專利名稱：開關(guān)模式電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于感測開關(guān)模式電源(SMPS)中的輸出電流的方法和裝置，特別地，涉及使用初級側(cè)感測的方法和裝置。

背景技術(shù)：
我們將描述改進(jìn)的技術(shù)，該技術(shù)能夠設(shè)計(jì)具有相對精確控制的輸出電流限制的開關(guān)模式電源，在實(shí)施例中，該電源不需要電源次級側(cè)的電流感測組件。
許多SMPS應(yīng)用要求輸出電流被限制在或維持在特定值。一種實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法包括位于轉(zhuǎn)換器次級側(cè)的某種形式的輸出電流感測，將此信息傳送回位于初級側(cè)的電源轉(zhuǎn)換器控制器。這種方法提供了精確的電流感測方法，但是產(chǎn)生了附加的次級側(cè)組件的成本。
可以通過監(jiān)控并將初級側(cè)開關(guān)電流限制為特定值來實(shí)現(xiàn)相對粗糙的電流限制。通過感測經(jīng)過初級開關(guān)的電流并對其進(jìn)行積分，將積分器的時(shí)間常數(shù)和切換時(shí)間相關(guān)聯(lián)，以這種方式來估計(jì)輸出電流，可以提高精確度。然而，以這種方式進(jìn)行的輸出電流感測的精確度依賴于電源轉(zhuǎn)換的效率、開關(guān)的切換時(shí)間等等。
可以在以下文獻(xiàn)中找到關(guān)于SMPS輸出電流控制的
背景技術(shù)：
US6,833,692Method and apparatus for maintaining an approximate constantcurrent output characteristic in a switched mode power supply；US6,781,357Method and apparatus for maintaining a constant load currentwith line voltage in a Swtich Mode Power Supply；Full-Text Controlcircuit for controlling output current at the primary side of a powerconverter；US 6,977,824Control circuit for controlling output current atthe primary side of a power converter；US 6,862,194Flyback powerconverter having a constant voltage and a constant current output underprimary-side PWM control；US 6,853,563Primary-side controlledflyback power converter；以及US 6,625,042Power supply arrangementcomprising a DC/DC converter with primary-side control loop；US7,016,204close-loop PWM controller or primary-side controlled powerconverters；以及EP 0 636 889A。后一文獻(xiàn)表明，在(SMPS的)電源開關(guān)傳導(dǎo)期間流經(jīng)該電源開關(guān)的平均電流實(shí)質(zhì)上與電源的輸出電流成比例，其比例因子已經(jīng)準(zhǔn)確地知道并且是恒定的，然而，事實(shí)上僅對于特定的SMPS拓?fù)?例如上述專利中所述的正激變換器)才是如此。


發(fā)明內(nèi)容
我們將描述改進(jìn)的技術(shù)，用于感測SMPS的輸出電流，并用于通過初級側(cè)感測來測量輸出電流。
因此，根據(jù)本發(fā)明提供了一種用于估計(jì)開關(guān)模式電源(SMPS)的輸出電流的系統(tǒng)，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述SMPS具有電源切換器件，用于將電源切換到變壓器的初級繞組，所述系統(tǒng)包括初級電流感測輸入，用于感測變壓器的初級繞組中的初級電流；充電信號輸入，用于感測依賴于變壓器充電時(shí)間的充電信號；放電信號輸入，用于感測依賴于變壓器放電時(shí)間的放電信號；至少一個(gè)平均器；以及計(jì)算器；其中，平均器至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對初級電流進(jìn)行平均；計(jì)算器使用平均的初級電流、充電信號和放電信號來估計(jì)SMPS的輸出電流；計(jì)算器使用平均的初級電流、充電信號和放電信號來估計(jì)SMPS的輸出電流。
一般而言，在實(shí)施例中，所述系統(tǒng)確定在SMPS的切換周期(在其間變壓器首先被“充電”)中流入變壓器初級側(cè)或類似的磁場能量存儲(chǔ)設(shè)備中的平均電流，這是在次級側(cè)放電之前磁場中存儲(chǔ)的建立能量。系統(tǒng)也可以確定在SMPS的多個(gè)切換周期內(nèi)流入變壓器的初級側(cè)的平均電流，然后將其與次級側(cè)放電時(shí)間除以初級側(cè)充電時(shí)間的商相乘，即將該結(jié)果與Tdischarge/Tcharge相乘。
在一些優(yōu)選實(shí)施例中，使用低通濾波器來實(shí)現(xiàn)平均器，以對電流感測輸入信號進(jìn)行平均，例如，以一些其他方式(例如使用電流感測變壓器)來對跨過電流感測電阻器的電壓進(jìn)行平均。在一些優(yōu)選實(shí)施例中，可以使用開關(guān)電容電路來實(shí)現(xiàn)低通濾波器。在實(shí)施例中，使用delta-sigma電路或跨導(dǎo)線性電路來執(zhí)行所述相乘。
可以使用多種方法中的一種來確定次級側(cè)放電時(shí)間，其示例在以后描述。然而，在實(shí)施例中，可以通過定時(shí)信號產(chǎn)生器來確定該放電時(shí)間，該定時(shí)產(chǎn)生器包括比較器，該比較器將從變壓器的初級繞組或輔助繞組感測到的電壓與參考值進(jìn)行比較來產(chǎn)生定時(shí)信號。該參考值可以是固定參考值，例如過零點(diǎn)，或可以包括來自SMPS的輸出電壓模型的參考值，或其它一些參考值。
本發(fā)明還提供了一種估計(jì)開關(guān)模式電源(SMPS)的輸出電流的方法，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述SMPS具有電源切換器件，用于將電源切換到變壓器的初級繞組，所述方法包括感測變壓器的初級繞組中的初級電流；感測依賴于變壓器充電時(shí)間的充電信號；感測依賴于變壓器放電時(shí)間的放電信號；至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對初級電流進(jìn)行平均；以及使用平均的初級電流、充電信號和放電信號中的每一個(gè)來計(jì)算SMPS的輸出電流。
本發(fā)明還提供了一種產(chǎn)生用于控制開關(guān)模式電源(SMPS)的輸出電流的誤差信號的系統(tǒng)，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述SMPS具有電源切換器件，用于將電源切換到變壓器的初級繞組，所述系統(tǒng)包括初級電流感測輸入，用于感測變壓器的初級繞組中的初級電流；充電信號輸入，用于感測依賴于變壓器充電時(shí)間的充電信號；放電信號輸入，用于感測依賴于變壓器放電時(shí)間的放電信號；期望輸出電流信號輸入，用于感測期望輸出電流；至少一個(gè)平均器；以及計(jì)算器；其中，平均器在SMPS的切換周期上對初級電流進(jìn)行平均；計(jì)算器使用平均的初級電流、充電信號、放電信號和期望輸出電流來產(chǎn)生誤差信號。
本發(fā)明也提供了一種產(chǎn)生用于控制開關(guān)模式電源(SMPS)的輸出電流的誤差信號的方法，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述SMPS具有電源切換器件，用于將電源切換到變壓器的初級繞組，所述方法包括接收變壓器的初級繞組中的初級電流；接收充電信號，所述充電信號依賴于變壓器充電時(shí)間；接收放電信號，所述放電信號依賴于變壓器放電時(shí)間；接收期望輸出電流輸入信號；至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對初級電流進(jìn)行平均；以及使用平均的初級電流、充電信號、放電信號和期望輸出電流信號中的每一個(gè)來計(jì)算用于控制SMPS輸出電流的誤差信號。
本發(fā)明還提供了一種SMPS控制器，包括如上所述的用于產(chǎn)生誤差信號的系統(tǒng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，控制模塊具有零點(diǎn)，所述零點(diǎn)被配置為抑制輸出電流估計(jì)模塊的極點(diǎn)，更具體地，是估計(jì)模塊中低通濾波器的極點(diǎn)。在實(shí)施例中，這有助于簡化控制環(huán)路并因此便于實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的SMPS控制。
本發(fā)明還提供了一種用于調(diào)節(jié)開關(guān)模式電源的輸出電流的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于使用平均的初級電流信號、充電信號、放電信號和期望輸出電流輸入信號來計(jì)算誤差信號的裝置，其中所述平均的初級電流信號來自包括SMPS的變壓器的初級繞組，所述充電信號依賴于變壓器的初級繞組的充電時(shí)間，所述放電信號依賴于變壓器的次級繞組的放電時(shí)間；用于響應(yīng)于誤差信號來調(diào)節(jié)SMPS的輸出電流的裝置。
本發(fā)明還提供了一種開關(guān)模式電源(SMPS)，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組；開關(guān)，將變壓器的初級繞組與電源耦合和去耦合；以及根據(jù)權(quán)利要求12至21中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，響應(yīng)于所述系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差信號來控制所述開關(guān)，以控制耦合到SMPS的輸出的電流。
本發(fā)明還提供了一種用于開關(guān)模式電源(SMPS)的乘法器和除法器，所述乘法器和除法器包括多個(gè)輸入，用于接收多個(gè)輸入信號；輸出；除法級，接收至少兩個(gè)輸入信號，所述除法級適于產(chǎn)生表示所述至少兩個(gè)輸入信號的商的除法結(jié)果信號；以及乘法級，接收至少一個(gè)其他輸入信號，并適于將所述至少一個(gè)其他輸入信號與除法結(jié)果信號相乘，其中，除法級包括具有積分器、量化器和反饋路徑的delta-sigma電路，所述delta-sigma電路被設(shè)置為適于產(chǎn)生除法結(jié)果信號。
可以通過多種SMPS拓?fù)鋪硎褂帽景l(fā)明的實(shí)施例，SMPS拓?fù)浒ǖ幌抻诜醇な睫D(zhuǎn)換器以及直接耦合的升壓轉(zhuǎn)換器。變壓器可以包括傳統(tǒng)變壓器或自動(dòng)變壓器，可以在初級繞組上感測次級側(cè)電壓(例如當(dāng)該電壓較高時(shí)使用分壓器)或使用變壓器上的輔助繞組來感測次級側(cè)電壓。
SMPS可以在不連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)下操作，或在連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)下操作，或在兩者的邊界上，即在臨界傳導(dǎo)模式下操作。
在相關(guān)方面，本發(fā)明提供了一種估計(jì)SMPS的輸出電流的方法，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述方法包括感測所述變壓器的所述初級繞組中的電流；在電流在所述初級繞組中流動(dòng)的時(shí)間段上對從所述感測的電流獲得的信號進(jìn)行平均，以提供平均電流信號；確定通過所述變壓器的所述次級繞組的電流的放電時(shí)間的估計(jì)；以及使用所述放電時(shí)間來對所述平均電流信號進(jìn)行縮放以估計(jì)所述SMPS的輸出電流。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以使用數(shù)字或模擬硬件或兩者的組合來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述方面和實(shí)施例。然而，一些優(yōu)選實(shí)施例特別便于實(shí)質(zhì)上模擬的實(shí)現(xiàn)方式。



現(xiàn)參考附圖，僅以示例的方式來對本發(fā)明的這些方面和其它方面進(jìn)行進(jìn)一步描述，在附圖中 圖1示出了使用根據(jù)本發(fā)明的SMPS誤差信號產(chǎn)生系統(tǒng)的實(shí)施例的開關(guān)模式電源的示例； 圖2示出了用于圖1的SMPS的可選電壓感測電路； 圖3示出了用于圖1的SMPS的可選電流感測電路； 圖4示出了示意圖1的SMPS的操作的波形集合； 圖5示出了圖1的定時(shí)信號產(chǎn)生器(定時(shí)器)的示例實(shí)現(xiàn)方式； 圖6示出了使用低通濾波器的圖1的電流模型(CM)模塊的示例實(shí)現(xiàn)方式； 圖7示出了使用低通濾波器的圖1的電流模型(CM)模塊的第一可選實(shí)現(xiàn)方式； 圖8示出了使用低通濾波器的圖1的電流模型(CM)模塊的第二可選實(shí)現(xiàn)方式； 圖9示出了圖6和7的乘法器/除法器的delta-sigma電路實(shí)現(xiàn)方式； 圖10示出了圖6和7的乘法器/除法器的跨導(dǎo)線性電路實(shí)現(xiàn)方式； 圖11示出了圖1的控制器(CTRL)模塊的示例實(shí)現(xiàn)方式； 圖12示出了用于圖1所示的、在不連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)下操作的SMPS的初級側(cè)充電和次級側(cè)放電波形，示意了平均的初級側(cè)和次級側(cè)電流； 圖13示出了跨導(dǎo)線性電路核心。。

具體實(shí)施例方式 一般而言，我們將描述使用低通濾波器來估計(jì)開關(guān)模式電源(SMPS)中的變壓器的次級側(cè)電流的技術(shù)。我們所描述的技術(shù)對初級側(cè)電流進(jìn)行平均。該技術(shù)也可以對充電和放電信號進(jìn)行平均。
在優(yōu)選實(shí)施例中，使用sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過將初級側(cè)電流的平均值與(次級側(cè)上的)放電時(shí)間除以(初級側(cè)上的)充電時(shí)間的商相乘，以估計(jì)開關(guān)模式電源中的變壓器的次級側(cè)的電流。優(yōu)選地，使用驅(qū)動(dòng)信號來感測充電時(shí)間，使用初級側(cè)的電流來感測初級側(cè)電流的平均值，使用來自次級繞組的反射電壓來感測次級側(cè)的放電時(shí)間。在可選實(shí)施例中，通過發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號并感測初級側(cè)繞組中的過零點(diǎn)來感測充電時(shí)間。
參見圖1，圖1示出了典型的單開關(guān)反激式SMPS的簡化方框圖。DC源20連接到與初級側(cè)開關(guān)31和電流感測電阻器30串聯(lián)的變壓器21的初級繞組。變壓器21的次級繞組連接到與電容器23串聯(lián)的輸出二極管22。負(fù)載24跨接在輸出電容器23兩端。變壓器21上的輔助繞組連接在DC源20的負(fù)端子和產(chǎn)生電壓感測信號VS的定時(shí)器27之間。初級電流IP產(chǎn)生跨過電阻器30的電壓，產(chǎn)生了電流感測信號CS。驅(qū)動(dòng)器25使用DRIVE信號來控制開關(guān)31的接通時(shí)間和斷開時(shí)間。
通過感測DRIVE和VS信號，定時(shí)器模塊27產(chǎn)生兩個(gè)定時(shí)信號T0和T1。T0表示充電時(shí)間，即電流流過變壓器21的初級側(cè)的時(shí)間。T1表示放電時(shí)間，即電流流過變壓器21的次級側(cè)的時(shí)間。
在電流模型(CM)模塊28中使用信號T0、T1、CS和OCT，以產(chǎn)生誤差信號ERR。(恒定的)OCT信號表示次級繞組的目標(biāo)輸出電流。ERR信號是OCT與輸出電流OC之間的差。然后，以誤差信號ERR向零收斂的方式，在控制模塊26中使用ERR信號來控制驅(qū)動(dòng)器25。
一種感測電流的可選方式是如圖3所示將電流感測電阻器31放在返回路徑中。當(dāng)開關(guān)31是雙極性器件時(shí)這樣的配置尤為有利，其中電流感測電阻器位于返回路徑中，能夠直接測量初級電流。一種感測電壓的可選方式是如圖2所示在初級側(cè)使用電阻性分壓器(電阻器32和33)，從而消除了輔助繞組。
定時(shí)器模塊 通過感測DRIVE和VS信號，定時(shí)器模塊27產(chǎn)生兩個(gè)定時(shí)信號T0和T1。T0表示充電時(shí)間，即電流流過變壓器21的初級側(cè)的時(shí)間。T1表示放電時(shí)間，即電流流過變壓器21的次級側(cè)的時(shí)間。信號的波形繪于圖4中。
圖5示出了定時(shí)器的一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)方式。在該示例中，DRIVE直接用于產(chǎn)生T0，變壓器21的輔助(或初級)繞組感測到的反射的次級側(cè)電壓用于產(chǎn)生放電時(shí)間信號T1。優(yōu)選地，使用初級側(cè)感測用于放電時(shí)間，因?yàn)檫@能夠構(gòu)建在其中只使用初級側(cè)感測的SMPS。然而，在其他實(shí)施例中，可以使用次級側(cè)感測來確定放電時(shí)間。
圖5示出了使用具有輸出OV的輸出電壓模型(OVM)模塊40來確定放電時(shí)間的一種方式，OV近似于SMPS的輸出電壓(參見圖4)，比較器41可以將其與感測到的電壓信號VS進(jìn)行比較以產(chǎn)生信號T1。一般而言，使用初級側(cè)感測來進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)的SMPS控制器已經(jīng)包括一些形式的輸出電壓模型。
對輸出電壓模型的使用的一種簡單替換實(shí)質(zhì)上是簡單地將感測到的電壓波形與參考電平進(jìn)行比較，以產(chǎn)生放電時(shí)間信號T1。
現(xiàn)在我們概述一些未來可能用于產(chǎn)生T1的技術(shù)。再次參見圖4(DCM模式)，可以看出，在VS(輔助繞組電壓)對時(shí)間的曲線的拐點(diǎn)處，OC波形降到零。這也是次級側(cè)電流降到零的時(shí)刻。在該點(diǎn)之后，VS呈現(xiàn)出振蕩(ringing)，在該拐點(diǎn)(之后)振蕩的四分之一循環(huán)處，VS第一次通過零點(diǎn)。可以使用例如在PCT/GB2005/050242(作為參考并入本申請)中所描述的技術(shù)來識別VS曲線的拐點(diǎn)；或者可以將過零點(diǎn)以及(例如通過在移位寄存器中保存VC的抽樣值)識別在此之前四分之一振蕩循環(huán)的點(diǎn)識別為產(chǎn)生T1的轉(zhuǎn)變(一旦已經(jīng)測量了振蕩循環(huán)的周期)；或者通過開啟電源開關(guān)(信號T0)來啟動(dòng)T1并通過近似真實(shí)拐點(diǎn)位置的第一過零點(diǎn)終止T1。
輸出電流模型理論 首先考慮作為本發(fā)明實(shí)施例的基礎(chǔ)的一些理論是有幫助的。
可以使用變壓器21的初級繞組和次級繞組之間的關(guān)系來估計(jì)輸出電流。圖12示出了輸入(IP)和輸出(OC)電流的圖。在t0期間，初級繞組中的電流平均值(IP0)等于在t1期間次級繞組中的電流平均值(OC1) (等式1) 其中n是次級繞組和初級繞組之間的匝數(shù)比(即初級繞組的匝數(shù)÷次級繞組的匝數(shù))。整個(gè)(SMPS)周期T的平均輸出電流(OCT)是 (等式2) 使用如下等式，可以以在周期T上的平均輸入電流IPT的形式來重寫平均輸出電流 (等式3) 現(xiàn)在，可以從下面的等式計(jì)算平均輸出電流 (等式4) 電流模型模塊 現(xiàn)在返回CM模塊28，用于估計(jì)輸出電流的等式為 (等式5) 其中<CS>是電流感測信號的平均值，<T1>是依賴于放電時(shí)間的放電信號的平均值，<T0>是依賴于充電時(shí)間的充電信號的平均值。至少在整個(gè)SMPS周期T之內(nèi)取平均值?？蛇x地，T1和T0可以分別替換<T1>和<T0>來估計(jì)輸出電流。
等式5用于實(shí)現(xiàn)誤差函數(shù)，其結(jié)果可以用于控制SMPS的輸出電流。有三種方式來實(shí)現(xiàn)誤差函數(shù)；這些方式全部可以用于控制輸出電流 誤差函數(shù)的第一種實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示。第一種實(shí)現(xiàn)方式的誤差函數(shù)為 (等式6) 在這種實(shí)現(xiàn)方式中，將CS、T0和T1饋送通過相應(yīng)的低通濾波器12、13和14，以產(chǎn)生三個(gè)信號的平均值<CS>、<T1>和<T0>。在乘法器/除法器11中使用平均的信號來產(chǎn)生OCM。然后在15中將OCM與輸出電流目標(biāo)值OCT進(jìn)行比較，以產(chǎn)生誤差信號ERR。
如以上所討論的，<T1>和<T0>可以分別由T1和T0所替換。如果使用T1和T0來替代<T1>和<T0>，則將低通濾波器13和14從實(shí)現(xiàn)方式中除去。
誤差函數(shù)的第二種實(shí)現(xiàn)方式如圖7所示。通過將等式6的右邊與<T0>/<T1>相乘，誤差信號變?yōu)?(等式7) 這種實(shí)現(xiàn)方式中的區(qū)別在于，在乘法器/除法器11的輸入上交換<T0>和<T1>，同樣也交換OCT和<CS>，在這種實(shí)現(xiàn)方式中，在15中從<CS>中出去承載OCT的信號路徑。
應(yīng)該認(rèn)識到，在第二種實(shí)現(xiàn)方式中產(chǎn)生的ERR信號在絕對值上與第一種實(shí)現(xiàn)方式中產(chǎn)生的ERR信號不同。然而，將在以后描述到，ERR信號的絕對值對周圍電路的操作沒有不利影響。
如以上所討論的，<T1>和<T0>可以分別由T1和T0所替換。如果使用T1和T0來替代<T1>和<T0>，則將低通濾波器13和14從實(shí)現(xiàn)方式中除去。
誤差函數(shù)的第三種實(shí)現(xiàn)方式如圖8所示。等式6的右邊可以與<T0>相乘，以消除對除法運(yùn)算的需要。誤差信號變?yōu)? ERR＝<CS><T1>-OCT<TO> (等式8) 在這種實(shí)現(xiàn)方式中，使用兩個(gè)乘法器16和17來替換乘法器/除法器11。在這種實(shí)現(xiàn)方式中，在15中除去承載OCT的信號路徑。
應(yīng)該認(rèn)識到，在第三種實(shí)現(xiàn)方式中產(chǎn)生的ERR信號在絕對值上與第一和第二種實(shí)現(xiàn)方式中產(chǎn)生的ERR信號不同。然而，將在以后描述到，ERR信號的絕對值對周圍電路的操作沒有不利影響。
如以上所討論的，<T1>和<T0>可以分別由T1和T0所替換。如果使用T1和T0來替代<T1>和<T0>，則將低通濾波器13和14從實(shí)現(xiàn)方式中除去。
可以使用多種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)低通濾波器12、13和14。例如使用開關(guān)電容濾波器。
乘法器/除法器模塊 有很多乘法器/除法器模塊的可選實(shí)現(xiàn)方式。兩種實(shí)現(xiàn)方式是delta-sigma(Δ∑)電路和跨導(dǎo)線性電路。
圖9示出了乘法器/除法器模塊的delta-sigma(Δ∑)電路實(shí)現(xiàn)方式。
圖9中的Δ∑的DC傳遞函數(shù)為 (等式9) Δ∑的傳遞函數(shù)按如下導(dǎo)出。輸入電壓V1通過跨導(dǎo)31轉(zhuǎn)換為電流I1。輸入電壓V2通過跨導(dǎo)32和開關(guān)33轉(zhuǎn)換為電流I2。在34中對兩個(gè)電流的和進(jìn)行積分。在35中將積分器的輸出量化為比特流Q。在由時(shí)鐘信號FS限定的時(shí)刻對ADC35提供時(shí)鐘。時(shí)鐘信號FS由振蕩器37產(chǎn)生。比特流經(jīng)由開關(guān)33反饋至輸入。這是在DC處具有無限增益的反饋系統(tǒng)。因此，在DC處，兩個(gè)電流I1和I2必須相等。
Q·G2·V2＝G1·V1 (等式10) 使用開關(guān)36將電壓V3與比特流Q相乘。因此，輸出電壓為 VOUT＝Q·V3 (等式11) 使用等式10和等式11來求解VOUT，產(chǎn)生等式9。
圖10示出了乘法器/除法器模塊的跨導(dǎo)線性電路實(shí)現(xiàn)方式。
圖10中的跨導(dǎo)線性電路的傳遞函數(shù)為 (等式12) 跨導(dǎo)線性電路的傳遞函數(shù)按如下導(dǎo)出。晶體管51至54的基極-發(fā)射極二極管形成跨導(dǎo)線性環(huán)路。假定晶體管具有為零的基極電流和無限大的厄利電壓(Early voltage)，集電極電流之間的關(guān)系為 IC1·IC3＝IC2·IC4(等式13) 考慮作為上述等式的基礎(chǔ)的理論是有幫助的。
跨導(dǎo)線性電路利用了雙極性晶體管的集電極電流和基極-發(fā)射極電壓之間的指數(shù)關(guān)系。圖13示出了跨導(dǎo)線性核心。四個(gè)晶體管的基極-發(fā)射極形成電壓環(huán)路。
VBE1-VBE2+VBE3-VBE4＝0 (等式14) 基極-發(fā)射極電壓為 (等式15) 通過將等式15插入等式14，可以將集電極電流的關(guān)系表示為 (等式16) 然而，該等式?jīng)]有考慮晶體管的基極電流和厄利電壓。
現(xiàn)在返回跨導(dǎo)線性電路，跨導(dǎo)55和57分別設(shè)置IC2和IC3。55、58和59的組合動(dòng)作設(shè)置IC1。因?yàn)榭鐚?dǎo)58消除了晶體三極管53的發(fā)射極電流，集電極電流IC1由跨導(dǎo)59設(shè)置。輸入電壓和集電極電流之間的關(guān)系為 (等式17) 使用等式13和等式17來求解IC4，產(chǎn)生等式12。
在乘法器/除法器模塊的跨導(dǎo)線性電路實(shí)現(xiàn)方式中，電壓源61是電源，電壓源60用于將發(fā)射極電壓偏置到合適的電壓。
控制器 圖11示出了圖1的控制器26的示例實(shí)施例?？刂破鞯闹饕δ苁峭ㄟ^電阻器70、電容器72和放大器73的動(dòng)作來執(zhí)行對ERR信號的積分。這些組件一起形成了反相積分器。如果輸出電流過高，誤差電壓ERR將為正，信號CC將減小，從而減小SMPS的輸出電能(對于過低的輸出電流則相反)。
電阻器71的目的在于通過插入零點(diǎn)來消除來自CM 28的殘留極點(diǎn)。通過這種方式，從OC到CC的傳遞函數(shù)只在零頻率處具有一個(gè)顯著的極點(diǎn)。
可選地，通過將電阻器71替換為導(dǎo)線，在沒有電阻器71的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)控制器。在控制器的這種可選實(shí)現(xiàn)方式中，不再需要電流模塊CM28中的低通濾波器14。實(shí)際上，除去低通濾波器14(即使時(shí)間常數(shù)τ3變?yōu)榱?使電阻器71所需值減小為零。
驅(qū)動(dòng)器 圖1中的驅(qū)動(dòng)器25可以包括控制DRIVE信號的脈沖寬度和/或脈沖頻率調(diào)制器。DRIVE信號接通和斷開初級側(cè)開關(guān)31。DRIVE信號的寬度和頻率控制傳送到變壓器21的次級側(cè)的電能。輸入信號CC優(yōu)選地控制驅(qū)動(dòng)器25，使得傳送到次級側(cè)的電能線性依賴于輸入信號CC(相對于輸入信號CC單調(diào)增加)。進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可參考本申請人的共同待審的申請PCT/GB2005/050244、PCT/GB2005/050242以及GB0526118.5(將所有這些申請全部并入此處作為參考)。
一般而言，我們將描述使用低通濾波器來估計(jì)開關(guān)模式電源(SMPS)中的變壓器的次級側(cè)電流的技術(shù)。我們所描述的技術(shù)對初級側(cè)電流進(jìn)行平均。該技術(shù)也可以對充電和放電信號進(jìn)行平均。
一般而言，我們已經(jīng)描述了使用低通濾波器來產(chǎn)生開關(guān)模式電源的輸出電流模型，并因此估計(jì)開關(guān)模式電源的輸出電流的方法，特別是通過初級側(cè)感測方式來執(zhí)行的方法。在一些優(yōu)選實(shí)施例中，輸出電流模型可以使用開關(guān)電容濾波器來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施例中，使用了三個(gè)信號以創(chuàng)建輸出電流模型磁場能量存儲(chǔ)設(shè)備(變壓器)的初級側(cè)充電時(shí)間、初級繞組電流信號以及次級側(cè)放電時(shí)間?？梢允褂秒妷焊袦y信號來產(chǎn)生這些信號，所述電壓感測信號包括變壓器的次級的反射電壓、表示初級側(cè)上的電流的電流感測信號以及表示初級(電源)開關(guān)接通時(shí)間的DRIVE信號。在優(yōu)選實(shí)施例中，SMPS的控制器使用該電流模型來控制SMPS的次級側(cè)輸出電流。
然而，也可以結(jié)合電壓控制環(huán)路(優(yōu)選地，初級側(cè)感測電壓控制環(huán)路)來使用實(shí)施例，以實(shí)現(xiàn)恒定電壓、恒定電流控制。我們先前已經(jīng)描述了可以用于使用初級側(cè)反饋來進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)的多種不同技術(shù)，例如本申請人在2006年5月23日所提交的英國專利申請?zhí)枮?610206.5、0610210.7、0610208.1以及0610211.5的專利申請中所描述的技術(shù)，其全部并入此處作為參考。例如，在一種技術(shù)中，使用衰減峰值檢測器來提供與衰減的次級側(cè)波形(反射在初級繞組或輔助繞組的波形中)的正切相近似的信號，在所反射的次級側(cè)電壓波形的拐點(diǎn)處對輸出電壓進(jìn)行抽樣，在該點(diǎn)處抽樣的原因是實(shí)質(zhì)上沒有電流正在流向SMPS的輸出，因此次級側(cè)電壓精確地反映了SMPS的輸出電壓。在另一種技術(shù)中，在開啟電源設(shè)備之前，從變壓器中已知的零通量點(diǎn)(并因此是零電流點(diǎn))開始對初級(或輔助)電壓波形進(jìn)行積分，積分信號再次等于零的點(diǎn)與變壓器中通量(從而次級側(cè)電流)為零的下一個(gè)點(diǎn)相對應(yīng)。這樣就在對輔助(或初級)繞組上的電壓進(jìn)行抽樣的點(diǎn)發(fā)出信號，以獲得SMPS輸出電壓的精確指示。
我們已經(jīng)描述了在不連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)下操作的SMPS的示例環(huán)境下上述輸出電流估計(jì)技術(shù)的實(shí)施例的操作，但是，由于沒有假設(shè)所涉及的波形具體形狀，這些技術(shù)在臨界傳導(dǎo)模式和連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)下同樣有效，只是所述的信號處理代之以使用實(shí)際的、感測到的信號波形。
毫無疑問，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可想到很多其它有效的可選方案。應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所述的實(shí)施例，還包括了對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言顯而易見的修改，這些修改落入所附權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于估計(jì)開關(guān)模式電源SMPS的輸出電流的系統(tǒng)，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述SMPS具有電源切換器件，用于將電源切換到變壓器的初級繞組，所述系統(tǒng)包括
初級電流感測輸入，用于感測變壓器的初級繞組中的初級電流；
充電信號輸入，用于感測依賴于變壓器充電時(shí)間的充電信號；
放電信號輸入，用于感測依賴于變壓器放電時(shí)間的放電信號；
至少一個(gè)平均器；以及
計(jì)算器；
其中，平均器至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對初級電流進(jìn)行平均；以及
計(jì)算器使用平均的初級電流、充電信號和放電信號來估計(jì)SMPS的輸出電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述平均器至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對充電和放電信號中的每一個(gè)進(jìn)行平均。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算器通過將平均的初級電流和放電信號的乘積除以充電信號來估計(jì)SMPS的輸出電流。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算器包括乘法器和除法器，所述乘法器和除法器具有多個(gè)輸入以接收多個(gè)輸入信號，并適于對輸入信號執(zhí)行乘法和除法以產(chǎn)生輸出信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述乘法器和除法器是delta-sigma電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述乘法器和除法器是跨導(dǎo)線性電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述平均器是低通濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述低通濾波器是開關(guān)電容濾波器。
9.一種估計(jì)開關(guān)模式電源SMPS的輸出電流的方法，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述SMPS具有電源切換器件，用于將電源切換到變壓器的初級繞組，所述方法包括
感測變壓器的初級繞組中的初級電流；
感測依賴于變壓器充電時(shí)間的充電信號；
感測依賴于變壓器放電時(shí)間的放電信號；
至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對初級電流進(jìn)行平均；以及
使用平均的初級電流、充電信號和放電信號中的每一個(gè)來計(jì)算SMPS的輸出電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對充電和放電信號中的每一個(gè)進(jìn)行平均。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，所述計(jì)算包括
將平均的初級電流和放電信號的乘積除以充電信號。
12.一種產(chǎn)生用于控制開關(guān)模式電源SMPS的輸出電流的誤差信號的系統(tǒng)，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述SMPS具有電源切換器件，用于將電源切換到變壓器的初級繞組，所述系統(tǒng)包括
初級電流感測輸入，用于感測變壓器的初級繞組中的初級電流；
充電信號輸入，用于感測依賴于變壓器充電時(shí)間的充電信號；
放電信號輸入，用于感測依賴于變壓器放電時(shí)間的放電信號；
期望輸出電流信號輸入，用于感測期望輸出電流；
至少一個(gè)平均器；以及
計(jì)算器；
其中，平均器在SMPS的切換周期上對初級電流進(jìn)行平均；
計(jì)算器使用平均的初級電流、充電信號、放電信號和期望輸出電流來產(chǎn)生誤差信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述平均器至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對充電和放電信號中的每一個(gè)進(jìn)行平均。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算器通過以下方式來計(jì)算誤差信號
將平均的初級電流和放電信號的乘積除以充電信號；以及
從已被除的乘積中減去期望輸出電流信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算器通過以下方式來計(jì)算誤差信號
將期望輸出電流信號和充電信號的乘積除以放電信號；以及
從平均的初級電流中減去已被除的乘積。
16.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算器通過以下方式來計(jì)算誤差信號
從平均的初級電流和放電信號的乘積中減去期望輸出電流信號和充電信號的乘積。
17.根據(jù)權(quán)利要求12至16任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述計(jì)算器包括乘法器和除法器，所述乘法器和除法器具有多個(gè)輸入以接收多個(gè)輸入信號，并適于對輸入信號執(zhí)行乘法和除法以產(chǎn)生輸出信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述乘法器和除法器是delta-sigma電路。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述乘法器和除法器是跨導(dǎo)線性電路。
20.根據(jù)權(quán)利要求12至19中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述平均器是低通濾波器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述低通濾波器是開關(guān)電容濾波器。
22.一種產(chǎn)生用于控制開關(guān)模式電源SMPS的輸出電流的誤差信號的方法，所述SMPS包括變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述SMPS具有電源切換器件，用于將電源切換到變壓器的初級繞組，所述方法包括
接收變壓器的初級繞組中的初級電流；
接收充電信號，所述充電信號依賴于變壓器充電時(shí)間；
接收放電信號，所述放電信號依賴于變壓器放電時(shí)間；
接收期望輸出電流輸入信號；
至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對初級電流進(jìn)行平均；以及
使用平均的初級電流、充電信號、放電信號和期望輸出電流信號中的每一個(gè)來計(jì)算用于控制SMPS的輸出電流的誤差信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，至少在SMPS的一個(gè)切換周期上對充電和放電信號中的每一個(gè)進(jìn)行平均。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中，所述計(jì)算包括
將平均的初級電流和放電信號的乘積除以充電信號；以及
從已被除的乘積中減去期望輸出電流信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中，所述計(jì)算包括
將期望輸出電流信號和充電信號的乘積除以放電信號；以及
從平均的初級電流中減去已被除的乘積。
26.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中，所述計(jì)算包括
從平均的初級電流和放電信號的乘積中減去期望輸出電流信號和充電信號的乘積。
27.一種用于控制包括根據(jù)權(quán)利要求12至21中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)的開關(guān)模式電源SMPS的輸出電流的控制器，其中，響應(yīng)于誤差信號來調(diào)節(jié)SMPS的輸出電流。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的控制器，還包括適于估計(jì)SMPS的輸出電壓的模塊。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的控制器，其中，所述模塊接收來自變壓器的初級側(cè)繞組的電壓感測信號，所述電壓感測信號表示在變壓器的次級側(cè)的信號，所述模塊使用所述電壓感測信號來估計(jì)SMPS的輸出電壓。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的控制器，其中，將所述電壓感測信號與所估計(jì)的SMPS的輸出電壓進(jìn)行比較，以產(chǎn)生放電信號。
31.根據(jù)權(quán)利要求27至30中任意一項(xiàng)所述的控制器，其中，所述充電信號依賴于表示電源切換器件的接通時(shí)間的驅(qū)動(dòng)信號。
32.一種用于調(diào)節(jié)開關(guān)模式電源的輸出電流的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
用于使用平均的初級電流信號、充電信號、放電信號和期望輸出電流輸入信號來計(jì)算誤差信號的裝置，其中所述平均的初級電流信號來自包括SMPS的變壓器的初級繞組，所述充電信號依賴于變壓器的充電時(shí)間，所述放電信號依賴于變壓器的放電時(shí)間；
用于響應(yīng)于誤差信號來調(diào)節(jié)SMPS的輸出電流的裝置。
33.一種開關(guān)模式電源SMPS，所述SMPS包括
變壓器，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組；
開關(guān)，將變壓器的初級繞組與電源電耦合和去耦合；以及
根據(jù)權(quán)利要求12至21中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，
其中，響應(yīng)于所述系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差信號來控制所述開關(guān)，以控制耦合到SMPS的輸出的電流。
34.一種用于開關(guān)模式電源SMPS的乘法器和除法器，所述乘法器和除法器包括
多個(gè)輸入，用于接收多個(gè)輸入信號；
輸出；
除法級，接收至少兩個(gè)輸入信號，所述除法級適于產(chǎn)生表示所述至少兩個(gè)輸入信號的商的除法結(jié)果信號；以及
乘法級，接收至少一個(gè)其他輸入信號，并適于將所述至少一個(gè)其他輸入信號與除法結(jié)果信號相乘，
其中，所述除法級包括具有積分器、量化器和反饋路徑的delta-sigma電路，所述delta-sigma電路被設(shè)置為適于產(chǎn)生除法結(jié)果信號。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的乘法器和除法器，其中，所述乘法級包括切換器件，所述切換器件耦合在至少一個(gè)其他輸入信號與所述乘法器和除法器的輸出之間，所述切換器件具有控制輸入，所述控制輸入接收來自除法級的除法結(jié)果信號以提供乘法結(jié)果輸出。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或35所述的乘法器和乘法器，還包括切換器件，所述切換器件被放置在所述至少兩個(gè)輸入信號之一至delta-sigma電路的輸入之間，并具有耦合到delta-sigma電路的反饋路徑的控制輸入，其中，經(jīng)由反饋路徑反饋除法結(jié)果信號，以控制切換器件選擇性地將所述至少兩個(gè)輸入信號之一與delta-sigma電路的輸入耦合和去耦合。
全文摘要
本發(fā)明一般地涉及用于感測開關(guān)模式電源(SMPS)中的輸出電流的方法和裝置，特別地，涉及使用初級側(cè)感測的方法和裝置。本發(fā)明提供了一種用于估計(jì)開關(guān)模式電源(SMPS)的輸出電流的系統(tǒng)，所述SMPS包括變壓器(21)，所述變壓器至少具有耦合到SMPS的輸入(20)的初級繞組和耦合到SMPS的輸出的次級繞組，所述SMPS具有電源切換器件(31)，用于將電源切換到變壓器的初級繞組，所述系統(tǒng)包括初級電流感測輸入，用于感測變壓器的初級繞組中的初級電流(CS)；充電信號輸入，用于感測依賴于變壓器充電時(shí)間(To)的充電信號；放電信號輸入，用于感測依賴于變壓器放電時(shí)間(T1)的放電信號；至少一個(gè)平均器；以及計(jì)算器；其中，平均器至少在AMPS的一個(gè)切換周期上對初級電流進(jìn)行平均；以及計(jì)算器(28)使用平均的初級電流、充電信號和放電信號來估計(jì)SMPS的輸出電流。
文檔編號H02M3/335GK101490939SQ200780025853
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者約翰·皮佩, 戴維·邁克爾·加德納 申請人:劍橋半導(dǎo)體有限公司