电路系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型电路系统，在一些实施例中，所述电路系统包括：与DC?DC变换器中的变换器电容器相关的估计电容器，所述估计电容器基于通过所述DC?DC变换器中的电感器的电感器电流接收估计电容器电流；以及耦接至所述估计电容器的放大器，所述放大器接收横跨所述DC?DC变换器的变换器负载中而存在的负载电压，并且接收横跨所述估计电容器而存在的估计电压，其中所述放大器生成估计电流，所述估计电流估计通过所述负载的负载电流。根据本实用新型，可以实现输出电流的简单、无损耗、非干扰性的估计。
【专利说明】
电路系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及电路系统。
【背景技术】
[0002]直流(DC)-DC变换器通常用于使电源电压逐步降低以满足特定电路的需要。在许多情况下，此类电路具有可变负载一例如，在DC电机中。DC电机存在于从医疗设备到汽车的无数种类型的电子产品中。为了节省电能同时保持对可变负载的适当电压供应，DC-DC变换器常采用脉冲宽度调制(PWM)，其中将快速切换接通和切换断开的输入电压施加至输出滤波器以便以有效方式对供应给负载的电压和电流进行调节。使用PWM控制器控制该切换操作。许多此类控制器(如，电流模式控制器)对流动通过变换器输出电感器的电流进行监控，并且使用电感器电流信号作为反馈回路的一部分来提高PWM控制系统的稳定性。
[0003]电流模式控制器相对于其他类型控制器提高了稳定性。然而，它们对负载电流中的变化响应缓慢。这种缓慢响应导致供应给负载的电压出现偏差。因此期望保持电流模式控制系统的绝佳稳定性，同时提高对负载的变化的响应时间。这可通过负载电流前馈控制方法而实现。可用的负载电流前馈控制方法需要使用输出滤波电容器和负载之间的串联阻抗感测负载电流。然而，该方法是不利的，因为阻抗可产生额外的功率损耗并且干扰对负载的电压调节。因此需要一种简单、无损耗、非干扰性的估计输出电流的技术。
【实用新型内容】
[0004]根据本实用新型的一个方面，提供了一种电路系统，所述电路系统包括:估计电容器，所述估计电容器与DC-DC变换器中的变换器电容器相关，所述估计电容器接收基于通过所述DC-DC变换器中的电感器的电感器电流的估计电容器电流；以及放大器，所述放大器耦接至所述估计电容器，所述放大器接收跨所述DC-DC变换器中的变换器负载而存在的负载电压，并且接收跨所述估计电容器而存在的估计电压，其中所述放大器生成估计电流，所述估计电流估计通过所述负载的负载电流。
[0005]在一个实施例中，所述系统还包括另一个放大器，所述另一个放大器用于基于通过所述DC-DC变换器中的所述电感器的所述电感器电流提供所述估计电容器电流。
[0006]在一个实施例中，所述另一个放大器的输出耦接至节点，其中所述放大器的输入耦接至所述节点，并且其中所述估计电容器耦接至所述节点。
[0007]在一个实施例中，所述放大器的输出通过反馈回路耦接至所述节点。
[0008]根据本实用新型的一个方面，提供了一种电路系统，所述电路系统包括:DC_DC变换器，所述变换器包括耦接至变换器电容器和变换器负载的电感器，所述变换器电容器和所述变换器负载并联耦接;第一差分放大器，所述第一差分放大器耦接至所述电感器，所述第一差分放大器感测通过所述电感器的电感器电流;估计电容器，所述估计电容器耦接至所述第一差分放大器，所述估计电容器具有基于所述变换器电容器电容的电容，基于所述第一差分放大器的输出电流，估计电容器电流传递到所述估计电容器；以及第二差分放大器，所述第二差分放大器耦接至所述第一差分放大器和所述估计电容器，所述第二差分放大器朝向跨所述变换器负载而存在的负载电压驱动跨所述估计电容器的估计电压，其中所述第二差分放大器基于所述负载电压和所述估计电压生成估计电流，以估计通过所述变换器负载的负载电流。
[0009]在一个实施例中，所述第一差分放大器的输出、所述第二差分放大器的输入以及所述估计电容器全部在公共节点处连接。
[0010]在一个实施例中，所述第一差分放大器和所述第二差分放大器中的每一者选自运算放大器和运算跨导放大器。
[0011]在一个实施例中，所述系统使用所述估计电流驱动控制所述DC-DC变换器的脉冲宽度调制(PWM)控制器。
[0012]在一个实施例中，所述估计电流与所述负载电流的第一比率等于所述估计电容器电流与流至所述变换器电容器的电流的第二比率。
[0013]在一个实施例中，作为时间的函数的所述估计电容器电流等于所述估计电容器的电容乘以所述估计电压的变化速率。
[0014]本文所公开实施例中的至少一些实施例涉及一种系统，该系统包括:与DC-DC变换器中的变换器电容器相关的估计电容器，所述估计电容器基于通过DC-DC变换器中的电感器的电感器电流接收估计电容器电流；以及耦接至估计电容器的放大器，该放大器接收横跨DC-DC变换器的变换器负载的负载电压并且接收横跨估计电容器的估计电压，其中放大器生成估计通过所述负载的负载电流的估计电流。这些实施例中的至少一些实施例可以按一种或多种方式进行修改，从而以按任何顺序和任何组合包括如下概念中的任一者或全部:还包括另一个放大器，该放大器用于基于通过DC-DC变换器中的所述电感器的电感器电流提供所述估计电容器电流;其中所述另一个放大器的输出耦接至节点，其中所述放大器的输入耦接至该节点，并且其中所述估计电容器耦接至该节点；其中所述放大器的输出通过反馈回路耦接至所述节点；其中所述放大器的另一输入耦接至所述变换器负载;其中DC-DC变换器为降压变换器。
[0015]至少一些实施例涉及一种系统，该系统包括:DC-DC变换器，该变换器包括耦接至变换器电容器和变换器负载的电感器，所述变换器电容器和所述变换器负载并联在一起；耦接至电感器的第一差分放大器，该第一差分放大器感测通过电感器的电感器电流;耦接至第一差分放大器的估计电容器，该估计电容器具有基于所述变换器电容器电容的电容，基于第一差分放大器的输出电流传递到估计电容器的估计电容器电流；以及耦接至第一差分放大器和估计电容器的第二差分放大器，该第二差分放大器朝向横跨所述变换器负载的负载电压驱动横跨估计电容器的估计电压，其中第二差分放大器基于负载电压和估计电压生成估计电流以估计通过所述变换器负载的负载电流。这些实施例中的至少一些实施例可以一种或多种方式进行修改，从而以按任何顺序和任何组合包括如下概念中的任一者或全部:其中第一差分放大器的输出、第二差分放大器的输入以及所述估计电容器全部在公共节点处连接;其中第一差分放大器和第二差分放大器中的每一者选自运算放大器和运算跨导放大器;其中系统使用估计电流驱动控制DC-DC变换器的脉冲宽度调制(P丽)控制器;其中估计电流与负载电流的第一比率等于估计电容器电流与流至所述变换器电容器的电流的第二比率;其中作为时间的函数的估计电容器电流等于估计电容器的电容乘以估计电压的变化速率;其中DC-DC变换器为降压变换器。
[0016]根据本实用新型，可以实现输出电流的简单、无损耗、非干扰性的估计。
【附图说明】
[0017]在附图中以及下面的描述中公开了一种估计电路，该电路估计DC-DC变换器中的负载电流。在附图中:
[0018]图1为耦接至DC-DC降压变换器和脉冲宽度调制(PWM)控制器的示例性估计电路的示意图。
[0019]图2为根据实施例的估计DC-DC变换器中的负载电流的示例性方法的流程图。
[0020]然而，应当理解，附图中给定的具体实施例以及对它们的详细描述并不限制本实用新型。相反，这些实施例和详细描述为普通技术人员提供了识别替代形式、等同形式和修改形式的基础，这些替代形式、等同形式和修改形式与给定实施例中的一个或多个一起被包括在所附权利要求书的范围内。
【具体实施方式】
[0021]本文公开了一种可用于估计DC-DC变换器中的负载电流的估计电路。估计电路使用脉冲宽度调制(PWM)控制器通常已经可用的信号估计负载电流，该控制器控制DC-DC变换器的切换操作。具体地讲，估计电路包括估计电容器，该估计电容器为DC-DC变换器中的变换器电容器的缩小版本。估计电路使用放大器(如，运算跨导放大器(OTA))将DC-DC变换器的缩小版本的电感滤波器电流提供给估计电路中的估计电容器。估计电容器电容和DC-DC变换器电容器电容的比率与估计电容器电流和电感滤波器电流的比率相同或基本上类似。将横跨估计电容器的估计电压和横跨DC-DC变换器负载的负载电压提供给放大器(如，0ΤΑ)，该放大器产生估计电流。估计电流迫使估计电压与DC-DC变换器中的负载电压的预定比率匹配或为该预定比率，其中估计电流估计DC-DC变换器中的负载电流。HVM控制器随后使用估计电流控制变换器切换操作。估计电路和PWM控制器使用估计电流而产生的对变换器负载的变化的瞬态响应，比通常通过电流模式PWM控制器实现的瞬态响应快速。
[0022]图1为系统100的示意图，该系统100包括DC-DC降压变换器102、示例性估计电路104和脉冲宽度调制(PffM)控制器106，它们全部彼此耦接。首先对系统100的结构进行描述，然后是对系统100的操作的描述。DC-DC变换器102包括栅极驱动器108;基于晶体管的开关110，112;耦接至开关110的Vin导轨式电压电源114和耦接至开关112的接地116;开关110，112彼此耦接的节点117;耦接至节点117的电感器118;耦接至电感器118的感测电阻器120;耦接至感测电阻器120的变换器电容器122;以及耦接至变换器电容器122和感测电阻器120的可变变换器负载124。电感器电流out 126流经电感器118和感测电阻器120;电流ICqut 128流至变换器电容器122;负载电流Ilqad 130流经变换器负载124;负载电压Vqut 132横跨变换器负载124而存在;接地131耦接至变换器电容器122;并且接地133耦接至变换器负载124。本实用新型的范围并不限于示例性DC-DC降压变换器102中所示的电路逻辑的具体布置方式，本文所公开的技术也并不限于与降压变换器一起使用。相反，本实用新型所公开的估计电路可结合任何合适类型的电流模式控制DC-DC变换器使用。
[0023]示例性估计电路104包括具有同相输入138和反相输入136的放大器(如，运算跨导放大器(OTA)) 134;耦接至放大器134的输出的节点140;耦接至节点140的估计电容器142;以及具有耦接至节点140的反相输入152的另一个放大器(如，0TA)148。放大器148还包括耦接至DC-DC变换器102中的负载124的同相输入150。放大器148产生两个相同或几乎相同的输出，其中一者耦接至节点140作为反馈回路，并且其中另一者耦接至PWM控制器106，如下文所述。放大器134的输出产生电流158;估计电容器电流ICest 160流至估计电容器142;估计电流Iest 156流经将放大器148连接至节点140的反馈回路;估计电流Iest2 154(与Iest156相同)在放大器148和PffM控制器106之间流动;并且估计电压V2 146横跨估计电容器142而存在。估计电容器142耦接至接地144。
[0024]基于DC-DC变换器102中的各种组件的参数选择放大器134，148和估计电容器142的参数。具体地讲，估计电容器142与变换器电容器122的电容比率在本文称之为A1，并且估计电流Iest2 154(或，等同地，估计电流156)与负载电流Ilqad 130的电流比率也SA1。相似地，估计电容器电流160与流至变换器电容器122的电流128的电流比率为A1，并且电流158等同于电感器电流1lit 126和仏的乘积的值可根据需要和根据可能合适来选择。然而，在至少一些实施例中，六工的值被选择为在0.00001至0.001的范围内，但本实用新型的范围并不限于此或者任何其他特定值或特定范围的值。实现AHt为估计电容器142与变换器电容器122的电容比率是通过选择具有适当电容参数的电容器122，142来完成。对于上述电流比率实现A1是通过选择具有适当增益值的放大器134，148而实现。并非上文所述的全部比率均需要精确等于六:。电路设计者可适当地允许比率中有合适程度的误差。在至少一些实施例中，此程度的误差可为加或减百分之五。本实用新型的范围并不限于图1的估计电路104中所示的电路逻辑的具体布置方式。
[0025]Pmi控制器106包括具有反相输入164和同相输入166的放大器(如，0ΤΑ) 162。放大器162将电流ILsense 170输出至节点168，节点168继而耦接至放大器148的输出(Iest2 154在放大器148的输出上流动KPWM控制器106还包括耦接至节点168以及耦接至偏置电压源极174的电阻器172。偏置电压源极174继而耦接至接地176。节点168还耦接至求和块178，求和块178继而耦接至斜坡电压(ramp vo Itage)源极180和接地182。求和块178的输出耦接至比较器184的反相输入186。比较器184的同相输入耦接至电压反馈回路的输出。电压反馈回路包括电阻器190，该电阻器190接收负载电压Vqut 132;节点192，该节点192耦接至电阻器190、耦接至放大器(如，运算放大器)202的反相输入204以及耦接至反馈回路，该反馈回路包括耦接至电容器196的电阻器194;节点208，该节点208耦接至放大器202的输出以及耦接至包括电阻器194和电容器196的反馈回路；以及参考电压源极198，该源极198向放大器202的同相输入206提供参考电压Vref并且耦接至接地200。节点208将误差信号Verrqr提供给比较器184的同相输入188。比较器184的输出为PffM控制信号210，该控制信号210被提供给栅极驱动器108并且控制栅极驱动器108的操作，从而控制提供给变换器负载124的电压。本实用新型的范围并不限于图1的PWM控制器106中所示的电路逻辑的具体布置方式。
[0026]现在对系统100的一般操作进行描述。使用PWM信号210进行控制的栅极驱动器108打开和关闭开关110，112以调节提供给负载124的电压。电感器电流Iqut 126通过节点117、电感器118和电阻器120。电感器电流Iqut 126随后分为两个独立电流:流至变换器电容器122的电流ICqut 128，和流至负载124的负载电流Ilqad 130。横跨负载124生成负载电压Vout132，并且由于负载124和变换器电容器122并联在一起，因此横跨变换器电容器122生成相同电压。
[0027]通过放大器134将横跨电阻器120而存在的电压变换成电流158。电流158在节点140处产生，具有A1的增益。在至少一些实施例中，A1小于I，意指电流158为电流Iqut 126的缩小版本。从节点140，估计电容器电流ICest 160朝向估计电容器142流动。将横跨估计电容器142而存在的估计电压V2 146提供给放大器148的反相输入152，并且将负载电压Vqut 132提供给放大器148的同相输入150。该放大器具有两个输出，其中每一个携带估计电流Iest 156或Iest2 154。携带Iest 156的输出耦接至反馈回路中的节点140。
[0028]估计电路104的一个目标是使用易得自DC-DC变换器12的信号来模拟变换器电容器122和变换器负载124处的条件。估计电路104因而产生估计电流Iest2 154，该电流为实际负载电流Iload 130的基本精确估计，并且估计电流Iest2 154由PffM控制器106用来控制DC-DC变换器102中的切换操作。为此，估计电容器142为变换器电容器122的缩小版本。放大器134，148用于调节施加于该估计电容器142的电压和电流。具体地讲，流至估计电容器142的电流ICest 160为流至变换器电容器122的电流ICqut 128的缩小版本，并且放大器148使用携带有Iest 156的反馈回路朝向负载电压Vqut 132驱动估计电压V2 146。这些活动的净效应是，估计电压V2 146与负载电压Vqut 132匹配或几乎匹配，从而横跨估计电容器142提供与横跨变换器电容器122而存在的电压相同的电压;并且传递到估计电容器142的估计电容器电流ICest 160为传递到变换器电容器122的电流ICqut 128的缩小版本。(假设估计电压V2146等于或非常接近负载电压Vqut 132，估计电容器电流ICest 160(表示为时间的函数)等于估计电容器电容乘以估计电压V2 146的变化速率。)基于这些条件，放大器148产生基本相同的估计电流Iest 156和Iest2 154，所述两个估计电流均可为电流Ilciad 130的缩小估计。
[0029]现在参见HVM控制器106，放大器162—如同放大器134—放大横跨电阻器120的电压并且产生流向节点168的电流ILsense 170 ο ILsense 170和估计电流Iest2 154之间的差值流至电阻器172。横跨电阻器172的电压因而为电阻器172的电阻和ILsense 170与]^12 154之间的差值的乘积。可通过偏置电压源极174引入合适的偏置电压。求和块178将横跨电阻器172的电势与电压源极180产生的斜坡信号(ramp signal)相组合，以产生被提供给比较器184的反相输入186的输出信号。为比较器184的同相输入188提供来自节点208的信号Verrqr，该信号如下产生。将负载电压Vqut 132提供给电阻器190。将节点192处的电压提供给放大器202的反相输入204，同相输入206耦接至参考电压源极198。节点192通过包含电阻器194和电容器196的反馈回路耦接至放大器202的输出。比较器184将从节点208接收的信号与从求和块178接收的信号进行比较。将比较器184的输出210提供给栅极驱动器108，该驱动器108如上所述操作。使用估计电路104的一个优点是，负载124的变化导致横跨电阻器172的电压的变化，这可比信号Verrqr更快速地并且更显著地准时改变PWM。因此，估计电路104提供对负载124的变化的绝佳瞬态响应。尽管估计电路104和DC-DC变换器102中的组件的参数在本文中有详细地描述，但PWM控制器106中的组件的参数并没有详细描述，因为它们可由本领域的普通技术人员根据需要适当地选择。
[0030]图2为根据实施例的估计DC-DC变换器中的负载电流的示例性方法250的流程图。方法250从识别变换器电容器(步骤252)和基于变换器电容器提供估计电容器(步骤254)开始。如上所述，这些电容器可根据需要选择，其中估计电容器电容与变换器电容器电容的比率八:也是电流与这些电容器的比率以及通过估计电路产生的估计电流与DC-DC变换器电路中的负载电流的比率。方法250随后包括向变换器电容器电压(S卩，负载电压)驱动横跨估计电容器的估计电压，并且引发流向估计电容器的估计电容器电流，该电流与流向变换器电容器的电流成比例(即，值A:)(步骤256)。以这种方式，为估计电容器142模拟了与变换器电容器122相关的电压和电流条件。方法250接下来包括使用横跨估计电容器的估计电压和变换器负载电压产生估计电流(步骤258)。如上所述，估计电流为负载电流Ilqad 130的估计(如，缩小版本)。估计电流随后用于驱动PWM控制器(步骤260)。
[0031]本文所公开实施例中的至少一些实施例涉及一种用于估计DC-DC变换器中的负载电流的方法，该方法包括:识别与DC-DC变换器中的变换器负载并联的变换器电容器;基于变换器电容器的电容提供估计电容器;基于流动通过DC-DC变换器中的电感器的电感器电流为所述估计电容器提供估计电容器电流;朝向横跨变换器电容器而存在的电压驱动横跨估计电容器的估计电压;并且使用估计电压生成估计电流，该估计电流估计通过所述变换器负载的负载电流。这些实施例中的至少一些实施例可以按一种或多种方式进行修改，从而以按任何顺序和任何组合包括如下概念中的任一者或全部:其中变换器电容器的电容与估计电容器的电容的第一比率等于估计电流与负载电流的第二比率;其中流至估计电容器的估计电容器电流与流至变换器电容器的电流的第一比率等于估计电流与负载电流的第二比率;其中作为时间的函数的流至估计电容器的估计电容器电流等于估计电容器的电容乘以估计电压的变化速率;其中驱动所述估计电压包括将估计电压和横跨所述变换器负载上的负载电压提供给产生所述估计电流的运算跨导放大器;还包括使用估计电流驱动控制DC-DC变换器的脉冲宽度调制(PffM)控制器;其中使用估计电流驱动PffM控制器导致PffM控制器对所述变换器负载的变化的响应比PWM控制器电压反馈回路产生的响应快。
[0032]一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多其他变型形式和修改形式就将变得显而易见。以下权利要求书被解释为旨在包含所有此类变型形式、修改形式和等同形式。另外，术语“或”应当被解释为包含的含义。
【主权项】
1.一种电路系统，其特征在于，所述电路系统包括: 估计电容器，所述估计电容器与DC-DC变换器中的变换器电容器相关，所述估计电容器接收基于通过所述DC-DC变换器中的电感器的电感器电流的估计电容器电流；以及 放大器，所述放大器耦接至所述估计电容器，所述放大器接收跨所述DC-DC变换器中的变换器负载而存在的负载电压，并且接收跨所述估计电容器而存在的估计电压， 其中所述放大器生成估计电流，所述估计电流估计通过所述负载的负载电流。2.根据权利要求1所述的电路系统，其特征在于，所述系统还包括另一个放大器，所述另一个放大器用于基于通过所述DC-DC变换器中的所述电感器的所述电感器电流提供所述估计电容器电流。3.根据权利要求2所述的电路系统，其特征在于，其中所述另一个放大器的输出耦接至节点，其中所述放大器的输入耦接至所述节点，并且其中所述估计电容器耦接至所述节点。4.根据权利要求3所述的电路系统，其特征在于，其中所述放大器的输出通过反馈回路耦接至所述节点。5.一种电路系统，其特征在于，所述电路系统包括: DC-DC变换器，所述变换器包括耦接至变换器电容器和变换器负载的电感器，所述变换器电容器和所述变换器负载并联耦接； 第一差分放大器，所述第一差分放大器耦接至所述电感器，所述第一差分放大器感测通过所述电感器的电感器电流； 估计电容器，所述估计电容器耦接至所述第一差分放大器，所述估计电容器具有基于所述变换器电容器电容的电容，基于所述第一差分放大器的输出电流，估计电容器电流传递到所述估计电容器；以及 第二差分放大器，所述第二差分放大器耦接至所述第一差分放大器和所述估计电容器，所述第二差分放大器朝向跨所述变换器负载而存在的负载电压驱动跨所述估计电容器的估计电压， 其中所述第二差分放大器基于所述负载电压和所述估计电压生成估计电流，以估计通过所述变换器负载的负载电流。6.根据权利要求5所述的电路系统，其特征在于，其中所述第一差分放大器的输出、所述第二差分放大器的输入以及所述估计电容器全部在公共节点处连接。7.根据权利要求5所述的电路系统，其特征在于，其中所述第一差分放大器和所述第二差分放大器中的每一者选自运算放大器和运算跨导放大器。8.根据权利要求5所述的电路系统，其特征在于，其中所述系统使用所述估计电流驱动控制所述DC-DC变换器的脉冲宽度调制(PffM)控制器。9.根据权利要求5所述的电路系统，其特征在于，其中所述估计电流与所述负载电流的第一比率等于所述估计电容器电流与流至所述变换器电容器的电流的第二比率。10.根据权利要求5所述的电路系统，其特征在于，其中作为时间的函数的所述估计电容器电流等于所述估计电容器的电容乘以所述估计电压的变化速率。
【文档编号】H02M3/156GK205566099SQ201620349948
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】保罗·J·哈里曼
【申请人】半导体元件工业有限责任公司