专利名称：固有电源转换器元件的热补偿电流感应的制作方法
固有电源转换器元件的热补偿电流感应本申请是申请日为2002年8月20日、申请号为02816235. 8、发明名称为"固 有电源转换器元件的热补偿电流感应"的发明专利申请的分案申请。相关申请本申请基于2001年8月21日在先提交的待批临时申请No. 60/313986，在此全 文引入以供参考。发明领域本发明涉及电子电路的领域，尤其涉及直流-直流转换器和有关方法。 发明背景通常，直流-直流转换器使用电流信息提供增值的功能和特性。例如，通常在 过载期间限制电流作为安全特性。这种电流限制特性将使用与输出电流限制电平成 比例的信号。插入输出和负载之间的电阻器产生所需的信号。但是，该传感器的电 阻是功率消耗和信号振幅之间的折衷因素。通常电流限制的信号电平约为0. 1伏， 高于噪声最低限度。感应电阻的功率消耗和限制电平时的负载电流成比例。在高电流电平处，功率消耗可能过度。除去感应电阻改善了直流-直流转换器的效率。代替其它电阻元件，用电源转 换器部件中的固有元件测量电流。例如，Walters等人的美国专利5982160，标题 为"具有电感器电流感应的直流-直流转换器和有关方法"教导可以将电感器中的 电流信息重新构建为电阻器-电容器网络的电压。这个方法使用电感器绕组的固有 电阻作为电流感应元件。除去电流感应电阻器的另一种方法测量转换器中一个开关MOSFET的几乎恒定、 通态的电阻上下降的电压。该方法在MOSFET重新构建电流信息的传导间隔期间采 样电压降。这两种方法采用基本的电源转换器元件作为电流感应元件且它们都避免 使用电源通路中耗电的元件。以上实例中固有电流感应方法可能仅接近实际电流。与电流感应电阻器相比这 些方法的精度较差。例如，用电感器的绕组作为电流感应元件既经受初始容差错误 也经受随温度的变化。电感器绕组的初始电阻随绕组导线的长度和直径以及特定的 制造过程而变化。这同样的导线电阻作为温度的函数而增加。因此，重新构建的电 压信号是电感器绕组的机械容差和温度以及电流的函数。发明概述对于前述背景，本发明的目的是提供低功率消耗同时用开关直流一直流转换器 中的热补偿精确地测量和处理电流信息。由直流一直流转换器提供根据本发明的这个或其它目的、特点和优点，其中所 述直流一直流转换器包括一个或多个电源开关、用于产生用于电源开关的控制脉冲 的脉宽调制电路和电源开关和输出端之间连接的输出电感器。热补偿电流传感器连 接到输出电感器用于感应输出电感器中的电流。热补偿电流传感器的温度系数与输 出电感器的温度系数基本匹配。同样，电流反馈环路和脉宽调制电路一起工作以响 应热补偿电流传感器控制电源开关。电源开关较佳地包括连接在一起的低侧场效应晶体管和高侧场效应晶体管。热 补偿电流传感器可以和输出电感器并联并可以包括串联的电阻器和电容器。热补偿 电流传感器的电阻器可以是正温度系数电阻器。可供选择地，热补偿电流传感器可以连接到至少一个电源开关，用于提供和通 过输出电感器传导的电流成比例的感应的电流。这里，热补偿电流传感器具有与电 源开关的通态电阻的温度系数基本匹配的温度系数。同样，在该实施例中，热补偿 电流传感器连接于电源开关和电流反馈环路之间，并包括正温度系数电阻器。本发明的另一个方面涉及具有多个通道(channel)的多相直流一直流转换器。 每个通道包括电源装置，它们例如具有连接在一起的低侧电源开关和高侧电源开 关。脉宽调制电路产生用于电源装置的控制脉冲，且输出电感器连接于电源装置和 输出端之间。热补偿电流传感器在每个通道中连接到电源装置，用于提供与通过输 出电感器传导的电流成比例的感应的电流。热补偿电流传感器具有与低侧电源开关 的通态电阻的温度系数基本匹配的温度系数。同样，电流反馈环路和脉宽调制电路 一起用作以响应热补偿电流传感器控制电源装置。在多相直流一直流转换器的可选实施例中，代替热补偿电流传感器，反馈电阻 网络连接于每个通道的控制电路的输入和输出端之间。反馈电阻网络包括负温度系 数电阻器，它具有和电源装置的被监控的电源开关的通态电阻的温度系数基本匹配 的温度系数。本发明的方法方面旨在调整直流一直流转换器，该直流一直流转换器包括输出 端、电源开关、用于产生用于电源开关控制脉冲的脉宽调制电路、连接于电源开关 和输出端之间的输出电感器以及与脉宽调制电路协作用于控制电源开关的电流反 馈环路。该方法包括用连接到输出电感器的热补偿电流传感器感应流经电感器的电 流。此外，热补偿电流传感器具有与输出电感器的温度系数基本匹配的温度系数。 此外，电流反馈环路用于响应热补偿电流传感器控制至少一个电源开关。可供选择地，该方法可以包括用连接到至少一个电源开关的热补偿电流传感器 提供与通过输出电感器传导的电流成比例的感应的电流。这里，热补偿电流传感器 具有与至少一个电源开关的通态电阻的温度系数基本匹配的温度系数。电流反馈环 路响应热补偿电流传感器控制至少一个电源开关。附图概述
图1是本发明的直流一直流转换器的示意图。 图2是本发明的直流一直流转换器的第二实施例的示意图。 图3是示出没有热补偿的常规直流一直流转换器的负载线特性(load line characteristics)的曲线图。图4是示出图2的直流一直流转换器的负载线特性的曲线图。图5是根据本发明的多相直流一直流转换器的示意图。图6是图5的多相直流一直流转换器的可选实施例的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更完整地描述本发明，其中示出本发明的较佳实施例。但是， 本发明可以以许多不同的形式体现而不应解释成限于这里所阐述的实施例。而是提 供这些实施例而使所披露的内容彻底和完整，并完整向本技术领域中熟练的技术人 员传达本发明的范围。其中，相同的标号表示相同的元件。直流一直流转换器的某些功能和特点不需要高精度的电流信息而上述固有方 法提供了效率优势。但是，其它的功能和特点需要较好的精度。需要高精度的一个 实例是用于微处理器的直流-直流电源转换中的负载线特性或下降(drop)特性。这 里，输出电压被安排为随负载电流的增加而降低(下降)。在负载瞬变之前，下降特 性使输出电压位于最佳水平从而瞬变电压漂移以最小输出电容保持在可接受的水 平之内。需要精度以使总输出电容和高频分布电容最小。现在回到附图l，现在描述根据本发明第一实施例的直流一直流转换器IO。直 流一直流转换器10向负载22提供受控电压Vout。在所示的实施例中，直流一直 流转换器10包括一对电源开关，连接到源电压Vin的高侧电源开关12和低侧电源 开关14。当然，如本技术领域内熟练的技术人员易于理解的，其它实施例中的直 流一直流转换器可以只包括高侧开关12，而用二极管代替低侧开关14的位置。此 外，虽然示出了MOSFET晶体管，但本技术领域内熟练的技术人员可以理解，也可 以使用其它半导体开关。直流一直流转换器10还包括示意性示出的脉宽调制电路16，它较佳地包括开 关驱动器。这个电路部分在授予Hawkes等人的美国专利No. 5717322和授予 Hodgins的美国专利No. 5793193中更加完整地加以描述，这两个专利都转让给了 本发明的受让人。这两个专利也都完整地结合在此。脉宽调制电路16产生一组脉 宽调制的控制脉冲，用于电源开关12、 14以调整耦合到负载22的输出电压Vout。 本技术领域内熟练的技术人员易于理解该脉宽调制电路16的结构和操作而无需进 一步详细的讨论。所示的直流一直流转换器10还包括耦合于负载22和节点之间的输出电感器 18，所述节点是高侧与低侧开关12、 14之间的节点。二极管也可以连接在接地和 节点之间，其中所述节点是高侧和低侧开关12、 14之间的节点。输出电容器20 和负载22并联，如本技术领域中熟练的技术人员易于理解的。本发明的这个实施例提供与输出电感器18并联的电流传感器30用于感应流经 电感器的电流。较佳地，电流传感器30包括串联在一起的电阻器Rsen和电容器 Csen。电感器18中的电流信息可以被重新构建成电阻器-电容器网络上的电压。这 个方法使用电感器绕组的固有电阻作为电流感应元件。如本技术领域中熟练的技术 人员可以理解的，电感器绕组的固有电阻具有温度系数。电流传感器30连接到所 示的反馈信号处理环路32，它和脉宽调制电路16 —起工作用于响应电流传感器控 制电源开关12、 14。电阻器Rsen和电容器Csen可以具有各自的值，从而电流传 感器30是基本瞬时的电流传感器。重要的是，电流传感器30是热补偿电流传感器，它具有与输出电感器18的温 度系数基本匹配的温度系数。负载线精确度可以通过对固有电流感应温度特性进行 补偿来改善。换句话说，作为温度的函数改变电流环路增益以抵消诸如输出电感器 18的固有电流感应元件的温度特性。从而，克服了现有技术的电感器电流感应技 术的缺点。反馈信号处理电路32可以包括电压调整环路，它和峰值电流控制环路协作用 于设定峰值电流水平。通过示意性示出的反馈信号处理环路32处理电流感应信号 以合适地支配用于脉宽调制电路16的信号。本技术领域中熟练的技术人员易于理
解反馈信号处理环路32的许多可能的和等价的变化的结构，诸如上述美国专利No. 5717322和5793193中所揭示的。直流一直流转换器还可以包括过载检测电路，如本技术领域中熟练的技术人员 易于理解的，它利用来自电流传感器30的感应的电流信号防止过载。直流—直流 转换器10还可以包括其它特点/为清楚起见未示出的电路部分，例如包括软启动和 斜率补偿电路部分。直流一直流转换器IO还可以包括用于在正常操作模式和不连 续低电流需求模式之间切换的滞后的比较器，未示出。现在将参考附图2-4描述本发明的另一个实施例。这里直流一直流转换器10' 包括连接到电压开关12、 14的热补偿电流传感器30'用于提供与输出电感器18 传导的电流成比例的感应电流。这里，热补偿电流传感器30'具有与电源开关12、 14中的一个，例如低侧电源开关14的通态电阻的温度系数基本匹配的温度系数。 同样，在该实施例中，热补偿电流传感器30'连接于电源开关12、 14和电流反馈 电路32之间，并包括正温度系数电阻器。如以上和在美国专利No. 6246220中所讨论的，在M0SFET的传导间隔期间 Rds(接通)方法采样电压降来重新构建电流信息。对于这个实例，用连接到包括虚 地的反馈信号处理32的电阻器Rsen采样较低M0SFET14(图2所示)的电压。感应 的电流(Isen)和电感器电流(Il)成比例，具有以下关系Isen = IlX(Rds/Rsen)。 当M0SFET温度增加时，其Rds(接通)增加，这使得感应的电流Isen中的相应的增 加。在系统中进一步处理Isen信号以提供负载线特性，它也是MOSFET温度的函数。可以通过选择具有合适热特性的Rsen电阻器来热补偿Isen信号。例如，选择 与M0SFET Rds(接通)温度系数匹配的正温度系数(PTC)电阻器使得Isen和下降电 压最小，它们都依赖M0SFET温度。图3示出采用电源开关的(例如M0SFET的)通态电阻(Rds (接通))作为电流感应 元件的常规直流一直流转换器的通常的负载线规格和RSS容差分析。该分析包括取 决于参考、电压设定电阻和MOSFET参数产生的变化。最大的变化取决于M0SFET 的温度特性。图4示出具有根据本发明的热补偿的直流一直流转换器的RSS容差分析。最小 和最大的负载线落在规格之内。本发明的另一个方面涉及具有第一和第二通道的多相直流一直流转换器40，它 将参考图5和6进行描述。每个通道包括电源装置，具有例如连接在一起的低侧电 源开关14和高侧电源开关12。脉宽调制电路16产生用于电源装置的控制脉冲， 而输出电感器18连接于电源装置和输出端之间。对于多相电源转换器，在每个电
源通道上都需要PTC电阻器。因此，热补偿电流传感器Rsenl、 Rsen2连接到每个 通道中的电源装置，用于提供与通过各输出电感器传导的电流成比例的感应的电 流。热补偿电流传感器Rsenl、 Rsen2具有与低侧电源开关14的通态电阻的温度系 数基本匹配的温度系数。在可供选择的实施例中，多路直流一直流转换器40'(图6)包括连接在脉宽调 制电路的输入或每个通道的控制电路与输出端之间的反馈电阻网络。反馈电阻网络 Rfb包括负温度系数电阻器Rntc，它具有与电源装置的低侧电源开关14的通态电 阻的温度系数基本匹配的温度系数。该方法用负温度系数电阻器Rntc对电流感应的热效应进行补偿。相比PTC补 偿方法，该实施例将单个NTC装置用于多相转换器中温度校正。图5的实施例中的 电阻器Rfb由NTC电阻器网络代替以提供Isen信号的校正。NTC电阻器通常具有 非线性热特性。可以在所关心的温度上用图6所示的所连接的标准电阻器42的网 络使电阻线性化。本发明的另一个方面涉及用于调整上述类型的直流一直流转换器10、 10'的方 法，其中的直流一直流转换器包括电源开关12、 14、用于产生用于电源开关的控 制脉冲的脉宽调制电路16、输出电感器18和与脉宽调制电路协作的反馈信号处理 电路32。较佳地，该方法包括用和输出电感器并联的热补偿电流传感器30感应流 经电感器18的电流。此外，热补偿电流传感器具有与输出电感器的温度系数基本 匹配的温度系数。此外，电流反馈环路32用来响应热补偿电流传感器控制电源开 关12、 14。较佳地，电流传感器30包括串联在一起的电阻器Rsen和电容器Csen。可供选择地，该方法可以包括用连接到电源开关的热补偿电流传感器30'(图 2)提供与通过输出电感器18传导的电流成比例的感应的电流。这里，热补偿电流 传感器30'具有与一个电源开关的通态电阻的温度系数基本匹配的温度系数。电 流反馈环路32响应热补偿电流传感器30'控制至少一个电源开关。本技术领域中熟练的技术人员可以理解，所有上述实施例可以应用于电感器线 路电流感应方法或Rds(接通)电流感应方法。利用以上描述和有关附图所呈现的教导，本发明的许多修改和其它实施例将为 本技术领域中熟练的技术人员所理解。因此，可以理解，本发明不限于所揭示的特 定实施例，且修改和实施例旨在包含于所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种直流一直流转换器，其特征在于，包括至少一个电源开关；控制电路，产生用于所述至少一个电源开关的控制脉冲；输出电感器，连接到所述至少一个电源开关；电流传感器，连接以用于感应输出电感器中的电流；以及具有一温度系数的热补偿电路，所述温度系数基本补偿了输出电感器的温度系数的效应，其中所述至少一个电源开关响应于所述热补偿电路和所述电流传感器。
2. 如权利要求1所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述热补偿电路包 括所述电流传感器的一部分。
3. 如权利要求1所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述热补偿电路包 括一热补偿电阻器。
4. 如权利要求1所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述热补偿电路包 括一正温度系数电阻器。
5. 如权利要求1所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述热补偿电路包 括一负温度系数电阻器。
6. 如权利要求1所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述至少一个电源 开关包括耦合在一起的低侧场效应晶体管和高侧场效应晶体管。
7. 如权利要求1所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述电流传感器包 括串联耦合的电阻器和电容器。
8. 如权利要求1所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述电流传感器的 电阻器包括一正温度系数电阻器。
9. 一种直流一直流转换器，其特征在于，包括 至少一个电源开关；控制电路，产生用于所述至少一个电源开关的控制脉冲； 输出电感器，连接到所述至少一个电源开关；电流传感器，连接到所述至少一个电源开关以提供与通过所述输出电感器传导 的电流相关的感应电流；以及具有一温度系数的热补偿电路，该温度系数与所述至少一个电源开关的通态电 阻的温度系数基本匹配，以便消除所述至少一个电源开关的通态电阻的温度系数的 效应，其中所述至少一个电源开关响应于所述热补偿电路和所述电流传感器。
10. 如权利要求9所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述电流传感器链 接在所述至少一个电源开关和一电流反馈环路之间。
11. 如权利要求9所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述热补偿电路包 括所述电流传感器的一部分。
12. 如权利要求9所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述热补偿电路包 括一热补偿电阻器。
13. 如权利要求9所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述热补偿电路包 括一正温度系数电阻器。
14. 如权利要求9所述的直流一直流转换器，其特征在于，所述热补偿电路包 括一负温度系数电阻器。
15. —种多相直流一直流转换器，其特征在于，包括至少第一和第二通道，每个通道包括一个电源设备，所述电源设备包括耦合在 一起的低侧电源开关和高侧电源开关；控制电路，产生用于所述电源设备的控制脉冲； 输出电感器，连接到所述电源设备；电流传感器，连接到所述电源设备以提供与通过所述输出电感器传导的电流相 关的感应电流；以及具有一温度系数的热补偿电路，该温度系数基本消除了由于低侧电源开关通态 电阻的温度系数所引起的低侧电源开关上的温度效应，其中所述电源设备响应于所 述热补偿电路和所述电流传感器。
16. 如权利要求15所述的多相直流一直流转换器 电路包括所述电流传感器的一部分。
17. 如权利要求15所述的多相直流一直流转换器 电路包括一热补偿电阻器。
18. 如权利要求15所述的多相直流一直流转换器 电路包括一正温度系数电阻器。
19. 如权利要求15所述的多相直流一直流转换器 电路包括一负温度系数电阻器。
20. —种多相直流一直流转换器，其特征在于，包括至少第一和第二通道，每个通道包括一个电源设备，所述电源设备包括连接在 一起的低侧电源开关和高侧电源开关；控制电路，产生用于所述电源设备的控制脉冲；，其特征在于，所述热补偿 ，其特征在于，所述热补偿 ，其特征在于，所述热补偿 ，其特征在于，所述热补偿输出电感器，连接到所述电源设备；电流传感器，连接到所述电源设备以提供与通过所述输出电感器传导的电流成 比例的感应电流；电流反馈环路，与所述控制电路协作以响应于电流传感器而控制电源设备；以及耦合到所述控制电路的电阻电路，所述电阻电路元件具有一与所述至少第一和 第二通道的电源设备的低侧电源开关通态阻抗的温度系数基本匹配的温度系数，使 得由电阻电路元件对低侧电源开关上的温度波动效应进行补偿。
21. —种用于调节直流一直流转换器的方法，所述直流一直流转换器包括至少 一个电源开关、 一产生用于所述至少一个电源开关的控制脉冲的控制电路、以及连 接到所述至少一个电源开关的输出电感器，所述方法包括使用与输出电感器并联的电流传感器来感应通过电感器的电流； 用具有一温度系数的电路元件来补偿感应电流，选择所述温度系数使其与输出电感器的温度系数基本匹配，从而由电路元件基本消除输出电感器上的温度效应；以及响应于经热补偿的感应电流来控制所述至少一个电源开关。
22. —种适用于电子设备中的直流一直流转换器，包括 适用于安装在所述电子设备内的电路板；以及 至少一个电源开关，产生用于所述至少一个电源开关的控制脉冲的控制电路， 连接到所述至少一个电源开关的输出电感器， 操作上连接到所述输出电感器的电流传感器，以及 耦合到所述控制电路的热补偿电路，所述电源开关、控制电路、输出电感器、电流传感器以及热补偿电路被安装在 电路板上，以及其中所述热补偿电路具有一温度系数，该温度系数校正电流传感器所感应到的 电流的度量，以便基本补偿由输出电感器的温度系数所引起的输出电感器中电流的 温度效应。
全文摘要
一种直流-直流转换器包括一个或多个电源开关、用于产生用于电源开关的控制脉冲的脉宽调制电路和连接到电源开关的输出电感器。热补偿电流传感器连接到固有电流感应元件，它显示基于温度的参数非线性。热补偿电流传感器具有与用于测量电流的固有电源转换器元件的温度系数基本匹配的温度系数，因此使电流测量线性化。同样，电流反馈环路和脉宽调制电路协作以响应热补偿电流传感器控制电源开关。
文档编号H02M3/28GK101162870SQ200710180340
公开日2008年4月16日 申请日期2002年8月20日 优先权日2001年8月21日
发明者B·M·杜杜曼, M·B·哈里斯, M·M·沃尔特斯 申请人:英特赛尔美国股份有限公司