用于監測開關變換器中的電流的系統和方法
【專利說明】用于監測開關變換器中的電流的系統和方法
[0001]相關專利申請的交叉引用
[0002]本申請要求Jian Wang、Kevin Dowdy 和 Dale Kemper 于 2013 年 11 月 18 日提交的題為“Systems and Methods to Monitor Current in Switching Converters，，的美國臨時申請N0.61/905758的優先權的權益，在此通過引用將該美國臨時申請的全部內容并入本文中。
技術領域
[0003]本發明涉及功率變換電路，并且更具體地，涉及用于監測以CCM和DCM運行的開關型功率變換電路中的電流的系統、器件和方法。
【背景技術】
[0004]諸如消費電子產品應用的領域中所使用的電氣系統通常采用開關功率調節器來將電壓變換為適合于系統內的各種電器件運行的另一個電壓。電子開關型調節器在減小尺寸和成本方面尤其有用。它們主要以以下兩種模式的其中之一運行:連續導電模式(CCM)和也被稱為跳躍模式(skip mode)的不連續導電模式(DCM)。通常，在CCM中，電感器電流總是正的，并且不改變極性，而在DCM中，在每個周期中將流經電感元件的電流設定為零。當開關調節器在輕負載電流條件下以固定開關頻率運行時，通常利用跳躍模式操作來提高效率。
[0005]控制電路時常實時地測量和監測開關變換器的負載電流，以獲得與流經特定應用中的連接至給定開關變換器的電部件的電流有關的有用信息。監測和測量負載電流的很多現有的方法都是通過感測多個功率FET的其中之一上的電流、將該電流變換成電壓信號、并且對信號進行濾波來獲得表示所感測的電流的DC分量的平均DC電壓。這些方法的一個主要缺點在于，尤其是在跳躍模式操作下測量電流時，電流易受噪聲的影響，該噪聲由幾乎存在于所有開關變換器中的通斷開關轉換所產生。所產生的電壓信號的噪聲分量可以使所檢測的電壓的準確度顯著降低，并且因此對電流測量的準確度造成不利影響。現有設計通常需要附加的消隱電路來去除多余的噪聲尖峰，這限制了開關調節器的占空比范圍。作為結果，盡管以CCM運行，即在重負載條件下運行的開關變換器提供了相對精確的輸出信號，但是開關變換器以DCM運行時提供較不精確的結果。
[0006]需要的是克服上述限制的系統和方法。

【發明內容】

[0007]所公開的系統和方法通過采用采集電路來提供以CCM模式和DCM模式運行的開關變換器中的準確的電流監測，所述采集電路包括采樣保持電路和低通濾波器，用于控制與感測電流相對應并且在接通信號期間有效的電壓的波形的至少一個區間的采樣。采集電路包括相位頻率檢測器和控制邏輯，所述控制邏輯在斜坡電壓的非有效階段產生與接通信號相比較窄的采樣窗口，以減小與通常在轉換事件處產生的過渡過程相關聯的噪聲，所述轉換事件例如是功率MOSFET器件的接通和關斷。
[0008]采集電路使用控制回路結構中的負反饋來利用接通信號的中點調整采樣窗口的中點。在某些實施例中，通過使接通信號的下降沿與第二斜坡電壓的下降沿對齊來實現對齊。兩個斜坡事件發生在與接通信號相同的周期內，并且在一段時間后分開，從而例如允許采樣窗口位于兩個斜坡事件之間。由于對稱性，如果兩個斜坡發生在接通脈沖內，則斜坡之間的空載時間(dead time)將與接通脈沖對齊，并且因此采樣窗口將與接通脈沖對齊。
[0009]在各種實施例中，低通濾波器網絡對經對齊的電壓信號進行采樣以及求平均，以產生表示感測電流的DC值。由于在距離開關轉換足夠遠的位置對中點進行采樣，因而采樣的電壓信號實際上無噪聲，并且不受轉換噪聲的影響。
[0010]在某些實施例中，在跳躍模式操作中，由與不對稱波形的周期成反比的因子對由電流監視器所感測的DC值進行縮放，以說明電流中的空載時間，否則所述空載時間會破壞電流監視器輸出的準確度。
【附圖說明】
[0011]將參考本發明的實施例，所述實施例的示例可以在附圖中示出。這些附圖是說明性的，而非限制性的。盡管在這些實施例的背景下總體上描述了本發明，但是應該理解的是，這并不是要將本發明的范圍限制于這些具體實施例。
[0012]附圖(“圖”)I是用于開關變換器的現有技術電流監視器。
[0013]圖2示出了根據本發明的各種實施例的利用采集電路的電流監測系統的方框圖。
[0014]圖3A是示出根據本發明的各種實施例的處于CCM的圖2中的電流監測系統的一般操作的波形。
[0015]圖3B是示出根據本發明的各種實施例的處于DCM的圖2中的電流監測系統的一般操作的波形。
[0016]圖4是根據本發明的各種實施例的用于電流監測采集電路的說明性采樣保持電路的原理圖。
[0017]圖5是根據本發明的各種實施例的用于圖4的采樣保持電路中的控制邏輯電路的示例性方框圖。
[0018]圖6示出了根據本發明的各種實施例的用于圖5中的控制邏輯電路的示例性時序圖。
[0019]圖7示出了根據本發明的各種實施例的用于圖2中的電流監測系統中的示例性乘法器電路。
[0020]圖8是根據本發明的各種實施例的用于電流監測的說明性過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]在以下說明中，出于解釋的目的而闡述具體細節，以提供本發明的理解。然而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，可以在沒有這些細節的情況下實踐本發明。本領域技術人員將認識到，可以采用各種方式并且利用各種單元來執行以下所描述的本發明的實施例。本領域技術人員還將認識到，附加的修改、應用和實施例也處于本發明的范圍內，作為本發明可以提供功能的附加領域。因此，以下所描述的實施例是對本發明的具體實施例的說明，并且是要避免使本發明難以理解。
[0022]說明書中提及的“一個實施例”或“實施例”表示結合實施例所描述的特定特征、結構、特性或功能被包括在本發明的至少一個實施例中。在本說明書中的各處出現的術語“在一個實施例中”或者“在實施例中”等未必指的是相同的實施例。
[0023]此外，附圖中的部件之間連接的或者方法步驟之間的連接并不限于直接作用的連接。相反，可以在不脫離本發明的教導的情況下通過與圖中所示的部件或方法步驟連接的中間部件或方法步驟來對圖中所示的部件或者方法步驟之間的連接做出修改或者改變。在本文中，打開開關變換器、開關調節器框架和開關功率調節器可以互換使用。
[0024]圖1是用于開關變換器中的現有技術電流監視器。電流監測電路100包括開關102、104、電阻器106、電感器112、運算放大器114和電容器108、116。開關102、104與電感器112結合形成了耦合至輸出電容器116的降壓變換器。電感器112和輸出電容器116通常是外部部件。電阻器110表示電感器112的DC電阻。
[0025]在操作中，通過由電阻器106和電容器108構成的RC濾波器布置對開關102與104之間的節點處的電壓進行感測和濾波，以獲得表示流經電感器112的DC電流的DC電壓。假設電感器112兩端的平均電壓為零，并且考慮到電阻器110的電阻值為已知，則可以通過電阻器110兩端的DC電壓除以電阻器110的已知的電阻值來容易地計算出流經電阻器110的DC電流，并且因此可以容易地計算出流經電感器112的DC電流。運算放大器114對經濾波和求平均的電壓進行放大，以產生表示流經電感器112的DC電