CN113777380B - 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。电流供应电路在一上桥导通时间内供应一第一电流信号至零电压的储能电路，并在一下桥导通时间内供应一第二电流信号至零电压的储能电路。电压比较电路将上桥开关的波峰电压与下桥开关的波谷电压相减以取得参考电压，并依据储能电路的电压与参考电压以输出比较信号。电流调变控制电路依据比较信号以调变电流供应电路供应的第一电流信号以及第二电流信号的电流值。合成电路将储能电路的电压分别充电至等于参考电压的第一电流信号与第二电流信号，合成为一电感电流信号。

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，由此检测电阻的电流值，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。近来年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输出节点，并分压输出节点的输出电压以输出反馈电压。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来控制上桥开关以及下桥开关启闭。电感电流检测电路包含充电电流电路以及合成电路。充电电流电路包含储能电路、电流供应电路、电压比较电路以及电流调变控制电路。电流供应电路连接储能电路，配置以在一上桥导通时间内供应一第一电流信号至储能电路，并在一下桥导通时间内供应一第二电流信号至储能电路。电压比较电路连接储能电路，配置以取得上桥开关的一波峰电压与下桥开关的一波谷电压相减得出的一参考电压，依据储能电路的电压与参考电压以输出一比较信号。电流调变控制电路连接电压比较电路以及电流供应电路，配置以依据比较信号以调变电流供应电路供应的第一电流信号以及第二电流信号的电流值。合成电路连接电流供应电路，配置以将储能电路从零电压充电至等于参考电压的第一电流信号，与将储能电路的电压从零电压充电至等于参考电压的第二电流信号，合成为一电感电流信号。
在一实施方案中，电流供应电路包含电流源。
在一实施方案中，电压比较电路包含比较器、运算放大器或误差放大器。
在一实施方案中，所述电感电流检测电路还包含开关组件，连接在储能电路以及电压比较电路之间。电压比较电路在开关组件开启时取样储能电路的电压。
在一实施方案中，储能电路包含电容。电容的第一端连接电压比较电路。电容的第二端接地。
在一实施方案中，控制电路控制上桥开关在一上桥导通信号的工作周期内开启，开关组件在上桥导通信号的波形的下降缘的时间点开启。
在一实施方案中，控制电路控制下桥开关在一下桥导通信号的工作周期内开启，开关组件在下桥导通信号的波形的下降缘的时间点开启。
在一实施方案中，电感电流检测电路包含两个充电电流电路，其中一充电电流电路配置以供应和调变第一电流信号，另一充电电流电路配置以供应和调变第二电流信号。
在一实施方案中，合成电路包含电容、第一电流源、第一开关组件、第二开关组件以及第二电流源。第一电流源连接电流供应电路、配置以供应一上桥充电电流信号。上桥充电电流信号的电流值等于将储能电路从零电压充电至等于参考电压的第一电流信号的电流值。第一开关组件的第一端连接第一电流源，第一开关组件的第二端连接电容的第一端。第二开关组件的第一端连接第一开关组件的第二端。电容的第二端接地。第二电流源连接电流供应电路、第二开关组件的第二端以及电容的第二端，配置以供应一下桥充电电流信号。下桥充电电流信号的电流值等于将储能电路从零电压充电至等于参考电压的第二电流信号的电流值。第一开关组件开启以及第二开关组件关闭时，上桥充电电流信号流至电容，该电容产生一充电电流信号。第二开关组件开启以及第一开关组件关闭时，下桥充电电流信号流至电容，电容产生一放电电流信号，与充电电流信号，合成电感电流信号。
在一实施方案中，电流调变控制电路包含连续渐进式逻辑电路。
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运作，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为本发明实施例的电感电流检测电路的第一充电电流电路的电路图。
图3为本发明实施例的电感电流检测电路的第一充电电流电路的信号波形图。
图4为本发明实施例的电感电流检测电路的第二充电电流电路的电路图。
图5为本发明实施例的电感电流检测电路的第二充电电流电路的信号波形图。
图6为本发明实施例的电感电流检测电路的电感电流合成电路的电路图。
图7为本发明实施例的电感电流检测电路的电感电流合成电路的信号波形图。
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一基准电压以输出一电压比较信号。控制电路依据电压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，实务上可能因实际需求，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-SideSwitch)，使电源转换器实现快速响应的效果。
为了得知电感电流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导通时会有噪声，所以产生噪声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IL。为取得连续完整的电感电流IL，本发明提供如图2、图4、图6所示的电感电流检测电路，具体说明如下。
请参阅图2、图3，其中图2为本发明实施例的电感电流检测电路的第一充电电流电路的电路图；图3为本发明实施例的电感电流检测电路的第一充电电流电路的信号波形图。
本发明实施例的电感电流检测电路可包含如图2所示的第一充电电流电路。第一充电电流电路可包含储能电路(例如图2所示的电容C1)、电流供应电路(例如图2所示的可变电流源CU1)、电压比较电路(例如图2所示的比较器COM1，实务上可替换为运算放大器或误差放大器)以及如图2所示的电流调变控制电路CMN1(例如连续渐进式逻辑电路，即SAR逻辑电路)，以上仅举例说明，本发明不以此为限。实务上，可依据需求将本文举例的电路组件替换成其他具有相同或相似功能的其他电路组件。
如图2所示，可变电流源CU1连接电容C1的第一端。电容C1的第二端接地。比较器COM1具有第一比较输入端以及第二比较输入端。比较器COM1的第一比较输入端(例如反相输入端)可连接电容C1的第一端。若有需要，在比较器COM1的第一比较输入端与电容C1的第一端之间可设置开关组件SW1。
比较器COM1的第二比较输入端(例如非反相输入端)可连接供应参考电压Vd的一电压源。比较器COM1的第二比较输入端取得上述电源转换器的上桥开关的电压信号HSS的波峰电压Peak与下桥开关的电压信号LSS的波谷电压Valley的相减值，表示为参考电压Vd，以公式表示为：Vd＝Peak-Valley。比较器COM1的输出端连接电流调变控制电路CMN1。电流调变控制电路CMN1连接可变电流源CU1。
首先，电源转换器的控制电路输出如图3所示的上桥导通信号Ton至电源转换器的上桥开关，以控制上桥开关在上桥导通信号Ton的一上桥导通时间(即工作周期时间)内开启。
在如图3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，可变电流源CU1供应具有一初始电流值的第一电流信号至电容C1，以对电容C1充电，使电容C1的电压Vramp1逐渐上升。
在到达上桥导通信号Ton的一波形的下降缘的时间点时，开启开关组件SW1，以允许比较器COM1的第一比较输入端(例如反相输入端)取样到电容C1的电压Vramp1。在取样到电容C1的电压Vramp1之后，可立即关闭此开关组件SW1，直到到达上桥导通信号Ton的下一波形的下降缘时间点再次开启以再次取样电容C1的电压Vramp1。
当比较器COM1的第一比较输入端(例如反相输入端)取样到电容C1的电压Vramp1时，比较器COM1的第一比较输入端的电压Vsample1等于电容C1的电压Vramp1。比较器COM1将电压Vsample1与参考电压Vd(波峰电压Peak与波谷电压Valley的相减值)进行比较，以产生比较信号。接着，电流调变控制电路CMN1从比较器COM1接收比较信号，并依据比较信号以调变可变电流源CU1供应至电容C1的第一电流信号的电流值。
如图3所示，在上桥导通信号Ton的第一波形的下降缘的时间点所取样到的电压Vsample1大于参考电压Vd(波峰电压Peak与波谷电压Valley的相减值)。在此情况下，如图2所示的电流调变控制电路CMN1可依据低准位的比较信号，控制可变电流源CU1调低所供应的第一电流信号的电流值，直到在上桥导通信号Ton的第三个波形的下降缘的时间点所取样到的电压Vsample1等于参考电压Vd。
请参阅图4、图5，其中图4为本发明实施例的电感电流检测电路的第二充电电流电路的电路图；图5为本发明实施例的电感电流检测电路的第二充电电流电路的信号波形图。
本发明实施例的电感电流检测电路可包含如图4所示的第二充电电流电路。第二充电电流电路可包含储能电路(例如图4所示的电容C2)、电流供应电路(例如图4所示的可变电流源CU2)、电压比较电路(例如图4所示的比较器COM2，实务上可替换为运算放大器或误差放大器)以及如图4所示的电流调变控制电路CMN2(例如连续渐进式逻辑电路，即SAR逻辑电路)，以上仅举例说明，本发明不以此为限。实务上，可依据需求将本文举例的电路组件替换成其他具有相同或相似功能的其他电路组件。
为方便说明，本实施例的电感电流检测电路包含如图2所示的第一充电电流电路以及如图4所示的第二充电电流电路。第一充电电流电路检测在一上桥导通时间内将电容C1的电压Vramp1从零值充电至等于参考电压Vd(波峰电压Peak与波谷电压Valley的相减值)的第一电流信号的电流值。第二充电电流电路检测在一下桥导通时间内将电容C2的电压Vramp2从零值充电至等于参考电压Vd的第二电流信号的电流值。
如图4所示的第二充电电流电路与图2所示的第一充电电流电路的电路架构相同。实务上，可调整电路配置，仅使用单个充电电流电路检测第一电流信号以及第二电流信号，即在检测到第一电流信号后，将电容的电压放电至零值后，检测第二电流信号。
在本实施例中，如图4所示，可变电流源CU2连接电容C2的第一端。电容C2的第二端接地。比较器COM2具有第一比较输入端以及第二比较输入端。比较器COM2的第一比较输入端(例如反相输入端)可连接电容C2的第一端。若有需要，在比较器COM2的第一比较输入端与电容C2的第一端之间可设置开关组件SW2。
比较器COM2的第二比较输入端(例如非反相输入端)可连接供应参考电压Vd的一电压源。比较器COM2的第二比较输入端取得上述电源转换器的上桥开关的电压信号HSS的波峰电压Peak与下桥开关的电压信号LSS的波谷电压Valley的相减值，表示为参考电压Vd。比较器COM2的输出端连接电流调变控制电路CMN2。电流调变控制电路CMN2连接可变电流源CU2。
首先，电源转换器的控制电路输出如图5所示的下桥导通信号Toff至电源转换器的下桥开关，以控制下桥开关在下桥导通信号Toff的一下桥导通时间(即工作周期时间)内开启。
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，可变电流源CU2供应具有一初始电流值的第二电流信号至电容C2，以对电容C2充电。
接着，在到达下桥导通信号Toff的一波形的下降缘的时间点时，开启开关组件SW2，以允许比较器COM2的第一比较输入端(例如反相输入端)取样到电容C2的电压Vramp2。在取样到电容C2的电压Vramp2之后，可立即关闭此开关组件SW2，直到到达下桥导通信号Toff的下一波形的下降缘时间点再次开启以进行下一次取样。
在取样到电容C2的电压Vramp2之后，比较器COM2的第一比较输入端的电压Vsample2等于电容C2的电压Vramp2。比较器COM2比较电压Vsample2与参考电压Vd，以产生一比较信号。如上所述，此参考电压Vd是如图1所示的上桥开关的电压信号HSS的波峰电压Peak与下桥开关的电压信号LSS的波谷电压Valley的相减值。电流调变控制电路CMN2接着从比较器COM2接收比较信号，并依据比较信号以调变可变电流源CU2供应至电容C2的第二电流信号的电流值。
如图5所示，在下桥导通信号Toff的第一波形的下降缘的时间点所取样到的电压Vsample2大于参考电压Vd(波峰电压Peak与波谷电压Valley的相减值)。在此情况下，电流调变控制电路CMN2可依据低准位的比较信号，控制可变电流源CU2调低所供应的第二电流信号的电流值，直到在下桥导通信号Toff的第三个波形的下降缘的时间点所取样到的电压Vsample2等于波峰电压Peak与波谷电压Valley的相减值。
请参阅图1至图7，其中图6为本发明实施例的电感电流检测电路的电感电流合成电路的电路图；图7为本发明实施例的电感电流检测电路的电感电流合成电路的信号波形图。
本实施例的电感电流检测电路的电感电流合成电路可包含如图6所示的电感电流合成电路。如图6所示，电感电流合成电路可包含电容Cs、第一电流源CHS、第一开关组件SW31、第二开关组件SW32以及第二电流源CLS。
第一电流源CHS可连接或使用如图2所示的可变电流源CU1以取得第一电流信号的电流值。第一开关组件SW31的第一端连接第一电流源CHS。第一开关组件SW31的第二端连接电容Cs的第一端。第二开关组件SW32的第一端连接第一开关组件SW31的第二端。第二电流源CLS可连接或使用如图4所示的可变电流源CU2。第二电流源CLS连接第二开关组件SW32的第二端以及电容Cs的第二端。电容Cs的第二端接地。
首先，第一电流源CHS供应一上桥充电电流信号，此上桥充电电流信号的电流值等于将如图2所示的电容C1的电压从零电压充电至等于参考电压Vd(波峰电压Peak与波谷电压Valley的相减值)的第一电流信号的电流值。
当第一电流源CHS供应一上桥充电电流信号时，开启第一开关组件SW31并关闭第二开关组件SW32，以允许此上桥充电电流信号从第一电流源CHS通过第一开关组件SW31流至电容Cs，以在上桥导通信号Ton的一上桥导通时间(即工作周期时间)内对电容Cs进行充电，使得电容Cs产生如图7所示的一连续检测电压信号Vcs的波形的上升/充电波段。
接着，第二电流源CLS供应一下桥充电电流信号，此下桥充电电流信号的电流值等于将电容C2的电压从零电压充电至等于参考电压Vd(波峰电压Peak与波谷电压Valley的相减值)的第二电流信号的电流值。
当第二电流源CLS供应一下桥充电电流信号时，开启第二开关组件SW32并关闭第一开关组件SW31，以允许此下桥充电电流信号在下桥导通信号Toff的一下桥导通时间(即工作周期时间)从第二电流源CLS流经电容Cs以及第二开关组件SW32，使得电容Cs产生如图7所示的一连续检测电压信号Vcs的波形的下降/放电波段。
通过上述连续检测电容Cs的充电和放电，可取得连续检测电压信号Vcs的完整波形，经由转换后可取得连续的电感电流信号。也就是说，电感电流合成电路可将上桥充电电流信号与下桥充电电流信号，合成为连续的电感电流信号。
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，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运作，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 (10)

1.一种电感电流检测电路，适用于一电源转换器，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一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一基准电压以输出电压比较信号，所述控制电路依据所述电压比较信号来控制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：
充电电流电路，包含：
储能电路；
电流供应电路，连接所述储能电路，配置以在上桥导通时间内供应第一电流信号至所述储能电路，并在下桥导通时间内供应第二电流信号至所述储能电路；
电压比较电路，连接所述储能电路，配置以取得所述上桥开关的波峰电压与所述下桥开关的波谷电压相减得出的参考电压，依据所述储能电路的电压与所述参考电压以输出比较信号；及
电流调变控制电路，连接所述电压比较电路以及所述电流供应电路，配置以依据所述比较信号调变所述电流供应电路供应的所述第一电流信号以及所述第二电流信号的电流值；以及
合成电路，连接所述电流供应电路，配置以将所述储能电路从零电压充电至等于所述参考电压的所述第一电流信号，与将所述储能电路的电压从零电压充电至等于所述参考电压的所述第二电流信号，合成为一电感电流信号。
2.根据权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述电流供应电路包含电流源。
3.根据权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述电压比较电路包含比较器、运算放大器或误差放大器。
4.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开关组件，连接在所述储能电路以及所述电压比较电路之间，所述电压比较电路在所述开关组件开启时取样所述储能电路的电压。
5.根据权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述储能电路包含一电容，所述电容的第一端连接所述电压比较电路，所述电容的第二端接地。
6.根据权利要求5所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述控制电路控制所述上桥开关在上桥导通信号的工作周期内开启，所述开关组件在所述上桥导通信号的波形的下降缘的时间点开启。
7.根据权利要求5所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述控制电路控制所述下桥开关在下桥导通信号的工作周期内开启，所述开关组件在所述下桥导通信号的波形的下降缘的时间点开启。
8.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包含两个所述充电电流电路，其中一所述充电电流电路配置以供应和调变所述第一电流信号，另一所述充电电流电路配置以供应和调变所述第二电流信号。
9.根据权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述合成电路包含：
电容；
第一电流源，连接电流供应电路，配置以供应上桥充电电流信号，所述上桥充电电流信号的电流值等于将所述储能电路从零电压充电至等于所述参考电压的所述第一电流信号的电流值；
第一开关组件，所述第一开关组件的第一端连接所述第一电流源，所述第一开关组件的第二端连接所述电容的第一端，所述电容的第二端接地；
第二开关组件，所述第二开关组件的第一端连接所述第一开关组件的第二端；以及
第二电流源，连接电流供应电路、所述第二开关组件的第二端以及所述电容的第二端，配置以供应下桥充电电流信号，所述下桥充电电流信号的电流值等于将所述储能电路从零电压充电至等于所述参考电压的所述第二电流信号的电流值；
其中所述第一开关组件开启以及所述第二开关组件关闭时，所述上桥充电电流信号流至所述电容，所述电容产生充电电流信号；
其中所述第二开关组件开启以及所述第一开关组件关闭时，所述下桥充电电流信号流至所述电容，电容产生放电电流信号，与所述充电电流信号，合成电感电流信号。
10.根据权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述电流调变控制电路包含连续渐进式逻辑电路。
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