TWI404314B

TWI404314B - 在ｄｃ-ｄｃ轉換器中判定平均輸出電流的電路及方法

Info

Publication number: TWI404314B
Application number: TW096142737A
Authority: TW
Inventors: Steven Leo Martin
Original assignee: Linear Techn Inc
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2013-08-01
Also published as: CN101286704B; KR20080092826A; TW200841567A; US7795846B2; CN101286704A; KR101356352B1; US20080252275A1

Description

在DC-DC轉換器中判定平均輸出電流的電路及方法

本發明之主題事項關於電源供應電路，尤指一種在一電感式DC－DC轉換器中判定平均輸出電流之電路及方法。

在一些應用中需要準確地判定一應用電感器的DC－DC轉換器之平均輸出電流，藉以使用此資訊來限制該輸出電流在一安全位準或除能該轉換器來當到達某輸出電流位準時維持電池壽命。

例如，在USB－ON－THE－GO應用中，一攜帶式轉換器可使用一較低電壓鋰離子電池供應一調節過5V增高電壓到一外部連接器。因為該轉換器的輸出經由該連接器暴露於一外部裝置的影響，該轉換器會經歷錯誤狀況，例如短路到接地。因此，其需要限制這種轉換器之輸出電流，或將其除能來維護電池壽命。

再者，其將需要相當準確地測量該平均輸出電流，所以由於一較不準確的電流測量技術，一轉換器皆可傳送一最小需要的電流，而不是在明顯高於所需要的位準所產生的電流。例如，一轉換器會需要傳遞由USB－ON－THE－GO規格所需要的一500mA最小電流量。

再者，根據一習用技術，輸出電流可使用一電流感應電阻直接感測。但是，一習用電流感應電阻器的尺寸相當大。因此，佔用了一電路板上大量空間，而增加了一轉換器的成本，並造成顯著的功率損耗。因此，需要判定輸出電流但不使用一電流感應電阻器的技術。

根據本發明一態樣，用於轉換一輸入電壓到一輸出電壓的切換電路包含一輸入終端，用於接收該輸入電壓。一電源切換元件耦合該輸入終端，並具有可控制的工作循環d，以相對於一所要的位準使用電感器電流調整該輸出電壓，該電感器電流表示可連接到該電源切換元件的一電感器元件中的電流。一平均及保持電路回應於在該電源切換元件的輸出處的電壓，以在該電源切換元件的切換循環之ON階段期間產生一平均切換電壓。一電壓至電流轉換器回應於該平均切換電壓，用於在該電源切換元件的一或多個切換循環當中產生一平均電感器電流的表示。具有等於1-d之工作循環的電流調變器可調變該平均電感器電流之表示，以在該電源切換元件的一或多個切換循環當中產生正比於該切換電路之一平均輸出電流的信號。

例如，該切換電路可為一增壓轉換器，其可產生超過該輸入電壓的輸出電壓。

根據本發明另一態樣，該電源切換元件的電阻可用於判定該電感器電流，而非使用一電流感應電阻。

根據本發明又另一態樣，該平均及保持電路可包含一第一切換元件，其與該電源切換元件同相位地運作。一電阻器電容器(RC,“Resistor-capacitor”)電路可以耦合該第一切換元件的輸出。

根據本發明一具體實施例，該電壓至電流轉換器可包含耦合該輸入終端的一感應切換元件，並具有正比於該電源切換元件之電阻的電阻。一運算放大器可具有：一第一輸入，其回應於該平均切換電壓；及一第二輸入，其耦合該感應切換元件。一驅動器可耦合該運算放大器之輸出，用於供應該運算放大器的一輸出信號到該感應切換元件。

該電流調變器可包含：一第二切換元件，其具有一輸入，其回應該平均電感器電流之表示；及一輸出，其用於產生正比於該平均輸出電流之信號。該第二切換元件的輸入在當該電源切換元件在關閉狀態下時可連接到該輸出，或可當該電源切換元件在開啟狀態下時可以接地。

一電流鏡像電路可以耦合該電壓至電流轉換器與該電流調變器之間。

根據本發明之方法，其執行以下的步驟，以判定在用於轉換一輸入電壓到一輸出電壓，並具有連接到一電感器元件的一電源切換元件之一切換電路中的平均輸出電流：-於該電源切換元件的切換循環的ON階段當中於該電源切換元件的輸出處產生一電壓的平均值，-轉換該電壓的平均值成為一平均電感器電流的表示，該電感器電流可使用該電源切換元件的電阻來判定，及-利用等於1-d之工作循環調變平均電感器電流之表示，其中d為該電源切換元件的一工作循環，以產生表示該平均輸出電流的一信號。

根據本發明又另一態樣，用於回應於一DC輸入電壓產生一DC輸出電壓的一轉換器包含一電源切換元件，其具有一可控制的工作循環d，用於使用一電感器電流產生具有一所要位準之輸出電壓，該電感器電流表示在連接到該電源切換元件的一電感器元件中的電流，以及一電流判定電路，用於判定該轉換器的一平均輸出電流。該電流判定電路可包括一電流產生器，用於在該電源切換元件的切換循環之ON階段當中產生表示該電感器電流的一平均值之一平均電流信號，及一輸出切換元件，其回應於該平均電流信號而產生表示該平均輸出電流的一信號。該輸出切換電路可具有等於1-d之工作循環。

該電流產生器可包括一平均及保持電路，其回應於在該電源切換元件的輸出處的電壓，以在該電源切換元件的切換循環之ON階段期間產生一平均切換電壓。

同時，該電流產生器可包括一電壓至電流轉換器，其回應於該平均切換電壓而產生該平均電流信號。因為該電源切換元件的電阻用於判定該電感器電流，該電壓至電流轉換器可包括一感應切換元件，其具有表示該電源切換元件之電阻的電阻。

本發明額外的好處及態樣對於熟知該項技藝者將可藉由以下的詳細說明立即瞭解，其中本發明之具體實施例係僅藉由視為實施本發明之最佳模式的例示來做顯示及說明。如下所述，本發明可有其它不同的具體實施例，且其數個細節可在多種明顯的態樣中進行修正，其皆不背離本發明的精神。因此，此處之圖面及說明皆應視為在性質上為例示性，而非限制性。

本發明將使用在一增壓轉換器中電流判定電路為範例來說明。但是其將可瞭解到本發明之觀念可應用於在任何DC－DC轉換器中判定一平均輸出電流。

如第1圖所示，本發明一範例性增壓轉換器10包含輸入節點VIN，用於接收一輸入電壓，及輸出節點VOUT，用於產生相對於該輸入電壓已增壓的一調節輸出電壓。一電源開關，其可為一場效電晶體(FET,“Field－effect transistor”)開關，使用一NMOS電晶體MN1實施，具有由一脈衝寬度調變(PWM,“Pulse－width modulation”)產生器12所控制的一閘極，其可產生一PWM信號SWON，用於控制該電源開關MN1的工作循環d，以相對於一所要的位準調整該輸出電壓。

一電感器L1、二極體D1、及電容器C1連接於該輸入節點VIN與該輸出節點VOUT之間，以傳遞電源到該輸出節點。這些元件可以係在該增壓轉換器晶片的外部。另外，它們亦可提供在晶片上。除了二極體D1之外，可使用相對於該電源開關MN1為不同相位之一PMOS電晶體。該PMOS電晶體可以配置在該增壓轉換器晶片上，或可提供在相對於該晶片之外。

於時段ton期間(第2圖)，當電源開關MN1在開啟狀態下，即關閉，該輸入電壓VIN強加於電感器L1上，二極體D1防止電容C1放電VOUT到接地。當該輸入電壓為一DC電壓時，流經電感器L1之電流以正比於該輸入電壓除以電感器L1之電感的速率隨時間線性地上升。於時段toff期間(第2圖)，當電源開關MN1在關閉狀態下，即開啟，該電感器電流流經二極體D1以充電該輸出節點VOUT。於時段toff期間(第2圖)，當電源開關MN1在關閉狀態下，即開啟，該電感器電流流經二極體D1以充電該輸出節點VOUT。於時段toff期間(第2圖)，該電感器電流之斜率即相反，且該電感器電流下降。在穩態運作中，該電感器電流於開始、結束及在每一切換循環的每一對應點處皆相等。

因此，在一穩態運作條件下，於該電源開關的整個切換循環當中流經電感器L1之電流具有一三角形波形。因此，該電感器電流於其上升期間的平均值等於該電感器電流於其下降期間的平均值。增壓轉換器10可在一連續傳導模式下運作，且其電感器電流永遠為正，即電流永遠流入負載。

如以下的詳細說明，增壓轉換器10之拓樸利用的該電感器電流於其上升期間的平均值等於該電感器電流於其下降期間的平均值。增壓轉換器10可使用電源開關MN1之開啟電阻來偵測該電感器電流，及一種獨特的相位化技術來傳送該輸出電流的一表示到一精密感應電阻。

特別是，增壓轉換器10可包括一平均及保持電路，其耦合到FET電源開關MN1之汲極，並由開關S1、電阻器R1及電容器C2構成。由PWM產生器12所產生的SWON信號所控制之開關S1與電源開關MN1同相位運作。該平均與保持電路在當電源開關MN1為開啟期間感應MN1之汲極上的電壓。因為開關S1僅在當MN1為開啟時為開啟，於MN1之輸出處產生的開關電壓於其數值為高時被拒絕，即當電源被傳遞到輸出節點VOUT時。因此，在保持電容器C2上的電壓表示該電源開關開啟期間的平均電感器電流乘以當MN1為開啟時電源開關MN1之電阻。因此，於電源開關MN1之切換循環的ON階段當中一平均切換電壓於該平均及保持電路之輸出處展開。

再者，增壓轉換器10包括一電壓至電流轉換器，其回應於該平均及保持電路之輸出處的平均切換電壓，以在電源開關MN1之一或多個切換循環當中產生一平均電感器電流之表示。該電壓至電流轉換器可包括一汲極匹配伺服放大器及一電流感應元件。該汲極匹配伺服放大器可由運算放大器A1及NMOS電晶體MN2構成。該電流感應元件可使用NMOS電晶體MN3實施。NMOS電晶體MN3的閘極較佳地是耦合當MN1為ON時電源開關MN1之閘極電壓的電壓。運算放大器A1之非反向輸入可耦合該平均及保持電路的輸出，藉此A1的一反向輸入可連接到耦合MN2之源極的MN3之汲極。A1的輸出可連接到MN2的閘極。

電晶體MN3可設置成具有準確表示電晶體MN1之電阻的電阻。這種配置使其有可能使用電源開關MN1之電阻判定該電感器電流，而不需要一額外的電流感應電阻器。特別是，電晶體MN3可為所設置之MN1的一調整版本，藉以使得流經MN3之電流等於當MN1為開啟時流經MN1之電流的一精確比例。例如，MN3可設計成為MN1之電阻的5,000倍。電晶體MN1及MN3可製造在相同晶片上，並可具有相同的閘極電位。因此，它們電流之間的比例可以準確地控制。

該汲極匹配伺服放大器強加該電壓在MN3之汲極上該平均及保持電路的輸出處。流在MN3與MN2中的電流為在當電源開關MN1為開啟期間當中平均的電感器L1中電流的一調整過複製品。如上所述，該電感器電流具有一三角形波形。因此，在電晶體MN2之汲極中的電流於該電源開關MN1之一或多個切換循環當中直接正比於該平均電感器電流。

MN2之汲極可耦合一精密電流鏡像14，其反射MN2之電流向下朝向接地。電流鏡像14可提供向上或向下之額外地調整由該電壓至電流轉換器所產生的電感器電流。

由於該平均與保持電路會過濾在該開關之輸出處的信號，放大器A1可於整個切換循環期間維持一封閉迴路，因此僅回應於由電阻器R1及電容器C2構成的一RC電路之切斷頻率之下的頻率成份。因此，來自MN2的汲極之電流為一接近DC信號，其具有切換頻率成份之非常低的內容。因此，電流鏡像14亦在其輸出處產生一接近DC信號。

電流鏡像14之輸出耦合到具有等於1-d之工作循環之一電流調變器，其中，為電源開關MN1之工作循環。電流調變器可使用一單極雙擲式開關S2實施，其相對於由PWM產生器12所產生之信號SWON為相反的一信號所控制。此開關操縱來自電流鏡像14之輸出的電流到一電流限制程式化腳位CLPROG或接地。特別是，當電源開關MN1為關閉時，開關S2被控制來連接電流鏡像14之輸出到CLPROG腳位。當電源開關MN1為開啟時，開關S2被控制來連接電流鏡像14之輸出到接地。因此，開關S2相對於電源開關MN1的相位180度之下運作，並具有等於1-d之工作循環。

當該電感器電流於其上升時間期間的平均值精確地等於其下降時間期間的平均值時，傳遞到CLPROG腳位之平均電流為傳遞到輸出節點VOUT之平均電流的一精確比例。因此，由開關S2提供的相位化允許該平均電感器電流的表示被轉換成該輸出負載電流的表示。

CLPROG腳位使得一使用者可準確地判定增壓轉換器10之平均輸出電流，並基於此數值執行所想要的運作。例如，在CLPROG腳位處判定的平均輸出電流值可用於提供可程式化輸出電流限制或線性及連續地調節輸出電力。

電阻R2可連接到CLPROG腳位，以產生一所要的正比於傳遞到CLPROG腳位之平均輸出電流的電壓值。由開關S2供應的電流為脈衝式。平均電容器C3可連接到CLPROG腳位，以過濾該電流，並使得CLPROG電壓基本上成為一DC信號。電阻器R2及電容器C3可為由一使用者選擇的外部組件，以同時定義該電路的感應度及準確度，以判定本發明之平均輸出電流。在一些切換式USB電源路徑裝置中，使用一外部電阻器－電容器組合來設定該輸入電流限制。這些組件亦可做為電阻器R2及電容器C3來控制該平均輸出電流。

前述的說明例示及描述本發明之態樣。此外，本說明書僅顯示及描述較佳具體實施例，但如前所述，其應瞭解到本發明能夠用於多種其它組合、修正及環境，並能夠在此處所述之發明觀念之範圍內、與以上教示同等者及/或相關技藝中的技術或知識之內進行變化與修正。

前述的具體實施例另係要解釋實施本發明中已知的最佳模式，並使得熟知該項技藝者利用本發明在這些或其它具體實施例中，並利用特定應用或本發明應用所需要的多種修正。

因此，本說明並非要限制本發明於此處所揭示之型式。同時，其係將所附屬申請專利範圍視為包括其它的具體實施例。

10．．．增壓轉換器

12．．．脈衝寬度調變產生器

14．．．精密電流鏡像

以下本發明之具體實施例的詳細說明可配合於以下圖面閱讀而更加瞭解，其中該等特徵不需要依比例繪製，而係以最佳例示相關特徵為目的來繪製，其中：第1圖所示為本發明之一範例性DC－DC增壓轉換器。

第2圖所示為在本發明之轉換器中一電感器電流的範例性波形。

10．．．增壓轉換器

12．．．脈衝寬度調變產生器

14．．．精密電流鏡像

Claims

一種用於轉換一輸入電壓成為一輸出電壓的切換電路，包含：一輸入終端，用於接收該輸入電壓；一電源切換元件，其耦合該輸入終端，並具有可控制的工作循環d，以相對於一所要的位準，使用電感器電流調整該輸出電壓，該電感器電流表示可連接到該電源切換元件的一電感器元件中的電流；一平均及保持電路，其回應於在該電源切換元件的一輸出的一電壓，以在該電源切換元件的切換循環之ON階段期間產生一平均切換電壓；一電壓至電流轉換器，其回應該平均切換電壓，以在該電源切換元件的一或多切換循環當中產生一平均電感器電流的表示；及一電流調變器，其具有等於1-d之工作循環，用於調變該平均電感器電流之表示，以在該電源切換元件的一或多切換循環當中產生一信號，其正比於該切換電路之一平均輸出電流。
如申請專利範圍第1項所述之切換電路，其中該輸出電壓超過該輸入電壓。
如申請專利範圍第1項所述之切換電路，其中該電源切換元件的電阻用於判定該電感器電流。
如申請專利範圍第1項所述之切換電路，其中該平均及保持電路包含一第一切換元件，其與該電源切換元件為同相位運作。
如申請專利範圍第4項所述之切換電路，其中該平均及保持電路更包含一電阻器-電容器(RC)電路，其耦合該第一切換元件的該輸出。
如申請專利範圍第1項所述之切換電路，其中該電壓至電流轉換器包含一感應切換元件，其具有正比於該電源切換元件的電阻之電阻。
如申請專利範圍第6項所述之切換電路，其中該電壓至電流轉換器更包含一運算放大器，其具有：一第一輸入，其回應該平均切換電壓；及一第二輸入，其耦合該感應切換元件。
如申請專利範圍第7項所述之切換電路，其中該電壓至電流轉換器更包含一驅動器，其耦合該運算放大器之該輸出，用於供應該運算放大器之一輸出信號到該感應切換元件，並在該感應切換元件中傳送電流。
如申請專利範圍第1項所述之切換電路，其中該電流調變器包含一第二切換元件，其具有：一輸入，其回應該平均電感器電流的該表示；及一輸出，其用於產生正比於該平均輸出電流之該信號。
如申請專利範圍第9項所述之切換電路，其中當該電源切換元件在關閉狀態時，該第二切換元件的該輸入連接到該輸出。
如申請專利範圍第10項所述之切換電路，其中當該電源切換元件在開啟狀態時，該第二切換元件的該輸入為接地。
如申請專利範圍第1項所述之切換電路，更包含一電流鏡像電路，其在該電壓至電流轉換器及該電流調變器之間耦合。
一種用於在一切換電路中判定平均輸出電流的方法，該切換電路轉換一輸入電壓成為一輸出電壓並具有可連接到一電感器元件之一電源切換元件，該方法包括以下步驟：於該電源切換元件的切換循環的ON階段當中，於該電源切換元件的一輸出處產生一電壓的一平均值，轉換該電壓的平均值成為一平均電感器電流的表示，及利用等於1-d之一工作循環，調變該平均電感器電流，以產生表示該平均輸出電流的一信號，其中d為該電源切換元件的工作循環。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中使用該電源切換元件的電阻來判定該電感器電流。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該輸出電壓為超過該輸入電壓的一調節電壓。
如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該電源切換元件的工作循環被控制來調節該輸出電壓。
一種產生一DC輸出電壓以回應一DC輸入電壓的轉換器，其包含：一電源切換元件，其具有一可控制的工作循環d，以使用一電感器電流，產生一所要位準之該輸出電壓，該電感器電流表示在可連接到該電源切換元件的一電感器元件中的電流，及一電流判定電路，其用於判定該轉換器之一平均輸出電流，該電流判定電路包括：一電流產生器，其用於產生一平均電流信號，其表示在該電源切換元件的一切換循環的ON階段當中該電或器電流的一平均值，該電流產生器包括一平均及保持電路，該平均及保持電路回應於在該電源切換元件的輸出處的電壓，以在該電源切換元件的切換循環之ON階段期間產生一平均切換電壓；及一輸出切換元件，其回應該平均電流信號，以產生表示該平均輸出電流的一信號。
如申請專利範圍第17項所述之轉換器，其中該輸出切換電路具有一等於1-d之工作循環。
如申請專利範圍第17項所述之轉換器，其中該電源切換元件的電阻係用於判定該電感器電流。
如申請專利範圍第17項所述之轉換器，其中該平均及保持電路包括一平均切換元件，其回應該電源切換元件的輸出，並與該電源切換元件為同相位運作。
如申請專利範圍第20項所述之轉換器，其中該平均及保持電路更包含一RC電路，其耦合該平均切換元件的一輸出。
如申請專利範圍第21項所述之轉換器，其中該電流產生器更包含一電壓至電流轉換器，其回應該平均切換電壓，以產生該平均電流信號。
如申請專利範圍第22項所述之轉換器，其中該電壓至電流轉換器包含一感應切換元件，其具有表示該電源切換元件的電阻之電阻。
如申請專利範圍第17項所述之轉換器，其中該平均值於該電源切換元件的該切換循環之一OFF階段期間被保持。