CN103675404A - 感测和调节电感器中的电感器电流的方法、装置和*** - Google Patents

感测和调节电感器中的电感器电流的方法、装置和*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了感测和调节电感器中的电感器电流的方法、装置和***，如果电感器连接到正电源，则产生与电感器电流成比例的电压信号，并且如果电感器没有连接到正电源，则模拟电感器电流。如果电感器连接到正电源，则电压信号可以通过将来自电感器的输入电压采样到电容器上来产生。电感器电流可以通过产生模拟电流并且将模拟电流施加到电容器上来产生。

Description

感测和调节电感器中的电感器电流的方法、装置和***
技术领域
本申请涉及感测和调节电感器中的电感器电流的方法、装置和***，并且更为特别地，涉及用于对降压转换器中的电感器电流进行调节的无传感器电流感测。
背景技术
随着移动电子设备变得越来越小，选择用于移动电子设备的电感器也变得越来越小。因此，电感器电流能力降低，并且需要对电感器电流进行密切监视。通常，对传感器电流进行感测是由感测元件来完成的，以接收关于电感器电流的瞬时信息。然而，感测元件增加了复杂度并且需要额外的空间。此外，对平均电感器电流进行测量需要RC滤波器或模数转换器（ADC），RC滤波器增加了较长的延迟，而模数转换器（ADC）只能接收延迟至少一个周期的信息。
发明内容
本申请提供了一种用于对电感器中的电感器电流进行感测的方法，所述方法包括：如果所述电感器连接到正电源，则产生与所述电感器电流成比例的电压信号；以及如果所述电感器没有连接到所述正电源，则模拟所述电感器电流。
本申请还提供了一种用于对电感器中的电感器电流进行感测的装置，所述装置包括：第一电路***，其被配置成如果所述电感器连接到正电源，则产生与所述电感器电流成比例的电压信号；以及第二电路***，其被配置成如果所述电感器没有连接到所述正电源，则模拟所述电感器电流。
本申请进一步提供了一种用于对电感器中的电感器电流进行调节的***，所述***包括：跟踪和保持电路，其被配置成如果所述电感器连接到正电源，则将电压采样到电容器上；电流源，其被配置成产生模拟电流，并且将所述模拟电流施加到所述电容器上；以及运算放大器，其被配置成将所述电容器的电容器电压与参考电压进行比较，并且如果所述运算放大器确定所述电容器电压大于所述参考电压，则接通开关，所述开关被配置成将电压源连接到输出端。
附图说明
要求保护的主题的特征和优点将从与其相符的下述实施例的具体描述中显现出来，该具体描述应参照附图来考虑，其中：
图1示出了根据某些示例性实施例的电流旁路电路的简化示图；
图2示出了根据某些示例性实施例的无传感器控制电路***的电路示图；以及
图3示出了根据某些示例性实施例的输出级的简化示图。
虽然将参照说明性的实施例来进行下面的具体描述，但其许多替代、修改和变型对所属领域技术人员将是显而易见的。
具体实施方式
概括而言，本申请提供了用于在没有传感器的情况下对电感器电流进行感测的设备和方法，以调节电感器电流，并且更为特别地，涉及在没有传感器的情况下对电感器电流进行感测，以对降压转换器中的电感器电流进行调节。
图1示出了根据某些示例性实施例的电流旁路电路100的简化示图。电流旁路电路100可以包括运算放大器110、高开关121、低开关122、输出电感器123、输出电容器124以及压控电流源125（例如，PMOS FET）。
通常，电流旁路电路100可以通过测量电感器电流（IL）或者产生经估计的电流（ILEST），并且在运算放大器110处将经估计的电流（ILEST）与参考电流（ILDOREF）进行比较，来实现对输出电感器123中的电感器电流（IL）进行调节。运算放大器将试图通过调整压控电流源125上的电压直到达到平衡，来迫使ILEST等于ILDOREF。此时，ILEST将等于ILDOREF，并且ILDO将向输出负载提供剩余电流，以维持所期望的输出电压。因此，电感器电流（IL）可以被调节在参考电流（ILDOREF）处，所有额外的电流由低压降电流（ILDO）来提供。
图2示出了根据某些示例性实施例的无传感器控制电路***200的电路示图。无传感器控制电路***200可以包括跟踪和保持电路***210、电流源220、降压转换器230、运算放大器240、第一电容器251、压控电流源252、输出电感器253和输出电容器254。
通常，无传感器控制电路***可以操作在两种状态中的一种状态下。在降压转换器230的导通时间期间，输入到跟踪和保持电路***210的脉冲宽度调制（PWM）信号可以接通跟踪和保持电路***210，使得降压转换器230的输出端可以连接到运算放大器240的正极端子。因此，在导通状态期间，在运算放大器240的正极端子处的运算放大器输入电压（VIL）可以等于输出电感器253处的降压输出电压（VBO）。在降压转换器230的关断时间期间，输入到跟踪和保持电路***210的PWM信号可以关断跟踪和保持电路***210，使得降压转换器230的输出端可以不连接到运算放大器240，并且VIL≠VBO。下文将提供对这两种状态的更为详细的描述。
图3示出了根据某些示例性实施例的输出级300的简化示图。输出级300可以包括连接到高开关310的输入电压（Vin）和连接到低开关320的地（GND）。位于输出级300的高开关310和低开关320之间的降压输出电压（VBO）是输入到输出电感器330的电压。输出电感器330可以模拟为电感器330和寄生电阻（Rdcr）340，并且被连接到输出电容器350。
参见图2-3，当高开关310接通并且低开关320断开使得电感器连接到正电源时，降压转换器230的导通时间发生。在导通状态期间，运算放大器240的正极端子处的运算放大器输入电压（VIL）可以等于降压输出电压（VBO），因为跟踪和保持电路210接通并且正极电源被采样到电容器上。因此，
VIL=VBO=Vin-IL*Rds(on)    (1)
其中，Vin是去往图3中所示出的输入级300的输入电压（通常为正电源轨），IL是输出电感器330的电感器电流，并且Rds(on)是输出级300中的高开关310的电阻。因此，在导通期间，比较器输入电压（VIL）可以是与输出电感器330的电感器电流（IL）成比例的瞬时电压表示。下面的等式2是从等式1导出的。
dVIL/dt=dVBO/dt=-dIL/dt*Rds(on)    (2)
当高开关310断开并且低开关320导通使得电感器不连接到正电源时，降压转换器230的关断时间可以发生。在关断状态期间，运算放大器240的正极端子处的运算放大器数输入电压（VIL）可以不连接到降压输出电压（VBO），因为跟踪和保持电路***210是断开的。作为替代，电流源220和第一电容器251可以模拟输出电感器253的电感器电流（IL）。举例而言，如果电流源220被正确地产生，运算放大器输入电压（VIL）将与输出电感器253的电感器电流（IL）成比例，比例常数与导通期间的比例常数相同。
为了运算放大器输入电压（VIL）具有与导通期间相同的比例常数，dVIL/dt（off-time）在关断时间期间应当以相同的比例常数跟随电感器电流（IL）。因此，
dVIL/dt(off-time)=-dIL/dt(off-time)*Rds(on)    (3)
然而，在关断时间期间，VIL由下式确定：
I=C*dV/dt    (4)
因此，
Itoff=C251*dVIL/dt    (5)
Itoff=C251*(-dIL/dt*Rds(on))    (6)
电感器的定律为：
V=L*dIL/dt    (7)
在关断时间期间，输出电感器330的电压为：
V=(-IL*Rds(off))–(Vout+IL*Rdcr)    (8)
因此，使用电感器的定律：
∴dIL/dt=((-IL*Rds(off))–(Vout+IL*Rdcr))/L    (9)
∴Itoff=C251*Rds(on)*(IL*Rds(off)+Vout+IL*Rdcr)/L    (10)
Itoff=k*Rds(on)*Vout+k*Rds(on)*IL*(Rds(off)+Rdcr)    (11)
其中，k是指示常数系数的自然数，IL是用于近似平均电感器电流的常数，Rds(off)是输出级300中的低开关320的电阻，并且Rdcr是电感器的DC电阻值。举例而言，IL可以基于电感器中的先前平均电流来确定。然而，示例性实施例可以改变并且IL可以基于输出电压（VOUT）来动态地确定，或者可以IL可以取决于温度和工艺来改变。此外，k可以是内部电容和外部电感的比值，但是示例性的实施例可以改变并且不限于此。
此外，等式（11）中的k*Rds(on)*IL*(Rds(off)+Rdcr)可以通过常数来近似。因此，等式（11）可以近似为：
Itoff=k*Rds(on)*Vout+c    (12)
其中，c是自然数，其指示基于Rds(on)、Rds(off)和Rdcr的典型值的常数。
为了使运算放大器输入电压（VIL）在关断时间期间具有与导通时间期间相同的比例常数，电流源220可以根据等式（11）或（12）来产生模拟电流，以使得Ipwm等于Itoff。这个模拟电流可以施加在第一电容器251上，使得运算放大器240的正极端子处的电压可以模拟电感器电流。然而，示例性的实施例可以改变，并且作为替代，模拟电流可以不施加在第一电容器251上。
根据某些示例性的实施例，电流源220可以随时根据等式（11）或等式（12）来产生电流。举例而言，当跟踪和保持电路***210在导通时间期间被接通，电流源220所产生的电流可以导致跟踪和保持电路***210两端的较小电压降，但是与通过跟踪和保持电路***210的信号相比而言，这应当可以忽略。然而，示例性的实施例可以改变，并且电流发生器220可以在导通时间期间关断，或者可以仅在降压转换器230的关断时间期间根据等式（11）或（12）来产生电流。
类似于图1中所示的运算放大器110，运算放大器240将试图通过对压控电流源252进行调整来使得输入电压（VIL）等于参考电压（VREF），输入电压（VIL）是电感器电流（IL）的电压表示。运算放大器240将试图通过对压控电流源252上的电压进行调整直到达到平衡，来迫使VIL等于VREF。此时，VIL将等于VREF，并且ILDO将向输出负载提供剩余电流，以维持所期望的输出电压。因此，电感器电流（IL）可以通过参考电压（VREF）来调整，所有额外的电流由压控电流源252和电源管脚PVIN来提供，电源管脚PVIN是能够产生额外电流的电源管脚。
电流源220可以包括电压到电流转换器。为了使得Itoff与VOUT成比例，电压到电流转换器可以包括以VOUT作为输入的电阻器串。为了使得Itoff与图3中所示出的高开关310的RDS(on)成比例，电阻器串可以包括位于电阻器串底部的MOSFET，MOSFET具有与高开关310相同的特性。因此，电阻器串可以包括固定电阻器和线性FET电阻器，FET电阻器的电阻反映来自高开关310的RDS(on)。
示例性的实施例提供了用于对电感器电流进行调节的无传感器电流感测。
根据某些示例性实施例，提供了一种用于对电感器中的电感器电流进行感测的方法，所述方法包括：如果所述电感器连接到正电源，则产生与所述电感器电流成比例的电压信号；以及如果所述电感器没有连接到所述正电源，则模拟所述电感器电流。
在某些示例性实施例中，所述产生步骤进一步包括：如果所述电感器连接到所述正电源，则将来自电感器的输入电压采样到电容器上。
在某些示例性实施例中，所述模拟步骤进一步包括：产生模拟电流；并且将所述模拟电流施加到电容器上。
在某些示例性实施例中，所述模拟电流的比例常数大约等于所述电压信号的比例常数。
在某些示例性实施例中，所述方法可以包括：将电容器处的电压与参考电压进行比较。
在某些示例性实施例中，所述方法进一步可以包括：如果所述电容器处的电压大于所述参考电压，则将正电源连接到输出节点。
在某些示例性实施例中，如果所述正电源连接到所述输出节点，则所述电感器电流可以被调节。
在某些示例性实施例中，所述产生步骤根据I=k*Rds(on)*Vout+c来产生电流，其中，k是常数，Rds(on)是将所述电感器连接到所述正电源的开关的电阻，Vout是输出电压，并且c是常数。
在某些示例性实施例中，c是根据下列等式来计算的：c=k*Rds(on)*IL*(Rds(off)+Rdcr)，其中，IL是近似平均电感器电流的常数，Rds(off)是将所述电感器连接到地和负电源两者之一的开关的电阻，并且Rdcr是所述电感器的DC电阻值。
在某些示例性实施例中，k可以是器件的内部电容和外部电容的比值。
根据某些示例性实施例，提供了一种用于对电感器中的电感器电流进行感测的装置，所述装置包括：第一电路***，其被配置成如果所述电感器连接到正电源，则产生与所述电感器电流成比例的电压信号；第二电路***，其被配置成如果所述电感器没有连接到所述正电源，则模拟所述电感器电流。
在某些示例性实施例中，所述第一电路***被配置成如果所述电感器连接到所述正电源，则将来自电感器的输入电压采样到电容器上，以产生所述电压信号。
在某些示例性实施例中，所述第二电路***被配置成产生模拟电流，并且将所述模拟电流施加到电容器上，以模拟所述电感器电流。
在某些示例性实施例中，所述模拟电流的比例常数大约等于所述电压信号的比例常数。
在某些示例性实施例中，所述装置可以包括运算放大器，所述运算放大器被配置成将电容器处的电容器电压与参考电压进行比较。
在某些示例性实施例中，所述运算放大器被配置成如果所述电容器处的电压大于所述参考电压，则将正电源连接到输出节点。
在某些示例性实施例中，如果所述运算放大器将所述正电源连接到所述输出节点，则所述电感器可以被调节。
在某些示例性实施例中，所述模拟电流是根据下列等式来产生的：I=k*Rds(on)*Vout+c，其中，k是常数，Rds(on)是将所述电感器连接到所述正电源的开关的电阻，Vout是输出电压，并且c是常数。
在某些示例性实施例中，c可以根据下列等式来计算：c=k*Rds(on)*IL*(Rds(off)+Rdcr)，其中，IL是近似平均电感器电流的常数，Rds(off)是将所述电感器连接到地和负电源两者之一的开关的电阻，并且Rdcr是所述电感器的DC电阻值。
在某些示例性实施例中，k可以是器件的内部电容和外部电容的比值。
本文的任何实施例中所使用的“电路***（circuitry）”可以例如包括以下中的一个或者任意组合：硬连线电路***、可编程电路***、状态机电路***和/或对由可编程电路***执行的指令进行存储的固件。
本文中所使用的术语和措辞是为了描述而非限制，使用这样的术语和措辞并不意在排除所示出和所描述的特征（或其部分）的任何等同物，且应认识到可以在权利要求范围内进行各种修改。因此，本权利要求旨在涵盖所有这些等同物。各个特征、方面和实施例均在本文中进行描述。正如本领域技术人员将理解的那样，所述特征、方面和实施例很容易相互组合、变型及修改。因此，本申请应被视为包含这些组合、变型和修改。

Claims (19)

1.一种用于对电感器中的电感器电流进行感测的方法，所述方法包括：
如果所述电感器连接到正电源，则产生与所述电感器电流成比例的电压信号；以及
如果所述电感器没有连接到所述正电源，则模拟所述电感器电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述产生步骤进一步包括：
如果所述电感器连接到所述正电源，则将来自所述电感器的输入电压采样到电容器上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模拟步骤进一步包括：
产生模拟电流；并且
将所述模拟电流施加到电容器上。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述模拟电流的比例常数大约等于所述电压信号的比例常数。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将电容器处的电容器电压与参考电压进行比较；并且
如果所述电容器电压大于所述参考电压，则将正电源连接到输出节点以调节所述电感器电流。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述产生步骤根据下列等式来产生电流：
I=k*Rds(on)*Vout+c
其中，k是常数，
Rds(on)是将所述电感器连接到所述正电源的开关的电阻，
Vout是输出电压，并且
c是常数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，c是根据下列等式来计算的：
c=k*Rds(on)*IL*(Rds(off)+Rdcr)
其中，IL是近似平均电感器电流的常数，
Rds(off)是将所述电感器连接到地和负电源两者之一的开关的电阻，并且
Rdcr是所述电感器的DC电阻值。
8.一种用于对电感器中的电感器电流进行感测的装置，所述装置包括：
第一电路***，其被配置成如果所述电感器连接到正电源，则产生与所述电感器电流成比例的电压信号；以及
第二电路***，其被配置成如果所述电感器没有连接到所述正电源，则模拟所述电感器电流。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一电路***被配置成如果所述电感器连接到所述正电源，则将来自电感器的输入电压采样到电容器上，以产生所述电压信号。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第二电路***被配置成产生模拟电流，并且将所述模拟电流施加到电容器上，以模拟所述电感器电流。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述模拟电流的比例常数大约等于所述电压信号的比例常数。
12.根据权利要求8所述的装置，进一步包括：
运算放大器，其被配置成将电容器处的电容器电压与参考电压进行比较，并且如果所述电容器电压大于所述参考电压，则将正电源连接到输出节点以调节所述电感器电流。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述模拟电流是根据下列等式来产生的：
I=k*Rds(on)*Vout+c
其中，k是常数，
Rds(on)是将所述电感器连接到所述正电源的开关的电阻，
Vout是输出电压，并且
c是常数。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，c是根据下列等式来计算的：
c=k*Rds(on)*IL*(Rds(off)+Rdcr)
其中，IL是近似平均电感器电流的常数，
Rds(off)是将所述电感器连接到地和负电源两者之一的开关的电阻，并且
Rdcr是所述电感器的DC电阻值。
15.一种用于对电感器中的电感器电流进行调节的***，所述***包括：
跟踪和保持电路，其被配置成如果所述电感器连接到正电源，则将电压采样到电容器上；
电流源，其被配置成产生模拟电流，并且将所述模拟电流施加到所述电容器上；以及
运算放大器，其被配置成将所述电容器的电容器电压与参考电压进行比较，并且如果所述运算放大器确定所述电容器电压大于所述参考电压，则接通开关，所述开关被配置成将电压源连接到输出端。
16.根据权利要求15所述的***，其中，当所述电感器连接到正电源时，所述模拟电流的比例常数大约等于所述电容器上的采样电压的比例常数。
17.根据权利要求15所述的***，其中，所述模拟电流是根据下列等式来产生的：
I=k*Rds(on)*Vout+c
其中，k是常数，
Rds(on)是将所述电感器连接到所述正电源的开关的电阻，
Vout是输出电压，并且
c是常数。
18.根据权利要求17所述的***，其中，c是根据下列等式来计算的：
c=k*Rds(on)*IL*(Rds(off)+Rdcr)
其中，IL是近似平均电感器电流的常数，
Rds(off)是将所述电感器连接到地和负电源两者之一的开关的电阻，并且
Rdcr是所述电感器的DC电阻值。
19.根据权利要求15所述的***，进一步包括：
降压转换器，其连接到所述电感器。
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