本發(fā)明涉及DC-DC轉(zhuǎn)換器，尤其涉及一種使用開(kāi)關(guān)電流取樣信號(hào)來(lái)估測(cè)電感電流平均值的數(shù)字控制電路及其控制方法。

背景技術(shù)：

切換式直流至直流轉(zhuǎn)換器若使用平均電流控制或多組并聯(lián)分流控制時(shí)，通常需要感測(cè)電感電流，電流感測(cè)信號(hào)可使用霍爾組件或使用如圖1所示的電流感測(cè)串聯(lián)電阻再配合放大及低通濾波器電路獲得，然而霍爾組件有帶寬限制問(wèn)題，電流感測(cè)電阻須通過(guò)大電流則有功率損失問(wèn)題。雖然使用如圖2所示的電流互感器(CT)沒(méi)有帶寬限制以及感測(cè)電組需通過(guò)大電流等問(wèn)題，然而電流互感器有磁飽合問(wèn)題，只能用以感測(cè)脈波形式的開(kāi)關(guān)電流。采用數(shù)字控制并與切換頻率同步的取樣方法，可以在轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的中間點(diǎn)取樣獲致電感電流的平均值，然而此方式的限制在于僅限于連續(xù)導(dǎo)通模式下精確，在不連續(xù)導(dǎo)通模式下由于電感電流平均值偏離其開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間中間點(diǎn)取樣的電流值，因此在輕載時(shí)誤差較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，提出一種基于平均電流估測(cè)方法的可適用于連續(xù)導(dǎo)通模式和不連續(xù)導(dǎo)通模式的數(shù)字控制DC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)換器電流檢測(cè)電路，具有控制轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的PWM控制器，所述PWM控制器受到控制電壓和三角波的控制形成PWM控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換器電流檢測(cè)電路還具有串接在轉(zhuǎn)換器主電路中的電流互感器、串接在電流互感器次級(jí)線圈中的二極管和檢測(cè)電阻，還包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換器，連接二極管和檢測(cè)電阻公共端，在所述三角波信號(hào)上升沿的起點(diǎn)進(jìn)行電流信號(hào)取樣，并將取樣到的模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電流信號(hào)；輸入電壓反饋模塊，連接轉(zhuǎn)換器直流電源輸入端，用以將輸入電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸入電壓值；輸出電壓反饋模塊，連接轉(zhuǎn)換器直流電源輸出端，用以將輸出電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出電壓值；低通濾波器，連接所述PWM控制器，用以將所述控制電壓用低通的方式形成控制反饋電壓；運(yùn)算控制器，分別連接PWM控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、輸入電壓反饋模塊、輸出電壓反饋模塊、低通濾波器，用數(shù)字電流信號(hào)乘以電流互感器變比乘以數(shù)字輸入電壓值乘以控制反饋電壓除以檢測(cè)電阻除以數(shù)字輸出電壓值除以所述三角波的振幅，得出估測(cè)電流；電壓控制器，用數(shù)字信號(hào)與電壓命令的誤差經(jīng)過(guò)調(diào)整得到電流命令，其中電壓命令為預(yù)先設(shè)定的電壓參考值，數(shù)字信號(hào)由轉(zhuǎn)換器直流電源輸出端的電壓經(jīng)過(guò)電壓感測(cè)和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到；電流控制器，用所述估測(cè)電流與電流命令的誤差經(jīng)過(guò)調(diào)整得到所述控制電壓，控制電壓再經(jīng)由所述PWM控制器形成PWM信號(hào)最終觸發(fā)所述轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

上述轉(zhuǎn)換器可以采用降壓式轉(zhuǎn)換器，也可以采用升壓式轉(zhuǎn)換器，還可以采用升降壓式轉(zhuǎn)換器。

本發(fā)明還提出了一種轉(zhuǎn)換器電流檢測(cè)電路控制方法，用PWM控制器控制轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，用控制電壓v_con和三角波V_t控制所述PWM控制器形成PWM控制信號(hào)，在轉(zhuǎn)換器主電路中的串接電流互感器CT，在電流互感器次級(jí)線圈中串接二極管和檢測(cè)電阻Rs，還包括：用模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接二極管和檢測(cè)電阻公共端，在所述三角波信號(hào)上升沿的起點(diǎn)進(jìn)行電流信號(hào)取樣，并將取樣到的模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電流信號(hào)；用輸入電壓反饋模塊連接轉(zhuǎn)換器直流電源輸入端，用以將輸入電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸入電壓值V_i；用輸出電壓反饋模塊，連接轉(zhuǎn)換器直流電源輸出端，用以將輸出電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出電壓值V_o；用低通濾波器連接所述PWM控制器，用以將所述控制電壓v_con用低通的方式形成控制反饋電壓v_conf；用運(yùn)算控制器，分別連接PWM控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、輸入電壓反饋模塊、輸出電壓反饋模塊、低通濾波器，用數(shù)字電流信號(hào)V_csh乘以電流互感器變比N乘以數(shù)字輸入電壓值V_i乘以控制反饋電壓v_conf除以檢測(cè)電阻Rs除以數(shù)字輸出電壓值V_o除以所述三角波的振幅V_tm，得出估測(cè)電流I_Lfb；用電壓控制器接收數(shù)字信號(hào)V_ofb和電壓命令V_oc，用兩者的誤差經(jīng)過(guò)調(diào)整得到電流命令I(lǐng)_Lc，其中電壓命令Voc為預(yù)先設(shè)定的電壓參考值，數(shù)字信號(hào)V_ofb由轉(zhuǎn)換器直流電源輸出端的電壓經(jīng)過(guò)電壓感測(cè)和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到；用電流控制器接收所述估測(cè)電流I_Lfb與電流命令I(lǐng)_Lc，用兩者的誤差經(jīng)過(guò)調(diào)整得到所述控制電壓v_con，控制電壓v_con再經(jīng)由所述PWM控制器形成PWM信號(hào)最終觸發(fā)所述轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

本發(fā)明針對(duì)數(shù)字控制直流至直流轉(zhuǎn)換器提出一平均電流估測(cè)方法，可以克服不連續(xù)導(dǎo)通模式電流取樣問(wèn)題，不論操作于何種工作模式均能獲得精確的平均電流，此外當(dāng)用于平均電流控制時(shí)，亦能維持原平均電流控制的工作。

附圖說(shuō)明

圖1現(xiàn)有DC-DC轉(zhuǎn)換器使用串聯(lián)電阻感測(cè)電流的電路；

圖2現(xiàn)有DC-DC轉(zhuǎn)換器使用電流互感器感測(cè)電流的電路；

圖3各電壓電流的波形對(duì)照?qǐng)D；

圖4本發(fā)明應(yīng)用在降壓式轉(zhuǎn)換器中估測(cè)平均電流的電路框圖；

圖5本發(fā)明應(yīng)用在升壓式轉(zhuǎn)換器中估測(cè)平均電流的電路框圖；

圖6本發(fā)明應(yīng)用在升降壓式轉(zhuǎn)換器中估測(cè)平均電流的電路框圖；

圖7本發(fā)明應(yīng)用在降壓式轉(zhuǎn)換器中的電路框圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

切換式直流至直流轉(zhuǎn)換器通常需感測(cè)電感電流以作為平均電流控制、分流控制或輸出電流監(jiān)控等目的，本發(fā)明針對(duì)數(shù)字控制轉(zhuǎn)換器提出一種使用開(kāi)關(guān)電流取樣信號(hào)來(lái)估測(cè)電感電流平均值的方法，可以使用電流互感器以降低成本，同時(shí)解決不連續(xù)電流模式取樣值偏離平均值的問(wèn)題。

本發(fā)明針對(duì)數(shù)字控制DC-DC轉(zhuǎn)換器提出一種平均電流估測(cè)方法，以圖2所示的降壓式轉(zhuǎn)換器為例，為了降低成本、降低電流感測(cè)損耗同時(shí)保有感測(cè)信號(hào)的高帶寬，電流感測(cè)電路采電流互感器CT，其感測(cè)比例為1/N，電流互感器二次側(cè)再藉由二極管整流及一電阻R_s將感測(cè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V_cs，最后再藉由A/D轉(zhuǎn)換器得到一數(shù)字信號(hào)V_csh。

為了藉由數(shù)字采樣信號(hào)V_csh獲得平均電感電流，本發(fā)明數(shù)字控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的PWM方式如圖3所示，所述PWM控制器受到控制電壓v_con和三角波V_t的控制形成PWM控制信號(hào)，PWM控制信號(hào)控制轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)Q的切換，三角波周期T_S即為切換頻率?？刂齐妷簐_con和三角波V_t比較，三角波V_t包括上升沿和下降沿，而電流信號(hào)取樣時(shí)間為三角波信號(hào)上升沿的起點(diǎn)，在此點(diǎn)可以確保為在轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的中間點(diǎn)，在連續(xù)導(dǎo)通模式(continuous conduction mode,CCM)下此點(diǎn)取樣得到的實(shí)際電流值I_LS等于電感電流的平均值I_L,avg，I_LS與V_csh的關(guān)系為：

V_csh＝R_sI_Ls/N (1)

然而如圖3所示在不連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous conduction mode,DCM)下，I_LS則高于電感電流的平均值I_L,avg。為了在不連續(xù)導(dǎo)通模式下獲得精確的平均電流值，必須知道電感電流由開(kāi)關(guān)截止后下降至零的時(shí)間Δ，才能利用一周期三角形電感電流的面積求得平均值，如下：

I_L,avg＝I_LS(t_on+Δ)/T_S (2)

根據(jù)伏秒平衡(voltage-second balance)原理，時(shí)間Δ可利用穩(wěn)態(tài)下電感電壓一切換周期平均值為零的方式求得，以降壓式轉(zhuǎn)換器而言如圖3所示，利用面積A＝面積B，可得：

(V_i-V_O)t_on+(-V_O)Δ＝0 (3)

公式中V_i和V_O是輸入電壓值和輸出電壓值。由(3)可求出時(shí)間Δ：

Δ＝(V_i-V_O)t_on/V_O (4)

又切換開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)間為：

t_on＝v_con/V_tm (5)

公式中v_con是控制電壓，V_tm是三角波的振幅。將(4)及(5)代入(2)可得：

I_L,avg＝I_LS(t_on/T_s)(V_i/V_O)＝I_LS(v_con/V_tm)(V_i/V_O) (6)

公式中T_s是三角波的周期。公式(6)指出在不連續(xù)導(dǎo)通模式下可利用PWM的控制電壓及輸入與輸出電壓獲得正確的電感電流平均值。其次，檢視(6)可發(fā)現(xiàn)其不僅適用于不連續(xù)導(dǎo)通模式，同時(shí)也適用于連續(xù)導(dǎo)通模式，因?yàn)閷?duì)于降壓式轉(zhuǎn)換器而言：

v_con/V_tm＝D＝V_O/V_i (7)

將(7)帶入(6)同樣可得I_L,avg＝I_Ls，因此(6)對(duì)于所有工作模式均適用?；?6)本發(fā)明提出數(shù)字控制直流至直流轉(zhuǎn)換器平均電流估測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示，其乃利用(6)再利用(1)的感測(cè)比例得到最終估測(cè)電感電流的平均值。

I_L,avg＝V_csh(N/Rs)(v_con/V_tm)(V_i/V_O)

公式中N為電流互感器CT的變比，Rs為檢測(cè)電阻。

參看圖7示出的較佳實(shí)施例，本發(fā)明揭示的轉(zhuǎn)換器電流檢測(cè)電路，具有控制轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的PWM控制器(所述PWM控制器受到控制電壓v_con和三角波V_t的控制形成PWM控制信號(hào))、串接在轉(zhuǎn)換器主電路中的電流互感器CT、串接在電流互感器次級(jí)線圈中的二極管和檢測(cè)電阻Rs，還包括：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，連接二極管和檢測(cè)電阻公共端，在所述三角波V_t信號(hào)上升沿的起點(diǎn)進(jìn)行電流信號(hào)取樣，并將取樣到的模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電流信號(hào)V_csh。

輸入電壓反饋模塊，連接轉(zhuǎn)換器直流電源輸入端，用以將輸入電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸入電壓值V_i。

輸出電壓反饋模塊，連接轉(zhuǎn)換器直流電源輸出端，用以將輸出電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出電壓值V_o。

低通濾波器，連接所述PWM控制器，用以將所述控制電壓v_con用低通的方式形成控制反饋電壓v_conf。上述所提出的平均電流估測(cè)方法僅限于估測(cè)，若要實(shí)際用于平均電流控制則由于PWM控制電壓v_con亦用于平均電流計(jì)算，因此直接使用PWM控制電壓v_con將容易在電流回路內(nèi)形成一無(wú)限增益回路而造成電流回路震蕩。為解決此問(wèn)題，在反饋線路中加入一低通濾波器，如圖7中的回路C所示，籍此保證信號(hào)的低頻成份能通過(guò)此回路而保證計(jì)算準(zhǔn)確度，而對(duì)信號(hào)的高頻成份進(jìn)行有效過(guò)濾以避免引起震蕩。

運(yùn)算控制器，分別連接PWM控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、輸入電壓反饋模塊、輸出電壓反饋模塊、低通濾波器，用數(shù)字電流信號(hào)V_csh乘以電流互感器變比N乘以數(shù)字輸入電壓值V_i乘以控制反饋電壓v_conf除以檢測(cè)電阻Rs除以數(shù)字輸出電壓值V_o除以所述三角波的振幅V_tm，得出估測(cè)電流I_Lfb(即：I_Lfb＝V_csh(N/Rs)(v_conf/V_tm)(V_i/V_O))。

電壓控制器，用數(shù)字信號(hào)V_ofb與電壓命令V_oc的誤差經(jīng)過(guò)調(diào)整得到電流命令I(lǐng)_Lc，其中電壓命令Voc為預(yù)先設(shè)定的電壓參考值，數(shù)字信號(hào)V_ofb由轉(zhuǎn)換器直流電源輸出端的電壓經(jīng)過(guò)電壓感測(cè)和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到。

電流控制器，用所述估測(cè)電流I_Lfb與電流命令I(lǐng)_Lc的誤差經(jīng)過(guò)調(diào)整得到所述控制電壓v_con，控制電壓v_con再經(jīng)由所述PWM控制器形成PWM信號(hào)最終觸發(fā)所述轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

下面結(jié)合圖7完整敘述一遍檢測(cè)電路的工作原理。先感測(cè)轉(zhuǎn)換器輸出電壓V_o和輸入電壓V_i，感測(cè)比例為K_v，二者經(jīng)過(guò)A/D取樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)V_ofb與V_ib，V_ib與電壓命令V_oc的誤差經(jīng)過(guò)電壓控制器的調(diào)整得到電流命令I(lǐng)_Lc。另一方面，切換開(kāi)關(guān)電流經(jīng)過(guò)CT與R_s感測(cè)后得到V_cs，V_cs再藉由A/D感測(cè)得到數(shù)字信號(hào)V_csh，V_csh再與感測(cè)的輸入電壓及輸出電壓與一由PWM控制電壓v_con經(jīng)由低通濾波器所獲得的控制反饋電壓v_conf，利用前述平均電流估測(cè)的公式得到估測(cè)電流I_Lfb，I_Lfb＝V_csh(N/Rs)(v_conf/V_tm)(V_i/V_O)，I_Lfb再與I_Lc的誤差經(jīng)過(guò)電流控制器調(diào)整得到PWM的控制電壓v_con，v_con再經(jīng)由PWM得到最終觸發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的信號(hào)。

應(yīng)用同樣的設(shè)計(jì)方式，圖7示出的控制電路亦可以應(yīng)用至如圖5及圖6所示的升壓及升降壓式轉(zhuǎn)換器中。所以本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)換器可以采用降壓式轉(zhuǎn)換器，也可以采用升壓式轉(zhuǎn)換器，還可以采用升降壓式轉(zhuǎn)換器。電流互感器CT接入主電路中的方式如圖5、6、7所示。

本發(fā)明還揭示了一種轉(zhuǎn)換器電流檢測(cè)電路控制方法。參看圖7，所述方法用PWM控制器控制轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，用控制電壓v_con和三角波V_t控制所述PWM控制器形成PWM控制信號(hào)，在轉(zhuǎn)換器主電路中的串接電流互感器CT，在電流互感器次級(jí)線圈中串接二極管和檢測(cè)電阻Rs，還包括：用模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接二極管和檢測(cè)電阻公共端，在所述三角波V_t信號(hào)上升沿的起點(diǎn)進(jìn)行電流信號(hào)取樣，并將取樣到的模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電流信號(hào)V_csh；用輸入電壓反饋模塊連接轉(zhuǎn)換器直流電源輸入端，用以將輸入電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸入電壓值V_i；用輸出電壓反饋模塊，連接轉(zhuǎn)換器直流電源輸出端，用以將輸出電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出電壓值V_o；用低通濾波器連接所述PWM控制器，用以將所述控制電壓v_con用低通的方式形成控制反饋電壓v_conf；用運(yùn)算控制器，分別連接PWM控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、輸入電壓反饋模塊、輸出電壓反饋模塊、低通濾波器，用數(shù)字電流信號(hào)V_csh乘以電流互感器變比N乘以數(shù)字輸入電壓值V_i乘以控制反饋電壓v_conf除以檢測(cè)電阻Rs除以數(shù)字輸出電壓值V_o除以所述三角波的振幅V_tm，得出估測(cè)電流I_Lfb；用電壓控制器接收數(shù)字信號(hào)V_ofb和電壓命令V_oc，用兩者的誤差經(jīng)過(guò)調(diào)整得到電流命令I(lǐng)_Lc，其中電壓命令Voc為預(yù)先設(shè)定的電壓參考值，數(shù)字信號(hào)V_ofb由轉(zhuǎn)換器直流電源輸出端的電壓經(jīng)過(guò)電壓感測(cè)和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到；用電流控制器接收所述估測(cè)電流I_Lfb與電流命令I(lǐng)_Lc，用兩者的誤差經(jīng)過(guò)調(diào)整得到所述控制電壓v_con，控制電壓v_con再經(jīng)由所述PWM控制器形成PWM信號(hào)最終觸發(fā)所述轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

上述利用切換開(kāi)關(guān)電流于開(kāi)關(guān)占空比中心點(diǎn)同步取樣及穩(wěn)態(tài)下電感電壓一切換周期平均值為零的觀念，亦可以套用到其他形式的轉(zhuǎn)換器用以估測(cè)電感電流的平均值，圖5顯示應(yīng)用于升壓式直流至直流轉(zhuǎn)換器，圖6則運(yùn)用于升降壓式直流至直流轉(zhuǎn)換器。所以本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以采用降壓式轉(zhuǎn)換器，也可以采用升壓式轉(zhuǎn)換器，還可以采用升降壓式轉(zhuǎn)換器。

以上實(shí)施例僅為舉例說(shuō)明，非起限制作用。任何未脫離本申請(qǐng)精神與范疇，而對(duì)其進(jìn)行的等效修改或變更，均應(yīng)包含于本申請(qǐng)的權(quán)利要求范圍之中。