CN111373273B - 用于处理感测电流的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于将感测电流平均化的装置(100)，其包含取样电路(130)，所述取样电路(130)在前端交流电流AC感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样。所述两个取样点相对于所述前端AC感测信号的每一相应循环的中点大体对称。所述装置(100)还包含定时电路(120)，所述定时电路(120)控制所述取样电路(130)的定时以基于定时电路(120)产生的定时信号在所述至少两个取样点上对所述前端AC感测信号取样。所述装置(100)另外包含平均化电路(140)，所述平均化电路(140)在所述前端AC感测信号的给定循环内在所述两个取样点进行平均化以产生平均感测电流。

Description

用于处理感测电流的设备和方法
背景技术
本发明大体上涉及处理感测电流。
发明内容
一个实例包含取样电路，其被配置成在前端交流电流(AC)感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样，所述至少两个取样点相对于所述前端AC感测信号的每一相应循环的中点大体对称。装置另外包含定时电路，其被配置成控制所述取样电路的定时，以基于所述定时电路产生的定时信号在所述至少两个取样点上对所述前端AC感测信号取样。所述装置另外包含平均化电路，其在所述前端AC感测信号的给定循环内在所述至少两个取样点进行平均化以产生平均感测电流。
实例包含一种方法，其包含在前端交流电流(AC)感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样。所述方法另外包含控制所述前端AC感测信号的所述取样的定时，使得所述至少两个取样点相对于所述前端AC感测信号的每一相应循环的中点大体对称。所述方法另外包含在所述至少两个取样点逐循环地进行平均化以产生平均感测电流。
实例包含一种装置，其包含彼此相反地开关的第一开关和第二开关，所述第一开关被配置成将前端交流电流(AC)感测信号应用于第一电容器，所述第二开关以与所述第一开关相反的方式被激活以将所述第一电容器耦合到第二电容器，从而将电荷从所述第一电容器转移到所述第二电容器。所述装置另外包含彼此相反地开关的第三开关和第四开关，所述第三开关被配置成将所述前端AC感测信号应用于第三电容器并且被解除激活以取消所述前端AC感测信号应用于所述第三电容器，所述第四开关被激活以将所述第三电容器耦合到第四电容器，从而将电荷从所述第三电容器转移到所述第四电容器。所述装置另外包含第一放大器和第二放大器，其分别耦合到所述第二电容器和第四电容器，以放大来自所述第二电容器和第四电容器的信号并且提供相应的第一经放大输出信号和第二经放大输出信号。所述装置另外包含分压电路，其耦合于所述第一放大器和第二放大器的输出之间，被配置成基于所述第一经放大输出信号和第二经放大输出信号提供对应于平均电流的输出信号。
附图说明
图1说明感测平均电流的实例装置。
图2说明感测平均电流的实例装置。
图3说明包含耦合到图1或2中说明的装置以感测平均电流的功率转换器的实例***。
图4说明实例定时电路。
图5说明图4中所说明的定时电路的各种信号的。
图6说明来自图2的装置各种信号的实例。
图7说明处理感测电流的实例方法。
具体实施方式
本说明书涉及电流感测，且更具体地说，涉及通过将多个循环中的前端交流电流(AC)感测信号(例如，电感器电流)平均化以产生平均感测电流进行电流感测。举例来说，取样电路对的每一循环的至少两个取样点进行取样，所述至少两个取样点相对于前端AC感测信号的每一相应循环的中点大体对称。定时电路控制取样电路在至少两个取样点上对前端AC感测信号进行取样的定时。如本文中在取样点的上下文中所使用，术语“大体对称”是指取样点相对于中点的相对位置，其中这类点意图与中点的距离相等(在时间上)，但电路组件和/或操作特性中的一些变化可致使实际取样方位在逐循环基础上的某一偏离量(例如，+/-5％)。平均化电路在前端AC感测信号的给定循环内在至少两个取样点进行平均化以产生平均感测电流。因此，装置避免在单个点处感测电流。确切地说，装置在多个单独但匹配的定时示例处感测电流，所述多个单独但匹配的定时实例绕特定循环的中点对称。因此，装置也不会受到来自现有电流感测装置的闭环控制电路(例如锁相回路(PLL))的速度限制。
这类装置提供逐循环的准确平均电流感测，对于功率转换器，这可有助于达成平均电流模式控制，从而达成用于负载瞬变和过电流保护的快速响应时间，以及高精确度遥测报告。现有解决方案包含前端AC感测信号的简单低通滤波，或当电流到达其平均值，即“中点”时，在单个定时点处对所述前端AC感测信号取样。因此，现有解决方案未执行多个取样，即，本文中所描述的实例的至少两个取样点。为了获得平均值或中点值，现有解决方案在其中到达平均值的中点处取样一次。通过对远离中点的多个点取样来获得平均值的操作提供容许现有解决方案的单个中点定时误差的优点，这是因为在耦合电感器的情况下，至少两个定时点以类似方式改变且因此抵消单个定时点内的误差和围绕中点的斜率改变。
这些解决方案与本文中所描述的***、装置和方法相比，往往会受到有限速度和/或准确度问题的困扰。另外，对于具有耦合电感器的多相功率转换器，电流波形取决于耦合系数而围绕中点改变形状，这可进一步降低现有平均电流感测方法的平均感测电流的准确度。
如本文中所使用，术语“电路”可包含执行电路功能的一系列有源和/或无源元件，例如模拟电路或数字电路。另外或替代地，举例来说，术语“电路”可以指集成电路(IC)，其中所有和/或一些电路元件制造于共同衬底(例如，半导体衬底，例如裸片或芯片)上。
图1说明感测平均电流的实例装置100。装置100包含电流感测电路110，其感测由功率转换器105的前端产生的电流的量，例如穿过功率转换器105的输出电感器的前端交流电流(AC)的量。在实例中，电流感测电路110是功率转换器105的部分(例如，一起实施于集成电路(IC)芯片中)。在此实例中，电流感测电路110是与功率转换器105相异的部分。举例来说，电流感测电路110在感测周期(例如，给定AC循环)期间感测前端的电感器电流。在实例中，电流感测电路110在感测周期期间输出表示前端AC感测信号的CS_FE信号。举例来说，CS_FE信号是低侧漏极-源极导通电阻(Rds(on))电流感测的输出，其表示当功率转换器105的低侧FET(未示出)接通以传导电流穿过功率转换器105的输出电感器时的电感器电流。
在图1的实例中，装置100另外包含取样电路130。取样电路130的输入耦合到电流感测电路110的输出。取样电路130接收前端AC感测信号。取样电路130对与功率转换器105相关联的前端AC感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样。这些取样点相对于前端AC感测信号的每一相应循环的中点大体对称。
装置100另外包含定时电路120。定时电路120的输出耦合到取样电路130的输入。定时电路120控制取样电路130的定时。特定来说，定时电路120控制取样电路130在前端AC感测信号的每一循环内在至少两个取样点上对前端AC感测信号取样的定时。在实例中，定时电路120控制取样电路的定时，使得取样在相对于前端AC感测信号的每一循环的相邻连续峰值的预定时间发生。
装置100另外包含平均化电路140。平均化电路140的输入耦合到取样电路130的输出。平均化电路140在逐循环基础上在前端AC感测信号的给定循环内将至少两个取样点的前端AC感测信号平均化以提供电流的平均指示CS_AVG。由于以本文中所描述的方式感测前端AC感测信号(例如，围绕其中点)，因此前端AC感测信号的形状对平均电流CS_AVG的影响极小(如果存在)。在实例中，平均化电路140在前端AC感测信号的给定循环内在至少两个取样点进行平均化以产生平均感测电流。
图2说明感测AC电流波形(例如，穿过功率转换器的电感器)的平均电流的实例装置200。装置200提供装置100的一或多个功能方面的特定实施方案，不过这类实施方案不限制装置100的范围。在此实例中，装置200包含定时电路220。定时电路220包含分别地第一定时电路222和第二定时电路224。第一定时电路222包含从功率转换器205接收低侧栅极驱动(DRVL)信号的输入。举例来说，DRVL信号是用于功率转换器205内的功率FET(未示出)的驱动信号。第二定时电路224包含从功率转换器205的驱动电路接收脉冲宽度调制时钟(PWM_CLK)信号的输入。
第一定时电路222和第二定时电路224分别产生第一定时信号和第二定时信号。第一定时电路222和第二定时电路224分别将延迟Td1和Td2添加到DRVL和PWM_CLK信号，使得基于从DRVL信号和PWM_CLK信号的上升边沿的延迟，在从CS_FE信号的相应正峰值和负峰值的偏移时间发生CS_FE信号的取样。在此实例中，装置200集成于功率转换器205内。在实例中，装置200耦合到功率转换器205。
装置200另外包含取样电路230。取样电路230包含第一输入和第二输入，其分别从第一定时电路222和第二定时电路224接收第一定时信号和第二定时信号。取样电路230包含开关装置S1和S2，反相器232定位于所述开关装置S1和S2的控件之间。当开关S1接收到第一定时信号时，开关S2接收定时信号的反相版本，开关S1和S2因而彼此相反地开关(互斥)。取样电路230另外包含第一电容器CS1，其选择性地经耦合以基于第一定时信号接收CS_FE信号，第一电容器CS1的相对侧耦合到接地端子。取样电路230还包含第二电容器CH2，其选择性地耦合到第一电容器CS1，第二电容器CH2的相对侧耦合到接地端子。
借助于实例，在装置200的取样阶段期间，第一开关S1通过第一定时电路222被激活以将CS_FE信号应用于第一电容器CS1以对CS_FE信号取样，并且被解除激活以取消CS_FE信号应用于第一电容器CS1。在延迟Td1结束时，第一定时电路222产生第一定时信号的上升边沿以将取样信号从第一电容器CS1传送到第二电容器CH1(例如，保持操作)。激活第二开关S2以将第一电容器CS1耦合到第二电容器CH1，从而将对应于CS_FE信号的电荷从第一电容器CS1转移到第二电容器CH1。对应于CS_FE信号的电流在装置200的保持阶段期间从第一电容器CS1传送到第二电容器CH1。在第一电容器CS1对CS_FE信号取样时，第二电容器CH1将先前取样值维持于相关联平均化电路240的输入处。在逐循环基础上对CS_FE信号执行的这类取样和保持期间，第一定时电路222触发经修整上升边沿延迟，即延迟Td1，其添加到DRVL信号以控制开关S1和S2的操作。
取样电路230另外包含其间具有反相器234的开关装置S3和S4。当开关S3接收第二定时信号时，开关S4接收定时信号的反相版本，开关S3和S4因而彼此相反地开关。取样电路230另外包含第三电容器CS2，其基于第二定时信号选择性地耦合到CS_FE信号，第三电容器CS2的相对侧耦合到接地端子。取样电路230还包含第四电容器CH2，其选择性地耦合到第三电容器CS2，第四电容器CH2的相对侧耦合到接地端子。
作为另一个实例，在装置200的取样阶段期间，第三开关S3通过第二定时电路224被激活以将CS_FE信号应用于第三电容器CS2以对CS_FE信号取样，并且被解除激活以取消CS_FE信号应用于第三电容器CS2。在延迟Td2结束时，第二定时电路224产生第二定时信号的上升边沿以将取样信号从第三电容器CS1传送到第四电容器CH1。在延迟Td2结束时，PWM_CLK信号变高且DRVL信号变低。激活第四开关S4以将第三电容器CS2耦合到第四电容器CH2，从而将对应于CS_FE信号的电荷从第三电容器CS2转移到第四电容器CH2。对应于CS_FE信号的电流在装置200的保持阶段期间从第三电容器CS2传送到第四电容器CH2。在第三电容器CS2对CS_FE信号取样时，第四电容器CH2维持先前取样值。在逐循环基础上对CS_FE信号执行的这类取样和保持期间，第二定时电路224触发经修整上升边沿延迟，即延迟Td2，其添加到PWM_CLK信号以控制开关S3和S4的操作。
取样电路230包含分别耦合到第二电容器CH1和第四电容器CH2的第一输出和第二输出。电容器CH1和CH2之间的互连节点耦合到接地端子。因此，取样电路230根据开关S1-S4的受控定时，对前端AC感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样。取样电压保持于电容器CH1和CH2中以供平均化电路240进行平均化。
平均化电路240包含分别地第一放大器242和第二放大器244(例如，运算放大器)。举例来说，第一放大器242和第二放大器244的非反相输入分别耦合到第二电容器CH1和第四电容器CH2。放大器242和244的反相输入与其对应输出耦合。放大器242和244因此被配置成放大从第二电容器CH1和第四电容器CH2转移的电荷并且提供相应的第一经放大输出信号和第二经放大输出信号。第一放大器242和第二放大器244的正输入分别耦合到取样电路230的第一输出和第二输出。第一放大器242和第二放大器244的负输入分别耦合到第一放大器242和第二放大器244的输出。当取样电容器CS1上的CS_FE信号的取样值传送到保持电容器CH2时，第一放大器242将此值缓冲为输出CS_HI信号。同样地，当取样电容器CS2上的CS_FE信号的取样值传送到保持电容器CH2时，第二放大器244将此值缓冲为输出CS_LO信号。第一放大器242和第二放大器244的输出还耦合第一电阻器R1和第二电阻器R2的一侧，电阻器R1和R2的相对侧耦合在一起，进而形成分压电路。此分压器输出CS_AVG信号，其表示由功率转换器205产生的逐循环平均电流。在实例中，第一电阻器R1和第二电阻器R2的电阻大致相等以提供分压，产生表示输入电流信号CS_FE的对称取样点的逐循环平均值的CS_AVG。
装置200逐循环地提取感测电流的平均值，从而达成高感测带宽，所述高感测带宽可用于电流模式控制和过电流保护。作为实例，提取的平均电流值在每个开关循环更新两次。另外，装置200提取平均电流的正确且准确的值，不考虑围绕其中点的感测电流信号的波形形状，这是因为至少感测定时在形状改变区外部并且相对于中点对称。因此，装置200提供用于电流遥测的可靠且准确的电流感测解决方案，例如用于在具有耦合电感器的多相转换器中，减小印刷电路板(PCB)板大小。此外，装置200提供抵抗过程和温度变化的影响的感测准确度。举例来说，两个定时延迟Td1和Td2通过被修整到相同目标，且通过在装置中使用相同类型的半导体组件以在过程和温度两者上匹配。
图3说明包含耦合305到图1或2中说明的装置100/200以感测平均电流的功率转换器305的实例***300。***3000包含三个子***，即功率转换器(例如，DC-DC转换器)、控制器360和装置100/200。在此实例中，功率转换器305是降压转换器。
功率转换器305由以下组成：两个开关S5和S6、电感器L，以及电容器C1。开关S5的一侧选择性地耦合到输入电压VIN，且开关S5的另一侧耦合到电感器L并且耦合到开关S6。开关S6的另一侧耦合到接地端子。电容器C1的一侧耦合到电感器L且电容器C1的另一侧耦合到接地端子。功率转换器305通过用控制器360控制开关S5和S6的占空比，将输入电压VIN转换成输出电压VOUT以提供负载电流ILOAD。装置100/200感测电感器L的逐循环平均电流。
控制器360的所说明组件中的每一个接收装置100/200的输出。控制器360包含确定开关S5和S6的占空比的平均电流模式控制器。控制器360另外包含过电流保护器364，其在感测平均电流高于预置安全阈值的情况下关断开关S5和S6，以便保护开关S5和S6免于从这类高于预置安全阈值电流受损。控制器360另外包含电流遥测接口366，其经由数字接口(例如，实时地)报告感测平均电流。
图4说明实例定时电路422。定时电路422可用作图1和2中说明定时电路120/222/224。图5说明图4中所说明的定时电路422的各种信号的实例。一起论述定时电路422和定时电路422的各种信号。定时电路包含耦合到开关S7的反相器472。电容器C2与开关S7并行，电容器C2的一侧耦合到接地端子且电容器C2的另一侧耦合到比较器474的正端子。比较器的负侧耦合到参考电压VREF。
通过充电电流ICHG、电容器C2和参考电压VREF确定延迟时间Td(例如Td1和Td2)。当输入信号In为低时，开关S接通，使电容器电压VC短接到地，因而比较器472输出Out为低。当输入信号In变高时，释放开关S7，从而允许ICHG为VC充电。当VC高于预置参考电压Vref时比较器472输出Out变高。输入信号In变高和比较器472的输出Out变高之间的延迟集合延迟时间Td。在实例中，在生产期间修整电容器C2，因此减少Td的过程变化。
图6说明来自图2的装置200的各种信号的实例。特定来说，从图3的顶部到底部按次序说明PWM_CLK信号、PWM信号、DRVL信号、用于开关S1-S4的第一定时信号和第二定时信号、CS_HI信号、CS_AVG信号、CS_LO信号、功率转换器205产生的电感器电流以及CS_FE信号。CS_FE信号说明为在循环1、2和7期间稳态并且在循环3、4、5和6期间瞬变。
延迟Td1对应于规定量的延迟，其添加到DRVL信号的上升边沿以提供用于激活第一开关S1以在给定循环期间的给定点对CS_FE取样的第一定时信号。同样地，延迟Td2对应于规定的量延迟，其添加到PWM_CLK信号的上升边沿以激活开关S3在给定循环期间的另一点对CS_FE取样。取样说明为在第一定时信号和第二定时信号的上升边沿期间分别针对第一S1和第二开关S2以及第三开关S3和第四开关S4发生。在图3的实例中，CS_FE信号说明为具有锯齿图案。可在其它实例中使用其它AC波形。在680处发生在CS_FE信号的下降边沿上的取样，这与用于S1的第一定时信号的上升边沿重合。在690处发生CS_FE信号的下降边沿上的取样，这与用于S3的第二定时信号的上升边沿重合。CS_AVG信号是CS_HI和CS_LO信号的平均值。如所说明，在从这类峰值的延迟处发生取样时，CS_AVG信号不受CS_FE信号的峰值波动影响。
考虑上文所描述的前述结构和功能特征，参考图7将更好地了解方法。虽然为了解释简单起见，图7的方法示出且描述为依序执行，但所述方法不受所说明的次序限制，这是因为在其它实例中，一些方面可与且如本文示出和所描述的方面以不同次序和/或并行地发生。此外，可能并不需要所有所说明特征来实施图7的方法。此外，图7的方法可包含如上文根据图1-4所描述的额外特征。可通过包含例如一或多个集成电路、控制器或处理器的各种硬件电路和组件实施方法700。
图7说明例如用于功率转换器105/205的感测平均电流的实例方法700。在710处，方法700包含在前端AC感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样，所述至少两个取样点相对于前端AC感测信号的每一相应循环的中点大体对称。在实例中，取样电路130/230接收前端AC感测信号并且对前端AC感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样。在实例中，取样电路230包含四个开关S1-S4和四个电容器C1-C4，其中控制四个开关S1-S4的定时以对前端AC感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样和保持。
在720处，方法700另外包含控制前端AC感测信号的取样的定时，使得至少两个取样点相对于前端AC感测信号的每一相应循环的中点大体对称。在实例中，定时电路120控制取样电路130的定时以在前端AC感测信号的每一循环的至少两个取样点上对前端AC感测信号取样。在实例中，第一定时电路222和第二定时电路224分别产生第一定时信号和第二定时信号，以将延迟Td1和Td2分别添加到DRVL和PWM_CLK信号，使得在相对于前端AC感测信号的每一循环的相邻连续峰值的预定时间发生CS_FE信号的取样。第一定时电路222接收第二定时电路224产生的第二定时信号以作为产生第一定时信号的基础。
在730处，方法700另外包含在至少两个取样点逐循环地进行平均化以产生平均感测电流。在实例中，平均化电路140将至少两个取样点的前端AC感测信号平均化，其中平均化电路140将多个循环内的前端AC感测信号平均化以产生CR_AVG信号。在实例中，第一放大器242和第二放大器244分别耦合到第二电容器CH1和第四电容器CH2，以放大从第二电容器CH1和第四电容器CH2转移转移的电荷并且提供相应的第一经放大输出信号和第二经放大输出信号。这些第一输出信号CS_LO和第二输出信号CS_HI经平均化以产生CS_AVG信号。
在权利要求书的范围内，对所描述实施例的修改是可能的，且其它实施例是可能的。

Claims (17)

1.一种装置，其包括：
取样电路，其被配置成在前端交流电流感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样，所述至少两个取样点相对于所述前端交流电流感测信号的每一相应循环的中点大体对称；
定时电路，其被配置成控制所述取样电路的定时，以基于所述定时电路产生的定时信号在所述至少两个取样点上对所述前端交流电流感测信号取样；和
平均化电路，其在所述前端交流电流感测信号的给定循环内在所述至少两个取样点进行平均化以产生平均感测电流。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述定时电路控制所述取样电路的所述定时在相对于所述前端交流电流感测信号的每一循环的相邻连续峰值的预定时间处发生。
3.根据权利要求1所述的装置，其另外包括电流感测电路，所述电流感测电路感测正在由功率转换器产生的电流的量并且基于所述感测的正在由所述功率转换器产生的电流量来产生所述前端交流电流感测信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述取样电路在所述前端交流电流感测信号的上升边沿上对第一取样点和第二取样点进行取样。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述取样电路在感测周期期间对表示所述前端交流电流感测信号的电感器电流取样。
6.根据权利要求1所述的装置，其另外包括功率转换器，所述平均化电路在功率转换器的每个开关循环内在所述至少两个取样点进行两次平均化。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置集成于功率转换器内。
8.一种方法，其包括：
在前端交流电流感测信号的每一循环的至少两个取样点进行取样，
控制所述前端交流电流感测信号的所述取样的定时，使得所述至少两个取样点相对于所述前端交流电流感测信号的每一相应循环的中点大体对称；和
在所述至少两个取样点逐循环地进行平均化以产生平均感测电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述控制所述取样在相对于前端交流电流感测信号的每一循环的相邻连续峰值的预定时间处发生。
10.一种装置，其包括：
彼此相反地开关的第一开关和第二开关，所述第一开关被配置成将前端交流电流感测信号应用于第一电容器，所述第二开关以与所述第一开关相反的方式被激活以将所述第一电容器耦合到第二电容器，从而将电荷从所述第一电容器转移到所述第二电容器；
彼此相反地开关的第三开关和第四开关，所述第三开关被配置成将所述前端交流电流感测信号应用于第三电容器并且被解除激活以取消所述前端交流电流感测信号应用于所述第三电容器，所述第四开关被激活以将所述第三电容器耦合到第四电容器，从而将电荷从所述第三电容器转移到所述第四电容器；
第一放大器和第二放大器，其分别耦合到所述第二电容器和第四电容器，以放大来自所述第二电容器和第四电容器的信号并且提供相应的第一经放大输出信号和第二经放大输出信号；和
分压电路，其耦合于所述第一放大器和第二放大器的输出之间，被配置成基于所述第一经放大输出信号和第二经放大输出信号提供对应于平均电流的输出信号。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述分压电路包含第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器耦合于所述第一放大器的所述输出与所述装置的所述输出之间，且所述第二电阻器耦合于所述第二放大器的所述输出与所述装置的所述输出之间，所述第一电阻器和第二电阻器的电阻相等。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一放大器和第二放大器是运算放大器。
13.根据权利要求10所述的装置，其另外包括耦合于所述第一开关和第二开关之间的反相器。
14.根据权利要求10所述的装置，其另外包括耦合于所述第三开关和第四开关之间的反相器。
15.根据权利要求10所述的装置，其中所述装置与功率转换器集成在一起。
16.根据权利要求10所述的装置，其另外包括定时电路，所述定时电路被配置成基于所述定时电路产生的定时信号控制所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的定时。
17.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一放大器和第二放大器中的每一个的输出分别耦合到所述第一放大器和第二放大器中的每一个的负输入。
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