专利名称：开关模式电源中的电流测量的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及开关模式电源的领域(有时称为开关模式供电(switch mode supplies)或者开 / 关模式电源(switching mode power supplies)),更具体来说， 涉及开关模式电源中电流的确定。
背景技术：
开关模式电源(SMPS)是一种众所周知类型的电力转换器，因其尺寸小、重量轻和高效率而在例如个人计算机和便携式电子装置(诸如蜂窝电话)中具有各种不同应用。 SMPS通过以高频率(通常为数十至数百kHz)开关诸如功率MOSFET之类的开关元件，来实现这些优点，其中开关的频率或占空比使用反馈信号来调整，以便将输入电压转换成预期输出电压。SMPS可采取整流器(AC/DC转换器)、DC/DC转换器、换频器(AC/AC)或逆变器 (DC/AC)的形式。由于许多原因而希望提高确定SMPS中的电流所能采用的精度。例如，日益先进和计算密集的信号和通信处理算法的出现已经激起对用于实现它们的新的低电压CMOS技术的需要。这对电源提出新的挑战性要求，例如更严格的电压容差范围以及提供增加的电流电平的能力。为了满足这些要求，需要通过提高如下所依靠的电流测量的精度，来改进SMPS 的操作的各种方面(例如电流反馈控制、连续和不连续导通模式的检测、电流保护和系统识别)。准确电流测量还允许同步整流电力转换器中的准确二极管仿真，因而提高其低负载效率。现在将参照图1和图5来描述采取开关模式DC/DC电源形式的SMPS中采用的已知电流估计方法。图1是将输入电压Vin转换成预期输出电压V。ut的开关模式DC/DC电源10的简化电路图。电源10包括电感器20、电容器30、二极管40、功率晶体管50和脉宽调制(PWM)控制器60。PWM控制器以适当频率(例如30kHz)将电压脉冲70施加到功率晶体管50的栅极。PWM控制器通过以从电感器中的电流的测量得到的反馈信号为基础调整脉冲的占空比 D (由D = T0N/TS来定义，其中Ton是脉冲的时长，以及Ts是开关周期)，来调节输出电压V。ut， 在图1的示例中，使用电阻器80来测量电流。在这个布置中，电感器20中的电流⑴按照如图5所示的一般锯齿形方式随时间 (t)改变，从而在晶体管接通时的时段DTs期间从最小值Imin增加到最大值Imax，之后在晶体管断开时的时段(I-D)Ts期间降低到Imin。PWM控制器60在开关周期Ts期间多次重复测量该电流，并且使用在导通时段DTs或截止时段(I-D)Ts期间所得到的样本来计算电流值。但是，晶体管的开关能够引起瞬变，该瞬变在从导通时段转变到之后的截止时段或者从截止时段转变到下一个导通时段之后不久测量的电流值中引入误差。为此，优选的是，当执行电流计算时忽略紧接在转变之后的消隐时段Tb中得到的样本。在当前示例中，计算基于在截止时段期间在时间(I-D)Ts-Tb上得到的多个所测量电流样本值。在已经得到电流样本的情况下，则需要对电流样本进行处理以计算总电流值。对于这样做存在多种已知技术。例如，在“ZL2005 Current Protection and Measurement，，(Zilkerlabs Application Note AN 15,www, zilkerlabs. com)中描述了为了电流保护而使用取样电流值的统计健壮中值，其中数字滤波器用于提高通过PMBus的电流监测的精度。但是，这种方法引入随消隐时间和占空比而改变的偏移误差。因此，这种方法的精度和等待时间不是很好。
发明内容
本发明的实施例利用最小二乘回归来估计电流。这种统计方法具有简洁以及存在显式解的优点。线性最小二乘回归用于估计电感器中的电流使得有可能使用过取样比(S卩，取样频率与开关频率的比率)与电流ADC中的位数之间的折衷，并且提高测量的精度。在实施例中，操作是数据无关的，并且适合于通过硬件、软件或者硬件和软件的混合的实现。此外， 提供一种用于计算线性最小二乘回归的有效算法。实际上，测试已经表明，仅在1或2次迭代之后，所计算结果具有与最佳现有统计方法相同的精度。在最小二乘回归算法中，异常值将影响结果。为了降低异常值的影响，本发明的实施例采用一种可迭代地运行若干次的算法。假如异常值相对所测量数据的总数是少数时， 上述算法在很大程度上中和异常值的影响。该算法极适合于硬件实现，因为它是数据无关的，并且仅使用易实现的运算。它也是可流水线化(pipelineable)的，并且可能在很大程度上并行化，以便达到高吞吐量要求。按照本文以下所述的一个实施例的方法的优点在于，避免可能是复杂且计算密集的病态运算的逆矩阵计算。另夕卜，该方法具有优于快速最小绝对偏差算法的优点，在L. Yinbo和 R. A. Gonzalo 的"A Maximum Likelihood Approach to Least Absolute Deviation Regression" (EURASIP Journal on Applied Signal Processing 2004 :12，第 1762-1769 页，Hindawi Publishing Corp.)中论述了快速最小绝对偏差算法的一个示例。这些算法是迭代的，并且各迭代涉及计算加权中值，这基本上要求加权数据的分类。另外，在这些方案中，所要求精度所需的迭代次数是未知的。与此不同，本发明的一个实施例的方法避免数据的分类，数据的分类由于所要求运算的不可预测次数而是在硬件实现中难以处理的数据相关算法。按照本发明，使用线性最小二乘以使具有至少两个系数的方程所定义的线条拟合所测量电流值来确定开关模式电源中的电流，线条的系数使用关系式c = AIm来得到，其中 c是系数的向量，Iffl是所测量电流值的向量，以及A是将c与Im相关的矩阵。存储表示至少一个预先计算的矩阵A的值，并且接收所测量电流值，各值表示在不同时间在开关模式电源中流动的值。表示矩阵A的所存储值和所接收的测量电流值用于计算线条的每个系数的相应初始值。对于每个所测量电流值-使用线条的方程和系数的所计算初始值来计算所估计电流；-确定所测量电流值与所估计电流值之间的差，以便生成差值；以及-将差值与阈值进行比较，以及如果差值大于阈值，则使用表示矩阵A的所存储值和差值来计算系数的更新值。使用系数的更新值来确定开关模式电源中的电流的值。
本发明还提供一种用于计算开关模式电源中的电流的设备。该设备包括电流计算器，电流计算器配置成使用线性最小二乘以使具有至少两个系数的方程所定义的线条拟合测量电流值来确定开关模式电源中的电流，线条的系数使用关系式c =AIm来得到，其中c 是系数的向量，Im是所测量电流值的向量，以及A是将c与Im相关的矩阵。在设备中还提供用于存储表示至少一个预先计算的矩阵A的值的存储器。电流计算器配置成-接收所测量电流值，各值定义在不同时间在开关模式电源中流动的电流；-使用表示矩阵A的所存储值和所接收的测量电流值来计算线条的每个系数的相应初始值；对于每个所测量电流值-使用线条的方程和系数的所计算初始值来计算所估计电流；-确定所测量电流值与所估计电流值之间的差，以便生成差值；以及-将差值与阈值进行比较，以及如果差值大于阈值，则使用表示矩阵A的所存储值和差值来计算系数的更新值；以及使用系数的更新值来确定开关模式电源中的电流的值。本发明还提供具有如上所述用于计算其中的电流的设备的开关模式电源。本发明还提供一种包括携带计算机程序指令的计算机可读存储介质或信号的计算机程序产品，其中计算机程序指令在由处理器来运行时使处理器执行如上所述的方法。
现在将仅作为举例、参照附图详细说明本发明的实施例，附图包括图1是常规开关模式DC/DC电源的示意图；图2A是按照本发明的一个实施例的开关电源的示意图；图2B示出图2A所示的信号处理单元的组件；图3是示出实施例的电组件值的误差的影响的波特图；图4是示出开关周期期间图2A的电感器两端的电压和电感器中的电流的示意图；图5是在开关周期上的电流波形和控制信号的图示；图6和图7是示出在实施例中为了计算SMPS中的电流而执行的处理操作的流程图；图8是实施例的所计算电流值的标准偏差对比占空比的图表；图9是实施例的作为ADC分辨率和过取样比的函数的所计算电流值的标准偏差的图表；以及图10示出实施例中的所计算电流的精度如何随计算算法的迭代次数的变化而变化。
具体实施例方式图2A是按照本发明的第一实施例的开关模式DC/DC电源100的示意图。电源包括晶体管SWl和SW2，晶体管SWl和SW2优选地为功率M0SFET。晶体管SWl和SW2的开关由PWM控制器110来控制。PWM控制器110配置成优选地以20kHz与IMHz之间的范围之内的频率将电压脉冲施加到晶体管SWl和SW2的栅极，并且响应从信号处理单元140所接收的反馈信号而改变开关的占空比。备选地，代替PWM控制器110，能够使用频率调制控制器 (未示出)，频率调制控制器调制生成固定时长的脉冲所用的频率。晶体管SWl的源极引出线在Vin连接到DC电压线，而晶体管SW2的源极连接到参考点、例如地。各晶体管的漏极连接到输出滤波器，输出滤波器在这个示例中包括电感为L的电感器120和电阻为&的本征 DC电阻(DCR) 121以及电容为Cf的电容器130，它们如图2A所示连接。在图2A的电路中，如同大多数开关DC/DC转换器拓扑中一样，输出滤波器中电感器120中的电流是有兴趣测量的。电感器120中的电流可使用与电感器串联的电阻性电流分流器来测量，如图1所示。但是，这使转换器的功率效率降级。因此，优选的是使用利用电感器中的不可避免寄生电阻的“无损”方法，例如“A Simple Current-Sense Technique Eliminating a Sense Resistor"(Linfinity Application Note AN-7,Rev. 1. 1,07/1998) 中所述的方法。DCR电阻&上的电压与大方波重叠。这个方波能够采用RC电路去除，RC电路包括与电容为C的电容器160串联的电阻为R的电阻器150，电容器160与电感器并联连接，如图2A所示。电容器160上的电压降\能够表达为电感器电流k的函数，如下所示
权利要求
1.一种使用线性最小二乘以使具有至少两个系数的方程所定义的线条拟合所测量电流值来确定开关模式电源中的电流的方法，所述线条的系数使用关系式c = AIm来得到，其中c是所述系数的向量，Iffl是所述所测量电流值的向量，以及A是将c与Im相关的矩阵，所述方法包括存储表示至少一个预先计算的矩阵A的值；接收所测量电流值，各值表示在不同时间在所述开关模式电源中流动的电流； 使用表示所述矩阵A的所存储值和所述所接收的测量电流值来计算所述线条的每个系数的相应初始值；对于每个所测量电流值-使用所述线条的方程和所述系数的所计算初始值来计算所估计电流； _确定所述所测量电流值与所述所估计电流值之间的差，以便生成差值；以及 -将所述差值与阈值进行比较，以及如果所述差值大于所述阈值，则使用表示所述矩阵 A的所述所存储值和所述差值来计算所述系数的更新值；以及使用所述系数的所述更新值来确定所述开关模式电源中的电流的值。
2.如权利要求1所述的方法，其中存储表示多个预先计算的A矩阵的值，使得每个所存储A矩阵具有不同大小，以及所述方法还包括从所述多个预先计算的A矩阵中选择用于处理所述所接收的测量电流值的A矩阵，使得所述选择根据所测量电流值的数量来执行。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，使用所述系数的所述更新值来确定所述开关模式电源中的电流的值的所述过程包括将具有大于所述阈值的差值的每个所测量电流值用对应所估计值来替代，以便生成包含所测量电流值和替代电流值的经校正电流值集合； 对于所述经校正集合中的各电流值-使用所述线条的方程和所述系数的所述更新值来计算第二所估计电流值； -确定所述电流值与所述第二所估计电流值之间的差，以便生成第二差值；以及 -如果所述电流值是替代电流值，或者如果所述第二差值大于第二阈值，则使用表示所述矩阵A的所述所存储值和所述第二差值来计算所述系数的进一步更新值；以及使用所述系数的所述进一步更新值来确定所述开关模式电源中的电流的值。
4.如权利要求3所述的方法，还包括对于具有大于所述阈值的差值的每个所测量电流值，存储关于所述所测量电流值具有大于所述阈值的差值的指示，以及其中如果对正在处理的电流值存储所述指示，或者如果确定所述第二差值大于所述第二阈值，则对所述电流值计算所述系数的进一步更新值。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中，所述阈值等于所述第二阈值。
6.一种用于计算开关模式电源中的电流的设备，所述设备包括电流计算器，配置成使用线性最小二乘以使具有至少两个系数的方程所定义的线条拟合所测量电流值来确定所述开关模式电源中的电流，所述线条的系数使用关系式c = AIffl 来得到，其中c是所述系数的向量，Iffl是所述所测量电流值的向量，以及A是将c与Im相关的矩阵；以及存储器，用于存储表示至少一个预先计算的矩阵A的值， 其中所述电流计算器配置成接收所测量电流值，各值定义在不同时间在所述开关模式电源中流动的电流； 使用表示所述矩阵A的所述所存储值和所述所接收的测量电流值来计算所述线条的每个系数的相应初始值； 对于每个所测量电流值-使用所述线条的方程和所述系数的所计算初始值来计算所估计电流； -确定所述所测量电流值与所述所估计电流值之间的差，以便生成差值；以及 -将所述差值与阈值进行比较，以及如果所述差值大于所述阈值，则使用表示所述矩阵 A的所述所存储值和所述差值来计算所述系数的所计算更新值；以及使用所述系数的更新值来确定所述开关模式电源中的电流的值。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述存储器设置成存储表示多个预先计算的A矩阵的值，每个所存储A矩阵具有不同大小，以及所述电流计算器还配置成从所述存储器中存储的所述多个预先计算的A矩阵中选择用于处理所述所测量电流值的A矩阵，使得所述选择根据所测量电流值的数量来执行。
8.如权利要求6或7所述的设备，其中，所述电流计算器配置成按照下列操作、使用所述系数的更新值来确定所述开关模式电源中的电流的值将具有大于所述阈值的差值的每个所测量电流值用对应所估计值来替代，以便生成包含所测量电流值和替代电流值的经校正电流值集合； 对于所述经校正集合中的各电流值-使用所述线条的方程和所述系数的更新值来计算第二所估计电流值； -确定所述电流值与所述第二所估计电流值之间的差，以便生成第二差值；以及 -如果所述电流值是替代电流值，或者如果所述第二差值大于第二阈值，则使用表示所述矩阵A的所述所存储值和所述第二差值来计算所述系数的进一步更新值；以及使用所述系数的所述进一步更新值来确定所述开关模式电源中的电流的值。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述处理器配置成对于具有大于所述阈值的差值的每个所测量电流值，在所述存储器中存储关于所述所测量电流值具有大于所述阈值的差值的指示，以及如果对正在处理的电流值存储所述指示，或者如果确定所述第二差值大于所述第二阈值，则对所述电流值计算所述系数的所述进一步更新值。
10.如权利要求8或9所述的设备，其中，所述阈值等于所述第二阈值。
11.一种具有如权利要求6至10中的任一项所述的设备的开关模式电源。
12.—种存储计算机程序指令的计算机可读存储介质，所述指令在由处理器运行时使所述处理器执行如权利要求1至5中的至少一项所述的方法。
13.一种携带计算机程序指令的信号，所述指令在由处理器运行时使所述处理器执行如权利要求1至5中的至少一项所述的方法。
全文摘要
描述一种确定开关模式电源中的电流的方法。该方法使用线性最小二乘以使具有至少两个系数的方程所定义的线条拟合所测量电流值，线条的系数使用关系式c＝AIm来得到，其中c是系数的向量，Im是所测量电流值的向量，以及A是将c与Im相关的矩阵。该方法包括存储(S1)表示至少一个预先计算的矩阵A的值；接收(S2)所测量电流值；以及使用表示矩阵A的所存储值和所接收电流值来计算(S4)线条的每个系数的相应初始值。该方法还包括，对于每个所测量电流值使用线条的方程和系数的所计算初始值来计算(S6)所估计电流；确定(S7)所测量电流值与所估计电流值之间的差，以便生成差值；以及将差值与阈值进行比较(S8)，如果差值大于阈值，则使用表示矩阵A的所存储值和差值来计算(S9)系数的更新值。使用系数的更新值来确定开关模式电源中的电流的值。
文档编号G01R31/30GK102460928SQ200980159733
公开日2012年5月16日 申请日期2009年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者M·卡尔森, T·霍尔姆伯格 申请人:瑞典爱立信有限公司