CN113708599A - 电感电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电感电流检测电路。微分电路将上桥电压信号以及下桥电压信号进行微分，以分别产生第一微分信号以及第二微分信号。第一电流源依据第一微分信号输出第一充电电流。第二电流源依据第二微分信号输出第二充电电流。第一开关的第一端和第二端分别连接第一电流源以及第二开关的第一端。第二开关的第二端连接第二电流源。电容的两端分别连接第一开关的第二端以及第二电流源。第一开关以及第二开关轮流开启，以取得连续的波形。

Description

电感电流检测电路
技术领域
本发明涉及电感电流检测电路，特别是涉及一种适用于电源转换器的电感电流检测电路。
背景技术
对于电子装置而言，电压转换器为不可缺少的装置，用以调整并且稳定电压。多种不同的电压转换器基于不同的功率需求被开发出来，包含降压转换器以及升压转换器。降压转换器可将输入的直流电压降低至默认电压，而升压转换器可将输入的直流电压提高。随着电路技术的演进，降压转换器及升压转换器也对应地被调整，以应用于不同的系统架构及符合不同的系统需求。
若采用电流模式控制的传统电源转换器时，需检测电源转换器的电感的电流值，并据以控制电源转换器的上桥开关与下桥开关的启闭。为了得知电感电流值，传统电源转换器内额外设置一个电阻与电感串联，借由检测电阻的电流值，以得知相同大小的电感电流值。然而，额外配置的电阻不仅占用空间，更增加额外的功耗。近年来为了满足低功耗的需求，采用电阻值较小的电阻，因而检测的电阻的电流值不精准，无法精确地控制上桥开关与下桥开关的启闭，导致电源转换器无法实现快速响应。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种电感电流检测电路适用于电源转换器。电源转换器包含输出电感、输出电容、上桥开关、下桥开关、比较器、控制电路以及分压电路。输出电感的一端连接至上桥开关以及下桥开关之间的节点。输出电感的另一端通过输出电容接地。分压电路连接至输出电感以及输出电容之间的一输出节点。分压电路分压输出节点的一输出电压以输出一反馈电压。比较器比较反馈电压与参考电压以输出比较信号。控制电路依据比较信号上桥开关以及下桥开关启闭。电感电流检测电路包含检测电路、微分电路、电流供应电路、开关电路以及电容。检测电路连接上桥开关以及下桥开关。检测电路配置以检测上桥开关以输出上桥电压信号，并检测下桥开关以输出下桥电压信号。微分电路连接检测电路。微分电路配置以分别将上桥电压信号以及下桥电压信号进行微分，以分别产生第一微分信号以及第二微分信号。电流供应电路包含第一电流供应组件以及第二电流供应组件，配置以分别依据第一微分信号以及第二微分信号以分别输出第一充电电流以及第二充电电流。开关电路包含第一开关组件以及第二开关组件。第一开关组件的第一端和第二端分别连接第一电流供应组件以及第二开关组件的第一端。第二开关组件的第二端连接第二电流供应组件。电容的第一端连接至第一开关组件以及第二开关组件之间的节点。电容的第二端连接第二电流供应组件并接地。第一开关组件以及第二开关组件轮流开启，以允许第一充电电流以及第二充电电流接续提供至电容，使电容的电压信号具有完整连续的波形，经转换后取得一电感电流信号。
在一实施方式中，所述电感电流检测电路还包含取样保持电路，连接微分电路以及电流供应电路，配置以取样并保持第一微分信号以及第二微分信号的参数值，以分别输出至第一电流供应组件以及第二电流供应组件。
在一实施方式中，检测电路包含上桥检测电路以及下桥检测电路。上桥检测电路连接上桥开关，配置以检测上桥开关以输出上桥电压信号。下桥检测电路连接下桥开关，配置以检测下桥开关以输出下桥电压信号。
在一实施方式中，微分电路包含第一微分电路以及第二微分电路。第一微分电路连接上桥检测电路，配置以将上桥电压信号微分，以产生第一微分信号。第二微分电路连接下桥检测电路，配置以将下桥电压信号微分，以产生第二微分信号。
在一实施方式中，所述电感电流检测电路还包含第一取样保持电路以及第二取样保持电路。第一取样保持电路连接第一微分电路以及第一电流供应组件。第一取样保持电路配置以取样并保持第一微分信号的参数值输出至第一电流供应组件。第二取样保持电路连接第二微分电路以及第二电流供应组件。第二取样保持电路配置以取样并保持第二微分信号的参数值输出至第二电流供应组件。
在一实施方式中，所述电感电流检测电路还包含第一电流调控电路以及第二电流调控电路。第一电流调控电路连接第一取样保持电路以及第一电流供应组件。第一电流调控电路配置以依据第一微分信号的参数值输出一第一调控信号，以控制第一电流供应组件。第二电流调控电路连接第二取样保持电路以及第二电流供应组件。第二电流调控电路配置以依据第二微分信号的参数值输出一第二调控信号，以控制第二电流供应组件。
在一实施方式中，第一电流供应组件以及第二电流供应组件为电流源。
如上所述，本发明提供一种电感电流检测电路及方法，其不需在电源转换器内部额外设置电阻等组件导致增加不必要的功耗，即可检测到电源转换器的电感的电流信号的完整波形。当电源转换器(例如降压转换器)操作在电流控制模式下时，可依据检测到的完整电感电流信号的波形，控制上桥开关与下桥开关的操作，以实现快速响应的效果。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为电源转换器的信号波形图。
图2为本发明第一实施例的电感电流检测电路的电路布局图。
图3为本发明第二实施例的电感电流检测电路的电路布局图。
图4为本发明第三实施例的电感电流检测电路的电路布局图。
图5为本发明实施例的电感电流检测电路的电容的电压信号以及电源转换器的电感电流信号、上桥导通信号、下桥导通信号的波形图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包含相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
请参阅图1，其为电源转换器的信号波形图。
本领域技术人员就通常知识可得知，电源转换器基本上包含输出电感、输出电容、上桥开关、下桥开关、比较器、控制电路以及分压电路。电源转换器的输出电感的一端连接至上桥开关以及下桥开关之间的节点。输出电感的另一端通过输出电容接地。分压电路连接至输出电感以及输出电容之间的一输出节点(电源转换器的输出端)，并分压此输出节点的一输出电压，以输出一反馈电压。比较器比较反馈电压与参考电压以输出比较信号。控制电路依据比较信号上桥开关以及下桥开关启闭。
为方便说明，在本文中仅提及常见的基本电路架构，实际上可能因实际需求，在电源转换器内调整电路组件的配置、增设更多电路组件。
本发明实施例目的在于，取得精准的电源转换器的电感的电流例如图1所示的电感电流信号IL，据以控制电源转换器的上桥开关(High-Side Switch)以及下桥开关(Low-Side Switch)，使电源转换器实现快速响应的效果。
为了得知电感电流信号IL，需先检测上桥开关以及下桥开关例如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)导通时的漏极与源极间的电阻(Rds-on)。然而，MOSFET导通时会有杂信，所以产生杂信的这段时间不能进行检测，例如在如图1所示的上桥开关的遮没(Blank)信号HSB以及下桥开关的遮没信号LSB的工作周期内，不检测上桥开关和下桥开关的Rds-on。
因有遮没信号HSB、LSB，所以电压信号HSS与电压信号LSS变为非连续信号，导致系统无法得知完整的电感电流信号IL。为取得连续完整的电感电流信号IL，本发明提供如图2、图3、图4所示的电感电流检测电路，具体说明如下。
请参阅图2、图5，其中图2为本发明第一实施例的电感电流检测电路的电路布局图；图5为本发明实施例的电感电流检测电路的电容的电压信号以及电源转换器的电感电流信号、上桥导通信号、下桥导通信号的波形图。
如图2所示，本实施例的电感电流检测电路可包含检测电路DET以及微分电路DFR。检测电路DET可连接电源转换器的上桥开关以及下桥开关。检测电路DET可检测上桥开关的电压以输出一上桥电压信号，并检测下桥开关的电压以输出一下桥电压信号。
本领域技术人员应理解，电容Cs的电荷量是流过电容Cs的电流对时间的积分，流过电容Cs的电流与电容Cs两端的电压对时间的变化率成正比，以下列方程式表示：
Figure BDA0002512871440000051
其中I代表流过电容Cs的电流，C代表电容Cs的电容值，
Figure BDA0002512871440000052
代表电容Cs的电压信号Vcs的电压对时间的微分。
据以，检测电路DET连接微分电路DFR。检测电路DET配置以将上桥电压信号的电压对时间微分，以产生第一微分信号，并将下桥电压信号的电压对时间微分，以产生第二微分信号。
为了取得连续完整的电感电流信号IL，本实施例的电感电流检测电路可还包含电容Cs、电流供应电路以及开关电路。电流供应电路可包含第一电流供应组件CHS以及第二电流供应组件CLS，例如但不限于电流源。开关电路可包含第一开关组件SW1以及第二开关组件SW2。
在本实施例的电感电流检测电路中，可选择性地设置取样保持电路SAH。若未设置取样保持电路SAH，第一电流供应组件CHS以及第二电流供应组件CLS可直接连接微分电路DFR，配置以分别依据第一微分信号以及第二微分信号，以分别输出第一充电电流以及第二充电电流。
在设有取样保持电路SAH的电感电流检测电路配置中，取样保持电路SAH连接微分电路DFR、第一电流供应组件CHS以及第二电流供应组件CLS。取样保持电路SAH取样并保持第一微分信号以及第二微分信号的参数值例如电压值，以分别输出至第一电流供应组件CHS以及第二电流供应组件CLS。
第一电流供应组件CHS可依据取样保持电路SAH取样的第一微分信号的参数值，以输出第一充电电流。第二电流供应组件CLS可依据取样保持电路SAH取样的第二微分信号的参数值，以输出第二充电电流。
第一电流供应组件CHS连接第一开关组件SW1的第一端。第一开关组件SW1的第二端连接第二开关组件SW2的第一端。第二开关组件SW2的第二端连接第二电流供应组件CLS。电容Cs的第一端连接至第一开关组件SW1以及第二开关组件SW2之间的节点。电容Cs的第二端连接第二电流供应组件CLS并接地。
当第一电流供应组件CHS供应第一充电电流时，开启第一开关组件SW1，关闭第二开关组件SW2，以允许第一电流供应组件CHS供应的第一充电电流通过第一开关组件SW1流至电容Cs。在如图5所示的上桥导通信号Ton的一上桥导通时间(即工作周期时间)内，第一充电电流将电容Cs充电至具有如图5所示的电压信号Vcs的波形的上升波段W1。
接着，当第二电流供应组件CLS供应第二充电电流时，关闭第一开关组件SW1，开启第二开关组件SW2，以允许第二电流供应组件CLS供应第二充电电流至电容Cs。其结果为，在如图5所示的下桥导通信号Toff的一下桥导通时间(即工作周期时间)内，电容Cs产生如图5所示的电压信号Vcs的波形的下降波段W2，与上升波段W1合成完整的一周期波形。
借由上述反复轮流开启第一开关组件SW1以及第二开关组件SW2，以允许第一充电电流以及第二充电电流接续流至电容Cs，使电容Cs的电压信号Vcs中产生多个完整连续的波形，经转换后取得一电感电流信号。
请参阅图3，其为本发明第二实施例的电感电流检测电路的电路布局图。
如图3所示，本实施例的电感电流检测电路可包含检测电路DET、微分电路DFR、取样保持电路SAH、第一电流供应组件CHS、第二电流供应组件CLS、第一开关组件SW1、第二开关组件SW2以及电容Cs。第一实施例与第二实施例相同内容，不在此赘述。
不同于第一实施例，本实施例的检测电路DET包含上桥检测电路UDT以及下桥检测电路LDT，微分电路DFR包含第一微分电路UFR以及第二微分电路LFR，取样保持电路SAH包含第一取样保持电路USH以及第二取样保持电路LSH，具体说明如下。
上桥检测电路UDT连接电源转换器的上桥开关，配置以检测上桥开关的电压以输出一上桥电压信号。第一微分电路UFR连接上桥检测电路UDT，配置以将上桥电压信号微分，以产生第一微分信号。第一取样保持电路USH连接第一微分电路UFR，配置以取样并保持第一微分信号的参数值。
另一方面，下桥检测电路LDT连接电源转换器的下桥开关的电压，配置以检测下桥开关以输出一下桥电压信号。第二微分电路LFR连接下桥检测电路LDT，配置以将下桥电压信号微分，以产生第二微分信号。第二取样保持电路LSH连接第二微分电路LFR，配置以取样并保持第二微分信号的参数值。
第一电流供应组件CHS以及第二电流供应组件CLS分别连接第一取样保持电路USH以及第二取样保持电路LSH。第一电流供应组件CHS在第一开关组件SW1开启时，依据第一微分信号的参数值供应第一充电电流至电容Cs。第二取样保持电路LSH在第二开关组件SW2开启时，依据第二微分信号的参数值，供应第二充电电流至电容Cs。
请参阅图4，其为本发明第三实施例的电感电流检测电路的电路布局图。如图3所示，相比于第二实施例，本实施例的电感电流检测电路可还包含第一电流调控电路UMC以及第二电流调控电路LMC。第二实施例与第三实施例相同内容，不在此赘述。
第一电流调控电路UMC连接第一取样保持电路USH以及第一电流供应组件CHS。第一电流调控电路UMC可依据第一微分信号的参数值输出第一调控信号，例如将第一微分信号的电压值转换成电流值，以控制第一电流供应组件CHS供应至电容Cs的第一充电电流的电流量。
第二电流调控电路LMC连接第二取样保持电路LSH以及第二电流供应组件CLS。第二电流调控电路LMC可依据第二微分信号的参数值输出一第二调控信号，例如将第二微分信号的电压值转换成电流值，以控制第二电流供应组件CLS供应至电容Cs的第二充电电流的电流量。
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的电感电流检测电路及其方法，其不需在电源转换器内部额外设置电阻等组件导致增加不必要的功耗，即可检测到电源转换器的电感的电流信号的完整波形。当电源转换器(例如降压转换器)操作在电流控制模式下时，可依据检测到的完整电感电流信号的波形，控制上桥开关与下桥开关的操作，以实现快速响应的效果。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书内。

Claims (7)

1.一种电感电流检测电路，适用于电源转换器，所述电源转换器包含输出电感、输出电容、上桥开关、下桥开关、比较器、控制电路以及分压电路，所述输出电感的一端连接至所述上桥开关以及所述下桥开关之间的节点，所述输出电感的另一端通过所述输出电容接地，所述分压电路连接至所述输出电感以及所述输出电容之间的输出节点，并分压所述输出节点的输出电压以输出反馈电压，所述比较器比较所述反馈电压与参考电压以输出比较信号，所述控制电路依据所述比较信号所述上桥开关以及所述下桥开关启闭，其特征在于，所述电感电流检测电路包含：
检测电路，连接所述上桥开关以及所述下桥开关，配置以检测所述上桥开关以输出上桥电压信号，并检测所述下桥开关以输出下桥电压信号；
微分电路，连接所述检测电路，配置以分别将所述上桥电压信号以及所述下桥电压信号进行微分，以分别产生第一微分信号以及第二微分信号；
电流供应电路，包含第一电流供应组件以及第二电流供应组件，配置以分别依据所述第一微分信号以及所述第二微分信号以分别输出一第一充电电流以及一第二充电电流；
开关电路，包含第一开关组件以及第二开关组件，所述第一开关组件的第一端和第二端分别连接所述第一电流供应组件以及所述第二开关组件的第一端，所述第二开关组件的第二端连接所述第二电流供应组件；以及
电容，所述电容的第一端连接至所述第一开关组件以及所述第二开关组件之间的节点，所述电容的第二端连接所述第二电流供应组件并接地；
其中所述第一开关组件以及所述第二开关组件轮流开启，以允许所述第一充电电流以及所述第二充电电流接续提供至所述电容，使所述电容的电压信号具有完整连续的波形，经转换后取得电感电流信号。
2.根据权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述电感电流检测电路还包含取样保持电路，连接所述微分电路以及所述电流供应电路，配置以取样并保持所述第一微分信号以及所述第二微分信号的参数值，以分别输出至所述第一电流供应组件以及所述第二电流供应组件。
3.根据权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述检测电路包含：
上桥检测电路，连接所述上桥开关，配置以检测所述上桥开关，以输出所述上桥电压信号；以及
下桥检测电路，连接所述下桥开关，配置以检测所述下桥开关，以输出所述下桥电压信号。
4.根据权利要求3所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述微分电路包含：
第一微分电路，连接所述上桥检测电路，配置以将所述上桥电压信号微分，以产生所述第一微分信号；以及
第二微分电路，连接所述下桥检测电路，配置以将所述下桥电压信号微分，以产生所述第二微分信号。
5.根据权利要求4所述的电感电流检测电路，其特征在于，电感电流检测电路还包含：
第一取样保持电路，连接所述第一微分电路以及所述第一电流供应组件，配置以取样并保持所述第一微分信号的参数值输出至所述第一电流供应组件；以及
第二取样保持电路，连接所述第二微分电路以及所述第二电流供应组件，配置以取样并保持所述第二微分信号的参数值输出至所述第二电流供应组件。
6.根据权利要求5所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述电感电流检测电路还包含：
第一电流调控电路，连接所述第一取样保持电路以及所述第一电流供应组件，配置以依据所述第一微分信号的参数值输出第一调控信号，以控制所述第一电流供应组件；
第二电流调控电路，连接所述第二取样保持电路以及所述第二电流供应组件，配置以依据所述第二微分信号的参数值输出第二调控信号，以控制所述第二电流供应组件。
7.根据权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述第一电流供应组件以及所述第二电流供应组件为电流源。
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