CN114157145A - 一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 - Google Patents
一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114157145A CN114157145A CN202111439320.3A CN202111439320A CN114157145A CN 114157145 A CN114157145 A CN 114157145A CN 202111439320 A CN202111439320 A CN 202111439320A CN 114157145 A CN114157145 A CN 114157145A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- voltage
- module
- output
- sampling
- input
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 58
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 15
- 101150090280 MOS1 gene Proteins 0.000 claims description 14
- 101100401568 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) MIC10 gene Proteins 0.000 claims description 14
- 102100030393 G-patch domain and KOW motifs-containing protein Human genes 0.000 claims description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 5
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 2
- UVYVLBIGDKGWPX-KUAJCENISA-N digitonin Chemical compound O([C@@H]1[C@@H]([C@]2(CC[C@@H]3[C@@]4(C)C[C@@H](O)[C@H](O[C@H]5[C@@H]([C@@H](O)[C@@H](O[C@H]6[C@@H]([C@@H](O[C@H]7[C@@H]([C@@H](O)[C@H](O)CO7)O)[C@H](O)[C@@H](CO)O6)O[C@H]6[C@@H]([C@@H](O[C@H]7[C@@H]([C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O7)O)[C@@H](O)[C@@H](CO)O6)O)[C@@H](CO)O5)O)C[C@@H]4CC[C@H]3[C@@H]2[C@@H]1O)C)[C@@H]1C)[C@]11CC[C@@H](C)CO1 UVYVLBIGDKGWPX-KUAJCENISA-N 0.000 claims 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 101710116850 Molybdenum cofactor sulfurase 2 Proteins 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/157—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators with digital control
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1588—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load comprising at least one synchronous rectifier element
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
本发明公开了一种DC‑DC开关电源的电感电流预估方法,包括电压采样模块、数据转换模块、开关信号计数模块、电感电压计算模块和数字滤波器模块;输入电压和输出电压经过电压采样模块和数据转换模块,得到位数相同的转换后的输入电压和转换后的输出电压;节点电压与参考电压进行比较,再通过开关信号计数模块得到占空比;然后电感电压计算模块输出电感和寄生阻两端的电压平均值,再经过数字滤波器模块最终得到预估的电感电流;本发明在只采样输入和输出电压的情况下,能准确估算出实时电感电流,且不需要增加额外的电阻、电容和运放等模拟采样电路,不需要远高于开关频率的高速ADC,可降低成本、减小电路体积,具有很高泛用性。
Description
技术领域
本发明属于开关电源领域,尤其涉及一种DC-DC开关电源的电感电流预估方法。
技术背景
随着科技的不断发展,多种多样的电子设备出现在人们的生活中,小到各种便携穿戴电子设备,如手机、智能手表、平板电脑,大到汽车电子、医疗器械等,都影响和改善着人们的生活。消费类电子不断迭代更新,功能也是越来越强大,这也要求电子产品有一个稳定的供电***来维持其正常工作。同时电子产品体积越来越小,在电池技术没有突破性的革新前,只能通过高性能的电源管理芯片来提高其供电效率。
目前,开关电源的发展趋势主要集中在高效率,小面积,快速瞬态响应,大驱动能力和数字化,其中数字化的研究是开关电源中发展最快的分支之一。预计到2022年数字管理集成电路(IntegratedCircuit,IC)的全球市场将高达42亿美元,其中数字电源管理芯片在照明,消费电子,工业和汽车电子等市场的占用率也在不断增加。相对于模拟控制的电源芯片,数字控制DC-DC开关电源更容易嵌入到各种SoC芯片中,从而实现高集成度。另外,数字控制可以实现更复杂的控制算法,数字开关电源在调试和监测芯片各种参数时会更加灵活,数字控制能减小控制***分立器件的数量,改善***可靠性。
在DC-DC开关电源中,电感电流是控制电路的重要反馈信号,用于电流模式控制器的环路控制,如平均电流模式控制器、峰值电流模式控制器、电流滞后控制器等。它也用于转换器的过电流保护,因此在大多数DC-DC开关电源***中,需要实时测量电感电流信息,来保持***安全运行。一般来说,DC-DC开关电源的电流测量方法可分为电压降测量法和基于观测器的测量法。在基于电压降的方法中,通过电流流过感测电阻器或MOSFET引起的电压降中提取电流信息。基于观测器的***通常通过功率级电感上的电压来估计电流。
在大多数情况下,现有的方法不太适合开关电源的数字控制器集成,其中总体尺寸、***成本和总体效率是主要难点。基于电压降的方法要么降低转换器的效率,要么需要高带宽的放大器,这在最新的CMOS数字工艺中非常具有挑战性。这是由于标准数字电路的电源电压非常有限,传统的模拟结构无法使用。因此,这种架构需要体积更大、可靠性更低的多芯片解决方案,需要用不同的IC技术实现传感电路和控制器。另一方面,基于观测器的方法准确性有限,电流估算依赖于电感值和等效串联电阻值的先验数据,这取决于工作条件和外部影响下的变化。此外,对于数字控制器的实现,传感器输出的信号还需要通过模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)传输到数字控制器中,如果要在控制器中使用电感电流的开关频率分量,即交流纹波量,则需要具有远高于开关频率的采样率的高带宽电流传感器和ADC。由于ADC的要求非常昂贵,这对于开关频率很高的DC-DC开关电源来说是一个明显的缺点。因此,期望在数字控制器中消除用于电感电流采样的高速ADC和高带宽传感器。
发明内容
发明目的:为克服现有技术的局限以及不足,本发明提出了一种DC-DC开关电源的电感电流预估方法,可以在只采样输入和输出电压的情况下,准确的估算出实时的电感电流信息,本发明不需要增加额外的电阻、电容和运放等模拟采样电路,另外不需要用到远高于开关频率的高速ADC,可以降低成本、减小电路体积,具有很高的泛用性。
技术方案:为实现上述目的,本发明采用如下的技术方案:
一种DC-DC开关电源的电感电流预估方法,包括电压采样模块、数据转换模块、开关信号计数模块、电感电压计算模块和数字滤波器模块;电压采样模块输入DC-DC开关电源的输入电压和输出电压,得到输入电压数字量和输出电压数字量,再经过数据转换模块进行运算和位数转换,得到位数相同的转换后的输入电压和转换后的输出电压,输出给电感电压计算模块;节点电压通过比较器和参考电压进行比较,输出实际的开关信号,再通过开关信号计数模块得到占空比,输出给电感电压计算模块;然后电感电压计算模块计算得到电感和寄生阻两端的电压平均值,再经过数字滤波器模块进行滤波,最终得到预估的电感电流。
其中,
所述电压采样模块包括采样电路和模数转换器(Analog to DigitalConverter,ADC),采样电路利用分压电阻采样输入电压和输出电压按照比例缩放后的电压,再分别通过单端转差分运放后输出给相应的ADC,最终得到输入电压数字量和输出电压数字量。
所述数据转换模块接收输入电压数字量和输出电压数字量,按下式运算得到实际的输入电压Vin和输出电压Vo:
其中,Din[n]为输入电压数字量,Do[n]为输出电压数字量,n表示相应数字量处于第n个周期;输入电压和输出电压的ADC位数分别为N1和N2,输入范围分别为±V1和±V2;G1和G2分别为输入采样增益系数和输出采样增益系数;
最后通过位数转换将运算得到的输入电压Vin和输出电压Vo转换为相同位数的数字量即转换后的输入电压和转换后的输出电压。
所述输入采样增益系数和所述输出采样增益系数分别按照下式计算:
其中,R1和R2为输入电压的分压电阻对,R3和R4为输出电压的分压电阻对,A1和A2分别为输入电压和输出电压采样的单端转差分运放的放大系数。
所述开关信号计数模块用于检测开关信号并进行计数,将节点电压与参考电压通过比较器进行比较,输出开关信号:若上开关管关断,下开关管导通,此时节点电压为地电位,节点电压小于参考电压,比较器输出开关信号0;若上开关管导通,下开关管关断,此时节点电压为输入电压,节点电压大于参考电压,比较器输出开关信号1;再通过高频计数器计数一个固定周期Ts内开关信号为1的次数,每个周期输出一次占空比。
所述占空比按下式计算:
duty[n]=kn/m
其中,duty[n]为占空比,m为固定周期Ts内允许计数总次数,kn为第n个固定周期Ts内开关信号计数值。
所述电感和寄生阻两端的电压平均值按下式计算:
ViL[n]=duty[n]·Vin[n]-Vo[n]
其中,ViL[n]为电感和寄生阻两端的电压平均值,Vin[n]为转换后的输入电压,Vo[n]为转换后的输出电压。
有益效果:与现有技术相比,本发明的优点及显著效果:
1.本发明所采用的DC-DC开关电源电感电流预估方法,以BUCK开关电源作为典型应用,相比于传统的电感电流采样方案,不需要使用模拟采样电路,避免了复杂的采样电路设计,大大减小了电流采样的成本;
2.本发明所采用的用于计算电感电流的数字滤波器方案,相对于传统的滤波方案,可以有效减小输入电压和输出电压的采样频率,避免了使用昂贵的高速ADC,并且通过计数取平均值的方法,只需要在多个计数周期内完成一步运算,大大提高了单步运算的周期,能够有效降低算法对于计算速度的要求;
3.本发明所提出的电感电流预估方法,相对于传统的数字预估方案,不仅能预估电感电流的平均值,还能预估电感电流的纹波值,适用于基于电流纹波的控制电路;另外该电感电流预估方法速度快延迟低,能够快速并准确的跟随电感电流实际值变化;
4.本发明可以通过纯数字电路实现,该算法可以在不需要添加复杂***电路的情况后嵌入到多种应用场合,实现电感电流的数字采样,具有高度的灵活性和集成度。
附图说明
图1是本发明电感电流预估方法在BUCK开关电源中应用的***结构框图;
图2是电压采样模块的电路图;
图3a是BUCK开关电源在导通时的开关特性;
图3b是BUCK开关电源在关断时的开关特性;
图4是电感电流预估硬件框图;
图5是计数和采样的时序图;
图6是无限脉冲响应(Infinite Impulse Response,IIR)滤波器的设计框图;
图7是本发明在BUCK开关电源中应用的simplis仿真波形图。
图中有:输入电压Vin,输出电压Vo,输入电压数字量Din[n],输出电压数字量Do[n],转换后的输入电压Vin[n],转换后的输出电压Vo[n],上开关管MOS1,下开关管MOS2,节点电压Vx,参考电压Vref,占空比duty[n],电感L,寄生阻RL,电感L和寄生阻RL两端的电压平均值ViL[n],电感电流IL[n]。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面将结合附图对本发明的技术方案进行进一步解释。
图1为本发明中电感电流预估方法在BUCK开关电源中应用的***结构框图,包括电压采样模块、数据转换模块、开关信号计数模块、电感电压计算模块和数字滤波器模块;同步整流BUCK通过控制上开关管MOS1和下开关管MOS2两个开关管的导通和关断时间来控制输出电压。其中,电压采样模块输入DC-DC开关电源的输入电压Vin和输出电压Vo,得到输入电压数字量Din[n]和输出电压数字量Do[n],再经过数据转换模块进行运算和位数转换,输出对应输入电压Vin和输出电压Vo模拟量的数字量即转换后的输入电压Vin[n]和转换后的输出电压Vo[n];上开关管MOS1和下开关管MOS2中间节点的节点电压Vx通过比较器和参考电压Vref进行比较,输出实际的开关信号SW,再通过开关信号计数模块计数一个周期内开关信号SW为1的次数,从而得到占空比duty[n];以上数字量通过电感电压计算模块输出固定周期内电感L和寄生阻RL两端的电压平均值ViL[n],再经过无限脉冲响应(Infinite ImpulseResponse,IIR)数字滤波器模块进行滤波,最终输出预估的电感电流IL[n],其中n表示的是相应数字量处于第n个周期。
若数字滤波器的极点系数和电路中的电感L和寄生阻RL参数相匹配,数字滤波器最终可以输出一个固定周期Ts内预估的电感电流IL[n],若数字滤波器采样周期Ts远小于开关周期Tsw,则最终输出的电感电流IL[n]不仅包含实际电感电流IL的平均值IL_A还反映了实际电感电流的纹波信息。
图2是电压采样模块的结构图,电压采样模块包括采样电路和模数转换器ADC,采样电路通过分压电阻对输入电压Vin和输出电压Vo进行缩放,再经过单端转差分运放对信号进行放大,通过ADC输出对应的输入电压数字量Din和输出电压数字量Do。图2中所示的采样电路最终输出的差分信号可以表示为式(1)和(2):
其中,和是输入电压Vin经采样电路输出的差分信号,和是输出电压Vo经采样电路输出的差分信号,R1和R2为输入电压Vin的分压电阻对,R3和R4为输出电压Vo的分压电阻对,A1和A2分别为输入电压Vin和输出电压Vo采样的单端转差分运放放大系数。
可以得到:
其中,G1和G2分别为输入信号Vin的输入采样增益系数和输出信号Vo的输出采样增益系数。
考虑到在后续计算中需要在同一单位下对输入电压Vin和输出电压Vo进行计算,而电压采样模块对于输入电压Vin和输出电压Vo的采样放大倍数不同,另外由于输出电压Vo的采样精度要求往往要高于输入电压Vin,用于采样输入电压Vin和输出电压Vo的ADC位数也不同,因此数据转换模块需要按照式(5)和(6)对ADC输出的输入电压数字量Din[n]和输出电压数字量Do[n]进行初步计算后才能用于后面的运算:
其中,输入电压Vin和输出电压Vo的ADC位数分别为N1和N2,输入范围为±V1和±V2。
数据转换模块最后通过位数转换将运算得到的输入电压Vin和输出电压Vo转换为相同位数的数字量即转换后的输入电压Vin[n]和转换后的输出电压Vo[n]。
若BUCK变换器是理想且无损的,则上开关管MOS1和下开关管MOS2中间节点的节点电压平均值Vx_ave和输出电压平均值Vo_ave是相等的。但是,在实际情况下,考虑寄生阻RL时,输出电压平均值Vo_ave和节点电压平均值Vx_ave以及电感电流平均值IL_A之间的关系由(7)给出:
其中,Tsw是开关周期,RL为寄生阻阻值。
上式假设输入电压Vin和输出电压Vo信息可用,并且它们在一个开关周期Tsw内是常数,这是上述公式用于电流预估时必须满足的一个重要条件。在不定频控制中,开关周期Tsw会随着工况的变化发生改变,然而在数字控制***中,很难用数字方案实现在一个不确定的周期内对某个值求平均。为了解决上述问题,可以将一个开关周期Tsw切换成多个等长时间的小固定周期Ts,频率为fs。尽管在不定频控制中,开关周期Tsw不固定,但是可以只计算每个小固定周期Ts内电感电流平均值,假设上开关管MOS1在固定周期Ts内导通时间为ton,并且不考虑开关管的导通电阻,则固定周期Ts内电感电流平均值IL_A表示为(8):
其中,Vin_ave为输入电压平均值。
从(8)中可以看出,在一个周期内节点电压平均值Vx_ave取决于上开关管MOS1在固定周期Ts内的导通时间ton。对于理想的开关电源BUCK变换器,PWM信号和节点电压Vx具有相同的电压时序分布,PWM信号脉冲宽度的变化可以表示电感电流的变化,因此可以利用PWM信号的导通时间来估算电感电流。通过提供转换后的输入电压Vin[n]和转换后的输出电压Vo[n]给数字控制器,再依靠数字控制器内部生成的脉宽调制信号,很容易在数字控制器内部估算出电感电流平均值。对于电感电流纹波值的计算,通过公式(9)在控制器内部实现。
其中,ΔiL_A为电感电流纹波值,L为电感值。
上述方案在忽略BUCK开关电源开关延时的情况下实行的,在实际应用中,随着负载电流和开关频率的增加,PWM信号和节点电压Vx之间的开关延时td非线性增加,利用PWM信号进行电流预估会产生很大的估算误差。
图3给出了BUCK开关电源的MOSFET导通和关断时的开关特性,图中绘制了上开关管MOS1的栅源电压Vgs、源漏电流Ids、源漏电压Vds和节点电压Vx在开关时的变化曲线,其中Vth为开关管阈值电压,VPWM为PWM驱动信号电压。参考图3(a),当PWM信号由0V变为12V后,经过导通延时tr时间延时后节点电压Vx才上升到输入电压12V;参考图3(b),当PWM信号有12V变为0V后,经过关断延时tf时间延时节点电压Vx才下降到0。在上开关管MOS1导通期间,开关延时td的一部分取决于电感电流(t2~t3),电感电流越大,这部分延时越大;在上开关管MOS1关断期间,延时对电感电流的依赖性较小(t3~t4)。导通延时tr和关断延时tf并不相同,且和电感电流呈非线性关系,最终导致PWM信号的脉冲宽度和实际节点电压之间存在一定差异。在实际应用中,节点电压Vx不使用PWM信号计算,可以使用简单的比较器来检测节点电压Vx电平变化,将节点电压Vx同参考电压Vref进行比较,再将该信息作为一位开关信号SW提供给数字控制器,由于比较器的延迟是固定的,因此节点电压Vx的变化可以在数字控制器中真实再现。
本实施例中开关信号计数模块用于检测开关信号并进行计数,将节点电压Vx与参考电压Vref通过比较器进行比较,输出开关信号SW:若上开关管MOS1关断,下开关管MOS2导通,此时节点电压Vx为地电位,节点电压Vx小于参考电压Vref,比较器输出开关信号SW为0;若上开关管MOS1导通,下开关管MOS2关断,此时节点电压Vx为输入电压Vin,节点电压Vx大于参考电压Vref,比较器输出开关信号SW为1;再通过高频计数器计数一个固定周期Ts内开关信号SW为1的次数,每个周期输出一次占空比duty[n]。
图4是电感电流预估的硬件框图,比较器输出的开关信号SW通过计数器进行计数,计数时钟周期为250M时钟,其中clk_s为通过计数器分频后的时钟,分频的时钟周期为周期Ts,每个固定周期Ts结束输出一次开关信号SW计数结果cnt_on[4:0],周期开始时计数置零。分频后的时钟固定周期Ts作为IIR数字滤波器的采样周期。
图5是电感电流预估算法中开关信号SW计数和数字滤波器采样的时序图,其中开关信号SW通过比较器输入给数字控制器,开关信号SW以最高的频率clk_cnt进行计数,数字滤波器采用较低频率clk_s作为采样频率,计数频率clk_cnt是采样频率clk_s的m倍。在第n个采样周期Ts内,如果m个clk_cnt周期中检测到SW高电平的周期数为kn次,则可以计算出该采样周期内电感L和寄生阻RL两端的电压平均值ViL[n],如式(10)所示。
在连续域中,电感电流IL表示成s域表达式,如(11)所示。将s域表达式离散化,通过双线性变换,最终可以得到(12)所示的差分方程形式。
IL[n]=c1·IL[n-1]+c2·(ViL[n]+ViL[n-1]) (12)
其中,IL表示连续域中电感电流瞬时值,IL[n]表示离散域中第n个采样周期的电感电流,也就是数字滤波器估计的电感电流,ViL表示连续域中电感L和寄生阻RL两端的电压瞬时值,ViL[n]表示离散域中第n个采样周期的电感L和寄生阻RL两端的电压平均值;c1和c2为数字滤波器系数。
图6是一阶IIR滤波器的数字设计框图,上述差分方程可以通过一阶的IIR滤波器实现,由于数字滤波器系数c1和c2为小数形式,在数字实现过程中需要对数据左移N位,即等比例放大2N倍后变为C1和C2。电感L和寄生阻RL两端的电压平均值ViL[n]作为输入,经过延时单元输出ViL[n-1]作为上一个采样周期的输入,其中,第n个周期表示当前周期,则第n-1个周期表示上一个周期;电感电流IL[n]作为输出,经过延时单元输出IL[n-1]作为上一个采样周期的输出。其中,C1和C2在一定工况下为固定的值,因此乘法器的实现均可通过移位的方法,提高运算速度。由于滤波器系数在计算过程中按照比例放大了,因此最终输出需要经过一级除法器,可以采用右移N位的方式实现除法。
图7是本发明在BUCK开关电源中应用的Simplis仿真波形图,其中PWM为上开关管MOS1控制信号波形,I_buck为电感电流实际值,IL_est为电感电流预估值,可以看出通过电感电流预估值能够准确还原实际电感电流平均值和纹波值。
以上内容是结合图示对本发明所做的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明,以上所述仅是本发明的优选实施方式。对于本技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种DC-DC开关电源的电感电流预估方法,其特征在于,包括电压采样模块、数据转换模块、开关信号计数模块、电感电压计算模块和数字滤波器模块;电压采样模块输入DC-DC开关电源的输入电压(Vin)和输出电压(Vo),得到输入电压数字量(Din[n])和输出电压数字量(Do[n]),再经过数据转换模块进行运算和位数转换,得到位数相同的转换后的输入电压(Vin[n])和转换后的输出电压(Vo[n]),输出给电感电压计算模块;节点电压(Vx)通过比较器和参考电压(Vref)进行比较,输出实际的开关信号,再通过开关信号计数模块得到占空比(duty[n]),输出给电感电压计算模块;然后电感电压计算模块计算得到电感(L)和寄生阻(RL)两端的电压平均值(ViL[n]),再经过数字滤波器模块进行滤波,最终得到预估的电感电流(IL[n])。
2.根据权利要求1所述的一种DC-DC开关电源的电感电流预估方法,其特征在于,所述电压采样模块包括采样电路和模数转换器(Analog to DigitalConverter,ADC),采样电路利用分压电阻采样输入电压(Vin)和输出电压(Vo)按照比例缩放后的电压,再分别通过单端转差分运放后输出给相应的ADC,最终得到输入电压数字量(Din[n])和输出电压数字量(Do[n])。
3.根据权利要求1所述的一种DC-DC开关电源的电感电流预估方法,其特征在于,所述数据转换模块接收输入电压数字量(Din[n])和输出电压数字量(Do[n]),按下式运算得到实际的输入电压Vin和输出电压Vo:
其中,Din[n]为输入电压数字量,Do[n]为输出电压数字量,n表示相应数字量处于第n个周期;输入电压(Vin)和输出电压(Vo)的ADC位数分别为N1和N2,输入范围分别为±V1和±V2;G1和G2分别为输入采样增益系数和输出采样增益系数;
最后通过位数转换将运算得到的输入电压Vin和输出电压Vo转换为相同位数的数字量即转换后的输入电压(Vin[n])和转换后的输出电压(Vo[n])。
5.根据权利要求1所述的一种DC-DC开关电源的电感电流预估方法,其特征在于,所述开关信号计数模块用于检测开关信号并进行计数,将节点电压(Vx)与参考电压(Vref)通过比较器进行比较,输出开关信号:若上开关管(MOS1)关断,下开关管(MOS2)导通,此时节点电压(Vx)为地电位,节点电压(Vx)小于参考电压(Vref),比较器输出开关信号0;若上开关管(MOS1)导通,下开关管(MOS2)关断,此时节点电压(Vx)为输入电压(Vin),节点电压(Vx)大于参考电压(Vref),比较器输出开关信号1;再通过高频计数器计数一个固定周期Ts内开关信号为1的次数,每个周期输出一次占空比(duty[n])。
6.根据权利要求5所述的一种DC-DC开关电源的电感电流预估方法,其特征在于,所述占空比按下式计算:
duty[n]=kn/m
其中,duty[n]为占空比,m为固定周期Ts内允许计数总次数,kn为第n个固定周期Ts内开关信号计数值。
7.根据权利要求1所述的一种DC-DC开关电源的电感电流预估方法,其特征在于,所述电感(L)和寄生阻(RL)两端的电压平均值(ViL[n])按下式计算:
ViL[n]=duty[n]·Vin[n]-Vo[n]
其中,ViL[n]为电感(L)和寄生阻(RL)两端的电压平均值,Vin[n]为转换后的输入电压,Vo[n]为转换后的输出电压。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111439320.3A CN114157145B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 |
PCT/CN2022/110105 WO2023098127A1 (zh) | 2021-11-30 | 2022-08-03 | 一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111439320.3A CN114157145B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114157145A true CN114157145A (zh) | 2022-03-08 |
CN114157145B CN114157145B (zh) | 2023-03-14 |
Family
ID=80454914
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202111439320.3A Active CN114157145B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN114157145B (zh) |
WO (1) | WO2023098127A1 (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023098127A1 (zh) * | 2021-11-30 | 2023-06-08 | 东南大学 | 一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020070888A1 (en) * | 2000-10-13 | 2002-06-13 | Stefan Groiss | Circuit arrangement for conversion of an input current signal to a corresponding digital output signal |
CN104467470A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-03-25 | 东南大学 | 一种开关电源的数字pfm控制模式实现方法 |
CN108551336A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-09-18 | 南京矽力杰半导体技术有限公司 | 脉冲信号占空比的计算方法和计算电路 |
CN109995231A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-07-09 | 东南大学 | Boost AC-DC恒压电源的数字控制方法 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110504830B (zh) * | 2019-08-19 | 2021-02-23 | 东莞市长工微电子有限公司 | 一种电感电流的重构电路以及重构方法 |
CN110470901B (zh) * | 2019-09-16 | 2021-05-28 | 棱晶半导体(南京)有限公司 | 一种开关电源电路中电感电流平均值采样电路 |
CN114157145B (zh) * | 2021-11-30 | 2023-03-14 | 东南大学 | 一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 |
-
2021
- 2021-11-30 CN CN202111439320.3A patent/CN114157145B/zh active Active
-
2022
- 2022-08-03 WO PCT/CN2022/110105 patent/WO2023098127A1/zh active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020070888A1 (en) * | 2000-10-13 | 2002-06-13 | Stefan Groiss | Circuit arrangement for conversion of an input current signal to a corresponding digital output signal |
CN104467470A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-03-25 | 东南大学 | 一种开关电源的数字pfm控制模式实现方法 |
CN108551336A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-09-18 | 南京矽力杰半导体技术有限公司 | 脉冲信号占空比的计算方法和计算电路 |
CN109995231A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-07-09 | 东南大学 | Boost AC-DC恒压电源的数字控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
RAJAT CHANNAPPANAVA等: "An Inductor Current Estimator for Digitally", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023098127A1 (zh) * | 2021-11-30 | 2023-06-08 | 东南大学 | 一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN114157145B (zh) | 2023-03-14 |
WO2023098127A1 (zh) | 2023-06-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9998011B2 (en) | Phase current estimation for switching power converters | |
TWI677175B (zh) | 切換式電源系統、電感電流感測元件及其方法、斜率感測元件及其方法 | |
US9977057B2 (en) | Input current compensation during current measurement | |
CN108398589B (zh) | 用于智能功率级应用的带有自动转换的精确高端电流仿真 | |
CN103529269B (zh) | 开关稳压器逐周期电流估计 | |
US7403365B2 (en) | Over-current detection circuit and method for power-supply device | |
US20080203997A1 (en) | Digital current sense | |
CN107026574B (zh) | 用于估计半谐振和谐振转换器的负载电流的方法和装置 | |
US10756614B2 (en) | Lossless average input and output current sensing in a switched-mode power supply | |
US10126792B2 (en) | Power converter load current control | |
US9568376B2 (en) | Temperature detecting circuit and method thereof | |
JP4337469B2 (ja) | Dc−dcコンバータの電流検出方法及び電流検出装置 | |
CN112003452A (zh) | 基于输出电容器参数和输出电压变化的峰值电流估计 | |
CN114157145B (zh) | 一种dc-dc开关电源的电感电流预估方法 | |
CN111693758B (zh) | 用于监测降压功率转换器中负载电流的电流感测 | |
CN102820783B (zh) | 直流降压转换器 | |
CN115833582B (zh) | 升降压变换器及其控制器和控制方法 | |
TW201251290A (en) | Buck DC-DC converter | |
CN216672860U (zh) | 一种四开关控制电路 | |
CN113708599B (zh) | 电感电流检测电路 | |
Jia et al. | A novel digital capacitor charge balance control algorithm with a practical extreme voltage detector | |
CN113422512A (zh) | 一种四开关控制电路 | |
Yu et al. | CMOS Integrated PFM DC-DC Converter with Digitally-Controlled Frequency Selector | |
US9541989B2 (en) | Power transfer estimation | |
JP5556399B2 (ja) | 電流モード制御dc−dcコンバータおよびその制御回路 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |