专利名称：具有电感电流检测的直流－直流变换器和有关方法
技术领域：
本发明涉及电子线路领域，更具体地，涉及直流-直流变换器和相关方法。
直流-直流电源变换器被广泛地应用于对电子设备提供电源，例如在计算机，打印机，和其它设备中。这种直流-直流变换器可用在从源电压产生所需要输出电压的各种配置中。例如，反向或降压变换器产生输出电压，该电压小于源电压。典型的降压变换器包括一个或更多脉冲宽度调制的电源开关以连接源电压到输出电感由此对负载供电。
例如，由美国佛罗里达州Palm Bay市的Intrsil Corporation公司提供的HIP5061变换器是完整的功率控制集成电路将大功率DMOS晶体管，CMOS逻辑和低电平模拟电路集成到同一IC上。该变换器包括门驱动器用于高端开关，和高速峰值电流控制回路。该变换器的DC输出的一部分加到互导误差放大器，该放大器比较反馈信号与内部基准。该反馈信号由跨接在变换器输出的一个电阻分压器产生。
误差放大器的输出也在终端处产生以提供控制回路的软启动和频率补偿。该相同信号在内部用于编程峰值高端开关漏电流。为保证精确的电流控制，峰值电流控制回路的响应时间少于50ns。
互导误差放大器比较反馈电压的DC电平与内部基准，同时利用外部电阻和电容提供电压环路补偿。该误差放大器输出被转换为电流以编程所需要的峰值高端开关电流，产生需要的输出电压。当检测的高端开关电流和补偿斜度之和超过误差电流信号时，锁存器被复位和高端开关被关上。围绕该环路的电流比较发生在小于50ns内，由此允许极好的250KHz变换器工作。
与输出电感电流成正比的信号在输出过载期间可以用于限制元件负荷(过载保护)。可是，常规应用需要比过载保护应用更高的保真电流信号。一般地直流-直流变换器的散热片和热设计因效率而确定尺寸，和过载跳闸电平(电流信号)的最坏情况变更仍保持元件低于其最大额定值。不幸地是，波形可以不适合于调节，和任何检测电路带宽必须满足开关频率。
或许在反向变换器中检测输出电感电流的最普通方案可能使用串联连接输出电感的检测电阻。该电路重建输出电感电流作为检测电阻上的差分电压。大多数使用该方案的IC利用电流模式控制调节输出电压并使用用于输出电压反馈的信号。
该检测电阻值必须足够大以保持所检测信号高于噪声电平并仍足够小以避免过高的功率耗散。该方案具有高输出电流的明显的效率缺点。换句话说，由检测电阻不必要地耗散了功率，特别是由于所耗散功率随电感电流的平方增加。对于某些应用，检测电阻的值在阻抗上可以接近MOSFET的相同阻抗。
在检测电路的另一个改型中，检测电阻串联连接较高MOSFET的漏极，正如例如在MAXIM MAX1624/MAX1625的数据表中公开的。这具有减少在带有大信号的检测电阻(大电阻值)中的耗散功率的优点。
不幸地是，该检测电阻位置产生了其它问题，即可能导致不够稳固的设计。主要问题是较高MOSFET漏极电流是不连续的。每次较高MOSFET导通，该电流从零开始并迅速以陡峭斜率增加。另外，在再充电较低MOSFET电荷和/或二极管的节电容所必须的时间间隔中该电流波形超过了电感电流。该控制IC必须首先忽略附加初始电流和等待信号设置。这可能产生控制环路问题和限制变换器的输入输出范围。
由美国佛罗里达州Palm Bay市的Intrsil Corporation公司提供的HIP6011变换器说明了电流检测的另一个方案。该变换器使用阻抗较高的MOSFET作为电流检测元件用于过载保护。该IC使用用于输出电压调节的电压模式控制并能够容忍阻抗值的大变化。可是，可能需要一个衰减电路来按照负载电流的函数改变输出电压。该衰减电路使用输出电感(作为低通滤波器的一个电阻和电容)上的平均压降来改变输出电压调节。电感上的平均电压是DC输出电流乘以电感的线圈电阻。
本发明的一个目的是提供一种直流-直流变换器和相关的方法，以提供用于调节输出电流的精确检测。
本发明包括一个直流-直流变换器，该变换器包括至少一个电源开关，一个脉冲宽度调制电路，用于产生对所述至少一个电源开关的控制脉冲，一个输出电感，用于检测通过所述电感的电流，其特征在于所述电流检测器包括串联在一起的一个电阻和一个电容，一个峰值电流控制环路，与所述脉冲宽度调制电路配合用于响应所述电流检测器控制所述至少一个电源开关，所述电阻和电容具有相应值，以便所述电流检测器基本上是一个瞬时电流检测器。
有利地，直流-直流变换器包括至少一个电源开关，一个脉冲宽度调制电路用于产生对至少一个电源开关的控制脉冲，连接到至少一个电源开关的一个输出电感，和并联连接电感的一个电流检测器，用于检测通过该电感的电流。该电流检测器包括串联在一起的一个电阻和一个电容。该电流检测器连接到一个峰值电流控制环路电路，与脉冲宽度调制电路配合响应电流检测器控制至少一个电源开关。该电阻和电容最好具有相应值以便该电流检测器基本上是一个瞬时电流检测器。因此，现有技术电感电流检测技术的缺点被克服了。
该输出电感具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻。在一个实施例中，该电流检测器的电阻和电容限定了在第一时间常数的预定范围内的第二时间常数。该预定范围例如在室温下可以是加或减百分之十。在另一个实施例中，该电流检测器的电阻和电容限定了第二时间常数基本上等于第一时间常数。
该直流-直流变换器也可包括一个电压调节回路电路，与峰值电流控制环路电路配合设置峰值电流电平。该电压调节回路电路可以包括连接到直流-直流变换器的输出的一个电压分压器，用于产生与输出电压相关的信号。
便利地，该脉冲宽度调制电路在预定开关频率上工作。该电流检测器因此最好限定一个检测带宽基本上高于预定开关频率。
该直流-直流变换器也可以包括一个过载保护电路连接到该电流检测器。另外，在一些实施例中，至少一个电源开关可以包括连接在一起的一个高端电源开关和一个低端电源开关。
本发明也包括一种方法，用于调节包括至少一个电源开关、一个脉冲宽度调制电路的直流-直流变换器，用于产生对至少一个电源开关的控制脉冲，连接到至少一个电源开关的一个输出电感，和与脉冲宽度调制电路配合的一个峰值电流控制环路电路，该方法包括步骤利用与输出电感并联连接的电流检测器检测通过电感的电流，该电流检测器包括串联在一起的一个电阻和一个电容；和操作峰值电流控制环路电路响应电流检测器控制至少一个电源开关，其中该电阻和电容具有相应值以便该检测步骤包括检测通过该电感的基本上瞬时的电流。
相应地，用于调节直流-直流变换器的一种方法，该变换器包括至少一个电源开关，用于产生对至少一个电源开关的控制脉冲的一个脉冲宽度调制电路，连接到至少一个电源开关的一个输出电感，和与脉冲宽度调制电路配合的一个峰值电流控制环路电路。该方法最好包括步骤利用并联该电感的电流检测器检测通过该电感的电流，该电流检测器包括串联在一起的一个电阻和一个电容；和操作峰值电流控制环路电路以响应电流检测器控制至少一个电源开关。该电阻和电容最好具有相应值以便该检测步骤包括检测通过该电感的基本上瞬时的电流。
该输出电感包括限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻。在一个实施例中，该方法也包括选择电流检测器的电阻和电容的步骤，以在第一时间常数的预定范围内限定第二时间常数。该预定范围可以在室温下加或减百分之十，或第一和第二时间常数可以基本上相等。
现在通过举例方式结合下列附图来说明本发明，图中
图1是本发明的直流-直流变换器的简化电路示意图。
图2是图1中更详细的电感和电感电流检测电路部分的示意电路图。
图中描述的直流-直流变换器10提供到负载15上的一个受控电压Vout。在优选实施例中，直流-直流变换器10包括一对电源开关，一个高端开关11，和一个低端开关12连接到源电压Vin。该直流-直流变换器10可以仅包括一个高端开关11，具有替换低端开关12位置的一个二极管。另外，尽管所示的是MOSFET晶体管，可以使用其它的半导体开关。
该直流-直流变换器10也包括所示的脉冲宽度调制电路16，该电路也最好包括开关驱动器。该电路部分在美国专利5717322和5793193的说明书中公开。该脉冲宽度调制电路16产生一系列脉冲宽度调制的控制脉冲，用于电源开关11，12调节耦合到负载15的输出电压Vout。
所示的直流-直流变换器10也包括一个输出电感Lout，耦合在负载15与高端和低端开关11，12之间的节点。一个二极管17也连接在地线与高端和低端开关11，12之间的节点之间。一个输出电容Cout并联连接在负载15上，如同本领域技术人员所熟悉的那样。
本发明有意克服公知的缺点以检测通过输出电感Lout上的电流。一个公知的方案是安排一个检测电阻与输出电感Lout串联。该安排减少了直流-直流变换器的效率。
另一个公知方案安排与高端开关漏极串联的一个检测电阻。利用这种方案的主要困难是高端开关电流是不连续的和每次开关接通时电流从零开始迅速增加。该电流波形超过了在再充电低端开关电荷所需要的时间间隔中的电感电流。因此，对于这种安排，控制电路必须忽略额外的初始输入电流并等待设置电流检测信号。这限制了变换器的输入输出范围。
本发明提供并联连接输出电感Lout的一个电流检测器20，用于检测通过该电感的电流。该电流检测器20包括连接在一起的一个电阻Rcs和一个电容Ccs。该电流检测器20连接所示的峰值电流控制环路电路22，配合脉冲宽度调制电路16用于响应电流检测器控制电源开关11和12。该电阻Rcs电容Ccs具有相应值，以便电流检测器20基本上是一个瞬时电流检测器。
实际上，所有电感包括一个线圈，为一个导线例如铜的，它环绕一个磁性材料或空气。该导线具有的单位长度电阻导致一个分布电阻，该分布电阻可在直流(DC)下测量作为电感的直流电阻(DCR)。实际电感的相当好的模型将分布线圈电阻合并为一个单一元件DCR，如图2所示它与理想电感L串联。因此，直流-直流变换器的输出电感Lout能够被模型化为具有一个纯电感L和一个DCR，限定了第一时间常数。在一个实施例中，电流检测器20的电阻Rcs和电容Ccs在第一时间常数的预定范围内限定了第二时间常数。该预定范围可以是在室温下加或减百分之十。在另一个实施例中，电流检测器20的电阻Rcs和电容Ccs限定了第二时间常数与第一时间常数基本上相等。
换句话说，本发明提供了电流检测器20，它是具有足够精确度的瞬时电感电流检测器20，用于峰值电流模式控制。本发明在输出电感Lout上重建电流波形。本发明确认输出电感Lout的集中参数模型与电流检测器20的电阻电容网络是工作在相同激励源Vs上的低通滤波器。
该输出电感电流被重建作为电容Ccs上的电压。实际电感和电阻电容网络的直接分析表明它们两者是低通滤波器。可是，为重建电流波形，电阻Rcs和电容Ccs的值最好按照下式与电感时间常数相关1/(Rcs-Ccs)＝DCR/L其中DCR/L是电感时间常数。利用此方案，电容Ccs上的瞬时电压准确地等于电感Lout上的电压并与瞬时电感电流成正比。电感时间常数的参数随温度和负载条件而改变。该电感值随负载电流增加而减少和该DCR随电感温度增加时而增加。这些改变可能使得时间常数稍微不匹配。可是，波形保持了正常预计的改变和用于任何直流误差的控制环路调节。
也在图1中所示，直流-直流变换器10示意性地包括一个电压调节回路电路24，配合峰值电流控制环路电路22用于设置峰值电流电平。该峰值电流控制环路电路22示意性地连接到电流检测器20，如上所示。该电流检测信号通过示意地表示的电感电流反馈信号处理电路23处理以适当达到比较器27应用信号的条件。
直流-直流变换器10也示意性地包括示意地表示的电压反馈信号处理电路25。该电压反馈信号可以通过由电阻30、31提供的电压分压器产生。该电压调节回路电路24有效设置了所需要的峰值电流电平，该峰值电流电平与由检测器20检测的瞬时电感电流比较以控制脉冲宽度调制控制器16。
直流-直流变换器也包括过载检测电路28，该电路使用来自电流检测器20的检测的电流信号以防止过载，如同本领域技术人员可以理解的。该直流-直流变换器10也可以包括为清楚起见没有表示的另外的特征/电路部分，例如，软启动和斜率补偿电路部分。该直流-直流变换器10也可以包括一个滞后比较器，未表示出，用于在正常工作方式和不连续低电流需求方式之间切换。
该脉冲宽度调制电路16工作在预定开关频率，和电流检测器20限定了基本上高于预定开关频率的检测带宽。例如，开关频率可以是大约100KHz到1MHz的范围。因此，电感电流反馈信号的波形将保持为峰值电流模式控制。
本发明的另一个方面涉及一种方法，用于调节上述类型的直流-直流变换器并包括至少一个电源开关11、用于产生对至少一个电源开关的控制脉冲的一个脉冲宽度调制电路16、连接到至少一个电源开关的一个输出电感Lout和配合脉冲宽度调制电路的一个峰值电流控制环路电路22。该方法包括利用与电感并联的电流检测器20检测通过电感的电流的步骤。该电流检测器20最好包括串联在一起的一个电阻Rcs和一个电容Ccs。该方法也包括操作峰值电流控制环路电路22以响应电流检测器20控制至少一个电源开关的步骤。该电阻Rcs和电容Ccs最好具有相应值，以便检测步骤包括检测通过该电感的基本上瞬时的电流。
该输出电感Lout具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻。在一个实施例中，该方法也包括选择电流检测器20的电阻Rcs和电容Ccs的步骤，以在第一时间常数的预定范围内限定第二时间常数。该预定范围可以是在室温下加或减百分之十，或第一和第二时间常数可以基本上相等。
一种直流-直流功率变换器包括至少一个电源开关，用于产生对至少一个电源开关的控制脉冲的一个脉冲宽度调制电路，连接到至少一个电源开关的一个输出电感，和与该电感并联用于检测通过该电感的电流的一个电流检测器。该电流检测器包括串联在一起的一个电阻和一个电容。该电流检测器被连接到一个峰值电流控制环路电路，配合脉冲宽度调制电路用于响应该电流检测器控制至少一个电源开关。该电阻和电容具有相应值，以便该电流检测器基本上是一个瞬时电流检测器。该输出电感具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻。该电流检测器的电阻和电容在相互预定范围内限定第二时间常数。另外，电流检测器的电阻和电容限定第二时间常数基本上等于第一时间常数。
权利要求
1.一种直流-直流变换器，包括至少一个电源开关，用于产生对所述至少一个电源开关的控制脉冲的一个脉冲宽度调制电路，连接到所述至少一个电源开关的一个输出电感，与所述电感并联用于检测通过所述电感的电流的一个电流检测器，其特征在于所述电流检测器包括串联在一起的一个电阻和一个电容，一个峰值电流控制环路电路，配合所述脉冲宽度调制电路用于响应所述电流检测器控制所述至少一个电源开关，所述电阻和电容具有相应值，以便所述电流检测器是一个基本上瞬时电流检测器。
2.根据权利要求1的一种直流-直流变换器，其特征在于所述输出电感具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻，所述电流检测器的所述电阻和电容限定第二时间常数，和该第一时间常数和该第二时间常数在相互预定的范围内，和最好所述预定范围在室温下是加或减百分之十。
3.根据权利要求1的一种直流-直流变换器，其特征在于所述输出电感具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻，所述电流检测器的所述电阻和电容限定第二时间常数。和该第二时间常数基本上等于该第一时间常数。
4.根据权利要求1的一种直流-直流变换器，其特征在于一个电压调节回路电路配合所述峰值电流控制环路电路用于设置一个峰值电流电平，其中所述电压调节回路电路包括一个电压分压器，连接到该直流-直流变换器的输出。
5.根据权利要求1的一种直流-直流变换器，其特征在于所述脉冲宽度调制电路工作在一个预定的开关频率；和其中所述电流检测器限定一个基本上高于该预定开关频率的检测带宽，包括一个过载保护电路，连接到所述电流检测器，所述至少一个电源开关包连接在一起的括一个高端电源开关和一个低端电源开关。
6.一种直流-直流变换器，包括至少一个电源开关，用于产生对所述至少一个电源开关的控制脉冲的一个脉冲宽度调制电路，连接到所述至少一个电源开关的一个输出电感，所述输出电感具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻，并联连接所述电感的一个电流检测器，用于检测通过所述电感的电流，所述电流检测器具有在第一时间常数预定范围内的第二时间常数，以便所述电流检测器基本上是一个瞬时电流检测器，一个峰值电流控制环路电路，配合所述脉冲宽度调制电路用于响应所述电流检测器控制所述至少一个电源开关，该预定范围在室温下是加或减百分之十，和其中该第二时间常数基本上等于该第一时间常数。
7.根据权利要求6的一种直流-直流变换器，其特征在于所述脉冲宽度调制电路工作在一个预定的开关频率；和所述电流检测器限定一个基本上高于该预定开关频率的检测带宽，包括一个过载保护电路，连接到所述电流检测器。
8.一种直流-直流变换器，包括至少一个电源开关，用于产生对所述至少一个电源开关的控制脉冲的一个脉冲宽度调制电路，连接到所述至少一个电源开关的一个输出电感，并联连接所述电感的一个瞬时电流检测器，用于检测通过所述电感的瞬时电流，一个峰值电流控制环路电路，配合所述脉冲宽度调制电路用于响应所述瞬时电流检测器控制所述至少一个电源开关，和其中所述输出电感具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻，所述瞬时电流检测器的所述电阻和电容限定第二时间常数；和第一时间常数与第二时间常数在相互预定的范围内，最好所述预定范围在室温下是加或减百分之十。
9.一种调节一个直流-直流变换器的方法，该变换器包括至少一个电源开关，用于产生对所述至少一个电源开关的控制脉冲的一个脉冲宽度调制电路，连接到所述至少一个电源开关的一个输出电感，和配合所述脉冲宽度调制电路的一个峰值电流控制环路电路，该方法包括步骤利用与输出电感并联连接的电流检测器检测通过该电感的电流，该电流检测器包括串联在一起的一个电阻和一个电容；和操作该峰值电流控制环路电路，以响应该电流检测器控制所述至少一个电源开关，其中该电阻和电容具有相应值，以便该检测步骤包括检测通过该电感的基本上瞬时的电流。
10.根据权利要求9的一种方法，其特征在于该输出电感具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻；和包括选择该电流检测器的电阻和电容以在第一时间常数的预定范围内限定第二时间常数的步骤，和最好该预定范围在室温下是加或减百分之十。
11.根据权利要求10的一种方法，其特征在于该输出电感具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻；和选择该电流检测器的电阻和电容，以限定基本上等于第一时间常数的第二时间常数，一个电压调节回路电路配合该峰值电流控制环路电路用于设置一个峰值电流电平，和一个过载保护电路连接到该电流检测器。
全文摘要
一种直流—直流变换器包括至少一个电源开关,一个脉冲宽度调制电路,一个输出电感,和一个电流检测器用于检测通过该电感的电流。该电流检测器包括串连的电阻和电容。该输出电感具有限定第一时间常数的一个电感和一个直流(DC)电阻。该电流检测器的电阻和电容在相互预定范围内限定第二时间常数。另外,该电流检测器的电阻和电容限定基本上等于第一时间常数的第二时间常数。
文档编号H02M3/155GK1265479SQ9912779
公开日2000年9月6日 申请日期1999年12月24日 优先权日1998年12月24日
发明者迈克尔·沃特斯, 查尔斯·哈克斯 申请人:英特赛尔公司