CN116388575A - 一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样方法及电路，属于发电、变电或配电的技术领域。本发明通过将四开关升降压变换器的前桥臂中点接入第一运算放大器的同相输入端，将后桥臂中点接入第二运算放大器的同相输入端，将两个运放的反相输入端分别通过一个电阻接地，将两个运放的输出分别接入一个三极管的基极后将前/后桥臂电压转换为前/后桥臂电流，通过电流镜对前/后桥臂电流复制，并对复制后的两股电流相减后得到电容充电电流，每个开关周期结束前通过开关释放掉电容所储存的电量，用电容电压来计算电感电流。本发明通过设计运放与电流镜，实现四开关升降压变换器电感电流的无损采样。

Description

一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样方法及电路
技术领域
本发明公开一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样方法及电路，涉及电能变换装置的直流-直流变换器技术，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
随着各种电子产品的更新换代，直流电源向着更高效率、更高集成度以及宽输入范围等技术要求发展。在四开关升降压变换器的设计中，如何提高效率是非常重要的问题，减少损耗对提高开关器件的稳定运行能力、电路拓扑的转换效率以及工作环境安全性具有重要意义。
现有的电感电流采样方案有以下两种：第一种在检测支路上放置一个采样电阻或者电阻互感器，但电阻本身发热带来损耗，降低整体效率；第二种通过放置MOSFET等效电阻来进行采样，虽然MOSFET电阻很小，采样几乎没有损耗，但是MOSFET受温度、工艺影响太大，电流检测精度不高。
本发明旨在提出一种用于四开关升降压变换器的电感电流无损采样方法及电路以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样方法及电路，通过运算放大器将前桥臂电压与后桥臂电压转换成电流，前桥臂充电电流和后桥臂放电电流通过电流镜进行复制后进行相减，得到给电容充电的充电电流，在每个周期结束前，通过开关将电容所存储的电量释放完，最终实现电压波形模拟电感电流波形，实现无损采样四开关升降压变换器电感电流并提升变换器整体效率的发明目的，解决现有电感电流采样技术损耗过大的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样方法，
对于四开关升降压变换器前桥臂中点电压，对其采样并将采样得到的前桥臂中点电压转换为前桥臂电流，对前桥臂电流进行复制操作得到源电流；
对于四开关升降压变换器后桥臂中点电压，对其采样并将采样得到的后桥臂中点电压转换为后桥臂电流，对后桥臂电流进行复制操作得到下拉电流；
对源电流和下拉电流进行减法操作得到电容充电电流，在每个开关周期的电感电流保持阶段接通与电容充电支路并联的放电支路，在下一开关周期开始时断开放电支路。
一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样电路，包括：第一电压转换电流模块、第一电流镜模块、第二电压转换电流模块、第二电流镜模块、第三电流镜模块、电容充电及释放模块。
第一电压转换电流模块中，第一运算放大器的同相输入端采样四开关升降压变换器前桥臂中点电压Va，第一运算放大器的反相输入端与第三三极管的发射极连接后通过第一电阻接地，第一运算放大器的输出端连接到第三三极管的基极，第三三极管的集电极连接至第一三极管的集电极，第一运算放大器的同相输入端作为第一电压转换电流模块的输入端，第三三极管的集电极作为第一电压转换电流模的输出端。根据运算放大器的虚短原则和虚断原则可知，第一运算放大器的两个输入端电位相同，且输入端没有电流，可以得到第三三极管集电极电流为
Figure BDA0004154918530000021
R1为第一电阻的阻值，第三三极管集电极电流及采样四开关升降压变换器前桥臂中点电压得到的前桥臂电流。
第一电流镜模块由第一三极管和第二三极管组成，第一三极管的发射极和第二三极管的发射极相连接作为第一电流镜模块的供电端接电源电压，第一三极管的基极和集电极、与第二三极管的基极相连接作为第一电流镜模块的输入端，第二三极管的集电极作为第一电流镜模块的输出端。
第二电压转换电流模块中，第二运算放大器的同相输入端采样四开关升降压变换器后桥臂中点电压Vb，第二运算放大器的反相输入端与第六三极管的发射极连接后通过第二电阻接地，第二运算放大器的输出端连接到第六三极管的基极，第六三极管的集电极连接至第四三极管的集电极，第二运算放大器的同相输入端作为第二电压转换电流模块的输入端，第六三极管的集电极作为第二电压转换电流模块的输出端。根据运算放大器的虚短原则和虚断原则可知，第二运算放大器的两个输入端电位相同且输入端没有电流，可以得到第六三极管集电极电流为
Figure BDA0004154918530000022
R2为第二电阻的阻值。
第二电流镜模块由第四三极管和第五三极管组成，第四三极管的发射极与第五三极管的发射极相连接作为第二电流镜模块的供电端接电源电压，第四三极管的基极和集电极与第五三极管的基极相连接作为第二电流镜模块的输入端，第五三极管的集电极作为第二电流镜模块的输出端。
第三电流镜模块由第七三极管和第八三极管组成，第七三极管的发射极和第八三极管的发射极相连接作为第三电流镜模块的供电端接地，第七三极管的基极和集电极与第八三极管的基极相连接作为第三电流镜模块的输入端，第八三极管的集电极作为第三电流镜模块的输出端。
电容充电及释放模块包括：电容、开关管、与门，电容的正极板作为电容及充电模块的第一输入端，电容的负极板接地，开关管的漏极连接电容的正极板，开关管的源极和衬底均接地，与门的一个输入端作为电容充电及释放模块的第二输入端接入前桥臂下管开关信号，与门的另一个输入端作为电容充电及释放模块的第三输入端接入后桥臂下管开关信号，与门的输出端连接开关管的栅极。
前桥臂电流通过第一电流镜模块复制以后得到源电流，后桥臂电流先通过第二电流镜模块复制以再通过第三电流镜模块复制一次，改变电流方向，得到下拉电流。
源电流Isource减去下拉电流Isink得到充电电流给电容充电。假设R1＝R2＝R，则
Figure BDA0004154918530000031
而对于电感L，/>
Figure BDA0004154918530000032
则可以用Vcap来表示电感电流IL。
在每个开关周期结束前，即电感电流保持阶段，开关管收到前桥臂下管开关导通、后桥臂下管开关管导通的信号后，将电容所存储的电量释放掉，完成电感电流的无损采样。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明所提出的四开关升降压变换器电感电流无损采样方案，通过外接电路采样电感电流，相比于现有的串接电阻或电流互感器的方法，避免了额外的功率损耗；相比于串接MOSFET电阻的方法，避免因温度、工艺产生的检测偏差，提升电流检测精度，本发明可以实现电感电流的无损采样，提升电路整体的效率。
附图说明
图1为四管升降压变换器的电路图。
图2(a)为本发明电感电流无损采样电路的模块图。图2(b)为本发明电感电流无损采样电路的具体电路图。
图3为四管升降压变换器工作于升压模式时充电电容和电感电流的波形图。
图4为四管升降压变换器工作于降压模式时充电电容和电感电流的波形图。
图中标号说明：S1～S4为第一至第四开关管，L为电感，Cin为输入电容，Co为输出电容，X1为第一运算放大器，X2为第二运算放大器，R1为第一电阻，R2为第二电阻，Q1～Q8为第一至第八三极管，C1为电容，SW1为开关管，AND1为与门。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
根据电感公式可知电感电流变换率可以通过采样电感两边的电压来表示。本发明所提四开关升降压变换器的新型电流采样方案，通过运放与电流镜电路将电感电压转换成电流，根据电容公式得到电压变化率，再结合充电时间得到后续的控制信号。
四管升降压变换器的电路如图1所示，由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、电感L组成。第一开关管S1与第二开关管S2串联组成前桥臂，前桥臂的两端子之间接有输入电容Cin，第三开关管S3与第四开关管S4串联组成后桥臂，后桥臂的两端子之间接有输出电容Co，电感L接在前桥臂中点和后桥臂中点之间，输入电压源Vin接在第一开关管S1漏极与原边地之间，第三开关管S3与副边地构成变换器输出端口，变换器输出端口输出电压Vo等效为接在输出端口的电流源Io。
本发明电感电流无损采样电路如图2(a)、图2(b)所示，包括：第一电压转换电流模块、第一电流镜模块、第二电压转换电流模块、第二电流镜模块、第三电流镜模块、电容充电及释放模块。
对于四开关升降压变换器前桥臂中点电压，本发明通过第一电压转换电流模块进行采样，第一运算放大器X1的同相输入端采样四开关升降压变换器前桥臂中点电压Va，第一运算放大器X1的反相输入端通过第一电阻R1接地并连接到第三三极管Q3(NPN型三极管)的发射极，第一运算放大器X1的输出连接到第三三极管Q3的基极，第三三极管Q3的集电极连接至第四三极管Q4集电极后接入电源电压VDD。根据运算放大器的虚短原则，第一运算放大器的两个输入端电位相同，又因运算放大器虚断原则，第一运算放大器的输入端没有电流，可以得到第三三极管Q3集电极电流为
Figure BDA0004154918530000051
R1为第一电阻的阻值。
第一电流镜模块由第一三极管Q1(PNP型三极管)和第二三极管Q2(PNP型三极管)组成，第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的发射极相连接作为第一电流镜模块的供电端接电源电压VDD，第一三极管Q1的基极和集电极与第二三极管Q2基极相连接作为第一电流镜模块的输入端，第二三极管Q2的集电极作为第一电流镜模块的输出端。
对于四开关升降压变换器后桥臂中点电压，本发明通过第二电压转换电流模块进行采样。第二运算放大器X2同相输入端采样四开关升降压变换器后桥臂中点电压Vb，第二运算放大器X2反相输入端通过第二电阻R2接地并连接到第六三极管Q6(NPN型三极管)的发射极，第二运算放大器X2的输出连接到第六三极管Q6的基极，第六三极管Q6的集电极连接至第四三极管Q4的集电极。根据运算放大器的虚短原则，第二运算放大器的两个输入端电位相同，又因运算放大器虚断原则，第二运算放大器的输入端没有电流，可以得到第六三极管Q6集电极电流为
Figure BDA0004154918530000052
R2为第二电阻的阻值。
第二电流镜模块由第四三极管Q4(PNP型三极管)和第五三极管Q5(PNP型三极管)组成，第四三极管Q4的发射极与第五三极管Q5的发射极相连接作为第二电流镜模块的供电端接电源电压VDD，第四三极管Q4的基极和集电极与第五三极管Q5的基极相连接作为第二电流镜模块的输入端，第五三极管Q5的集电极作为第二电流镜模块的输出端。
第三电流镜模块由第七三极管Q7(NPN型三极管)和第八三极管Q8(NPN型三极管)组成，第七三极管Q7的发射极和第八三极管Q8的发射极相连接作为第三电流镜模块的供电端接地，第七三极管Q7的基极和集电极与第八三极管Q8的基极相连接作为第三电流镜模块的输入端，第八三极管Q8的集电极作为第三电流镜模块的输出端。
电容充电及释放模块包括：电容C1、开关管SW1、与门AND1，电容C1的正极板作为电容及充电模块的第一输入端，电容C1的负极板接地，开关管SW1的漏极连接电容的正极板，开关管SW1的源极和衬底均接地，与门AND1的一个输入端作为电容充电及释放模块的第二输入端接入前桥臂下管开关信号，与门AND1的另一个输入端作为电容充电及释放模块的第三输入端接入后桥臂下管开关信号，与门AND1的输出端连接开关管SW1的栅极。
前桥臂电流通过第一电流镜复制以后得到源电流Isource。后桥臂电流通过第二电流镜复制再通过第三电流镜复制一次，改变电流方向，得到下拉电流Isink。
Isource减去Isink得到充电电流Icap给电容C1充电。假设R1＝R2＝R，则
Figure BDA0004154918530000061
而对于电感L，/>
Figure BDA0004154918530000062
则可以用Vcap来表示电感电流IL。
Figure BDA0004154918530000063
在每个开关周期结束前，通过开关SW1将电容所存储的电量释放掉，开关SW1的开启信号为前桥臂下管S2、后桥臂下管S4开启，即电路进入T4阶段(电感电流保持阶段)。四管升降压变换器工作于升压模式(Vin＜Vo)时充电电容和电感电流的波形如图3所示，四管升降压变换器工作于降压模式(Vin＞Vo)时充电电容和电感电流的波形图4所示，完成电感电流的无损采样。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样方法，其特征在于，
采样前桥臂中点电压，将前桥臂中点电压转换为前桥臂电流，对前桥臂电流进行复制操作得到源电流；
采样后桥臂中点电压，将后桥臂中点电压转换为后桥臂电流，对后桥臂电流进行复制操作得到与后桥臂电流方向相反的下拉电流；
从源电流中抽取下拉电流，得到注入电容充电支路的充电电流；
在每个开关周期的电感电流保持阶段接通与电容充电支路并联的放电支路，在下一开关周期开始时断开放电支路。
2.根据权利要求1所述一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样方法，其特征在于，所述每个开关周期的电感电流保持阶段根据每个开关周期内前桥臂下管开关信号和后桥臂下管开关信号判断，将每个开关周期内前桥臂下管开关和后桥臂下管开关均导通的时段判定为每个开关周期的电感电流保持阶段。
3.一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样电路，其特征在于，包括：
第一电压转换电流模块，其输入端连接前桥臂中点，用于将采样的前桥臂中点电压转换为前桥臂电流；
第一电流镜模块，其供电端接电源电压，其输入端连接第一电压转换电流模块的输出端，用于对前桥臂电流进行复制操作，输出源电流；
第二电压转换电流模块，其输入端连接后桥臂中点，用于将采样的后桥臂中点电压转换为后桥臂电流；
第二电流镜模块，其供电端接电源电压，其输入端连接第二电压转换电流模块的输出端，用于对后桥臂电流进行复制操作后输出；
第三电流镜模块，其供电端接地，其输入端连接第二电流镜模块的输出端，用于对第二电流镜模块输出的电流进行复制操作，其输出端连接第一电流镜模块的输出端，输出与后桥臂电流方向相反的下拉电流；及，
电容充电及释放模块，其第一输入端与第一电流镜模块的输出端、第三电流镜模块的输出端相连接，其第二输入端接前桥臂下管开关信号，其第三输入端接后桥臂下管开关信号，用于从源电流中抽取下拉电流得到注入电容充电支路的充电电流，在每个开关周期的电感电流保持阶段接通与电容充电支路并联的放电支路，在下一开关周期开始时断开放电支路。
4.根据权利要求3所述一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样电路，其特征在于，所述第一电压转换电流模块包括：
第一运算放大器，其同相输入端作为第一电压转换电流模块的输入端连接前桥臂中点，其反相输入端连接第三三极管发射极；
第三三极管，其基极连接所述第一运算放大器输出端，其集电极作为第一电压转换电流模块的输出端；及，
第一电阻，其一端连接所述第三三极管的发射极，其另一端接地。
5.根据权利要求4所述一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样电路，其特征在于，所述第一电流镜模块包括：
第一三极管，其发射极与第二三极管发射极相连接作为第一电流镜模块的供电端，其基极和集电极与第二三极管基极相连接作为第一电流镜模块的输入端；及，
第二三极管，其集电极作为第一电流镜模块的输出端。
6.根据权利要求5所述一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样电路，其特征在于，所述第二电压转换电流模块包括：
第二运算放大器，其同相输入端作为第二电压转换电流模块的输入端连接后桥臂中点，其反相输入端连接所述第六三极管发射极；
第六三极管，其基极连接所述第二运算放大器输出端，其集电极作为第二电压转换电流模块的输出端；及，
第二电阻，其一端连接所述第六三极管发射极，其另一端接地。
7.根据权利要求6所述一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样电路，其特征在于，所述第二电流镜模块包括：
第四三极管，其发射极与第五三极管发射极相连接作为第二电流镜模块的供电端，其基极和集电极与第五三极管基极相连接作为第二电流镜模块的输入端；及，
第五三极管，其集电极作为第二电流镜模块的输出端。
8.根据权利要求7所述一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样电路，其特征在于，所述第三电流镜模块包括：
第七三极管，其发射极与第八三极管发射极相连接作为第三电流镜模块的供电端，其基极和集电极与第八三极管基极相连接作为第三电流镜模块的输入端；及，
第八三极管，其集电极作为第三电流镜模块的输出端。
9.根据权利要求8所述一种四开关升降压变换器的电感电流无损采样电路，其特征在于，所述电容充电及释放模块包括：包含电容的充电支路，包含开关管和与门的放电支路；其中，电容的正极板作为电容充电及释放模块的第一输入端，与门的一个输入端作为电容充电及释放模块的第二输入端，与门的另一个输入端作为电容充电及释放模块的第三输入端，电容的负极板接地，开关管的漏极连接电容的正极板，开关管的源极和衬底均接地，开关管的栅极连接与门的输出端。
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