專利名稱：Dc-dc轉換器中電感電流的測量的系統和方法
DC-DC轉換器中電感電流的測量的系統和方法技術領域
本發明與申請號為12/622478，申請日為2009年11月20日的美國專利申請相關。 上述申請的公開文件在此以引用的方式整體并入。
背景技術：
于此進行背景技術描述的目的在于對所公開的內容做出一般性的說明。發明人的某些工作，而此工作已在背景技術中已得到某種程度的描述，以及在說明書中關于某些在申請日前尚未成為現有技術的內容，無論是以明確或隱含的方式均不視為相對于本發明的現有技術。
許多模擬和數字電源，包括平均電流模式電源，都包含有DC-DC轉換器。DC-DC轉換器具有多種不同類型(例如，降壓轉換器，升壓轉換器，降壓-升壓轉換器，反激式轉換器等)。降壓型DC-DC轉換器包括位于輸出級的電感。所述DC-DC轉換器的輸出電壓可以通過多種方式進行調節。例如，在平均電流模式電源中，通過電感的電流(電感電流)可被用于調節所述輸出電壓。因此，檢測電感電流對于控制高效DC-DC轉換器而言是一種重要功能。
所述檢測到的電感電流具有多種應用。例如，所述應用可能包括過流保護，自適應電壓定位，以及對電流模式電源的環路控制。此外，所述檢測的電感電流可被用于確定何時從連續導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)轉換到不連續導通模式 (Discontinuous Conduction Mode，DCM)。進一步，所述檢測的電感電流可被用于計算基于狀態空間的控制器中的負載電流，其中估計的電容電流是可獲得的。
檢測所述電感電流的方法需精確，低成本，并且對DC-DC轉換器總體效率的影響要最小。目前已有數個方法可用于檢測所述電感電流。然而，每一種方法都具有不符合 DC-DC轉換器尖端、高精度和快速瞬態響應要求的缺陷。這些方法中的一些將會在下文中描述。
現在參考圖1，轉換器10利用與電感串聯的高精度電阻對所述電感電流進行檢測。所述轉換器10包括脈寬調制(PWM)控制器12、一對相互串聯的開關14和16、電感L、 高精度檢測電阻Rsmse、電容C。ut和放大器20。Rd。是所述電感L的寄生電阻。
所述PWM控制器12產生控制開關14和16開關時間的脈寬調制脈沖。電流i流經所述電感L，并在所述檢測電阻兩端產生壓降。放大器20具有增益Av，并對檢測電阻Rsense兩端的壓降進行放大。放大器20的輸出為i*Rsense*Av。電感電流i由放大器20的輸出決定。
這種方法會在檢測電阻Rsense中遭受損失，該檢測電阻Rsense會降低轉換器10的總體效率。此外，因為被用于檢測電感電流i的檢測電阻兩端的壓降很小，這種方法會受到噪聲的影響。進一步，用于測量電感電流i的測量電路會增加延時。
作為對檢測電阻Rsense的替代，開關14和16的導通電阻(RDS。n)可被用于檢測電感電流i。RDS。n是當開關處于導通狀態下開關的漏極和源極之間的電阻。當開關導通時，開關的RDS。n與電感L串聯，并且電感電流i會在RDS。n的兩端產生壓降(即VDS), Vds可被測量以用于對所述電感電流i進行檢測。
雖然這種方法不會影響轉換器的效率，但由于RDS。n的值會基于溫度變化，因此這種方法不會很精確。進一步，Vds的小信號等級會帶來噪聲問題。此外，用于測量電感電流 i的測量電路會增加延時。
現在參考圖2，轉換器30利用與所述電感相并聯的電阻和電容來檢測所述電感電流。轉換器30包括PWM控制器12，開關14和16，電感L和電容Cout。此外，如圖所示，電阻R和電容C跨接在電感L兩端。RDe，所述電感L的寄生電阻，作為檢測電阻起作用。
R和C的值被選擇以使得由電阻R和電容C構成的RC電路的阻抗與所述電感L的阻抗相匹配。換句話說，選擇R和C的值以使得RC電路的時間常數與由電感L和寄生電阻 Rdc構成的LR電路的時間常數相匹配。那就是說，R和C的值被選為R*C ^ L/Rdc。
當R*C ^ L/RDC時，所述電容C兩端的電壓與電感電流i成線性比例關系。放大器 40對電容C兩端的電壓進行放大，并產生一輸出i*RDC*Av。所述電感電流i可由放大器40 的輸出決定。
這種方法的精確度取決于RC電路的阻抗與電感L阻抗的匹配程度。進一步，所述電容C的小電壓等級會帶來噪聲問題。特別地，所述檢測到的電感電流可能包括高頻噪聲。 此外，用于測量電感電流i的測量電路會增加延時。發明內容
一種系統包括平均模塊，高通濾波器模塊，第一估計模塊，檢測模塊，以及結合模塊。所述平均模塊接收電源的輸出電壓并產生平均輸出電壓。所述高通濾波器模塊接收被用于在電源輸出級控制開關的平均開關電壓，并濾除所述平均輸出電壓與平均開關電壓間的差。所述估計模塊基于所述高通濾波模塊的輸出對經過位于輸出級的電感的第一濾波電流進行估計。所述檢測模塊檢測所述電感兩端的電壓，并對流經所述電感的第二電流進行估計。低通濾波模塊對所述第二電流進行過濾。所述結合模塊將所述第一濾波電流和所述第二濾波電流進行組合以產生一流經所述電感的估計的電流。
在其他特征中，所述高通濾波模塊包括具有第一角頻率的高通濾波器。所述低通濾波模塊包括具有第二角頻率的低通濾波器。所述第一角頻率與第二角頻率相等。
在其他特征中，所述高通濾波模塊包括具有第一增益的高通濾波器。所述低通濾波模塊包括具有第二增益的低通濾波器。所述第一增益與第二增益相等。
在其他特征中，所述高通濾波模塊包括具有第一極點的高通濾波器。所述低通濾波模塊包括具有第二極點的低通濾波器。所述第一極點與第二極點相等。
在另外的特征中，所述檢測模塊包括跨接在所述電感兩端的電路。所述電路的阻抗與所述電感的阻抗相匹配。
在另外的特征中，所述估計模塊通過利用電感模型對流經所述電感的第一電流進行估計。
在其他特征中，所述高通濾波模塊、估計模塊、低通濾波模塊和結合模塊利用至少一個主動和被動模擬元件，包括電阻、電容，以及運算放大器來實現。
在其他特征中，所述高通濾波模塊，估計模塊，低通濾波模塊，和結合模塊利用數字邏輯元件，包括加法器，乘法器，以及延時級來實現。
在其他特征中，所述高通濾波模塊，估計模塊，低通濾波模塊，和結合模塊利用固件，包括由數字信號處理器(DSP)執行的指令控制轉換器來實現。
在其他特征中，一種方法包括通過對電源的輸出電壓進行平均化以產生平均輸出電壓。所述方法進一步包括利用高通濾波器過濾所述平均輸出電壓和平均開關電壓之間的差，所述平均開關電壓用于在電源的輸出級對開關進行控制。所述方法進一步包括基于所述高通濾波器的輸出對位于輸出級的電感的第一濾波電流進行估計，并通過檢測所述電感兩端的電壓對流經所述電感的第二電流進行估計。所述方法進一步包括利用所述低通濾波器對所述第二電流進行過濾，并將所述第一濾波電流和所述第二濾波電流進行組合以產生流經所述電感的估計電流。
在其他特征中，所述方法進一步包括對所述高通濾波器進行配置以使其具有第一角頻率，以及對所述低通濾波器進行配置以使其具有第二角頻率，這里所述第一角頻率等于第二角頻率。
在其他特征中，所述方法進一步包括對所述高通濾波器進行配置以使其具有第一增益，以及對所述低通濾波器進行配置以使其具有第二增益，這里所述第一增益等于第二增 ο
在其他特征中，所述方法進一步包括對所述高通濾波器進行配置以使其具有第一極點，以及對所述低通濾波器進行配置以使其具有第二極點，這里所述第一極點等于第二極點。
在另外的特征中，所述方法進一步包括通過利用跨接在所述電感兩端的電路檢測所述電感兩端的電壓，所述電路的阻抗與所述電感的阻抗相匹配。
在其他特征中，所述方法進一步包括產生所述電感的模型并通過利用所述模型來估計流經所述電感的第一電流。
本發明的進一步適用范圍將會在下述說明書中突顯出來。應當明確的是說明書和特定實例的目的僅在于對本發明進行解釋說明，并不會對本發明的保護范圍構成限制。


通過結合說明書和附圖，本發明將變得更為易于理解，其中圖1描述了一種DC-DC轉換器，所述DC-DC轉換器利用與電感相串聯的電阻來檢測電感電流；圖2描述了一種DC-DC轉換器，所述DC-DC轉換器利用與電感相并聯的電阻和電容來檢測電感電流；圖3Α和;3Β描述了一種系統，所述系統利用數學模型來對平均電感電流進行估計； 圖4是根據本發明的對電感電流進行檢測的系統的功能方框圖； 圖5是根據本發明的對電感電流進行檢測的系統的詳細功能方框圖； 圖6A-6D描述了在圖4和5中所使用的高通濾波模塊的不同實施方式； 圖7是圖4和5中所使用的估計模塊的功能方框圖； 圖8A-8D描述了在圖4和5中所使用的低通濾波模塊的不同實施方式； 圖9Α是圖4所示系統的模擬實現方式； 圖9Β是圖9Α中所示模擬實現方式的模擬表示；圖10是根據本發明對電感電流進行檢測的方法流程圖。
具體實施方式
以下描述實質上僅僅只是說明，其目的并不在于限制本發明，或者是限制本發明的應用或使用。為了清楚起見，相同的附圖標記將在附圖中被用于確定相似的元件。就如這里使用的一樣，表述A、B和C中的至少一個應該被理解為邏輯(A或B或C)，利用無排他性邏輯OR。應該知道的是，一種方法中的步驟執行順序可能不同，但這并不能改變本發明的原理。
就如此處使用的一樣，術語“模塊”可以是指某一特定用途集成電路(ASIC)，或特定用途集成電路(ASIC)的一部分，或一電子電路，一組合邏輯電路，現場可編程門陣列 (FPGA)，一執行代碼的處理器(共用的，專用的，或組)，提供所述功能的其他合適組件，或上述一部分或所有部件的結合，例如是一個片上系統。所述術語“模塊”可以包括存儲器(共用的，專用的，或組)，所述存儲器存儲由處理器執行的代碼。
術語“代碼”，就如上面使用的一樣，可能包括軟件，固件，和/或微代碼，并且可能是指程序，例程，函數、類和/或對象。術語“共用的”，就如上面使用的一樣，意思是來自于多個模塊的一些或全部代碼利用一單個(共用的)處理器進行處理。此外，來自于多個模塊的一些或全部代碼存儲于一個單個(共用的)存儲器中。術語“組”，就如上面使用的一樣， 意思是來自于單個模塊的一些或全部代碼利用一組處理器進行處理。此外，來自于單個模塊的一些或全部代碼存儲于一組存儲器中。
這里所述的一些裝置和方法可以通過由一個或多個處理器執行的一個或多個計算機程序來實現。計算機程序包括存儲于非暫時性有形計算機可讀媒介中的處理器執行指令。計算機程序還可能包括存儲數據。非暫時性有形計算機可讀媒介的非限制性實例是非易失存儲器，磁存儲器，以及光學存儲器。
現在參考圖3A和;3B，系統100利用數學模型對平均電感電流進行估計。所述數學模型的詳細描述可以從申請日為2009年11月20日的美國專利US 12/62M78中獲知，該專利以引用方式在此整體并入。對所述系統100的簡要描述如下。
在圖3A中，系統100包括脈寬調制(PWM)控制器12、開關14和16、電感L和電容 C。ut。此外，系統100還包括模數轉換器(ADC)/平均模塊102、估計模塊104、模數轉換器 (ADC) 106和除法器108。ADC/平均模塊102對電容C。ut處的輸出電壓進行數字化，并產生所述輸出電壓的平均值(V。utavg)。ADC106對輸入電壓Vdd進行數字化。除法器108將平均開關電壓Vavgsw除以輸入電壓Vdd。平均開關電壓Vavgsw是被用于控制開關14和16占空比的信號的平均電壓。PWM控制器12基于比率Vavgsw/Vdd確定驅動開關14和16的脈沖的占空比。
平均開關電壓Vavgsw和輸出電壓的平均值被輸入到估計模塊104。估計模塊104將平均開關電壓Vavgsw和輸出電壓的平均值相組合以對平均電感電流進行估計。估計模塊104 利用下面闡述的數學模型估計所述平均電感電流iest。
在圖;3B中，估計模塊104得以詳細顯示。所述估計模塊包括減法器150、乘法器 152、加法器154、延時級156以及乘法器158。減法器150產生所述平均開關電壓Vavgsw與輸出電壓的平均值之間的差值。乘法器152對減法器150的輸出作倍數運算。加法器154 將乘法器152的輸出與乘法器158的輸出作加法運算。延時級156對加法器154的輸出進行延時。乘法器158對延時級156的輸出作倍數運算。延時級156的輸出即為所述估計的電感電流iest。
數學上，瞬時電感電流由以下方程式給出其中Vavgsw是平均開關電壓，avgi是平均電感電流，VOUt是測量或估計輸出電壓，L是電感L的電感值，R是所述功率級的直流電阻。
這些微分方程可以簡化為離散時間方程形式
權利要求
1.一種系統，其特征在于包括平均模塊，所述平均模塊接收電源的輸出電壓并產生平均輸出電壓； 高通濾波模塊，所述高通濾波模塊接收用于在電源輸出級控制開關的平均開關電壓， 并對所述平均輸出電壓和平均開關電壓的差進行過濾；估計模塊，所述估計模塊基于高通濾波模塊的輸出對流經輸出級電感的第一濾波電流進行估計；檢測模塊，所述檢測模塊檢測電感兩端電壓，并對流經電感的第二電流進行估計； 低通濾波模塊，所述低通濾波模塊過濾所述第二電流；以及結合模塊，所述結合模塊將所述第一濾波電流與第二濾波電流相結合以產生流經所述電感的估計電流。
2.根據權利要求1所述的一種系統，其特征在于 所述高通濾波模塊包括具有第一角頻率的高通濾波器； 所述低通濾波模塊包括具有第二角頻率的低通濾波器； 所述第一角頻率等于所述第二角頻率。
3.根據權利要求1所述的一種系統，其特征在于 所述高通濾波模塊包括具有第一增益的高通濾波器； 所述低通濾波模塊包括具有第二增益的低通濾波器； 所述第一增益等于所述第二增益。
4.根據權利要求1所述的一種系統，其特征在于 所述高通濾波模塊包括具有第一極點的高通濾波器； 所述低通濾波模塊包括具有第二極點的低通濾波器； 所述第一極點等于所述第二極點。
5.根據權利要求1所述的一種系統，其特征在于所述檢測模塊包括跨接在電感兩端的電路，其中，所述電路的阻抗與所述電感的阻抗相匹配。
6.根據權利要求1所述的一種系統，其特征在于所述估計模塊利用所述電感的模型對流經電感的第一電流進行估計。
7.根據權利要求1所述的一種系統，其特征在于所述高通濾波模塊、估計模塊、低通濾波模塊和結合模塊利用至少一個主動和被動模擬元件來實現，所述模擬元件包括電阻、 電容以及運算放大器。
8.根據權利要求1所述的一種系統，其特征在于所述高通濾波模塊、估計模塊、低通濾波模塊和結合模塊利用數字邏輯元件來實現，所述數字邏輯元件包括加法器、乘法器以及延時級。
9.根據權利要求1所述的一種系統，其特征在于所述高通濾波模塊、估計模塊、低通濾波模塊和結合模塊利用固件來實現，所述固件包括由數字信號處理器(DSP)執行控制轉換器的指令。
10.一種方法，其特征在于包括通過對電源輸出電壓的平均化來產生平均輸出電壓；利用高通濾波器來過濾平均輸出電壓和用于在電源的輸出級控制開關的平均開關電壓之間的差；基于高通濾波器的輸出對流經輸出級電感的濾波電流進行估計； 通過檢測電感兩端的電壓來估計流經電感的第二電流； 利用低通濾波器來過濾第二電流；以及將所述第一濾波電流和第二濾波電流相結合以產生流經電感的估計電流。
11.根據權利要求10所述的一種方法，進一步包括 對所述高通濾波器進行配置以使其具有第一角頻率； 對所述低通濾波器進行配置以使其具有第二角頻率； 其中所述第一角頻率等于所述第二角頻率。
12.根據權利要求10所述的一種方法，進一步包括 對所述高通濾波器進行配置以使其具有第一增益； 對所述低通濾波器進行配置以使其具有第二增益； 其中所述第一增益等于所述第二增益。
13.根據權利要求10所述的一種方法，進一步包括 對所述高通濾波器進行配置以使其具有第一極點； 對所述低通濾波器進行配置以使其具有第二極點； 其中所述第一極點等于所述第二極點。
14.根據權利要求10所述的一種方法，進一步包括利用跨接在所述電感兩端的電路來檢測所述電感的電壓，其中所述電路的阻抗與所述電感的阻抗相匹配。
15.根據權利要求10所述的一種方法，進一步包括產生所述電感的模型，并利用所述模型對流經所述電感的第一電流進行估計。
全文摘要
一種DC-DC轉換器中電感電流的測量的系統和方法，包括平均模塊、高通濾波模塊、估計模塊、檢測模塊以及結合模塊。所述平均模塊接收電源的輸出電壓并產生平均輸出電壓；所述高通濾波模塊接收用于在電源輸出級控制開關的平均開關電壓，并對平均輸出電壓和平均開關電壓的差進行過濾；所述估計模塊基于高通濾波模塊的輸出對流經輸出級電感的第一濾波電流進行估計；所述檢測模塊檢測電感兩端電壓，并對流經電感的第二電流進行估計；所述低通濾波模塊過濾第二電流；所述結合模塊將第一濾波電流與第二濾波電流相結合以產生流經所述電感的估計電流。
文檔編號G01R19/00GK102545611SQ20111036126
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月15日 優先權日2010年12月3日
發明者K·曼蘇爾, P·W·萊瑟姆二世, S·G·肯利 申請人:馬克西姆綜合產品公司