专利名称：检测直流－直流功率转换器中的输出电感器电流的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及稳压电路。更具体地，本发明涉及检测补偿型直流-直流开关式功率转换器输送给负载的输出电感器电流。
背景技术：
开关型直流-直流功率转换器通常用于电子工业，把现有的直流(DC)电平电压转换成另一个直流电平电压。开关型直流-直流功率转换器通过把电流切换到连接到负载的输出电感器，选择性地储存电能来提供调整的DC输出电压。同步补偿转换器是特殊的开关式转换器，这种转换器使用两个功率开关，譬如MOSFET晶体管，以控制输出电感器中的电流。高侧开关管选择性地把电感器连接到正电源，而低侧开关管选择性地把电感器接地。用脉宽调制(PWM)控制电路以交替地方式控制高侧和低侧开关管的选通。同步补偿式转换器通常地提供高效率和高功率密度，特别是因其导通阻抗较低而使用MOSFET器件的时候。因此在用于向有需用功率的要求的电子系统供电是有优势的，譬如微处理器要求1至1.5V控制电压(Vcc)，电流范围在40至60安培。对于具有特别高电流负载需要的某些应用情况下，公知地把多个同步补偿转换器以交错方式工作的多相位构型联合在一起。
为了控制同步转换器的性能，公知地要监测输送到负载的电流量。这个信息对于保护负载不受过电流损坏，对于在变化的负载条件下保证有足够的电流送到负载(即控制阶跃负载引起的电压“降落”)，以及使得能够在多相位构型之间电流共用是重要的。一个测量负载电流的方法是包括一个与输出电感器串联的检测电阻，并且测量通过检测电阻的电压降。该检测电阻应当有大到足以使保持检测的电压信号高于固有噪声电平的阻值，因为用较高的阻值可以较精确地测量电压降。这个方法的显著缺点是检测电阻耗费输出电能，从而降低同步转换器的效率。而且，检测电阻还产生必须从系统排除的热量。
另一个测量负载电流的方法是把检测电阻置于与高侧开关管(即MOSEFT)的漏极串联，并且象前法一样监测通过检测电阻的电压降。在此位置中，由检测电阻损耗的电能实质上低于与输出电感器串联的前述位置。此方法的缺点是高侧开关管以高的频率(例如高于250KHz)改变状态，结果，高侧开关管电流不连续。高侧开关管导通时，电流流过开关管，而检测电阻从零开始并且在调整前迅速增加，然后在高侧开关管截止时返回到零。因此，必须在下一个开关周期时利用对通过检测电阻的电压采样得到的信息，这使得必须包括“采样和保持电路”以储存逐周期得到的采样信息。这不仅增加了转换器的复杂性，还存在调节输出电流时的延迟，这降低了转换器的稳定性。
又一种测量负载电流的方法是包括与输出电感器并联的滤波器。该滤波器包括一个电阻和一个串联在一起的电容。通过输出电感器的信号有直流成分和交流成分。信号的交流成分取决于输出电感器的感抗和内阻，以及电流传感器的电阻和电容。通过适当地选择电阻和电容的值，可以使通过电容的瞬时电压等于通过电感器的直流阻抗的电压，从而与流过输出电感器的瞬时电流成正比。从而可以不损耗输出电能，通过监测通过电容的电压检测输出电感器电流。这个方法的缺点是电流检测信号幅度较小，接近于固有噪声电平从而更容易受噪声影响而失真。
还公知利用MOSFET开关管之一的源极和漏极之间的导通电阻(RDSON)作为检测电阻。这个方法的优点是通过利用RDSON作为检测电阻没有附加的电能损耗，因为这个电能损耗已经是转换器工作的固有部分。可惜，这个方法也有与上述的把检测电阻置于与高侧开关管的漏极串联的方法相同的缺点。
因此，需要提供一种精确地检测由补偿型直流-直流开关式功率转换器向负载输送的输出电感器电流而不会不利地影响功率转换器的效率的方法。
发明内容
本发明通过提供用于直流-直流功率转换器的电流检测电路，该电流检测电路能精确地检测输出电感器电流而不会不利地影响功率转换器的效率，以克服现有技术的上述缺点。该电流检测电路产生幅度足以高于固有噪声电平的电流检测信号，从而获得精确的功率转换器负载控制。
在本发明的一个实施例中，直流-直流功率转换器包括至少一个连接到输入电压电源的功率开关管。至少一个相位检测开关管，与至少一个功率开关管并联地连接到输入电压电源上。脉宽调制电路，响应于电流检测信号对至少一个功率开关管和至少一个相位检测开关管提供公共控制脉冲。输出电感器，连接到至少一个功率开关管并且连接到负载。电流传感器连接到输出电感器，并且相应于流经输出电感器的直流内阻的电流，向脉宽调制电路提供电流检测信号。电流传感器还包括一个滤波器，该滤波器包括至少一个功率开关管的导通电阻。电流传感器还包括第二滤波器，用于当至少一个相位检测开关管和至少一个功率开关管改变状态时，从电流检测信号中滤除噪声。
更加具体地，至少一个功率开关管还含有连接到电源输入的高侧功率开关管和接地的低侧功率开关管。高侧功率开关管和低侧功率开关管连接在一起在其间构成功率相位结点。输出电感器连接到功率相位结点。至少一个相位检测开关管还含有连接到电源输入的高侧相位检测开关管和接地的低侧相位检测开关管。高侧相位检测开关管和低侧相位检测开关管连接在一起在其间构成信号相位结点。滤波器连接到信号相位结点。滤波器在高侧开关管的导通状态期间还含有高侧功率开关管和高侧相位检测开关管的导通电阻，并且在低侧开关管的导通状态期间含有低侧功率开关管和低侧相位检测开关管的导通电阻。鉴于电流传感器的电阻增加，电流检测信号的电压会因此增加，从而提供参考输出电流的较清洁信号，该信号比现有技术电流检测电路产生的信号不易于受噪声的影响。
在本发明的另一个实施例中，提供了检测直流-直流电压变换器中输出电感器电流的方法。该电压变换器包括至少一个连接到输入电压电源的功率开关管；至少一个相位检测开关管与至少一个功率开关管并联地连接到输入电压电源上；脉宽调制电路，用于产生用于至少一个功率开关管和至少一个相位检测开关管的公共控制脉冲；以及输出电感器，连接到至少一个功率开关管并且连接到负载。该检测输出电流的方法含有，使用连接到输出电感器和至少一个相位检测开关管的电流传感器，检测流经输出电感器的输出电流。该电流传感器含有一个电容和一个电阻，所述电阻包括至少一个功率开关管的至少一个导通电阻。该方法还含有相应于输出电流产生电流检测信号，并且操纵脉宽调制电路以响应电流检测信号控制至少一个功率开关管。该方法还含有当至少一个相位检测开关管和至少一个功率开关管改变状态时，从电流传感信号滤除噪声的步骤。
在本发明的又一个实施例中，提供用于直流-直流功率转换器的控制电路。该功率转换器包括至少一个连接到输入电压电源的功率开关管；连接到至少一个功率开关管和负载的输出电感器；以及连接到输出电感器的电流传感器。该控制电路含有至少一个与至少一个功率开关管并联地连接到输入电压电源的相位检测开关管，和脉宽调制电路，用于响应电流传感器提供的电流检测信号，产生用于至少一个功率开关管和至少一个相位检测开关管的公共控制脉冲。所述电流传感器还连接到至少一个相位检测开关管，并且含有一个电容和一个电阻，所述电阻包括至少一个功率开关管的导通电阻。电流传感器还含有差分放大器，用于测量通过电容的电压。
更加具体地，至少一个功率开关管还含有连接到电源输入的高侧功率开关管和接地的低侧功率开关管。高侧功率开关管和低侧功率开关管还连接在一起在其间构成功率相位结点。输出电感器连接到功率相位结点。至少一个相位检测开关管还含有连接到电源输入的高侧相位检测开关管和接地的低侧相位检测开关管。高侧相位检测开关管和低侧相位检测开关管还连接在一起，在其间构成信号相位结点。所述电流传感器连接到信号相位结点。
考虑下面对本发明优选实施例的详细说明，将为本领域内普通技术人员提供用于检测直流-直流功率转换器中的输出电感器电流的方法和设备的更全面的理解，以及其它优点和目的的认识。
图1是根据现有技术具有输出电感器电流检测电路的直流-直流功率转换器的示意图；图2是根据本发明具有电感器电流检测电路的直流-直流功率转换器的示意图；图3a是图2所示的通过直流-直流功率转换器的低侧功率开关管和相位检测开关管的电压的图表；图3b是图2所示的电感器电流检测电路提供的电流检测信号的图表；和图3c是图1所示的现有技术电感器电流检测电路提供的电流检测信号的图表。
具体实施例方式
本发明满足检测通过补偿式直流-直流开关型功率转换器输送到负载的电感器输出电流的方法的需要。在下面的详细说明中，相同的附图标记用于描述一个或多个附图中所示的相同元件。
参照图1，示出了利用常规的电感器电流检测的现有技术直流-直流功率转换器。该直流-直流功率转换器向负载20提供输出电压(Vout)，该负载20示意地用电阻表示。该功率转换器还包括连接输入电压电源(Vin)的高侧功率开关管12和低侧功率开关管14。高侧功率开关管12和低侧功率开关管14一般地由MOSFET器件提供，高侧功率开关管12的漏极电连接到输入电压电源Vin，高侧功率开关管12的源极电连接到低侧功率开关管14的漏极，而低侧功率开关管14的源极电接地。在高侧功率开关管12的源极和低侧功率开关管14的漏极之间构成功率相位结点。输出电感器16串联在功率相位结点和负载20之间。电容18电气地并联在负载12上，提供输出电压Vout的平滑作用。脉宽调制(PWM)控制电路22连接到高侧功率开关管12和低侧功率开关管14的栅极，并且为功率开关管12、14产生一系列脉宽调制的控制脉冲，以调节连接到负载12的输出电压Vout。PWM控制电路22提供信号，以交替的方式导通功率开关管12、14。PWM控制电路22通过控制功率开关管12、14的导通时序和导通持续时间，调节流经输出电感器16的电流。
功率转换器的电流检测电路包括与输出电感器16电气并联的滤波器。该滤波器还包括电气串联在一起的电阻28和电容32。如现有技术所公知，通过电容32的电压与通过输出电感器16的直流阻抗的电压相对应。用输入端分别连接到电容两端的差分放大器36测量通过电容32的电压。差分放大器36的输出向PWM控制电路22提供电流检测信号。现有技术的电流检测电路的电流检测信号如图3c所示。应当理解，PWM控制电路22和差分放大器36在图1中示出为包括在虚线框内，因为这些元件一般地组合在用于控制直流-直流功率转换器的集成电路内。PWM控制电路22还可以用于接收其它的输入信号，譬如输出电压检测信号或者从多相位功率转换器的其它功率转换器的电流分配信号，用于控制提供给高侧功率开关管12和低侧开关管14的栅极信号的时序和持续时间。这些附加的信号与本发明无关所以不再加以说明。
参照图2，示出了根据本发明的直流-直流功率转换器。所述直流-直流功率转换器包括高侧相位检测开关管24和低侧相位检测开关管26。高侧相位检测开关管24和低侧相位检测开关管26与功率开关管12、14并联，并且由较低功率的MOSFET器件提供。具体地，高侧相位检测开关管24的漏极电连接到输入电压电源Vin，而相位检测开关管24的源极电连接到低侧相位检测开关管26的漏极，而相位检测开关管26的源极电接地。相位检测开关管24、26的栅极分别与功率开关管12、14的栅极一起电连接到PWM控制电路22。在高侧相位检测开关管24的源极和低侧相位检测开关管26的漏极之间构成信号相位结点。PWM控制电路22、差分放大器36，和相位检测开关管24、26在图2中示出为包括在虚线框内，因为这些元件可能组合在用于控制直流-直流功率转换器的集成电路内。
功率转换器的电流检测电路包括滤波器，所述滤波器如现有技术电路一样含有电阻28和电容32，但是该滤波器并不象现有技术电路那样直接与电感器并联。相反，该滤波器还包括电阻34和电容38。电阻34与电阻28串联并且电连接到高侧相位检测开关管24的源极和低侧相位检测开关管26的漏极之间的信号相位结点。电容38连接到高侧功率开关管12的源极和低侧功率开关管14的漏极之间的功率相位结点。所述滤波器还包括相位检测开关管24、26和功率开关管12、14的导通电阻RDSON。如前，用输入端分别连接到电容两端的差分放大器36测量通过电容32的电压。差分放大器36的输出向PWM控制电路22提供电流检测信号。根据本发明的电流检测电路的电流检测信号如图3b所示。
更加具体地，当导通高侧功率开关管12和高侧相位检测开关管24，并且低侧功率开关管14和低侧相位检测开关管26截止时，滤波器的阻抗包括高侧功率开关管12和高侧相位检测开关管24的导通电阻RDSON。类似地，当低侧功率开关管14和低侧相位检测开关管26导通，并且高侧功率开关管12和高侧相位检测开关管24截止时，滤波器的阻抗包括低侧功率开关管14和低侧相位检测开关管26的导通电阻RDSON。因此在整个供电周期中电流检测信号是连续的。在功率转换器在高侧开关管导通状态向低侧开关管导通状态的过渡期间，以及反之的过渡期间，所有的开关管都瞬时地处在截止状态。在供电周期的这个停滞时间内，电容38和电阻34工作提供低通滤波器，阻断任何高频的瞬态信号影响电流检测信号和功率相位结点和信号相位结点的同步工作。
图3a示出直流-直流功率转换器的功率相位结点(即通过低侧功率开关管14)处的电压和信号相位结点(即通过低侧相位检测开关管26)的电压。在导通高侧功率开关管12时，由于通过MOSFET器件的电压降，功率相位结点的电压恰好低于输入电压Vin。类似地，在导通低侧功率开关管14时，由于通过MOSFET器件的电压降，功率相位结点的电压变得稍为负值(即低于接地电位)。相反地，信号相位结点的电压保持为接近线端对线端电平，即在导通高侧相位检测开关管24时，信号相位结点的电压基本上等于输入电压Vin，而导通低侧相位检测开关管26时，信号相位结点的电压基本上等于接地电位。这是因为相位检测开关管24、26导通非常低的电流，所以通过这些器件的电压可以忽略。所述由于添加两个MOSFET器件引起的功率转换器的功率损耗不显著。无论如何，由于存在连接在功率相位结点和信号相位结点之间的电容38和电阻34，还是趋于均匀化电压差从而降低对电流检测信号的不利影响。
鉴于电流检测电路的阻抗增加，电流检测信号的电压会因而增加，因此提供相对于输出电路较清洁的信号，该信号比现有技术电流检测电路产生的信号不易受噪声的影响。在本发明的一个实施例中，低侧相位检测开关管26和低侧功率开关管14的导通电阻RDSON对输出电感器16的1至2欧姆直流阻抗增加了大约5至10欧姆的阻抗。结果电流检测信号的电压从现有技术电流传感器的20mv峰值增加到大约120mv峰值，换言之，电流检测信号的幅度增加至六倍。
如此，说明了用于检测直流-直流功率转换器的输出电感器电流的方法和设备的优选实施例，本领域内普通技术人员应当能够清楚所述的方法和系统实现了一定的优点。还应当理解，在本发明的范围和精神内可以做出各种修改、改进和替换的实施。本发明进一步由所附权利要求书定义。
权利要求
1.一种直流-直流功率转换器，包括至少一个连接到输入电压电源的功率开关管；至少一个相位检测开关管，与所述至少一个功率开关管并联地连接到所述输入电压电源上；脉宽调制电路，响应于电流检测信号对所述至少一个功率开关管和所述至少一个相位检测开关管提供公共控制脉冲；输出电感器，连接到所述至少一个功率开关管并且连接到负载；电流传感器，连接到所述输出电感器，并且相应于流经所述输出电感器的直流内阻的电流，向脉宽调制电路提供所述电流检测信号，所述电流传感器还包括把所述至少一个功率开关管的导通电阻包括在内的第一滤波器。
2.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述第一滤波器还包括串联在一起的电阻和电容。
3.如权利要求2所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述电流传感器还包括用于测量通过所述电容的电压的差分放大器。
4.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述电流传感器还包括第二滤波器，用于当所述至少一个相位检测开关管和所述至少一个功率开关管改变状态时，从所述电流检测信号中滤除噪声。
5.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述至少一个功率开关管还含有MOSFET器件。
6.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述至少一个功率开关管还包括连接所述电源输入的高侧功率开关管和接地的低侧功率开关管，所述高侧功率开关管和所述低侧功率开关管还连接在一起在其间构成功率相位结点，所述输出电感器连接到所述功率相位结点。
7.如权利要求6所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述至少一个相位检测开关管还含有连接所述电源输入的高侧相位检测开关管和接地的低侧相位检测开关管，所述高侧相位检测开关管和所述低侧相位检测开关管还连接在一起在其间构成信号相位结点，所述第一滤波器连接到所述信号相位结点。
8.如权利要求7所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述电流传感器还含有连接在所述功率相位结点和所述信号相位结点之间的第二滤波器，用于当所述至少一个相位检测开关管和所述至少一个功率开关管改变状态时，从所述电流检测信号中滤除噪声。
9.如权利要求7所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述第一滤波器在所述高侧开关管的导通状态期间还含有高侧功率开关管和高侧相位检测开关管的导通电阻，并且在所述低侧开关管的导通状态期间还含有低侧功率开关管和低侧相位检测开关管的导通电阻。
10.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述至少一个相位检测开关管和所述脉宽调制电路包括在一个公共集成电路中。
11.一种在直流-直流功率转换器中用于检测输出电流的方法，该直流电压变换器包括至少一个连接到输入电压电源的功率开关管；至少一个相位检测开关管与所述至少一个功率开关管并联地连接到所述输入电压电源上；脉宽调制电路，用于对所述至少一个功率开关管和所述至少一个相位检测开关管产生公共控制脉冲；以及输出电感器，连接到所述至少一个功率开关管并且连接到负载，该检测输出电流的方法含有步骤使用连接到所述输出电感器和所述至少一个相位检测开关管的电流传感器，检测流经所述输出电感器的输出电流，所述电流传感器含有一个电容和一个电阻，所述电阻至少包括所述至少一个功率开关管的导通电阻；相应于所述输出电流产生电流检测信号；以及操纵所述脉宽调制电路以响应所述电流检测信号控制至少一个功率开关管。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述产生电流检测信号的步骤还含有测量通过所述电容的电压差的步骤。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还含有当所述至少一个相位检测开关管和所述至少一个功率开关管改变状态时，从所述电流检测信号滤除噪声的步骤。
14.用于直流-直流功率转换器的控制电路，所述功率转换器包括至少一个连接到输入电压电源的功率开关管；连接所述至少一个功率开关管和负载的输出电感器；以及连接到所述输出电感器的电流传感器，所述控制电路含有至少一个与所述至少一个功率开关管并联地连接到所述输入电压电源的相位检测开关管；脉宽调制电路，用于响应所述电流传感器提供的电流检测信号产生用于所述至少一个功率开关管和所述至少一个相位检测开关管的公共控制脉冲；其中，所述电流传感器还连接到所述至少一个相位检测开关管，所述电流传感器含有一个电容和一个电阻，所述电阻至少包括所述至少一个功率开关管的导通电阻。
15.如权利要求14所述的控制电路，其特征在于，所述电流传感器还含有差分放大器，用于测量通过所述电容的电压。
16.如权利要求14所述的控制电路，其特征在于，所述至少一个功率开关管还含有连接所述电源输入的高侧功率开关管和接地的低侧功率开关管，所述高侧功率开关管和所述低侧功率开关管还连接在一起在其间构成功率相位结点，所述输出电感器连接到所述功率相位结点。
17.如权利要求16所述的控制电路，其特征在于，所述至少一个相位检测开关管还含有连接所述电源输入的高侧相位检测开关管和接地的低侧相位检测开关管，所述高侧相位检测开关管和所述低侧相位检测开关管还连接在一起在其间构成信号相位结点，所述电流传感器连接所述信号相位结点。
18.如权利要求17所述的控制电路，其特征在于，所述电流传感器还包括连接在所述功率相位结点和所述信号相位结点之间的滤波器，用于当所述至少一个相位检测开关管和所述的至少一个功率开关管改变状态时，从所述电流检测信号滤除噪声。
19.如权利要求17所述的控制电路，其特征在于，所述电流传感器在所述高侧开关管导通期间还含有所述高侧功率开关管和所述高侧相位检测开关管的导通电阻，并且在所述低侧开关管导通期间含有所述低侧功率开关管和所述低侧相位检测开关管的导通电阻。
20.如权利要求17所述的控制电路，其特征在于，所述至少一个相位检测开关管和所述脉宽调制电路包括在公共集成电路中。
全文摘要
本发明涉及用于直流－直流功率转换器的电流检测电路。该电流检测电路产生幅度足以高于固有噪声电平的电流检测信号，以实现精确的功率转换器负载控制。该直流－直流功率转换器包括至少一个连接到输入电压电源的功率开关管。至少一个相位检测开关管与至少一个功率开关管并联连接到输入电压电源。脉宽调制电路响应电流检测信号对至少一个功率开关管和至少一个相位检测开关管提供公共控制脉冲。输出电感器连接到至少一个功率开关管并且连接到负载。电流传感器连接到输出电感器，并且相应于流经输出电感器的直流内阻的电流，向脉宽调制电路提供电流检测信号。电流传感器还包括把至少一个功率开关管的导通电阻包括在内的滤波器。
文档编号H02M3/158GK1420613SQ0214798
公开日2003年5月28日 申请日期2002年10月31日 优先权日2001年10月31日
发明者帕特里斯·R·莱特利尔 申请人:Sem技术公司