CN114982116A - 电流平衡电路的偏移抵消电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电流平衡电路的偏移抵消电路，其目的在于，消除由元件失配(mismatch)和PVT变动(P：工艺、V：电压、T：温度)引起的偏移产生的电流不平衡。本发明的电流平衡电路包括：第一比较器部，其在两个输入端形成第一偏移电压，并且将偏移消除电压向任一输入端输入；第二比较器部，其在两个输入端形成第二偏移电压，并且将第一比较器部的输出电压向任一个输入端输入，将参考电压作向另一个输入端输入；第三比较器部，其在两个输入端形成第三偏移电压，并且将第二比较器部的输出电压向任一个输入端输入，将参考电压作为另一个输入端输入；以及控制部，其在校准过程中，形成随时间增加的偏移消除电压而输出，并且将偏移消除电压大于第一偏移电压与第二偏移电压及第三偏移电压之和时的偏移消除电压输出。

Description

电流平衡电路的偏移抵消电路
技术领域
本发明涉及一种电流平衡电路的偏移抵消电路，其目的在于，消除由元件失配(mismatch)和PVT变动(工艺、电压、温度)引起的偏移产生的电流不平衡。
背景技术
转换器(converter)是将交流电转换为直流电或升高或降低直流电压的设备的通称。尤其，DC-DC转换器包括提高输入电压的升压转换器和降低输入电压的降压转换器，并且不仅在工业上，在家庭中也经常使用。
在这些转换器中，开关元件串联连接在驱动电压和参考电压之间，并且从连接开关元件的节点输出的电流通过电感器提供给负载。
发明内容
技术问题
多相转换器输出的电流对应于每相输出电流的总和。当每相输出的电流均匀分布时，具有高效率。然而，如果电流集中在任一相，则负载集中在驱动电路中，由此效率降低。据此，为了防止由电流集中引起的效率降低提供电流平衡电路(current balancingcircuit)。
然而，在电流平衡电路中，由于元件失配(mismatch)、PVT变化(工艺、电压、温度)等原因，不可避免地会发生偏移，由此电流平衡可能会被打破。本发明旨在解决如上所述发生的电流不平衡。
本发明旨在解决如上所述发生的电流不平衡，并且本发明要解决的技术问题不限于上述技术问题，通过本发明的描述而本领域所属普通技术人员将清楚地理解未提及的其他技术问题。
技术方案
本发明的电流平衡电路包括：第一比较器部，其在两个输入端上形成第一偏移电压，并且将偏移消除电压向任一输入端输入；第二比较器部，其在两个输入端形成第二偏移电压，并且将第一比较器部的输出电压向任一个输入端输入，将参考电压作向另一个输入端输入；第三比较器部，其在两个输入端形成第三偏移电压，并且将第二比较器部的输出电压向任一个输入端输入，将参考电压作为另一个输入端输入；以及控制部，其在校准过程中，形成随时间增加的偏移消除电压而输出，并且将偏移消除电压大于第一偏移电压与第二偏移电压及第三偏移电压之和时的偏移消除电压输出。
根据本发明的一实施例，第一比较器部包括：跨导放大器(transconductanceamplifier)，其在两个输入端形成第一偏移电压并将偏移消除电压输入到其中任一个输入端；检测电阻,其连接到两个输入端；以及开关，其与检测电阻并联，其中，所述跨导放大器接收由流经检测电阻的电流形成的电压而输出相应的电流。
根据本发明的一实施例，在校准过程中，控制部通过控制使开关导通，并且跨导放大器比较第一偏移电压和偏移消除电压的大小。
根据本发明的一实施例，第二比较器单元是包括运算放大器和连接到运算放大器的反馈回路(feedback loop)的电抗元件并计算平均电流和通道电流之差的低通滤波器。
根据本发明的一实施例，第二比较器部在校准过程中向任一个输入端提供参考电压。
根据本发明的一实施例，第三比较器部通过比较偏移消除电压、第一偏移电压、第二偏移电压和第三偏移电压的大小来输出相应的信号。
根据本发明的一实施例，控制部，包括：计数器，其被输入时钟脉冲并对输入时钟脉冲的数量进行计数；数模转换器(DAC,digital analog converte)，用于产生偏移消除电压，该电压随时间增加以对应于计数器的计数结果；以及存储元件，其用于存储计数器的计数结果。
根据本发明的一实施例，控制器还包括多路复用器(MUX)，当偏移消除电压大于第一偏移电压、第二偏移电压和第三偏移电压之和时，存储元件存储计数器的计数结果，当校准过程完成时，存储元件将存储的计数器的计数结果提供给DAC，并且DAC输出与计数器的计数结果相对应的偏移消除电压。
根据本发明的一实施例，电流平衡电路为多相(multi-phase)转换器的每一相平衡电流。
发明效果
根据本发明，其效果在于，可以通过消除由转换器电路元件中形成的偏移引起的每相电流失配(mismatch)来平衡电流。
本发明的效果不限于以上所提及的，其他未提及的技术问题可以从以下描述中得到明确理解。
附图说明
图1是示意性地示出包括本发明的电流平衡电路的多相转换器的图。
图2(a)是示出在具备本发明的电流平衡电路的多相转换器中发生不平衡的各相的电流概要的图，图2(b)是示出调整占空比的状态下的电流的图，图2(c)是示出流过多相转换器的所有相的电流平衡的状态的图。
图3(a)是在为了解决由偏移引起的电流不平衡而进行的校准过程中，包含在电流平衡电路中的任一相的等效电路，图3(b)是校准过程中电流平衡电路任一相的简化等效电路。
图4是用于说明校准过程中根据本实施例的电流平衡电路的的操作的示意性时序图。
具体实施方式
本发明的实施例的电流平衡电路的偏移抵消电路，其特征在于，包括：第一比较器部，其在两个输入端上形成第一偏移电压，并且将偏移消除电压向任一输入端输入；第二比较器部，其在两个输入端形成第二偏移电压，并且将所述第一比较器部的输出电压向任一个输入端输入，将所述参考电压作向另一个输入端输入；第三比较器部，其在两个输入端形成第三偏移电压，并且将所述第二比较器部的输出电压向任一个输入端输入，将所述参考电压作为另一个输入端输入；以及控制部，其在校准过程中，形成随时间增加的偏移消除电压而输出，并且将所述偏移消除电压大于第一偏移电压与第二偏移电压及第三偏移电压之和时的偏移消除电压输出。
以下，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。在此之前，本说明书和权利要求中使用的术语或词语不应被解释为仅限于它们的通常或字典含义。发明人为了以最佳方式描述其发明而本着可合理定义术语概念的原则，将自己的方面解释为符合本发明技术宗旨的含义和概念。据此，应当理解的是，本说明书中所描述的实施例和附图所示的构成仅为本发明的最优选实施例，并不代表本发明的全部技术宗旨，在提交本申请时可以具有代替它们的各种等效物和变更。
图1是示意性地示出包括本发明的电流平衡电路的多相转换器1的图。参照图1，多相转换器包括：多个开关元件(SWa1、Swa2、SWb1、SWb2、SWc1、SWc2)，其串联连接在驱动电压(VIN)和参考电压之间；跨导放大器部(100a、100b、100c)，其通过检测从每一相输出的电流(ILa,ILb,ILc)而输出相应的电流；运算部(220a、220b、220c)，其通过对跨导放大器部(100a、100b、100c)输出的电流与跨导放大器部(100a、100b、100c)输出的电流进行平均而计算低通滤波器210与平均电流输出之间的差；以及占空比控制部(300a、300b、300c)，其通过根据由运算部计算出的电流的差形成包括在每一相中的多个开关元件(SWa1、Swa2、SWb1、SWb2、SWc1、SWc2)的门控信号来控制占空比。
图2(a)是示出在具备本发明的电流平衡电路的多相转换器1中发生不平衡的各相的电流概要的图。参照图1和图2(a)，由于不平衡，从c相的电流(ILc)输出增加。增加的电流会产生热量，从而降低驱动电路的效率。根据本发明的电流平衡电路，跨导放大器(Gma、Gmb、Gmc)检测流经每一相的电流并将对应于电流的信号提供给低通滤波器210。
低通滤波器210输出对应于所提供电流的平均值的电流信号(IAVG)，并且将其提供给运算部(220a、220b、220c)。运算部(220a、220b、220c)将跨导放大器(Gma、Gmb、Gmc)检测各相输出电流的信号而输出的信号与平均电流(IAVG)之间的差分计算之后，将其提供给占空比控制器(300a、300b、300c)。占空比控制器(300a、300b、300c)接收计算的差分信号(IDUTYa、IDUTYb、IDUTYc)，并且通过形成每个开关的门控信号而调整各相输出的占空比。如图2(b)所示，通过如此调整的占空比在一定程度上解决了电流不平衡问题。
然而，在电流平衡电路的每一相中包含的元件中形成偏移等非理想特性，由此，如图2(c)所示，可能难以均匀地平衡在所有相中流动的电流(IL1,、IL2,、IL3)。
图3(a)是在为了解决由偏移引起的电流不平衡而进行的校准过程中，包含在电流平衡电路中的任一相的等效电路，图3(b)是校准过程中电流平衡电路任一相的简化等效电路。作为一实施例，校准过程在转换器开始驱动时可以进行。参照图3(a)和3(b)，在跨导放大器部(100a、100b、100c)(见图1)的两个输入端之间形成第一偏移电压(Vos1)，并且向任一个输入端输入偏移消除电压(Vosc)。在校准过程中，跨导放大器可以被建模为第一比较器100并与比较器等效地工作。
在低通滤波器210的两个输入端与运算部(220a、220b、220c，见图1)之间形成偏移电压(Vos2)。另外，在校准过程中，低通滤波器210和运算部220可以被建模为第二比较器200并与比较器等效地工作。此外，占空比控制部300在两个输入端之间形成偏移电压(Vos3)，在校准过程中可以建模为第三比较器300并与比较器等效地工作。
据此，本发明的实施例的电流平衡电路包括：第一比较器部100，其在两个输入端上形成第一偏移电压(Vos1)，并且将偏移消除电压向任一输入端输入(Vosc)；第二比较器部200，其在两个输入端形成第二偏移电压(Vos2)，并且将所述第一比较器部100的输出电压向任一个输入端输入，将参考电压(Vref作向另一个输入端输入；第三比较器部300，其在两个输入端形成第三偏移电压(Vos3)，将所述第二比较器部200的输出电压向任一个输入端输入，将参考电压(Vref)向另一个输入端输入；以及控制部400，其在校准过程中，形成随时间增加的偏移消除电压而输出，并且将偏移消除电压大于第一偏移电压与第二偏移电压及第三偏移电压之和时的偏移消除电压输出。
图4是用于说明校准过程中根据本实施例的电流平衡电路的的操作的示意性时序图。参照图3和图4，如果通过施加电源而驱动转换器，则校准开始信号(CALON)的状态发生变化并开始用于消除偏移的校准过程。在图4所示的实施例中，校准开始信号(CALON)被例示为在逻辑高状态下开始校准过程。然而，在图示的实施例中，校准开始信号(CALON)在校准过程可以处于逻辑低状态。
当校准开始信号(CALON)被提供时，时钟脉冲被提供给计数器(counter)。计数器(counter)对输入时钟脉冲的数量进行计数并输出计数结果(CAL count)。存储器(Memory)接收并存储计数器(counter)输出的计数结果。
随着校准开始信号(CALON)保持在逻辑高状态而校准多路复用器(CAL MUX)将计数器(counter)输出的计数结果信号(CAL count)输出到数模转换器(DAC)。DAC为了对应于提供的计数结果(CAL count)信号而形成随时间增加的偏移消除信号(Vosc)，并且将其向第一比较器部100的一个输入端提供。
第一比较器部100可以是如上所述的检测每相的电流并输出与检测结果对应的电流的跨导放大器(Gma、Gmb、Gmc，见图1)。据此，第一比较器部100的两个输入端之间连接有电阻器，该电阻器通过每相电流(IL)流过而形成相应电压。然而，由于在电阻连接的状态下无法准确测量偏移电压的影响，因此通过将开关(SW)导通而每相的电流(IL)被旁路到参考电压。作为一例，开关(SW)的导通和断开可由校准开始信号(CALON)来进行。
DAC可以形成并输出参考电压(Vref)，并且将该参考电压(Vref)在校准过程通过多路复用器(MUX)而向第二比较器200和第三比较器300的任一个输入端提供。
如上所述，DAC接收计数器(counter)对时钟脉冲数进行计数得到的计数结果信号，并且形成与计数结果信号对应的偏移消除信号(Vosc)输出。据此，偏移消除信号(Vosc)随着时间而增加。
当提供给第一比较器部100的偏移消除信号(Vosc)的大小与第一偏移信号(Vos1)、第二偏移信号(Vos2)和第三偏移信号(Vos3)之和的大小颠倒时，第三比较器300的输出CP_OUT信号会改变。作为一例，在跨导放大器100中形成的第一偏移电压(Vos1)的大小为5mV，低通滤波器200中形成的第二偏移电压(Vos2)的大小为-3mV，占空控制部300中形成的第二偏移电压(Vos2)的大小为-3mV，第三偏移电压(Vos3)的大小为2mV的情况下，只有当偏移消除电压(Vosc)的大小超过4mV时，第三比较器输出的CP_OUT信号才会发生变化。
存储器(Memory)检测CP_OUT信号的变化并存储由计数器(counter)提供的计数结果信号(CAL count)。在图示的实施例中，存储器在CP_OUT信号改变之前存储计数结果信号(CAL count)。然而，在未图示的实施例中，存储器在CP_OUT信号改变之后立即存储计数结果信号(CAL count)。
作为一例，CP_OUT信号改变之后，即使计数器(counter)输出的计数结果信号(CALcount)的值被改变而存储器(momory)也不会更新(update)存储的值。
如果计数器(counter)达到可计数的最大值，则校准过程结束，并且校准开始信号(CAL_ON)的状态会改变。随着校准过程结束而存储器输出存储的计数结果信号(CALcount)。多路复用器(MUX)将存储器输出的系数结果信号提供给DAC，并且DAC形成并输出与相同的与所提供的计数结果信号(CAL)对应的偏移消除信号(Vosc)。
据此，在本实施例中，当在校准过程之后转换器工作时，可以消除转换器中包括的元件的偏移，并且可以高精度地平衡转换器的各相中的电流。
上面已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，但这只是示例，本发明不限于此。本发明所属领域的普通技术人员可以在不脱离本发明范围的情况下，可以对所描述的实施例进行变更或变形，并且在本发明的技术宗旨和下面将描述的权利要求的等效范围内，可以进行各种变更或变形。

Claims (9)

1.一种电流平衡电路，其特征在于，包括：
第一比较器部，其在两个输入端形成第一偏移电压，并且将偏移消除电压向任一输入端输入；
第二比较器部，其在两个输入端形成第二偏移电压，并且将所述第一比较器部的输出电压向任一个输入端输入，将参考电压作向另一个输入端输入；
第三比较器部，其在两个输入端形成第三偏移电压，并且将所述第二比较器部的输出电压向任一个输入端输入，将参考电压作为另一个输入端输入；以及
控制部，其在校准过程中，形成随时间增加的所述偏移消除电压而输出，并且将所述偏移消除电压大于所述第一偏移电压与所述第二偏移电压及所述第三偏移电压之和时的偏移消除电压输出。
2.根据权利要求1所述的电流平衡电路，其特征在于，
所述第一比较器部包括：跨导放大器，其在所述两个输入端形成第一偏移电压并将偏移消除电压输入到其中一个输入端；
检测电阻,其连接到所述两个输入端；以及
开关，其与所述检测电阻并联，
其中，所述跨导放大器接收由流经所述检测电阻的电流形成的电压而输出相应的电流。
3.根据权利要求2所述的电流平衡电路，其特征在于，
在所述校准过程中，所述控制部通过控制使开关导通，并且所述跨导放大器比较所述第一偏移电压和所述偏移消除电压的大小。
4.根据权利要求1所述的电流平衡电路，其特征在于，
所述第二比较器部包括：低通滤波器，其输出包括运算放大器和连接到所述运算放大器的反馈回路的电抗元件；以及运算部，其计算平均电流和通道电流之间的差异。
5.根据权利要求4所述的电流平衡电路，其特征在于，
所述第二比较器部在校准过程中向所述任一个输入端提供所述参考电压。
6.根据权利要求1所述的电流平衡电路，其特征在于，
所述第三比较器部通过比较所述偏移消除电压、所述第一偏移电压、所述第二偏移电压和所述第三偏移电压的大小来输出相应的信号。
7.根据权利要求1所述的电流平衡电路，其特征在于，
所述控制部，包括：
计数器，其被输入时钟脉冲并对输入所述时钟脉冲的数量进行计数；
数模转换器，用于产生所述偏移消除电压，该电压随时间增加以对应于所述计数器的计数结果；以及
存储元件，其用于存储所述计数器的计数结果。
8.根据权利要求7所述的电流平衡电路，其特征在于，
所述控制部还包括多路复用器，
当所述偏移消除电压大于所述第一偏移电压、所述第二偏移电压和所述第三偏移电压之和时，所述存储元件存储所述计数器的计数结果，
当所述校准过程完成时，所述存储元件将存储的所述计数器的计数结果提供给数模转换器，
并且所述数模转换器输出与所述计数器的计数结果相对应的所述偏移消除电压。
9.根据权利要求1所述的电流平衡电路，其特征在于，
所述电流平衡电路为多相转换器的每一相平衡电流。
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