响应于电容器上电荷来确定信号的特征的制作方法
【专利摘要】本发明公开了响应于电容器上电荷来确定信号的特征。在一实施例中，一装置包括充电电路及确定电路。该充电电路配置用于采用第一电流产生电容器上的电荷，该第一电流与具有一特征的信号相关，并且该确定电路配置用于响应于电容器上电荷来确定信号的特征。例如，通过镜像该输入电流，采用镜像电流对电容器充电，并且确定被充电的电容器两端电压，这样的装置确定电力供应输入电流的平均值，或者确定用于电力供应的电源的输出电流的平均值。
【专利说明】响应于电容器上电荷来确定信号的特征
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请是2013年3月14日提交的申请号为13 / 001，050的同时待审美国专利申请中一部分的延续；其中本申请要求2013年2月26日提交的申请号为61 / 769，404的同时待审美国临时专利申请的优先权；前述所有的申请这里全部引入作为参考。
【技术领域】
[0003]本发明涉及响应于电容器上电荷来确定信号的特征。
【背景技术】
[0004]在现有技术中在响应于电容器上电荷来确定信号的特征方面存在问题。
【发明内容】
[0005]在一实施例中，一种设备，例如供电控制器，包括充电电路和确定电路。充电电路配置用于使用与具有一特征的信号相关的第一电流来产生电容器上的电荷，并且确定电路配置用于响应于电容器上电荷来确定信号的特征。
[0006]例如，该设备的一个实施例通过将输入电流镜像并且采用镜像电流为电容器充电，能够确定电源的输入电流的平均值，或者用于电能供应从电源输出电流的平均值。为了确定输入电流的平均值，电容器将输入电流在供电切换时间段上有效积分，电流镜和电容器被设计为使得整个电容器上电压的幅值大约等于平均输入电流的幅值。为了确定电源输出电流的平均值，供电控制器采用阻抗对整个电容器上的电压进行有效滤波，该阻抗大约等于电源和电源输入节点之间的阻抗。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为根据一实施例的电力系统的示意图，该电力系统包括电源、接收来自电源能量的电力供应、以及接收来自电力供应能量的负载。
[0008]图2为根据一实施例的图1中电力供应输入电流的时间关系图。
[0009]图3为根据另一实施例的电力系统的示意图，该电力系统包括电源、接收来自电源能量的电力供应、以及接收来自电力供应能量的负载。
[0010]图4为根据一实施例的图3电流镜像电路的示意图。
[0011]图5为根据一实施例图3的一个阶段的示意图，该该阶段中生成表示图3电源的平均电流输出。
[0012]图6为根据一实施例的图3整个积分电容器上电压的时间关系图，其中电压表示图3的电力供应的平均输入电流。
[0013]图7A为根据一实施例的图3的电力供应的输入电流的时间关系图。
[0014]图7B为根据一实施例的图3电力供应的输入电流平均值的时间关系图，以及来自图3电源的输出电流平均值的时间关系图。[0015]图8A为根据一实施例，当电力供应工作在电流限制模式时从电源到电力供应的平均输出电流的时间关系图，其中电流限制模式使用传统技术用于确定电力供应的平均输入电流。
[0016]图SB为根据一实施例，当电力供应工作在电流限制模式时从电源到电力供应的平均输出电流的时间关系图，其中电流限制模式使用图3-6中所述技术用于确定电力供应的平均输入电流。
[0017]图9表不根据一实施例,合并图3中电力供应或者电力系统的不意图图。【具体实施方式】
[0018]图1为根据一实施例的电力系统10的原理图，其包括电源12、电力供应(这里是一个降压转换器)14以及负载16。电力供应14将来自电源12的输入电压Vin转换为一个受控输出电压Vrat,其为负载16供电。其中，正如在所述实施例中，电力供应14为降压转换器，从而使得 I Vtjut I〈 I VinI ;例如，Vin=5V 并且 Vtjut=L 3V。
[0019]电源12可构建为包括理想DC电压源18以及内阻抗20。理想电压源18被配置为生成电压v__并且提供输出电流Is-W并且阻抗20的阻值R是一个复数值，尽管所述阻抗仅具有实部阻抗值R。因此，如果R>0并且IS()Urc;e>0，那么由于整个阻抗20上的压降则
Vin〈Vsource °
[0020]降压转换器电力供应14包括输入节点22、电源旁路电容器24、开关控制器26、高侧开关和低侧开关晶体管28和30、滤波感应器32以及滤波电容器34。
[0021]对于所有输入 节点上的非零频率信号，旁路电容器24通过向地面36提供低阻抗路径在输入节点22阻止电压振荡和电压振铃。
[0022]响应于Vwt或者响应于与Vtjut相关的反馈信号，开关控制器26控制晶体管28和30开关的定时，其所采用的方式是将Vrat保持在参考电压Vref设定的电压水平上。
[0023]当控制器26启动高侧晶体管28时，高侧晶体管28将感应器32耦合在输入节点22上，从而电流Iin(如下连同图2描述)从输入节点流入，通过晶体管28和感应器(低侧晶体管30闲置，而高侧晶体管工作)，并且到达滤波电容器34和负载16，从而将感应器充电。由于电源阻抗20和旁路电容器24形成的网络的出现，因此Iin不等于I_TCe。
[0024]当控制器26启动低侧晶体管30时，低侧晶体管30将感应器32耦合到地面36，这样电流Ide-mOTgize从地面流入，通过低侧晶体管和感应器(高侧晶体管28闲置，而低侧晶体管工作)，并且到达滤波电容器34和负载16，从而将感应器放电。如下连同图2所述，在控制器26再次启动高侧晶体管28从而重复上述周期之前，电流Ide_enCTgize通常不会一直衰减到零。
[0025]在晶体管之间的中间节点38处，晶体管28和30的开关产生一个在两个水平，即大约为Vin和地面之间转换的数字类电压。
[0026]但是感应器32和电容器34在中间节点38有效滤波电压，从而生成一个受控DC
输出电压Vtjut。
[0027]另外，负载16可以是任意适当的负载，例如微处理器、微控制器、或者存储器。
[0028]图2为根据一实施例的图1的输入电流Iin的时间关系图。输入电流Iin的周期为T，等于I / F，其中F为控制器26开关晶体管28和30所在的频率；也就是，F为电力供应14的开关频率。另外，在时间段T的Tm部分，电流Iin从Ivalley线性增长到Ipeak ；Ton对应于高侧晶体管28工作而低侧晶体管30闲置的时间段。另外，在时间段T的Irff部分，Iin为零；Toff对应于高侧晶体管28闲置而低侧晶体管30工作的时间段。另外，在Tm期间Ide_ene,gize为零，并且在Ttjff期间从Ipeak线性衰减到Ivalley ;也就是说，当Iin非零时，Ide_energize为零，并且当IinS零时，Ifgize非零。并且电力供应14的占空比D等于Tm/T。
[0029]参见图1和图2，描述了根据一实施例的图1所示的电力系统10的操作。
[0030]在时刻t(l处，控制器26启动高侧晶体管28并且使低侧晶体管30不再运行(控制器可以首先使得低侧晶体管不再运行，从而防止撬杆电流(crow-bar current)同时流过两个晶体管)，这样电流Iin从节点22流出，通过高侧晶体管和感应器32，流到电容器34和负载16。由于通过感应器的电流不能立即改变，t0时刻的Iin值等于Ivalley,也就是时刻h前不久流过感应器32的放电电流If 图2中没有示出)的值。
[0031]在时刻h和时刻&之间的1?期间，电流Iin线性增长。感应器上的电压V以及通过感应器的电流I之间的关系如下等式表示:
[0032](l)V=L(dl / dt)
[0033]从而
[0034](2)dl / dt=V / L
[0035]对于电力供应系统10，可以 假定在时间Tm期间，高侧晶体管28上的电压可以忽略不计，这样感应器32上的电压V等于(Vin-Vwt) / L，从而:
[0036](3)dlin / dt= (Vin-Vout) / L
[0037]并且因为可以假定Tm期间的Vin和Vwt为常数，那么Tm期间Iin的增长率dlin /dt也是常数，这样Iin按照斜率为常数的直线40增长，斜率等于(Vin-Vrat)/L。
[0038]在时刻tl处，控制器26启动低侧晶体管30并且使高侧晶体管28不再运行(控制器可以首先使得高侧晶体管不再运行，从而防止撬杆电流同时流过两个晶体管)，这样电流Ide-enCTgize从地面36流出，通过低侧晶体管和感应器32，流到电容器34和负载16。由于通过感应器的电流不能立即改变，h时刻的Id_n?gize值等于Ipeak,也就是时刻h前不久流过感应器32的输入电流Iin的大小。
[0039]进一步的，在时刻h处，电流Iin迅速掉落到零，并且保持为零直到时刻t2，在时刻t2处上述循环重复。同样的，时刻L和t2之间，Ide_energize(图2中没有示出)线性衰减，斜率为(U / L(低侧晶体管30的电压可以假定为忽略不计，这样可以假定感应器32连接在Vrat和地面之间)。
[0040]仍然参考图1和图2，设计电力系统50的多个可替换实施例。例如，电力供应14包括一个或多个上述没有说明的组件，或者可以省略一个或多个上述说明的组件。
[0041]另外，在某些应用中，人们或许希望获知每个开关时间段T的Iin的平均值，即Iinavg、每个开关时间段T的平均值，即avg、或者每个开关时间段T的Iin avg以及IsourCe_avg°例如，人们希望限制Iin—avg从而防止损坏电力供应14。或者，人们希望限制I_ra—avg从而防止损坏电源12 ;例如，如果电源为电池，那么人们希望限制avg从而防止电源过热或者提前放电。
[0042]一种确定开关时间段T内Iin avg的方法是在节点22和高侧晶体管28之间插入感应电阻，并且对该感应电压进行低通滤波从而生成一个与Iin—avg成比例的所得到的低通滤波电压。[0043]但是这种方法存在一些问题。例如，感应电阻会大大降低电力供应14的效率，并且所得到的低通滤波电压相对Iil^p Iin—avg会发生严重的延迟；这一延迟会使得控制回路或者用于限制Iin—avg的其他电路变得很慢，如下参考图6A进行说明。
[0044]另一种确定开关时间段T内Iinavg的方法是使用处理器根据如下等式计算Iin avg.[0045](4) Im_avg
[0046]例如，对于图2的Iin，由等式(4)获得开关时间段T的Iin avg由下面的等式给出:
[0047](5) Iin avg=Ton / T(Ivalley+Ipeak / 2)
[0048]但是该方法的一个问题在于它要求复杂的电路来测量例如Ivalley、Ipeak以及Tm，从而根据等式(4)或等式(5)计算Iin avg。
[0049]图3为电力系统50的示意图，除了电源12、电力供应14以及负载16之外，还包括确定电路52，该确定电路52被配置用于根据实施例确定Iin avg和13。_—avg，并且相同的附图标记用于标识电力系统10(图1)和50所共有的部件；因此已经在上面连同图1和图2进行说明的共有部件将不再连同图3进行说明。
[0050]确定电路52包括电流镜54、积分电容器56、采样保持电路58、复位电路60以及阶
段62，有效配置来确定响应于Iin avg的Is_ce—avg。
[0051]电流镜54从NMOS高侧晶体管28接收栅极电压Vg和源极电压Vs，并且被配置为产生响应于Vg和Vs的电流Iin integMte。根据下列等式，Iin_integrate与Iin之间的比例因子为S:
[0052](6) Iin integrate ^ S.Iin
[0053]其中S〈〈l，这样电流镜54由Vin获得的电流Imimff可以忽略不计，并且因此可以假定当高侧晶体管工作时，Iin从节点22流出，并且整体流过高侧晶体管28。例如，S大约等于 1X10'
[0054]积分电容器56接收来自电流镜54的电流Iin integMte并且对其进行有效积分；也就是如下所述，存储于积分电容器上的电荷量，以及该电容器上的电压值与Iin—avg成一定比例或者与其相等。例如，如下连同图6的说明，可以由整个积分电容器56在电力系统50每个开关周期末端时刻的电压确定电流Iin—avg。
[0055]采样保持电路58对整个积分电容器56在每个开关周期的末端时刻进行电压采样和保持，并且在该采样保持电路对该电容器电压进行采样和保持后，复位电路60对积分电容器进行放电，从而使积分电容器为下一个开关周期做好准备。采样保持电路58包括采样开关70(例如，晶体管)、缓冲器72、保持电容器74以及产生电压Vlin avg的另一个缓冲器76，电压Vlin avg代表1in avg。并且复位电路60包括NMOS晶体管。
[0056]阶段62被配置用于响应于电压Vlin—avg由电源12产生Is_；e—avg。例如，如下连同图3以及图5-图7B的说明，采用与节点22和理想电压源18之间网络阻抗近似相同的有效阻抗，阶段62对Vlin avg进行有效滤波从而达到上述目的。
[0057]在对电力系统50的操作进行说明之前，对确定电路52后的理论进行说明。
[0058]通过电容器C的电流I以及电容器C两端的电压V之间的关系如下等式:
[0059](7) I=C (dV / dt)
[0060] 并且由等式(7)，可以推导出如下等式:[0061]
【权利要求】
1.一种装置，包括: 充电电路，配置用于采用第一电流产生电容器上的电荷，所述第一电流与具有特征的信号相关；以及 确定电路，配置用于响应于所述电容器上的电荷，确定所述信号的特征。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括所述电容器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述信号包括电力供应输入电流。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述信号包括电源产生的电流，所述电源向电力供应提供电能。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括: 其中所述信号包括第二电流；以及 镜像电路，配置用于响应于第二电流，产生第一电流。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述确定电路配置用于 响应于所述电容器两端的电压，确定所述信号的特征。
7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括: 滤波器，配置用于响应于所述电容器两端的电压，产生滤波电压；并且 其中所述确定电路配置用于响应于所述滤波电压，确定所述信号的特征。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括: 滤波器，配置用于响应于所述电容器两端的电压，产生滤波电压；并且 其中所述确定电路配置用于响应于所述滤波电压，确定另一信号的特征。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述确定电路配置用于确定近似等于所述电容器两端电压的幅值的所述信号的特征的幅值。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述特征包括平均值。
11.一种电力供应，包括: 电容器； 充电电路，配置用于采用第一电流产生所述电容器上的电荷，所述第一电流与具有特征的信号相关；以及 确定电路，配置用于响应于所述电容器上的电荷，确定信号的特征。
12.根据权利要求11所述的电力供应，进一步包括: 其中所述信号包括第二电流；以及 感应器，配置用于传导所述第二电流。
13.根据权利要求11所述的电力供应，进一步包括: 其中所述信号包括第二电流；以及 输入节点，配置用于接收所述第二电流。
14.根据权利要求11所述的电力供应，进一步包括: 其中所述信号包括第二电流；以及 输入节点，配置用于接收与所述第二电流相关的电流。
15.根据权利要求11所述的电力供应，进一步包括: 其中所述信号包括输入电流； 输入节点，配置用于接收来自电源的电源电流并提供所述输入电流；滤波器，配置用于响应于所述电容器两端的电压，产生滤波电压；以及 其中所述确定电路配置用于响应于所述滤波电压，确定电源电流的特征。
16.根据权利要求11所述的电力供应，进一步包括: 其中所述信号包括输入电流； 输入节点，配置用于接收来自电源的电源电流并提供所述输入电流； 滤波器，配置用于响应于所述电容器两端的电压，产生滤波电压；以及 其中所述确定电路配置用于响应于所述滤波电压，确定电源电流的平均值。
17.—种系统,包括: 电力供应，其包括: 电容器； 充电电路，配置用于采用第一电流产生所述电容器上的电荷，所述第一电流与具有特征的信号相关；以及 确定电路，配置用于响应于所述电容器上的电荷，确定信号的特征；以及 负载，与所述电力供应连接。
18.根据权利要求17所述的系统，进一步包括: 其中所述电力供应包括输入节点； 其中信号包括第二电流；以及 电源，配置用于向所述输入节点提供所述第二电流。
19.根据权利要求17所述的系统，进一步包括: 其中所述电力供应包括输入节点； 其中信号包括第二电流；以及 电源，配置用于向所述输入节点提供第三电流，所述第三电流与所述第二电流相关。
20.根据权利要求17所述的系统，进一步包括: 其中所述电力供应包括输入节点； 其中信号包括来自输入节点的输入电流； 电源，配置用于向所述输入节点提供电源电流； 滤波器，配置用于响应于所述电容器两端的电压，产生滤波电压；以及 其中所述确定电路配置用于响应于所述滤波电压，确定所述电源电流的平均值。
21.根据权利要求17所述的系统，进一步包括: 其中所述电力供应包括输入节点； 其中所述信号包括来自所述输入节点的输入电流； 电池，配置用于向所述输入节点提供电源电流； 滤波器，配置用于响应于所述电容器两的端电压，产生滤波电压；以及 其中所述确定电路配置用于响应于所述滤波电压，确定所述电源电流的平均值。
22.根据权利要求17所述的系统，其中所述电力供应包括降压转换器。
23.—种方法,包括: 采用第一电流产生电容器上的电荷，所述第一电流与具有特征的信号相关；以及 响应于所述电容器上的电荷，确定信号的特征。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括:其中所述信号包括第二电流；以及 将所述第二电流提供给电力供应。
25.根据权利要求23所述的方法，进一步包括: 其中所述信号包括第二电流；以及 采用电源生成所述第二电流。
26.根据权利要求23所述的方法，进一步包括: 其中所述信号包括电力供应输入电流； 响应于来自电源的电源电流，产生所述电力供应输入电流； 响应于所述电容器两端的电压，产生滤波电压；以及 响应于所述滤波电压，确定电源电流的平均值。
27.根据权利要求23所述的方法，进一步包括: 响应于所述电容器两端的电压，确定信号的特征。
28.一种电力供应控制器,包括: 充电电路，配置用于采用 第一电流产生电容器上电荷，所述第一电流与具有特征的信号相关；以及 确定电路，配置用于响应于所述电容器上的电荷，确定信号的特征。
【文档编号】H02M3/07GK104009625SQ201410139181
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2013年2月26日
【发明者】马丁·加林斯基 申请人:英特希尔美国公司