开关模式电源中的基于模型的输出电流估计的制作方法

本技术领域一般涉及开关模式电源(smps)以及开关模式电源中的电流测量技术。

背景技术：

电子系统正在消耗越来越多的功率，这要求有效冷却。因此，对电子系统的功率电平的准确测量正在变得越来越重要。通常通过测量电子系统中的电流来得到功率电平。

现有的电流测量技术使用具有固定量化步长的模数转换器，从而造成电流测量的不准确性，这在整个测量范围上是恒定的。

技术实现要素：

因此，随着电流减小，具有固定量化步长的模数转换器的使用导致电流测量中的误差增加。测量不确定性在轻负载(其中将要测量低电流)时变差。为了能够控制电子系统的轻负载效率和睡眠模式，以高精度测量低电流是重要的。

目标是能够在开关模式电源中以高精度来测量输出电流、特别是低电流。

第一方面涉及一种用于准备开关模式电源的电流测量设备的方法，开关模式电源包括开关模式转换器以及用于通过控制工作周期来控制开关模式转换器以将输入电压转换成输出电压的控制器。形成模型，在模型中根据变量和一个或多个模型参数来确定转换器的输出电流，其中变量包括输入电压、输出电压和工作周期。改变变量，同时测量输出电流，以及通过回归分析根据所改变的变量和所测量的输出电流来估计一个或多个模型参数。最后，存储模型和一个或多个估计的模型参数以在开关模式电源的使用期间由电流测量设备所使用。该方法优选地由开关模式电源的生产商来执行。

因此，通过实验设计(doe)和回归分析来确定一个或多个给定的模型参数。

这样提供的、优选地集成到控制器中的电流测量设备能够还以高精度测量来自开关模式电源的低输出电流。

改变变量，同时测量输出电流的步骤可包括：对于变量中的两个中的每个，改变变量，同时保持这两个变量中的另一个为恒定并且测量输出电流。

在一个实施例中，选择电流测量设备的测量范围，其中改变变量，同时测量输出电流的步骤包括：将变量改变成这样的极值：使得输出电流改变成所选择的测量范围的极值端。所选择的测量范围可以是开关模式电源的最大额定输出电流的大约0-40%、优选地是大约0-30%以及更优选地是大约0-20%。

由此，进一步改进电流测量的精度。

此外，如果在根据所改变的变量和所测量的输出电流来估计一个或多个模型参数的步骤中，例如通过使用库克距离和给定的阈值将变量值和输出电流值的集合识别为异常值，则在一个或多个模型参数的估计中排除这种集合。

可按照多种方式来形成模型。

在一个实施例中，所形成的模型是、、或者中的任一个，其中io是输出电流，d是工作周期，vi是输入电压，vo是输出电压，以及b1、b2和b3是一个或多个模型参数。

在另一个实施例中，所形成的模型是或者，其中io是输出电流，d是工作周期，vi是输入电压，vo是输出电压，以及b1、b2、b3和b4是一个或多个模型参数。

在又一个实施例中，变量之一是温度。所形成的模型可以是或者或者，其中io是输出电流，t是温度，d是工作周期，vi是输入电压，vo是输出电压，以及b1、b3和b4是一个或多个模型参数，而b2是另外的模型参数。可在改变变量的步骤以及估计一个或多个模型参数的步骤之前在实验室中单独确定另外的模型参数，其中另外的模型参数的所确定的值用于估计一个或多个模型参数的步骤中。

在所存储的、以在开关模式电源的使用期间由电流测量设备所使用的一个或多个估计的模型参数中，可将模型参数b1换成新的模型参数。模型参数b1可计算或估计为，其中rx是开关模式电源与负载之间的外部损耗电阻。

这在应用中可能是特别相关的，其中开关模式电源与负载之间的外部损耗电阻不是可忽略的，并且优选地由开关模式电源的用户来执行。

按照本公开，还提供一种电流测量设备，其包括模块和/或软件，由此电流测量设备配置用于执行第一方面的用于准备电流测量设备的方法的实施例。

第二方面涉及一种用于测量开关模式电源的输出电流的方法，开关模式电源包括开关模式转换器以及用于通过控制工作周期来控制开关模式转换器以将输入电压转换成输出电压的控制器。检索模型，在模型中能够根据变量和一个或多个给定的模型参数来确定输出电流，其中变量包括输入电压、输出电压和工作周期。检索输入电压、输出电压和工作周期的值。最后，通过将输入电压、输出电压和工作周期的所检索的值输入到模型中来确定输出电流。

可按照以上参照第一方面及其实施例所公开的方式中的任一种来形成模型，和/或可按照以上参照第一方面及其实施例所公开的方式中的任一种来确定模型参数。

这样提供的电流测量方法以高精度测量来自开关模式电源的输出电流。特别是，与现有技术的电流测量技术相比，以高精度测量低电流。

在一个实施例中，开关模式电源工作在输出电流范围中，其中当将要测量在输出电流范围的低端中的输出电流时执行检索模型的步骤、检索输入电压、输出电压和工作周期的值的步骤以及确定输出电流的步骤，以及当将要测量在输出电流范围的高端中的输出电流时采用另一种技术、例如基于模数转换器的使用的现有技术。

在这里，能够在输出电流的单独范围中得到电流测量技术中每种技术的益处。

第三方面涉及一种用于通过控制工作周期来控制开关模式电源的开关模式转换器以将输入电压转换成输出电压的控制器。该控制器包括用于测量开关模式电源的输出电流的电流测量设备。该电流测量设备包括：配置成检索模型的模块，在模型中能够根据变量和一个或多个给定的模型参数来确定输出电流，其中变量包括输入电压、输出电压和工作周期；配置成检索输入电压、输出电压和工作周期的值的模块；以及配置成通过将输入电压、输出电压和工作周期的所检索的值输入到模型中来确定输出电流的模块。

模型和一个或多个估计的模型参数可存储在控制器的存储器中。

可按照以上参照第一方面及其实施例所公开的方式中的任一种来形成模型，和/或可按照以上参照第一方面及其实施例所公开的方式中的任一种来确定模型参数。

这样提供的控制器能够以高精度测量来自开关模式电源的输出电流。

第四方面涉及一种开关模式电源，其包括第三方面的控制器。

第五方面涉及一种基站，其包括一个或多个第四方面的开关模式电源。

第六方面涉及一种计算机程序(或软件)产品，其包括计算机可执行组件，用于当在电流测量设备中包括的处理器电路上运行计算机可执行组件时使电流测量设备执行第一方面的用于准备电流测量设备的方法的实施例。

第七方面涉及一种计算机程序(或软件)产品，其包括计算机可执行组件，用于当在控制器中包括的处理器电路上运行计算机可执行组件时使控制器执行第二方面的用于测量开关模式电源的输出电流的方法的实施例。

第八方面涉及一种计算机程序(或软件)，用于使电流测量设备执行用于准备电流测量设备的方法，该计算机程序包括计算机程序代码，当在电流测量设备的处理器电路上运行计算机程序代码时计算机程序代码能够使电流测量设备形成模型，在模型中根据变量和一个或多个模型参数来确定开关模式转换器的输出电流，以及其中变量包括开关模式转换器的输入电压、输出电压和工作周期。该代码还能够使电流测量设备改变变量，同时测量输出电流。该代码还能够使电流测量设备通过回归分析根据所改变的变量和所测量的输出电流来估计一个或多个模型参数。该代码还能够使电流测量设备存储模型和一个或多个估计的模型参数，以在开关模式电源的使用期间由电流测量设备所使用。

第九方面涉及一种计算机程序(或软件)，用于使控制器执行用于测量包括开关模式转换器和控制器的开关模式电源的输出电流的方法，该计算机程序包括计算机程序代码，当在控制器的处理器电路上运行计算机程序代码时计算机程序代码能够使控制器检索模型，在模型中能够根据变量和一个或多个给定的模型参数来确定开关模式转换器的输出电流，其中变量包括开关模式转换器的输入电压、输出电压和工作周期。该代码还能够使控制器检索输入电压、输出电压和工作周期的值。该代码还能够使控制器通过将输入电压、输出电压和工作周期的所检索的值输入到模型中来确定输出电流。

第十方面涉及一种计算机程序产品，其包括按照本公开的计算机程序的实施例的计算机程序(或软件)以及其上存储计算机程序的计算机可读部件。

根据下文给出的实施例的详细描述以及仅作为说明而给出的附图1-5，另外的特性和优点将会显而易见。

附图说明

图1在框图中示意性地示出开关模式电源的实施例。

图2示意性地示出包括一个或多个图1的开关模式电源的基站的实施例。

图3在框图中示意性地示出图1的开关模式电源的控制器的实施例。

图4是用于准备图1的开关模式电源的电流测量设备的方法的实施例的示意性流程图。

图5是用于测量图1的开关模式电源的输出电流的方法的实施例的示意性流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出开关模式电源11的实施例，开关模式电源11包括：开关模式转换器12，用于将输入电压vi转换成输出电压vo；驱动器15，用于驱动转换器12；控制器16，用于控制驱动器15并且因而控制转换器12的操作；以及内务操作或辅助转换器17，用于将输入电压vi向下转换成适合于控制器16的电压，使得能够由输入电压vi来为控制器16供电。控制器16控制驱动器15，使得通过控制驱动器15和转换器12的工作周期d来得到所选择的输出电压vo。

转换器12可以是隔离降压式、非隔离降压式、升压式、基于逆变器的、全桥式、半桥式、反激式、顺向式或正激式转换器，其通常将输入电压vi向下转换成合适的输出电压vo。转换器12通常可以以4-400v的范围中的输入vi和输出vo的dc电压工作。驱动器15可包括脉宽调制器。

图2示意性地示出包括一个或多个图1的开关模式电源11的基站21的实施例。

图3在框图中示意性地示出图1的开关模式电源11的控制器16的实施例。控制器包括用于控制驱动器15、存储器32和电流测量设备33的模块31。

电流测量设备33包括：配置成检索模型的模块33a，在模型中能够根据变量和一个或多个给定的模型参数来得到输出电流io，其中变量包括输入电压vi、输出电压vo和工作周期d；配置成检索输入电压vi、输出电压vo和工作周期的值的模块33b；以及配置成通过将输入电压vi、输出电压vo和工作周期d的所检索的值输入到模型中来确定输出电流io的模块33c。

在一些实施例中，控制器是基于数字计算机、微控制器或电路(例如asic)的数字控制器。

可通过采取一个或多个计算机程序形式的软件来执行本公开的方法的实施例。如本文所述，计算机程序产品包括计算机可读(例如非易失性和/或非暂时)介质，该介质包括采取计算机可执行组件形式的计算机程序。计算机程序/计算机可执行组件可配置成使装置、例如本文所述的控制器11或电流测量设备来执行本公开的方法的实施例。可在装置的处理器电路上运行计算机程序/计算机可执行组件，以使装置执行该方法。计算机程序产品可例如包括在存储单元或存储器32中，存储单元或存储器32包括在装置中并且与处理器电路31关联。备选地，计算机程序产品可以是以下介质或者以下介质的一部分：单独的（例如移动的）存储部件/介质，例如，计算机可读盘(例如cd或者dvd或者硬盘/驱动器)，或者固态存储介质(例如ram或闪速存储器)。可使用以下装置来方便地实现本公开的实施例：一个或多个常规的通用或专用数字计算机、计算装置、机器或者微处理器，包括按照本公开的教导所编程的一个或多个处理器、存储器和/或计算机可读存储介质。可易于由熟练的编程人员基于本公开的教导来准备适当的软件编码，软件领域的技术人员将会清楚这一点。

下面将进一步描述模型、变量和一个或多个给定的模型参数(通常为常数)。

在理想条件期间，转换器12的输出电压vo按下式取决于工作周期d和输入电压vi：

(等式1)

通过按下式添加电流相关的电压损耗电阻r损耗来实现一阶模型：

(等式2)

能够改写等式2使得电流io按下式给出：

(等式3)

实验设计(doe)是统计学方法。形成具有变量和模型参数的模型。等式4中，示出具有两个独立变量的示例。

(等式4)

其中，x1和x2是变量，b1、b2和b3是模型参数或系数，以及y是待测量的结果。

通常，通过使用最少数量的测量以及一次改变模型的一个变量xi、记录结果y并且使用回归分析(例如最小二乘法)，能够通过调整模型参数bi来使模型中的误差为最小。

对于等式4的示例，在涵盖变量的最坏情况值的各变量的极端值(用值1表示，并且如表1中所述)执行测量。

表1.doe的变量值

图4是用于准备图1的开关模式电源的电流测量设备的方法的实施例的示意性流程图。

通常，在框41，形成模型，在模型中根据变量和模型参数b1、b2、……来确定转换器的输出电流io，其中变量包括输入电压vi、输出电压vo和工作周期d。在框42，改变变量，同时测量输出电流。在框43，通过回归分析根据所改变的变量和所测量的输出电流来估计模型参数。最后，在框44中，例如在控制器16的存储器32中存储具有估计的模型参数的模型以在开关模式电源11的使用期间由电流测量设备33所使用。

框42可包括：对于变量中的两个(例如输入io电压和输出io电压)中的每个，改变变量，同时保持这两个变量中的另一个为恒定并且测量输出电流。注意，这三个变量即输入电压vi、输出电压vo和工作周期d不是独立变量，并且因此通常按照受控方式来改变它们中的两个，而第三变量将取决于前两个变量。

在一种方案中，选择电流测量设备33的测量范围。所选择的测量范围可以是开关模式电源11的最大额定输出电流的大约0-40%、优选地是大约0-30%以及更优选地是大约0-20%。步骤42在这里可包括将变量改变成这样的极值：使得输出电流改变成所选择的测量范围的极值端。

各种模型能够用于上述方法中，上述方法使用doe和回归分析来确定所选择的模型的模型参数。

使用等式3中的物理模型作为基础，能够通过试错法来选择简单的模型(其产生所测量的数据和模型与小的均方根(rms)误差之间的大的相关因数r)：

(等式5)

在具有少量测量的doe中，将参数的数量保持在最小值可能是重要的，否则尽管模型中的rms误差低，估计中的不确定性/方差仍增加。

将八个示范样本集合用于等式5中的模型，对于输入电压vi范围为11-13v、输出电压vo为大约1v以及最大电流io为20a的非隔离降压式转换器，能够得到相关因数r=0.9766，其中1对应于100%的相关性。使用这个模型，在2a的电流下，误差能够高达10%。

实验表明，利用这种少量的样本，能够处理一个异常值，从而改进模型，而没有降低模型参数中的不确定性很多。

另一个示范模型是等式5，从其中删除最后一项。

当样本的数量增加时，更多数量的模型参数将提高精度。例如，如果分离(dvi－vo)，则对于这些变量组合，能够采用两个不同的模型参数b1、b2。还可添加常数b4。结果为：

(等式6)

另一个示范模型是等式6，从其中删除最后一项、即常数。

实验表明，使用等式6的模型并且将回归分析基于以上所公开的非隔离降压式转换器的示范的16个样本集合，能够得到相关因数r=0.9818，并且在2a下，误差能够高达5%。

如果样本集合的数量增加到41，则相关因数r能够增加到0.992，并且在2a下，误差降低到3%。

在根据所改变的变量和所测量的输出电流来估计(一个或多个)模型参数中，可例如通过使用库克距离和阈值将变量值和输出电流值的至少一个集合识别为异常值，并且可在估计(一个或多个)模型参数中排除该异常值。

此外，能够将温度t补偿添加到上述模型，从而例如对于等式2产生：

(等式7)

能够改写等式7使得电流io按下式给出：

(等式8)

能够直接使用等式8中的模型，但是除法在稍后使用该模型的计算方面是高成本的。为了避免除法，能够使用一阶近似，从而产生下列模型，该模型还包括来自等式5的单独vi项。

(等式9)

为了使得有可能用于大规模生产中，在一些实施例中，应该在实验室中确定温度系数，以及在回归分析期间，等式9中的模型参数或系数b2应该在估计模型参数期间被看作是常数。但是，仍然在doe中测量温度。

在生产中，只能够考虑内部损耗。在现实生活的应用中，开关模式电源11与负载之间的外部损耗电阻rx也影响工作周期d。这两个电阻串联耦合。

比较等式3和等式5给出内部损耗电阻r损耗，其作为模型参数b1的倒数：

(等式10)

因此，在特定应用中，能够计算并且使用新的模型参数(取决于rx)来代替b1。

(等式12)

能够按照任何方式来估计或测量外部损耗电阻rx，以及在特定应用中使用开关模式电源11之前将模型参数b1换成新的模型参数。

图5是用于测量图1的开关模式电源的输出电流io的方法的实施例的示意性流程图。在框51中，例如从控制器16的存储器32中检索模型，在该模型中，能够根据变量和一个或多个给定的模型参数来确定输出电流，其中变量包括输入电压、输出电压和工作周期。在框52中，检索输入电压、输出电压和工作周期的值。在一些实施例中，至少输出电压vo和工作周期d应该是控制器16已知的。如果输入电压vi不是已知的，则能够通过本领域已知的任何技术来测量它。在框53中，通过将输入电压、输出电压和工作周期的所检索的值输入到模型中来确定输出电流。

可能已经通过如上面所公开的doe和回归分析确定了一个或多个给定的模型参数。

在一个实施例中，开关模式电源工作在例如0与开关模式电源的最大额定电流之间的输出电流范围中，其中当将要测量在输出电流范围的低端中的输出电流时执行在框51-53中的方法，而当将要测量在输出电流范围的高端中的输出电流时采用另一种技术、例如涉及模数转换器的使用的方法。输出电流是在输出电流范围的低端中还是高端中对应于是在低功率还是高功率操作开关模式电源，并且可以是控制器已知的。否则，可通过本领域已知的任何设备来测量它。

本领域的技术人员应理解，本文所公开的实施例只是示例性的实施例，并且仅仅是作为示例给出任何细节和量度。