具有相电流估计器的开关功率转换器电流感测的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及开关功率转换器，特别是开关功率转换器中的相电流感测和估计。
【背景技术】
[0002] 由于其高效性以及所占据的面积/体积小，开关功率转换器被广泛地用于现代 电子系统中的各种应用，例如用于电信的计算（服务器和移动台）和POL(负载点系统 Point-of-Load)。广泛接受的开关功率转换器包括降压、升压、降压-升压、正向、逆向、半 桥、全桥和SEPIC拓扑结构。多相降压转换器尤其适于提供在低电压下的高性能集成电路 所需的高电流，例如微处理器、图形处理器、和网络处理器。降压转换器可以用有源部件来 实现，例如脉冲宽度调制（PWM)控制器1C(集成电路）、驱动器电路、包括功率M0SFET(金 属-氧化物-半导体场效应晶体管）的一个或多个相、以及无源部件，如电感器、变压器或 耦合的电感器、电容器、和电阻器。多个相可以通过相应电感器并联连接到负载，以满足高 输出的电流需求。
[0003] 现代高性能电源需要相电流信息，以向负载提供高质量功率。相电流信息在提供 诸如相位故障检测、电流平衡、节能模式、过电流和负电流保护、以及改善的瞬态响应的关 键特征时是很重要的。传统的多相数字开关电源转换器包括电流感测/采样网络，用于获 得相电流信息。然而，传统电流采样网络消耗大量的功率和控制器芯片（晶片）上的面积， 因此需要一种具有低功率和面积消耗的高性能电流采样网络。
[0004] 例如，一种用于采样相电流信息的常规方法是高分辨率和高速电流快闪ADC(模 拟-数字转换器）。快闪ADC提供快速转换和高精度，但是具有高成本和高泄漏电流、控制 器芯片上的高功率和面积消耗。获得相电流信息的另一种传统方法是跟踪ADC。但是，跟踪 ADC易受噪声影响，具有相对较高的控制器芯片上的功率和面积消耗，并在高开关频率时具 有不好的跟踪能力和性能。获得相电流彳目息的又一种常规方法是西格玛 _德尔塔ADC。然 而，西格玛-德尔塔ADC在高开关频率时具有不好的跟踪能力，需要以比信号带宽大得多的 速率进行过采样，并且在数字输出和相应的采样时刻之间具有很大的延迟。
【发明内容】
[0005] 根据相电流估计器的一个实施例，相电流估计器包括模拟电路，可操作为通过比 较开关功率转换器的相电流与表示相电流的估计值的模拟值，来产生相电流估计误差。该 相电流估计器还包括数字电路，可操作为基于相电流估计误差和多个与开关功率转换器的 操作相关联的参数来修改相电流估计值。
[0006] 根据开关功率转换器的一个实施例，开关功率转换器包括相，所述相可操作为将 相电流输送到负载和相电流估计器。该相电流估计器包括模拟电路，可操作为通过比较开 关功率转换器的相电流与表示相电流的估计值的模拟值，来产生相电流估计误差。该相电 流估计器还包括数字电路，可操作为基于相电流估计误差和多个与开关功率转换器的操作 相关联的参数来修改相电流估计值。开关功率转换器还可以包括估计器故障检测单元，可 操作为比较相电流与相电流估计值来确定相电流与相电流估计值之间的差别是否超过阈 值，以用于指示不合标准的相电流估计值。
[0007] 根据开关功率转换器中的相电流的估计方法的一个实施例，所述方法包括：通过 模拟电路比较开关功率转换器的相电流与相电流的估计值，以产生相电流估计误差；并且 基于相电流估计误差和多个与开关功率转换器的操作相关联的参数来通过数字电路修正 相电流估计值。
[0008] 本领域技术人员在阅读以下详细描述并且查看了附图之后，将认识到附加的特征 和优点。
【附图说明】
[0009] 附图中的元件不一定相对于彼此按比例绘制。相同的附图标记表示相应的类似部 分。各个所示实施例的特征可以组合，除非它们彼此排斥。本发明的实施例在附图中示出 并详述于下面的描述。
[0010] 图1示出了具有相电流估计值和估计器故障检测的开关功率转换器的实施例的 框图。
[0011] 图2示出了模拟和数字电路的框图，其包含图1的开关功率转换器中包括的相电 流估计器。
[0012] 图3是相电流估计器的模拟和数字电路的更详细的图示。
[0013] 图4示出了与开关功率转换器的PWM操作相关联的各个波形图。
[0014] 图5示出了相电流估计器的相电流跟踪单元的实施例的框图。
[0015] 图6示出了相电流估计器的相电流斜率估计器单元的实施例的框图。
[0016] 图7示出了相电流估计器的相电流斜率估计器单元的另一实施例的框图。
[0017] 图8示出了相电流估计器的相电流斜率校正单元的实施例的框图。
[0018] 图9示出了与相电流斜率校正单元的操作相关联的各个波形图。
[0019] 图10示出了与相电流估计器的操作相关联的各个波形图。
[0020] 图11示出了估计器故障检测单元的实施例的框图。
[0021] 图12示出了开关功率转换器中的相电流估计方法的实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0022] 在此描述的实施例通过使用基于系统信息产生的相电流的估计值，改进了开关功 率转换器的相电流跟踪回路的性能，系统信息例如输入电压、输出电压、输出电感和用于控 制开关功率转换器的相的PWM信号的状态。闭环系统可以通过线性反馈形成。另外，可以提 供非线性积分器反馈，其能够补偿参数公差和较差的相电流估计值。本文所述的相电流估 计实施例可以结合实际的和估计的相电流信息，以生成非常高性能的跟踪和噪声抑制。结 果，整个开关功率转换器系统不需要在高时钟速率的情况下运行。相反，相电流估计器的模 拟部分可以以比估计器的数字部分慢得多的速率运行，相比于对整个开关功率转换器系统 使用单个时钟速率的传统方法，其减少了片上功耗，同时产生相同或更好的性能。这里所述 的相电流采样估计实施例也对量化和测量噪声较不敏感，并可以重构相电流的丢失的正斜 率，在高阻抗（HiZ)模式期间估计相电流，实现非常有效和简单的估计器故障检测器，用于 检测不精确的电流估计和不好（不合标准）的跟踪条件，并提供针对寄生效应和电感器值 公差的自适应调整。
[0023] 图1示出了开关功率转换器的一个实施例，其包括功率级100,包括多个相102及 控制器200,例如微控制器、微处理器、ASIC(专用集成电路）等，用于控制功率级100的操 作。功率级100向负载104提供规定的电压。功率级100的每个相102可操作为通过单独 的电感器（LX)向负载104输送相电流（IphX)，负载104经由电感器和输出电容器（Cout) 连接到开关功率转换器。所述负载104可以是高性能集成电路，诸如微处理器、图形处理 器、网络处理器等或其它类型的需要电压调节的电子电路。
[0024] 每个相102具有高侧开关（HSX)和低侧开关（LSX)，其用于通过相应的电感器耦合 到所述负载104。每一相102的高侧开关可切换地将负载104连接到开关功率转换器的输 入电压（Vin)，并且所述相应的低侧开关可开关地以不同的周期将所述负载104连接到地。 为了便于举例说明，在图1中示出三个相102 (N= 3)，然而所述功率级100可包括任意数量 的相102,包括单相或多于一个相。
[0025] 控制器200通过调节输送到负载104的相电流，调整由功率级100输送到负载104 的电压（Vsense)。控制器200包括脉冲宽度调制器（PWM) 202,用于对功率级100的开关的 每个相102进行开关。一旦负载电流为低（例如低于相电流的一半），同步转换器允许负 电流（反向电流）流经低侧开关和它消失的地方。然而，如果低侧开关关断，相应的主体二 极管不能导通反向电流，且其保持在HiZ(高阻抗）或零电流，其被称为DCM(非连续导通模 式）。开