的电压信号VP。
下面，以图3A所示的功率信号检测电路200-1为例，说明根据本发明第一方面实施例的功率信号检测电路的工作原理。
图4示出了与图3A所示的电压-占空比转换模块有关的多个信号的波形示意图。在图4中，V1是输入电压信号，Ramp是固定斜率和固定频率的锯齿波信号，PWM_Duty是脉宽调制信号。如图4所示，当锯齿波信号Ramp开始从谷值电压向峰值电压Vmax上升时，脉宽调制信号PWM_Duty从低电平变为高电平；当锯齿波信号Ramp上升至输入电压信号V1的大小时，脉宽调制信号PWM_Duty从高电平变为低电平；当锯齿波信号Ramp上升至峰值电压Vmax时，锯齿波信号复位，开始下一个周期。峰值电压Vmax是输入电压信号V1的最大上限值，脉宽调制信号PWM_Duty的占空比Duty为：
Figure BDA0003187754200000061
应该理解的是，电压-占空比转换模块202-1的电路实现方式有多种方式，这里不做详细介绍。
电流-电压转换模块204-1根据等式(2)，基于输入电流信号I1生成表征电压信号Vin：
Vin＝I1×Rfix 等式(2)
其中，Rfix是电流-电压转换模块204-1的已知等效固定电阻。
图5示出了图3A所示的低通滤波模块的电路示意图。图6示出了与图3A所示的低通滤波模块有关的多个信号的波形示意图。结合图5和图6可以看出，当脉宽调制信号PWM_Duty为高电平时，开关S1导通，开关S2断开，表征电压信号Vin通过电压跟随器OP和开关S1传递到电路节点从而生成节点电压Vin_D，此时节点电压Vin_D＝Vin；当脉宽调制信号PWM_Duty为低电平时，开关S1关断，开关S2导通，节点电压Vin_D减小至零。节点电压Vin_D是幅值等于表征电压信号Vin、占空比等于脉宽调制信号PWM_Duty的方波信号。当RC低通滤波器的RC时间常数远大于脉宽调制信号PWM_Duty的周期时，通过对节点电压Vin_D进行RC低通滤波就可以得到节点电压Vin_D的平均电压信号，可以将该平均电压信号作为表征功率的电压信号VP。当表征电压信号Vin不变时，表征功率的电压信号VP跟随脉宽调制信号PWM_Duty的占空比线性变化；当脉宽调制信号PWM_Duty的占空比不变时，表征功率的电压信号VP跟随表征电压信号Vin线性变化，所以有：
VP＝Vin×Duty 等式(3)
联合等式(1)、(2)和(3)，则有
Figure BDA0003187754200000071
其中，P1代表输入电压信号V1和输入电流信号I1的乘积(即，输入功率信号)，Rfix和Vmax是电路内部设定的已知参数。由等式4可知，表征功率的电压信号VP与输入功率信号P1线性相关。
结合图2至图6描述的功率信号检测电路适用于任何需要检测功率的电路应用场合。图7示出了应用图3A所示的功率信号检测电路的反激式开关电源的结构示意图。
在图7所示的反激式开关电源中：当功率开关(例如，MOSFET)Q1处于导通状态时，系统输入电压VIN给变压器T的主电感Lp充电；位于变压器T的副边侧的续流二极管D1关断；输出电容C1给输出负载供电；输出电压Vo经过误差放大与隔离反馈模块反馈给脉宽调制(PWM)控制器；PWM比较器基于反馈电压FB的电阻分压和表征流过变压器T的原边侧的电流的感测电压CS，控制栅极驱动器的输出信号的频率与占空比，以保持输出电压Vo的恒定。当功率开关Q1处于关断状态时，变压器T的主电感Lp消磁；位于变压器T的副边侧的续流二极管D1导通；变压器T的副边电感Ls给输出电容充电并给输出负载供电；输出电压采样模块可以通过DEM引脚采样输出电压Vo，得到与输出电压Vo线性相关的电压信号V1；电压-占空比转换模块202-1将电压信号V1转换成脉宽调制信号PWM_Duty，用以控制低通滤波模块206的开关调制；退磁时间检测模块通过监测DEM引脚处的电压来检测退磁时间Demag；电流检测模块根据感测电压CS和退磁时间Demag，通过积分运算得到表征输出电流的电流信号I1；电流-电压转换模块204-1将电流信号I1转换成表征电压信号Vin；低通滤波模块206通过对脉宽调制信号PWM_Duty和表征电压信号Vin进行调制处理，就能得到表征功率的电压信号VP。表征功率的电压信号VP便于反激式开关电源中的PWM控制器实现功率比较、恒功率控制、高低压过功率保护(OPP)/过流保护(OCP))补偿等诸多功能。在输出电压范围宽、输出功率范围大的开关电源系统中，输出功率检测的应用更广泛。
图8示出了根据本发明第二方面实施例的功率信号检测电路300的示意框图。如图8所示，功率信号检测电路300包括第三转换模块302、第四转换模块304、以及电容充放电与电压采样模块306，其中，第三转换模块302被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成计时方波信号，其中，计时方波信号处于第一电平的时长与第一信号的大小线性相关；第四转换模块304被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第二信号生成表征电流信号，其中，表征电流信号的大小与第二信号的大小线性相关；以及电容充放电与电压采样模块306被配置为基于计时方波信号和表征电流信号，生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，输入功率信号是指输入电压信号和输入电流信号相乘产生的功率信号。
根据本发明第二方面实施例的功率信号检测电路将电压信号与电流信号的乘积转换成电流信号与时间的乘积，省去了传统的模拟乘法器，简化了电路设计，提升了功率信号检测的线性范围和稳定性。
在一些实施例中，第三转换模块302可以被配置为基于第一信号，利用锯齿波信号生成计时方波信号，并且其中，锯齿波信号具有固定斜率。
在一些实施例中，当第一信号为输入电压信号时，锯齿波信号的大小在第一阈值和第一信号的大小之间变化，并且其中：在锯齿波信号的大小从第一阈值向第一信号的大小变化的时段中，计时方波信号处于第一电平；在锯齿波信号的大小处于第一阈值的时段中，计时方波信号处于第二电平。
在一些实施例中，电容充放电与电压采样模块306可以被配置为：利用计时方波信号，控制表征电流信号对第一电容的充电的开始和停止；当表征电流信号停止对第一电容充电时，利用第二电容对第一电容上的第一电容电压进行采样；以及基于第二电容上的第二电容电压，利用电压跟随器生成表征功率的电压信号。
在一些实施例中，当第一信号为输入电流信号时，第三转换模块302可以被配置为利用阻值固定的电阻性组件，基于输入电流信号生成输入电流表征电压，并基于输入电流表征电压生成计时方波信号。在这种情况下，锯齿波信号的大小在第一阈值和输入电流表征电压的大小之间变化，并且：在锯齿波信号的大小从第一阈值向输入电流表征电压的大小变化的时段中，计时方波信号处于第一电平；在锯齿波信号的大小处于第一阈值的时段中，计时方波信号处于第二电平。
在一些实施例中，当第二信号为输入电压信号时，第四转换模块308可以被配置为利用阻值固定的电阻性组件，基于输入电压信号生成表征电流信号。
图9A示出了图8所示的功率信号检测电路的第一实现方式的框图。如图9A所示，功率信号检测电路300-1包括电压-时间转换模块302-1、电流采样转换模块304-1、以及电容充放电与电压采样模块306，其中：电压-时间转换模块302-1被配置为基于输入电压信号V2，生成计时方波信号Tch，其中，计时方波信号Tch处于第一电平的时长与输入电压信号V2的大小线性相关；电流采样转换模块304-1被配置为基于输入电流信号I2，生成表征电流信号Iin，其中，表征电流信号Iin的大小与输入电流信号I2的大小线性相关；电容充放电与电压采样模块306被配置为基于计时方波信号Tch和表征电流信号Iin，生成与输入功率信号V2*I2线性相关的表征功率的电压信号VP。
图9B示出了图8所示的功率信号检测电路的第二实现方式的框图。如图9B所示，功率信号检测电路300-2包括电流-时间转换模块302-2、电压-电流转换模块304-2、以及电容充放电与电压采样模块306，其中：电流-时间转换模块302-2被配置为基于输入电流信号I2，生成计时方波信号Tch，其中，计时方波信号Tch处于第一电平的时长与输入电流信号I2的大小线性相关；电压-电流转换模块304-2被配置为基于输入电压信号V2，生成表征电流信号Iin，其中，表征电流信号Iin的大小与输入电压信号V2的大小线性相关；电容充放电与电压采样模块306被配置为基于计时方波信号Tch和表征电流信号Iin，生成与输入功率信号V2*I2线性相关的表征功率的电压信号VP。这里，电流-时间转换模块302-1可以被配置为先将输入电流信号I2转换为输入电流表征电压，再基于输入电流表征电压生成计时方波信号Tch。
可以看出，图9A和图9B所示的功率信号检测电路将输入电压信号V2和输入电流信号I2中的一者转换成计时方波信号Tch，将输入电压信号V2和输入电流信号I2中的另一者转换成表征电流信号Iin，基于计时方波信号Tch和表征电流信号Iin通过采用电容充放电和电压采样方式即可得到代表输入功率信号V2*I2的电压信号VP。
下面，以图9A所示的功率信号检测电路300-1为例，说明根据本发明第二方面实施例的功率信号检测电路的工作原理。
图10示出了与图9A所示的电压-时间转换模块有关的多个信号的波形示意图。在图10中，V2是输入电压信号，Ramp2是固定斜率的锯齿波信号，Tch是计时方波信号。如图10所示，当锯齿波信号Ramp开始从谷值电压上升时，计时方波信号Tch从低电平变为高电平；当锯齿波信号Ramp2上升至输入电压信号V2的大小时，计时方波信号Tch从高电平变为低电平，锯齿波信号Ramp2复位变成零；锯齿波信号Ramp2在复位后延迟固定时间Toff后，开始下一个周期。可以看出，计时方波信号Tch处于高电平的时长T是随着输入电压信号V2的大小线性变化的，所以有：
T＝V2/α 等式(5)
其中，α是电压-时间转换模块302-1的转化系数，是已知量。
应该理解的是，电压-时间转换模块302-1的电路实现方式有多种方式，这里不做详细介绍。
电流采样转换模块304-1根据以下等式(6)，基于输入电流信号12生成表征电流信号Iin：
Iin＝I2×β 等式(6)
其中，β是电流采样转换模块304-1的转化系数，是已知量。
图11示出了图9A所示的电容充放电与电压采样模块的电路示意图。图12示出了与图9A所示的电容充放电与电压采样模块有关的多个信号的波形示意图。结合图11和图12可以看出，当计时方波信号Tch为高电平时，充电开关S1导通，下拉开关S2和采样开关S3断开，表征电流信号Iin电流给电容Cr充电，在充电时间T内电容Cr上的电压Vramp线性上升；当计时方波信号Tch从高电平变为低电平时，充电开关S1关断，同时采样控制信号Tchi_pulse控制采样开关S3导通，电容Cr上的Vramp峰值电压被采样到电容Csp上，电容Csp上的电压Vsp等于Vramp峰值电压，Vsp峰值电压通过电压跟随器OP产生表征功率的电压信号VP。采样控制信号Tchi_pulse控制采样开关S3采样结束后，放电控制信号Tchi_delay控制下拉开关S2导通，电容Cr放电，电容Cr上的电压线性减小至零，直到进入下一个周期。所以，在表征电流信号Iin不变时，表征功率的电压信号VP跟随电容Cr的充电时间T(即，计时方波信号Tch处于高电平的时长)线性变化；在电容Cr的充电时间T不变时，表征功率的电压信号VP跟随表征电流信号Iin线性变化，所以有：
Figure BDA0003187754200000111
联合等式(5)、(6)和(7)，则有
Figure BDA0003187754200000112
其中，P2代表输入电压信号V2和输入电流信号I2的乘积，即输入功率信号V2*I2，α，β和Cr是电路内部设定的已知参数，所以表征功率的电压信号VP是和输入功率信号P2线性相关的电压信号。
结合图8至图12描述的功率信号检测电路适用于任何需要检测功率的电路应用场合。图13示出了应用图9A所示的功率信号检测电路的反激式开关电源的结构示意图。
在图13所示的反激式开关电源中：当功率开关(例如，MOSFET)Q1处于导通状态时，系统输入电压VIN给变压器T的主电感Lp充电；位于变压器T的副边侧的续流二极管D1关断；输出电容C1给输出负载供电；输出电压Vo经过误差放大与隔离反馈模块反馈给PWM控制器；PWM比较器基于反馈电压FB的电阻分压和表征流过变压器T的原边侧的电流的感测电压CS，控制栅极驱动器的输出信号的频率与占空比，以保持输出电压Vo的恒定。当功率开关Q1处于关断状态时，变压器T的主电感Lp消磁；位于变压器T的副边侧的续流二极管D1导通；变压器T的副边电感Ls给输出电容充电并给输出负载供电；输出电压采样模块可以通过DEM引脚采样输出电压Vo，得到与输出电压Vo线性相关的电压信号V2；电压-时间转换模块302-1将电压信号V1转换成计时方波信号Tch，用以控制电容充放电与电压采样模块的充电、采样、以及放电功能的开关调制；退磁时间检测模块通过监测DEM引脚处的电压来检测退磁时间Demag；输出电流检测模块根据感测电压CS和退磁时间Demag，通过积分运算得到与输出电流线性相关的电流信号I2；电流采样转换模块304-1将电流信号I2转换为表征电流信号Iin；电容充放电与电压采样模块306通过对计时方波信号Tch和表征电流信号Iin进行调制处理，就能得到反映输出功率V2*I2的电压信号VP。
表征功率的电压信号VP便于反激式开关电源的PWM控制器实现功率比较、恒功率控制、高低压OPP/OCP补偿等诸多功能。在输出电压范围宽、输出功率范围大的开关电源系统中，输出功率检测的应用更广泛。
综上所述，本发明提供了分别由例如，图2和图8所示的功率信号检测电路实现的功率信号检测方法。
可以由例如，图2所示的功率信号检测电路实现的功率信号检测方法包括：基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成脉宽调制信号，其中，脉宽调制信号的占空比与第一信号的大小线性相关；基于输入电压信号和输入电流信号中的第二信号生成表征电压信号，其中，表征电压信号的大小与第二信号的大小线性相关；以及基于脉宽调制信号和表征电压信号，通过低通滤波方式生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，输入功率信号是指输入电压信号和输入电流信号相乘产生的功率信号。
可以由例如，图8所示的功率信号检测方法，包括：基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成计时方波信号，其中，计时方波信号处于第一电平的时长与第一信号的大小线性相关；基于输入电压信号和输入电流信号中的第二信号生成表征电流信号，其中，表征电流信号的大小与第二信号的大小线性相关；以及基于计时方波信号和表征电流信号，通过电容充放电与电压采样方式生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，输入功率信号是指输入电压信号和输入电流信号相乘产生的功率信号。
有关上述功率检测方法的其他细节分别与结合图2和图8描述的功率检测电路的相关内容对应，这里不再赘述。
本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (15)

1.一种功率信号检测电路，包括：
第一转换模块，被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成脉宽调制信号，其中，所述脉宽调制信号的占空比与所述第一信号的大小线性相关；
第二转换模块，被配置为基于所述输入电压信号和所述输入电流信号中的第二信号生成表征电压信号，其中，所述表征电压信号的大小与所述第二信号的大小线性相关；以及
低通滤波模块，被配置为基于所述脉宽调制信号和所述表征电压信号，生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，所述输入功率信号是指所述输入电压信号和所述输入电流信号相乘产生的功率信号。
2.根据权利要求1所述的功率信号检测电路，其中，所述第一转换模块进一步被配置为利用锯齿波信号生成所述脉宽调制信号，并且其中，所述锯齿波信号具有固定斜率和固定频率。
3.根据权利要求2所述的功率信号检测电路，其中，所述锯齿波信号的大小在第一阈值和第二阈值之间变化，并且其中，当所述第一信号为所述输入电压信号时：
在所述锯齿波信号的大小在所述第一信号的大小和所述第一阈值之间的时段中，所述脉宽调制信号处于第一电平，并且
在所述锯齿波信号的大小在所述第一信号的大小和所述第二阈值之间的时段中，所述脉宽调制信号处于第二电平。
4.根据权利要求1所述的功率信号检测电路，其中，所述低通滤波模块进一步被配置为：
基于所述脉宽调制信号，控制所述表征电压信号经由电压跟随器传递到电路节点处的节点电压信号；以及
通过对所述节点电压信号进行低通滤波，获取所述节点电压信号的平均电压信号作为所述表征功率的电压信号。
5.根据权利要求2所述的功率信号检测电路，其中，当所述第一信号为所述输入电流信号时，所述第一转换模块进一步被配置为利用阻值固定的电阻性组件，基于所述输入电流信号生成输入电流表征电压，并基于所述输入电流表征电压生成所述脉宽调制信号。
6.一种功率信号检测电路，包括：
第三转换模块，被配置为基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成计时方波信号，其中，所述计时方波信号处于第一电平的时长与所述第一信号的大小线性相关；
第四转换模块，被配置为基于所述输入电压信号和所述输入电流信号中的第二信号生成表征电流信号，其中，所述表征电流信号的大小与所述第二信号的大小线性相关；以及
电容充放电与电压采样模块，被配置为基于所述计时方波信号和所述表征电流信号，生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，所述输入功率信号是指所述输入电压信号和所述输入电流信号相乘产生的功率信号。
7.根据权利要求6所述的功率信号检测电路，其中，所述第三转换模块进一步被配置为基于所述第一信号，利用锯齿波信号生成所述计时方波信号，并且其中，所述锯齿波信号具有固定斜率。
8.根据权利要求7所述的功率信号检测电路，其中，当所述第一信号为所述输入电压信号时，所述锯齿波信号的大小在第一阈值和所述第一信号的大小之间变化，并且其中：
在所述锯齿波信号的大小从所述第一阈值向所述第一信号的大小变化的时段中，所述计时方波信号处于第一电平；
在所述锯齿波信号的大小处于所述第一阈值的时段中，所述计时方波信号处于第二电平。
9.根据权利要求6所述的功率信号检测电路，其中，所述电容充放电与电压采样模块进一步被配置为：
利用所述计时方波信号，控制所述表征电流信号对第一电容的充电的开始和停止；
当所述表征电流信号停止对所述第一电容充电时，利用第二电容对所述第一电容上的第一电容电压进行采样；以及
基于所述第二电容上的第二电容电压，利用电压跟随器生成所述表征功率的电压信号。
10.一种功率信号检测方法，包括：
基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成脉宽调制信号，其中，所述脉宽调制信号的占空比与所述第一信号的大小线性相关；
基于所述输入电压信号和所述输入电流信号中的第二信号生成表征电压信号，其中，所述表征电压信号的大小与所述第二信号的大小线性相关；以及
基于所述脉宽调制信号和所述表征电压信号，通过低通滤波方式生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，所述输入功率信号是指所述输入电压信号和所述输入电流信号相乘产生的功率信号。
11.根据权利要求10所述的功率信号检测方法，其中，利用锯齿波信号生成所述脉宽调制信号，并且其中，所述锯齿波信号具有固定斜率和固定频率。
12.根据权利要求10所述的功率信号检测方法，其中，生成所述表征功率的电压信号的处理包括：
基于所述脉宽调制信号，控制所述表征电压信号经由电压跟随器传递到电路节点处的节点电压信号；以及
通过对所述节点电压信号进行低通滤波，获取所述节点电压信号的平均电压信号作为所述表征功率的电压信号。
13.一种功率信号检测方法，包括：
基于输入电压信号和输入电流信号中的第一信号生成计时方波信号，其中，所述计时方波信号处于第一电平的时长与所述第一信号的大小线性相关；
基于所述输入电压信号和所述输入电流信号中的第二信号生成表征电流信号，其中，所述表征电流信号的大小与所述第二信号的大小线性相关；以及
基于所述计时方波信号和所述表征电流信号，通过电容充放电与电压采样方式生成与输入功率信号线性相关的表征功率的电压信号，其中，所述输入功率信号是指所述输入电压信号和所述输入电流信号相乘产生的功率信号。
14.根据权利要求13所述的功率信号检测方法，其中，利用锯齿波信号生成所述计时方波信号，并且其中，所述锯齿波信号具有固定斜率。
15.根据权利要求13所述的功率信号检测方法，其中，生成所述表征功率的电压信号的处理包括：
利用所述计时方波信号，控制所述表征电流信号对第一电容的充电的开始和停止；
当所述表征电流信号停止对所述第一电容充电时，利用第二电容对所述第一电容上的第一电容电压进行采样；以及
基于所述第二电容上的第二电容电压，利用电压跟随器生成所述表征功率的电压信号。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4182983A (en) * 1978-07-11 1980-01-08 Westinghouse Electric Corp. Electronic AC electric energy measuring circuit
FI832961A0 (fi) * 1983-08-18 1983-08-18 Valmet Oy Kopplingsarrangemang i en statisk kwh-maetare
DE19720214A1 (de) * 1996-05-15 1997-11-20 Samsung Electronics Co Ltd Leistungs-Maximalpunkt-Erfassungsschaltung
US20080316779A1 (en) * 2007-06-19 2008-12-25 Chandrasekaran Jayaraman System and method for estimating input power for a power processing circuit
TW200923377A (en) * 2007-11-19 2009-06-01 Inventec Corp Power measuring apparatus
CN105991053A (zh) * 2016-05-19 2016-10-05 上海莱狮半导体科技有限公司 用于恒流驱动的开关电源系统
US10852330B1 (en) * 2013-10-04 2020-12-01 Silego Technology, Inc. Power sensing

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7298129B2 (en) * 2005-11-04 2007-11-20 Tektronix, Inc. Time arbitrary signal power statistics measurement device and method
US7772922B1 (en) * 2009-04-16 2010-08-10 Litepoint Corporation Method and system for testing data signal amplifier having output signal power dependent upon multiple power control parameters
US9941800B2 (en) * 2014-09-02 2018-04-10 Apple Inc. Measuring input voltages from reference windings of power converters with limited on-time
US9857865B2 (en) * 2015-12-10 2018-01-02 Aspeed Technology Inc. Balancing of servers based on sampled utilization ratio and corresponding power consumption
US10247760B2 (en) * 2016-10-09 2019-04-02 Lifesafety Power, Inc. Apparatus and method for measuring primary voltage from the secondary side of an isolated power supply
CN110501563A (zh) * 2018-05-16 2019-11-26 范亦能 一种用于电力信号无功功率测量的系统
CN110501566A (zh) * 2018-05-16 2019-11-26 范亦能 一种用于电力信号无功功率测量的方法
US10958167B2 (en) * 2018-08-08 2021-03-23 Qualcomm Incorporated Current sensing in an on-die direct current-direct current (DC-DC) converter for measuring delivered power
CN112946359A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 江苏集萃智能集成电路设计技术研究所有限公司 基于电流反馈环路的功率检测器电路及功率信号检测方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4182983A (en) * 1978-07-11 1980-01-08 Westinghouse Electric Corp. Electronic AC electric energy measuring circuit
FI832961A0 (fi) * 1983-08-18 1983-08-18 Valmet Oy Kopplingsarrangemang i en statisk kwh-maetare
DE19720214A1 (de) * 1996-05-15 1997-11-20 Samsung Electronics Co Ltd Leistungs-Maximalpunkt-Erfassungsschaltung
US20080316779A1 (en) * 2007-06-19 2008-12-25 Chandrasekaran Jayaraman System and method for estimating input power for a power processing circuit
TW200923377A (en) * 2007-11-19 2009-06-01 Inventec Corp Power measuring apparatus
US10852330B1 (en) * 2013-10-04 2020-12-01 Silego Technology, Inc. Power sensing
CN105991053A (zh) * 2016-05-19 2016-10-05 上海莱狮半导体科技有限公司 用于恒流驱动的开关电源系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘瑞华;徐玲;邓震宇;林贻翔;戴永珊;: "高效率音频功率放大器的设计", 实验室研究与探索, no. 08, 15 August 2011 (2011-08-15), pages 1 - 5 *
刘瑞华;徐玲;邓震宇;林贻翔;戴永珊;: "高效率音频功率放大器的设计", 实验室研究与探索, no. 08, pages 1 - 5 *
李伟东;梁剑波;庞佑兵;王若虚;: "一种脉宽调制型功率放大器的研究及应用", 微电子学, no. 04, 20 August 2007 (2007-08-20), pages 1 - 5 *
李伟东;梁剑波;庞佑兵;王若虚;: "一种脉宽调制型功率放大器的研究及应用", 微电子学, no. 04, pages 1 - 5 *

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