CN100454205C - 检测开关电源输出电流的改进方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一种方法包括推导通过电感器(303)的峰值电流作为输入电压和电感器充电时间的函数，以及基于在电感器(303)放电期间的回扫电压得到对负载可用的电流的步骤。在设备方面，在开关器件(302)被用于为向负载放电的电感器(303)充电的开关电源里，该发明提供一种设备，该设备被安排来检测输出电流，且不需要电阻器或者其他的元件串联在负载上。在优选实施例中，这些设备包括用来生成指示电感器的峰值电流的信号的电子元件，和开关(302)，用来转换信号以产生波形，该波形的积分正比于电感器峰值电流乘以电感器(303)放电的占空比。
Description
相关申请的引用
本申请要求于2003年2月3日提交美国临时专利申请序列号60/444,568的优先权，其内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明一般的涉及开关电源，具体的涉及检测使用较少元件的电源中的输出电流的方法。
背景技术
使用感应元件的开关电源已经被使用一段时间。尽管多数应用需要恒定的输出电压(通常通过电压反馈实现)，但是一些应用需要恒定输出电流。
标准的恒定电流输出的方法包括添加一个与负载串联的电阻器以将输出电流转换为电压，该电压接着可被用作反馈。然而该方法进行串联电阻器损耗和反馈电压幅度，或动态范围的折衷。所以存在不使用串联元件检测开关电源的输出电流方法的需求。
发明内容
本发明涉及在开关电源中检测输出电流的一种方法和设备，其不需要任何电阻器或者其他元件串联在负载上。在广泛的意义上，此技术通过输入电压和电感器充电时间得到一个开关变换器的电感器峰值电流，并且通过使用电感器放电期间的回扫电压计算对负载可用的峰值电流的电流积分。
更加具体的，根据本发明的方法包括以下步骤，推导通过电感器的峰值电流作为输入电压和电感器充电时间的函数，以及基于电感器放电期间的回扫电压得到可用于负载的电流。尽管一个公开的实例是基于一个升降电压拓扑(buck/boost topology)，但是也可以设想其他变换器拓扑。
在设备方面中，本发明提供一种用于在如下类型的开关电源中确定负载中的平均输出电流的设备，在所述类型的开关电源中，第一开关器件接收具有一个充电占空比的第一控制信号以向电感器充电，所述电感器在放电占空比期间对负载放电，所述电感器耦接到电源电压并具有正比于电源电压乘以充电占空比的峰值电流，所述设备包括：
第二开关器件，具有控制端和输出端，所述输出端通过至少一个阻性元件耦接到电源电压，所述第二开关器件被配置成接收具有第一控制信号的占空比的第二控制信号，以在所述输出端生成开关输出信号，所述开关输出信号具有所述占空比并至少部分地与电源电压成比例；
第一滤波器和第一缓冲器，被配置成接收所述开关输出信号并对其进行积分，以生成指示电感器峰值电流的信号；
第三开关器件，被配置成接收具有所述放电占空比的第三控制信号，并开关所述指示电感器峰值电流的信号，以提供一个具有基于所述放电占空比的占空比的开关波形，所述开关波形的积分正比于所述电感器峰值电流乘以所述放电占空比；和
第二滤波器和第二缓冲器，被配置成接收所述开关波形并生成正比于所述电感器峰值电流乘以所述放电占空比的反馈信号。
本发明还提供一种用于检测开关电源的输出电流、无需电阻器或者其他元件与负载串联的设备，所述设备包括：
第一开关器件，被配置成接收具有一个充电占空比的第一控制信号并向电感器充电，所述电感器在放电占空比期间对负载放电，所述电感器耦接到电源电压并具有正比于电源电压乘以充电占空比的峰值电流，
第二开关器件，具有控制端和输出端，所述输出端通过至少一个阻性元件耦接到电源电压，所述第二开关器件被配置成接收具有第一控制信号的占空比的第二控制信号，以在所述输出端生成开关输出信号，所述开关输出信号具有所述占空比并至少部分地与电源电压成比例；
第一滤波器和第一缓冲器，被配置成接收所述开关输出信号并对其进行积分，以生成指示电感器峰值电流的信号；
第三开关器件，被配置成接收具有所述放电占空比的第三控制信号，并开关所述指示电感器峰值电流的信号，以提供一个具有基于所述放电占空比的占空比的开关波形，所述开关波形的积分正比于所述电感器峰值电流乘以所述放电占空比；和
第二滤波器和第二缓冲器，被配置成接收所述开关波形并生成正比于所述电感器峰值电流乘以所述放电占空比的反馈信号。
附图说明
图1是一个典型的本领域公知的固定频率升降电压变换器；
图2显示图1电路的工作电压和电流的波形；
图3是本发明的优选实施例的示意图。
具体实施方式
现在转到附图，图1是一个典型的本领域公知的固定频率升降电压变换器示意图。脉冲宽度调制器101给开关器件103输出一个与开关器件控制电压输入成正比的占空比。开关器件103交替的给电感器103充电，并且允许它通过二极管104向负载106放电。电容器105用来过滤提供给负载106的合成电压。电阻器107将负载106中的合成电流转换为反馈电压。反馈电压被提供给一个由电阻器110，电容器112和运算放大器111组成的积分器，在其中它与包括电阻器108和稳压二极管109的固定电压参考相比较。此积分器而后提供控制电压给脉冲宽度调制器101，闭合环。
现在参考图2，轨迹201显示了驱动开关器件102的脉冲宽度调制器101的转换输出，轨迹202显示了在二极管104阳极处的合成电感器电压，轨迹203显示了在电感器103内的合成电流。在时间标志204处，开关器件102被激活，导致电感器103的电流的合成线性增加，如轨迹203所示。在时间标志205处，使开关器件102不工作，导致在轨迹202中出现电感器103的回扫电压，并且轨迹203显示出电感器103电流的线性减少。在时间标志206处，电感器103的能量被耗尽，导致电感器103内的零电流和零电压差动，分别如轨迹202和203所示。在时间标志207处，此整个循环重复。
需注意，电感器103的峰值电流与电源电压以及开关器件102的断言(assertion)时间均成线性关系。还需注意，在电感器103放电时此峰值电流线性减小至耗尽。因此，释放给负载106的的平均电流是电感器103的峰值电流的一半乘以放电时间对总循环周期的比率。用数学表达式来解释，平均输出电流可以被如下表示：((V＊(T205-T204))/2)＊((T206-T205)/T207-T205))，其中V代表电源电压，Tnnn表示在图2标志中表示的绝对时间。需注意，在时间标志206处电感器103的电流耗尽被轨迹202的电感器103的电压清楚的显示。因此，电感器103的放电时间可以被监控。
现在参考图3，需注意，该电路与图1相比不同之处是，电阻器107的省略，和增加用于驱动由图1中电阻器110，电容器112以及运算放大器111组成的积分器的电路。图3的元件301-306，和308-312从而和图1中它们的对应物起相似的作用，但此处缺少电流感应电阻器107和反馈电压来源(derivation)。
只要开关302正在向电感器303充电，反相器307取消断言开关器件314，否则就断言开关器件314。与电阻器313联合，开关器件314输出开关波形，其积分是电源电压乘以电感器303充电时间的占空比。与电感器充电电流峰值成正比的此开关波形，被电阻器315和电容器316过滤，并被电压跟随器317缓冲。
这样，电压跟随器317输出指示电感器303的电流峰值的过滤电压。此过滤电压通过电阻器318在比较器323控制下被开关器件319转换。如图示连接，任何时候电感器303的输出(在二极管304的节点)超过输入电源电压，比较器323生成一个低转换输出(low-switchedoutput)，反之生成高转换(high-switched output)输出。在这种方式的控制下，开关器件319和电阻器318输出一个转换波形，其积分正比于电感器303的峰值电流乘以电感器303放电的占空比。
经过电阻器320、电容器321和电压跟随器322的过滤和缓冲，直接指示输出负载电流的电压，被提供给由电阻器310，电容器312和运算放大器311组成的积分器，用于同由电阻器308和稳压二极管309提供的固定参考电压比较。通过以上方法，不使用任何与负载串联的电阻，在输出电流上的电源闭环受到影响。
尽管应用已经在一个升降电压拓扑被显示出来，但是本领域技术人员清楚可以设想其他变换器拓扑。
Claims (5)
1.一种用于在如下类型的开关电源中检测输出电流的方法，在所述类型的开关电源中，开关器件被用于向对负载放电的电感器充电，所述方法不需要与所述负载串联的电阻器或者其他的元件，所述方法包含以下步骤：
推导作为输入电压和电感器充电时间的函数的通过所述电感器的峰值电流；以及
基于所述电感器放电期间的回扫电压得到可用于负载的电流。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述电感器构成升降电压拓扑的一部分。
3.一种用于在如下类型的开关电源中确定负载中的平均输出电流的设备，在所述类型的开关电源中，第一开关器件接收具有一个充电占空比的第一控制信号以向电感器充电，所述电感器在放电占空比期间对负载放电，所述电感器耦接到电源电压并具有正比于电源电压乘以充电占空比的峰值电流，所述设备包括：
第二开关器件，具有控制端和输出端，所述输出端通过至少一个阻性元件耦接到电源电压，所述第二开关器件被配置成接收具有第一控制信号的占空比的第二控制信号，以在所述输出端生成开关输出信号，所述开关输出信号具有所述占空比并至少部分地与电源电压成比例；
第一滤波器和第一缓冲器，被配置成接收所述开关输出信号并对其进行积分，以生成指示电感器峰值电流的信号；
第三开关器件，被配置成接收具有所述放电占空比的第三控制信号，并开关所述指示电感器峰值电流的信号，以提供一个具有基于所述放电占空比的占空比的开关波形，所述开关波形的积分正比于所述电感器峰值电流乘以所述放电占空比；和
第二滤波器和第二缓冲器，被配置成接收所述开关波形并生成正比于所述电感器峰值电流乘以所述放电占空比的反馈信号。
4.一种用于检测开关电源的输出电流、无需与负载串联的电阻器或者其他元件的设备，所述设备包括：
第一开关器件，被配置成接收具有一个充电占空比的第一控制信号并向电感器充电，所述电感器在放电占空比期间对负载放电，所述电感器耦接到电源电压并具有正比于电源电压乘以充电占空比的峰值电流，
第二开关器件，具有控制端和输出端，所述输出端通过至少一个阻性元件耦接到电源电压，所述第二开关器件被配置成接收具有第一控制信号的占空比的第二控制信号，以在所述输出端生成开关输出信号，所述开关输出信号具有所述占空比并至少部分地与电源电压成比例；
第一滤波器和第一缓冲器，被配置成接收所述开关输出信号并对其进行积分，以生成指示电感器峰值电流的信号；
第三开关器件，被配置成接收具有所述放电占空比的第三控制信号，并开关所述指示电感器峰值电流的信号，以提供一个具有基于所述放电占空比的占空比的开关波形，所述开关波形的积分正比于所述电感器峰值电流乘以所述放电占空比；和
第二滤波器和第二缓冲器，被配置成接收所述开关波形并生成正比于所述电感器峰值电流乘以所述放电占空比的反馈信号。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述第一开关器件和所述电感器构成一个升降电压拓扑的一部分。
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