專利名稱：用于脈寬調制電源轉換器的電流平均電路的制作方法
相關申請對照本申請主張美國臨時申請第60/591227的利益，該案于2004年7月26日申請，其在此合并作為所有意圖與目的的參考。
技術領域：
本發(fā)明涉及脈寬調制電源控制器，并且尤其涉及用于脈寬調制電源供應器的整合平均電流的限制與控制。
現(xiàn)有技術脈寬調制(PWM)控制電路的轉換設備中的電流具有斜坡的特征形狀，或是具有在步階上的斜坡的特征形狀，這是由于一或多個輸出電感器。該電流由一小電阻器與初級電源串聯(lián)或是由一電流變壓器或是由其他變能器機制而轉換成一電壓。已有一段很長的時間，電壓波形用于整合至控制器芯片外部，或是整合至在控制器芯片上檢測到的峰值。其造成的電壓信息之后被用于提供電流模式反饋信息或是電流限制信息，或是在一些情況中用于提供電流模式反饋信息及電流限制信息兩者。在一些申請案中，期望的是根據(jù)在一步階上的斜坡波形的平均值，提供電流限制或是電流反饋功能。已知方法是根據(jù)取樣的峰值估測平均值。然而此種已知技術是非精確的，且會造成電流拖尾(tail out)。

發(fā)明內容一種用于平均一脈寬調制(PWM)電源轉換器的分段線性轉換電流波形的電流平均電路，其包含第一，第二以及第三取樣與保持電路以及取樣平均電路。該種第一取樣與保持電路取樣電流波形的短持續(xù)時間(short duration)于每個脈寬調制周期之始，并且提供對應的短取樣。該第二取樣與保持電路取樣每一脈寬調制周期的長持續(xù)時間(long duration)并且提供對應的長取樣。該取樣平均電路連接至第一與第二取樣與保持電路，平均對應的短取樣與長取樣取樣，并且提供對應的平均值。該第三取樣與保持電路取樣每一平均值并且提供一電流平均信號。
該第一，第二與第三取樣與保持電路每一個可以包含開關，其連接至一電容器。每一取樣與保持電路可以進一步包含緩沖器，其具有連接至一對應的電容器的輸入端，以及提供取樣后的值的輸出端。該電流平均電路可以包含計時控制電路，其控制每一取樣與保持電路的開關。在一實施例中，計時控制電路提供短控制信號至第一取樣與保持電路的第一開關，提供長信號控制信號至第二取樣與保持電路的第二開關，以及提供一平均控制信號至第三取樣與保持電路的第三開關。該分段線性轉換電流波形可以包含步階上斜坡脈沖，其計時控制電路于每一電流波形脈沖的起始提供短控制信號作為短脈沖，提供長控制信號在每一電流波形脈沖之持續(xù)時間上作為長脈沖，并且于每一電流波形脈沖結尾提供該平均控制信號作為短脈沖。該取樣平均電路可以包含連接至一電容器的電阻性差動接面。
根據(jù)本發(fā)明的電源轉換器的實施例包含電感性裝置，切換電路，電流傳感器，電流平均電路以及控制器。該切換電路選擇性的供應輸入端電壓至該電感性裝置，以建立輸出端電壓。該電流傳感器感測流經(jīng)該切換電路的電流，并且提供一步階上斜坡波形的電流感測信號。該電流平均電路接收該電流感測信號，并且提供一電流平均信號。該電流平均電路包含第一，第二與第三取樣與保持電路以及一取樣平均電路。該第一取樣與保持電路取樣每一電流感測信號的每一脈沖的起始，提供對應的短取樣。該第二取樣與保持電路取樣每一脈沖的持續(xù)時間，并且提供對應的長取樣。該取樣平均電路平均對應的長與短取樣，并且提供對應的平均值。該第三取樣與保持電路取樣每一平均值，并且提供該電流平均信號。該控制器根據(jù)電流平均信號控制該切換電路。
在不同實施例中，該電源轉換器可以是一個隔離的或是一非隔離的轉換器。在非隔離的情況中，電流平均電路可以用于測量電流在轉換電路的關閉期間，其中該脈沖具有負向斜率。不論該斜坡信號是正斜率或是負斜率，操作上實質相等。
一種平均脈寬調制電源轉換器的分段線性開關電流波形的方法包含于每一脈寬調制周期之起始取樣電流波形之一短持續(xù)時間，并且提供對應的短取樣值，于每一脈寬調制周期的起始取樣長持續(xù)時間并且提供對應的長取樣值，平均長與短取樣值的各自一些，并且提供對應的平均值，以及取樣每一平均值并且提供一電流平均信號。
每一取樣動作可以包含耦接電容器并對其充電。在此種情況中，該方法可以包含在短持續(xù)時間內關閉第一開關，并且對第一電容器充電于每一脈寬調制周期起始，關閉第二開關且在每一脈寬調制周期的持續(xù)時間對第二電容器充電，并且在每一長持續(xù)時間之后關閉第三開關并且對第三電容器充電。該分段線性開關電流波形可以包含步階上斜坡脈沖。在此種情況下，該方法可以包含關閉第一開關以在每一脈沖之起始對第一電容器充電，關閉第二開關以在每一脈沖持續(xù)時間對第二電容器充電，并且關閉第三開關并且在每一脈沖結束時對第三電容器充電。該方法可以包含跨于一電阻性電壓差動接面上提供短及長取樣值。該方法可以包含感測流經(jīng)脈寬調制電源轉換器的開關裝置的電流，并且整流感測電流。

根據(jù)下列說明以及附圖，本發(fā)明的優(yōu)點，特征與益處將會獲得更加了解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的示范性電流平均電路的示意圖；圖2是說明圖1中電流平均電路的操作的時序圖；圖3是采用圖1的電流平均電路的根據(jù)本發(fā)明實施例的示范性未調節(jié)的電源轉換器的示意性框圖；圖4是一示范性電路的框圖，其用以轉換圖3的未調節(jié)電源轉換器成為一電壓模式受控電源轉換器；圖5是一非隔離的DC-DC降壓轉換器的示意性框圖，其實施圖1的電流平均電路以用于平均“關閉時間”(off-time)電流；圖6是一時序圖，其說明圖1的電流平均電路的操作，其實作成一種在圖5中的降壓轉換器中的關閉時間電流平均電路；以及圖7是包含圖1的電流平均電路的一電流分享系統(tǒng)的示意性框圖。
具體實施方式下列敘述呈現(xiàn)以使相關領域的熟練技術人員在所提供的特定申請以及其要件內容的范圍內制造并且使用本發(fā)明。對于較佳實施例的不同修改將會對于熟練技術人員而言是明顯的，并且在此所定義的原則可以施加至其他實施例。因此，本發(fā)明并非意欲限制在此顯示并且敘述的特定實施例，而是與在此揭示的原則與新穎特征的最大范疇一致。
本發(fā)明提供一方法，其精確的俘獲不同類型的脈寬調制(PWM)電源轉換器的一分段線性開關電流波形的平均值。該電流波形通常為一步階上斜坡波形，其中該平均值提供在一脈沖-對-脈沖的基礎上，其中該平均值被捕獲(被取樣且被保持)，并且呈現(xiàn)在每一電流脈沖的末端。該被捕獲的值保持有效直到下次電流脈沖的終端，該時其以新值所更新。隨后，此平均電流輸出端信息可以用于在脈沖-對-脈沖基礎上實施平均電流模式操作或是平均電流限制。或者，該輸出端被濾波以提供一時間平均電流指示。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的示范性電流平均電路100的示意圖。在一實施例中，該電流平均電路100實施在一電源管理芯片上，其根據(jù)脈寬調制控制一個或更多電子開關以轉換輸入端電壓VIN至一調節(jié)后的輸出端電壓VOUT?；蛘?，考慮個別的實施例，其中電流平均方法在芯片外實施。對于在芯片上的實施例，一電流感測(CS)輸入端接腳被提供用于感測在脈寬調制電子開關中的電流，如熟練技術人員所熟知的。其他電流感測技術是已知的，其中該CS接腳或其他技術提供一電流感測(CS)信號于一CS節(jié)點上，其產(chǎn)生一指示該電流的電壓。
如圖1所示，形成CS信號的CS節(jié)點連接至第一單極單擲(SPST)開關SW0。在此所使用的，節(jié)點以及其承載的信號被設想為相同名稱，除非有另外指定。SW0的其他端連接至一節(jié)點A，其連接至第一電容器C0的一端，并且連接至第一緩沖器U0的輸入端。電容器C0的其他端連接至一共同節(jié)點(共同節(jié)點)，例如接地點(GND)。該緩沖器U0的輸出端連接至一電阻器R0的一端，其具有連接至一節(jié)點C的另一端。該CS節(jié)點也連接至其他SPST開關SW1的一端，其具有連接至一節(jié)點B的另一端。節(jié)點B連接至第二電容器C1的一端，并且連接至第二緩沖器U1的輸入端。該電容器C1的另一端連接至接地點。該緩沖器U1的輸入端連接至電阻器R1的一端，其具有連接至節(jié)點C的其他端。
節(jié)點C連接至另一SPST開關SW2的一端并且連接至一電容器C2的一端，其具有連接至GND的另一端。SW2的其他端連接至節(jié)點D，其連接至另一緩沖器U2的輸入端并且連接至一電容器C3的一端。電容器C3的其他端連接至GND。緩沖器U2的輸出端是節(jié)點E，其提供一輸出端電壓信號VIA，其在一脈沖-對-脈沖基礎上表現(xiàn)步階上斜坡電流的平均值。開關SW0具有控制輸入端，其接收控制信號SHORT，其由計時控制電路101提供?？刂齐娐?01也產(chǎn)生一控制信號LONG，其提供至開關SW1的控制輸入端，以及一控制信號AVERAGE提供至開關SW2的控制輸入端。在每一種情況中，當控制信號(SHORT，LONG，AVERAGE)為低態(tài)時，開關(SW0，SW1，SW2)打開，當控制信號為高態(tài)時，該開關關閉。SPST開關SW0-SW2可以每一個以熟練技術人員熟知的任何適當方式實施，例如晶體管裝置或是類似包含場效晶體管管(FET)，金屬氧化物半導體FET(MOSFET)，雙接面晶體管(BJTs)，互補式MOS(CMOS)元件(例如，N-溝道元件或是P-溝道元件或是一CMOS組合)，等等。如圖所示，該計時控制電路101接收一個或更多的計時控制(TC)信號以用于計時該些SHORT，LONG以及AVERAGE信號的目的。
在所顯示的實施例中，緩沖器U0以及U1彼此具有實質上相同的增益，例如單位增益緩沖器等。緩沖器U2同樣是一單位增益緩沖器，以至于節(jié)點E是節(jié)點D的緩沖方式。電阻器R0與R1具有實質上相等的電阻值，以致于節(jié)點C形成一電壓，其為節(jié)點A的電壓與節(jié)點B的電壓的平均值，分別由緩沖器U0與U1的輸出值所反映。例如，如果節(jié)點A與B的電壓相同(例如1Volt)，則節(jié)點C是相同的(例如1V)；如果節(jié)點A與B的電壓不同，例如1V與5V，則節(jié)點C位于A與B電壓之間(例如3V)等等。電阻器R0與R1可以想成是連接至電容器C2的電阻性差動接面。在節(jié)點C上的平均電壓通過提供脈沖至開關SW2而轉變至節(jié)點D，以致于節(jié)點E表現(xiàn)在脈沖-對-脈沖基礎上的一平均值。在一選擇性實施例中，另一單位增益緩沖器可以插入至電容器C2與開關SW2之間以緩沖在電容器C2上形成的平均值，其平均值提供以在每一周期期間對電容器C3充電。
圖2是一時序圖，其說明電流平均電路100的操作。信號CS，SHORT，A，LONG，B，C，AVERAGE與E(或是VIA)(或是節(jié)點)針對時間為軸而畫出。兩個步階上斜坡電流脈沖CR1與CR2顯示在CS節(jié)點。該第一電流脈沖CR1在時間t0處以電壓V1起始并且在時間t4以斜坡爬升至最大值V2。在從時間t0經(jīng)歷短延遲之后的時間t1以允許轉換瞬變值(例如50納秒(ns))，該SHORT信號發(fā)出以在接近CR1電流脈沖開始時起始一“短”取樣。開關SW0被關閉并且CS節(jié)點電壓對電容器C0充電至近似相同的值(例如V1)，其電壓在節(jié)點A上顯現(xiàn)。SHORT信號針對一短持續(xù)時間發(fā)出(例如，約50ns)并且在時間t2解除以重新開啟開關SW0。理想地，電容器C0充電得非常快，其顯示為一斜坡201，并且SHORT脈沖盡可能地狹窄并且定位在接近于CR1電流脈沖的初始上升沿的時間，以盡可能精確地取樣電壓V1。SHORT脈沖被輕微地延遲，并且具有充分的持續(xù)時間以避免CR1脈沖的瞬變，并且允許電容器C0完整充電至CR1的初始電壓電平。因此，開關SW0在一段充分時間內保持關閉，該段時間內電容器C0充電至CR1的初始電壓，以在實際上盡可能接近V1電壓。該短取樣因此系儲存在電容器C0上作為一穩(wěn)態(tài)值，該值在節(jié)點A上自時間t2開始，如203所顯示者。短取樣由U0所緩沖，并且該短取樣或電壓值V1作為其輸出。該短值表示接近第一電流脈沖CR1起始附近的電流幅度。
在開啟短取樣的同時，“長”取樣同樣被開啟，如同由時間t1為高態(tài)的LONG信號所示，其關閉開關SW1。當開關SW1關閉時，CS節(jié)點的電壓對電容器C1在節(jié)點B上充電，以使B節(jié)點同樣快速地以斜坡爬升到電壓V1，如同在A節(jié)點處類似的斜坡202。然而LONG信號在左側呈現(xiàn)高態(tài)，以保持開關SW1關閉直到時間t3，其在電流脈沖CR1結束之前一短時間，(例如，幾近于10ns之前)。當SW1關閉，電容器C1充電以便在節(jié)點B取樣CR1，如同在205的斜坡。該LONG信號在時間t3解除以重新打開開關SW1，使得該長取樣儲存在電容器C1上，其在時間t3開始時以207所顯示的穩(wěn)態(tài)值。電容器C1有效地充電至幾近于電壓V2，其為在終止之前脈沖CR1的電壓。該長取樣是對于在電容器C1上儲存的電流脈沖CR1的斜坡終端的電流幅度信息，其被緩沖并且發(fā)出作為在緩沖器U1的輸出端的一長值V2。開關SW1由LONG信號被保持關閉以盡可能地捕捉電壓V2而不需延長電流脈沖CR1的過去終止。
儲存在電容器C0與C1上并且個別經(jīng)由緩沖器U0與U1緩沖的短與長取樣信息，由兩個等值的電阻器R0與R1所平均，該R0與R1位于短與長取樣與保持電路之間并且被結合于節(jié)點C。在所顯示的特定實施例中，C節(jié)點的電壓跨過電容器C2所發(fā)出，如206所顯示的以一類似于節(jié)點A與B的方式斜坡爬升，達到電壓V1。然后以208所顯示的C節(jié)點的電壓以斜坡爬升，其隨著斜坡上升的節(jié)點B電壓，除了在B節(jié)點斜率的幾近一半處，因為平均節(jié)點A與B兩者之故。在時間t3當開關C1被打開時，節(jié)點C保持在A與B節(jié)點的一穩(wěn)態(tài)平均電壓值，以209所表示。因為A節(jié)點充電至約為V1而B節(jié)點充電至約為V2，顯示在209的節(jié)點C上的穩(wěn)態(tài)電壓是V1與V2電壓的平均，或是(V1+V2)/2。
當在電流脈沖CR1的斜坡在時間t4終止時，AVERAGE信號在時間t5處發(fā)出高態(tài)并且在一短時間之后的時間t6處(例如，約為50ns)發(fā)出低態(tài)。AVERAGE信號關閉開關SW2以使節(jié)點C上的電壓在電容器C3上取樣并且表示成節(jié)點D。該取樣在電容器C3上的平均值由緩沖器U2所緩沖并且表示至輸出端節(jié)點E以210作為表示，其是第一電流脈沖CR1的平均取樣值。假設緩沖器U2是一單位增益緩沖器，在節(jié)點E上的穩(wěn)態(tài)電壓(以210為表示)是電壓V1與V2的平均。
該過程重復施加在第二步階上斜坡電流脈沖CR2，其在時間t10處開始并且在后繼的時間t14結束。在這種情況下，脈沖CR2以一電壓V3開始，并且以斜坡爬升至一電壓V4。該SHORT與LONG信號系在時間t11發(fā)出。該SHORT信號在一短時間之后于時間t12被解除，而該LONG信號在接近于電流脈沖CR2的斜坡終點處于時間t13被解除，其恰好在時間t4之前。發(fā)展在節(jié)點C上的一平均取樣電壓(以211作表示)，其是電壓V3與V4的平均。AVERAGE信號在時間t15與t16之間被脈沖激發(fā)，其在電流脈沖CR2的終點處以取樣電容器C3與節(jié)點D的平均值，其以緩沖器U2所緩沖至輸出端節(jié)點E，其以212作表示。以此種方式，第一電流脈沖CR1的平均值保持在節(jié)點E上，并且維持不變直到下一電流脈沖CR2結束，此時節(jié)點E在約為時間t15處由下一個平均值所更新。在一脈沖-對-脈沖基礎上重復此一方式的操作。
總之，開關SW0與SW1在約相同時間被開啟，其在于每一脈寬調制脈沖的開始以使得節(jié)點A與B最初充電至相同的電壓。節(jié)點C同樣最初充電至節(jié)點A與B相同的電壓。開關SW0于脈寬調制脈沖的起始被脈沖激發(fā)以開啟并且關閉以有效地取樣CS節(jié)點電壓，其中該節(jié)點A上的取樣電壓被保持于緩沖器U0的輸出端。開關SW1保持開啟直到相同脈沖結束以使得節(jié)點B追隨CS節(jié)點的電壓并且以斜坡爬升至一不同的電壓水平，其電壓提供在緩沖器U1的輸出端。因此，節(jié)點C以相同于節(jié)點A與B的電壓且以斜坡爬升至一電壓，其為節(jié)點A與B兩值的中間，代表節(jié)點CS上脈沖之平均電壓值。開關SW2被脈沖于每一電流脈沖結束時，以取樣節(jié)點D上的平均值，該值被緩沖且被發(fā)出到節(jié)點E上作為信號VIA。因此，每一電流脈沖的平均值恰在脈沖已經(jīng)完成之后提供在節(jié)點E上，并且保持在節(jié)點E上直到下一次電流脈沖結束。
圖3是一概要框圖，其為采用電流平均電路100的根據(jù)本發(fā)明實施例實現(xiàn)的一示范性未經(jīng)調節(jié)的電源轉換器300。雖然顯示一未經(jīng)調節(jié)的電源轉換器，本發(fā)明也可同等地利用在經(jīng)調節(jié)后的電源轉換器。電源轉換器300包含一示范性半橋接轉換器301，其包含DC電容器C1與C2，電源變壓器T1，電流感測變壓器T2，以及開關Q1與Q2。本發(fā)明相等地施加至利用全橋接轉換器及其類似者的調節(jié)器，包含單一端及雙端拓樸。開關Q1，Q2指定元件符號Q并且概要地顯示為場效晶體管(FETs)的簡化表示法，其中其應被了解的是開關Q1，Q2可以實施為另一種適合的電子開關裝置，例如N-溝道裝置，P-溝道裝置，金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFETs)，雙極結晶體管(BJTs)，隔絕柵極雙極晶體管(IGBTs)，或是如熟練技術人員所熟知的任何其他電子開關組態(tài)。一輸入端電壓(VIN)信號被提供至電容器C1的一端，并提供至開關Q1的第一電流終端(例如，柵極或是源極)。開關Q1的該第二電流終端連接至Q2的第一電流終端，并連接至電流感測變壓器T2的初級繞組P2。初級繞組P2的另一端連接至一變壓器T1的初級繞組P1。電容器C1的另一端連接至初級繞組P1另一端，并且連接至電容器C2的一端。電容器C2的另一端與Q2的第二電流終端耦接在一起以發(fā)展一初級返回(PRTN)信號。變壓器P1的次級繞組S1的終端被提供至整流及濾波電路303，其發(fā)展一輸出端電壓(VOUT)信號相關于一次級返回(SRTN)信號。
該電流感測變壓器T2包含一次級繞組S2，其連接至一全波整流器電路305，其包含二極管D1-D4。特別是，次級繞組S2的一端連接至二極管D1的陽極并連接至二極管D2的陰極。次級繞組S2的另一端連接至二極管D3的陽極并且連接至二極管D4的陰極。二極管D2與D4的陽極耦接在一起并連接到PRTN節(jié)點，其進一步連接至一負載電阻R1的一端。二極管D1與D3的陰極一起連接在陽極306，其連接至電阻器R1的另一端，且其發(fā)展一整流初級(RP)信號。該節(jié)點306連接至一濾波器電阻器R2的一端，其具有連接至一電流感測(CS)節(jié)點307的另一端，該電流感測節(jié)點307具有特征化的步階上斜坡波形。CS節(jié)點由一電容器CF(參考GND或是PRTN)濾波，并提供到電流平均電路100的CS輸入端，其參考至PRTN作為相關的GND信號。如前所述，電流平均電路100對CS節(jié)點307取樣，并產(chǎn)生VIA信號，它是正比于電源轉換器300的平均輸出端電流的電壓。VIA信號被提供至一電阻器R3的一端，其另一端連接至一放大器的反向或是負向(-)輸入端(例如，一運算放大器或是op amp，比較器等等)309并連接至一反饋電容器CFB的一端。電容器CFB的另一端連接至放大器309的輸出端，其發(fā)展一電流控制(ICTL)信號。一電流參考(IREF)信號被提供至放大器309的非反向或是正向(+)輸入端。電阻器R3，電容器CFB以及放大器309形成一電流放大器311，其比較VIA與IREF信號以發(fā)展ICTL信號。
ICTL信號被提供至另一個放大器313的非反向輸入端，其接收一鋸齒狀(ST)信號于其反向輸入端。振蕩器(OSC)312一般用于產(chǎn)生如所顯示的ST信號。放大器313作為脈寬調制(PWM)產(chǎn)生器以用于發(fā)展一脈寬調制信號，其被提供至一開關控制器315的輸入端。RP信號同樣被提供至另一個放大器323的非反向輸入端，其于反向輸入端接收一峰值參考(PREF)電壓信號。放大器323的輸出端發(fā)出一峰值電流限制信號IPEAK，其被提供至開關控制器315的另一個輸入端。該峰值電流限制檢測放大器323操作類似于峰值限制控制電路，如相關領域熟練技術人員所熟知的，在此不進一步敘述。該開關控制器315接收PWM信號與IPEAK信號，并發(fā)展多個開關控制(SC)信號，其包含第一與第二開關控制信號SC1與SC2。該SC1與SC2信號各自被提供至各隔絕/驅動/電平移位(I/D/LS)電路317與319，其個別驅動半橋接轉換器301的開關Q1與Q2的柵極。SC1與SC2信號被同樣提供至雙輸入OR門電路321的個別輸入端，其至少產(chǎn)生一個TC(計時控制)信號，其提供至電流平均電路100。TC信號被提供到計時控制電路101，或是由計時控制電路101使用于計時SHORT，LONG與AVERAGE信號，以用于電流取樣。
這種開關控制器315致動開關Q1在每一脈寬調制周期的第一個半周期期間，并且在脈寬調制周期的第二個半周期致動開關Q2并且其運作以此種方式連續(xù)的交替，如相關技術領域熟練技術人員所熟知的。電流放大器311放大輸出平均電流信號VIA與IREF信號之間的差異，其對應所需的平均電流限制，并產(chǎn)生ICTL信號，其在一過載狀況下用以控制脈寬調制信號的工作周期。在正常操作期間當平均電流信號VIA小于IREF時，由電流放大器311所發(fā)出的ICTL信號處于最大值，并且該脈寬調制信號伴隨最大工作周期產(chǎn)生。如果輸出端電流增加并且造成過載狀況，VIA信號增加以超過IREF信號，并且該ICTL信號相應地由電流放大器311所減少。ICTL信號的減少使得脈寬調制信號的工作周期減少，使得輸出端電流不超過由IREF信號所決定的目標電流水平。以此種方式，平均電流方法產(chǎn)生一常數(shù)或是俗稱“磚塊墻”(brick-wall)的電流限制行為。
圖4系一示范性電路的框圖，該示范性電路用以轉換未調節(jié)的電源轉換器300至一電壓模式受控電源轉換器。增加一電壓錯誤放大器401以測量VOUT信號的電壓水平，并且其輸出一對應的電壓控制(VCTL)信號。該VCTL信號正比于VOUT信號與一輸出端電壓參考(VREF)信號之間的差異，而該VCTL信號提供至放大器401的輸入端。電壓錯誤放大器401的輸出端被加總或是以允許放大器具有最低輸出端信號以主導的方式連接至一電流錯誤放大器311的ICTL輸出端。因此電流錯誤放大器311發(fā)出電流控制信號ICTL加總在一起，或是連接至VCTL信號以集合地提供控制信號CTL，其代表ICTL或是VCTL信號的無論哪一個為較低。CTL信號被提供至一脈寬調制比較器403的負向或是反向輸入端(-)，其于正向或是非反向輸入端(+)接收一鋸齒狀信號ST。比較器403代替未調節(jié)電源轉換器300的比較器313以轉換至一未調節(jié)轉換器，比較器403比較CTL信號與ST信號，并且在輸出端產(chǎn)生脈寬調制信號，其提供至開關控制器315。當使用電壓-模式控制時，平均過電流保護方法利用電流平均電路100，通過在半周期之間保持工作周期對稱以保持在變壓器T1的通量平衡。
圖5是一示范性非隔離DC-DC降壓轉換器500的概要框圖，其利用電流平均電路100以平均“關閉時間”電流。通常而言，一降壓轉換器轉換一未調節(jié)輸入端電壓VIN至一調節(jié)后輸出端電壓VOUT，其中VOUT少于VIN。本發(fā)明可同樣施用在升壓，降壓-升壓，以及其他非隔離性轉換器，其中該輸出端電壓大于，等于或是小于輸入端電壓。一脈寬調制控制電路501根據(jù)一脈寬調制信號產(chǎn)生一開關控制信號SC1與SC2，其類似于先前所述的方式。SC1信號被提供至Q1的柵極，并且SC2信號被提供至Q2的柵極，其中Q1與Q2再次以FET顯示，但是可以根據(jù)任何適當電子開關組態(tài)而實施。Q1的電流路徑(例如，漏極-源極或是源極-漏極)耦接在VIN與一相位(PH)節(jié)點，并且Q2的電流路徑耦接在PH節(jié)點與接地點之間。該PH節(jié)點連接至輸出電感L的一端，其另一端發(fā)展輸出端電壓信號VOUT，該電壓信號由電容器C濾波，該電容器參考至GND。VOUT信號被回饋至一電壓錯誤放大器505，其接收VREF信號并且將其與VOUT信號相比較，以與先前所述的方式類似的方式發(fā)展電壓控制信號VCTL。
一電流傳感器503被插入至PH節(jié)點與Q2中間。電流傳感器503可以根據(jù)多種技術中的任一種而實施，例如MOSFET RDSON，離散感測電阻器，電流變壓器，霍爾效應(hall effect)裝置等等。電流傳感器503產(chǎn)生CS信號，其被提供到電流平均電路100的CS輸入端。電流平均電路100接收TC信號并且以類似于先前所述的方式產(chǎn)生VIA信號。操作實質上相等，除了步階上斜坡波形的斜坡部分具有一負斜率，并且因此當Q2開啟時操作為一關閉-時間電流感測電路。如相關領域熟悉該項技術的人員所了解的，Q1在“開啟時間”期間被打開或是致動，以耦接VIN至電感L，在每一脈寬調制周期的第一半周期期間驅動VOUT的電壓。隨后，在“關閉時間”中Q1被關閉并且Q2被打開以在每一脈寬調制周期的第二半周期期間耦接電感L至GND。該電流平均電路100產(chǎn)生電流平均信號VIA，其被提供至一電流錯誤放大器509的輸入端。電流錯誤放大器509接收并且比較IREF信號與VIA信號，以類似于先前所述的方式發(fā)展ICTL信號。ICTL與VCTL信號被提供至一脈寬調制比較器511的個別負向輸入端，其在另一端接收鋸齒狀(ST)信號，即正向輸入端。脈寬調制比較器511以類似于脈寬調制比較器403的方式操作，其中出于控制的目的而使ICTL與VCTL之中的較低電壓主導。脈寬調制比較器511產(chǎn)生脈寬調制信號，其被提供至控制電路501以完成控制回路。
圖6是一時序圖，其說明電流平均電路100的操作，其系施作為在該降壓轉換器500中的關閉時間電流平均電路。再次，CS，SHORT，A，LONG，B，C，AVERAGE與E(或是VIA)信號(或是節(jié)點)針對時間軸描繪。顯示在圖6的信號波形非常相似于顯示于圖2的信號波形，除了電流脈沖CR1與CR2表現(xiàn)負向斜率斜坡而不是正向斜率斜坡。在A節(jié)點上的波形是類似的，除了在負向斜率電流脈沖CR1與CR2表現(xiàn)較高的電壓初始值。B波形以及在C節(jié)點上的平均波形都類似于圖2的波形，但其具有負向斜率斜坡。提供VIA信號的E節(jié)點亦非常類似，因為負向斜率電流脈沖對于關閉時間的平均類似于正向斜率斜坡在開啟時間的平均。
圖7是一電流分享系統(tǒng)700的概要框圖，其包含電流平均電路100。在這種情況中，電流平均電路100整合在一脈寬調制控制器集成電路(IC)或是芯片703上，其具有一CS接腳，用以接收由電流平均電路100的輸入端所提供的感測電流，并且芯片703的IOUT接腳提供平均電流信號VIA。在一實施例中，該VIA信號可以進一步由內部緩沖器(例如，4X，并未顯示)所放大，其用以提供VIA信號。電流感測變壓器T包含用以感測電流的初級繞組P以及次級繞組S。次級繞組S連接至一全波整流器電路705，其包含二極管D1至D4，其相同于顯示在圖3的方式。特別的是，次級繞組S的一端耦接至二極管D1的陽極與二極管D2的陰極。次級繞組S的另一端連接至二極管D3的陽極，以及二極管D4的陰極。二極管D2與D4的陽極耦接至地(GND)并耦接至一負載電阻器R1的一端。二極管D1與D3耦接在一節(jié)點706，其連接至電阻器R1的另一端且其發(fā)展整流后的初級RP信號RP。節(jié)點706連接至一濾波器電阻器R2的一端，其另一端耦接至一電流感測(CS)節(jié)點707，其具有特征化的步階上斜坡波形。CS節(jié)點707由電容器CF(參考至GND)濾波，并且提供至脈寬調制控制器芯片703的CS接腳。
在脈寬調制控制器芯片703的IOUT接腳的VIA信號被提供至放大器U2A的非反向輸入端，其具有連接至電阻器R3與R4每一個的一端的反向輸入端。電阻器R3的另一端連接至GND，而R4的另一端連接至放大器U2A的輸出端，并且連接至電阻器R5與R7每一個的一端。電阻器R5的另一端連接至一節(jié)點709，形成ISHARE BUS。電阻器R6與電容器C1平行耦接至GND與節(jié)點709之間，而節(jié)點709進一步連接至另一個放大器U2B的非反向輸入端。電阻器R7的另一端連接至放大器U2B的反向輸入端，反饋電阻器R8的一端，電阻器R9的一端以及另一個電容器C2的一端。電阻器R9的另一端連接至一源極電壓VDD，而電阻器R8的其他端與電容器C2耦接在一起，且耦接至放大器U2B的輸出端。放大器U2B的輸出端連接至MOSFET Q的柵極，其具有連接至一電阻器R10的一端的源極，以及耦接至節(jié)點711的漏極，節(jié)點711形成在電壓驅動電阻器R11與R12之間。電阻器R10與R11的其他端連接至地，且電阻器R12的另一端連接至VOUT。
電流分享系統(tǒng)700對于多個電源系統(tǒng)的每一相位分享電流以驅動一共同輸出端節(jié)點，發(fā)展VOUT信號。每一電流分享系統(tǒng)700的ISHARE BUS節(jié)點709耦接在一起。以此種方式，所有的ISHARE系統(tǒng)平行耦接，使得任何系統(tǒng)在任何給定時間可以成為主導系統(tǒng)，而其他系統(tǒng)成為從屬系統(tǒng)。VOUT由R11與R12于節(jié)點711處分開，其連接至電壓錯誤放大器(例如，在脈寬調制控制器芯片703內)。U2A設定ISHARE BUS節(jié)點709的信號幅度，而U2B是ISHAREBUS放大器。R7與C2設定電流分享帶寬，而R8限制電流分享放大器U2B的增益。R7與R9設定主導系統(tǒng)與從屬系統(tǒng)之間的最大負載差異。R10設定VOUT的最大變化量，其電流分享系統(tǒng)700可以感應以產(chǎn)生電流分享。
操作上，多個電流分享系統(tǒng)700實施電流分享方法，其監(jiān)視電源供應器，其供應最高電流。提供最高電流輸出端的電源供應器被定義為主導者，而其余電源供應器為從屬者。主導者控制ISHARE BUS，其中該主導者可以依照負載狀況動態(tài)改變。ISHARE BUS的幅度指示主導者的電流負載。每一從屬電源供應器的電流分享系統(tǒng)700將其內部平均電流水平與ISHARE BUS的內部平均電流水平比較，并且如果比較結果太低(即，低于ISHARE BUS)，則拉升來自輸出端電壓反饋分壓器網(wǎng)路的電流。特別是，當放大器U2B的反向輸入端降到低于ISHARE BUS節(jié)點709時，放大器U2B驅動Q以從節(jié)點711吸取電流，因而減少其電壓。如此會造成輸出端電壓VOUT顯得對于區(qū)域電源供應器而言太低，于是其意欲增加VOUT使得增加輸出端電流。最后，從屬者之一開始得到比主導者更多的電流而變成主導者。電流分享系統(tǒng)700合并遲滯以使得任何給定的主導者保持主導者之地位持續(xù)至少一段最短時間，以預防不必要的振蕩并且預防多個電流分享系統(tǒng)700之間的傷害。
根據(jù)本發(fā)明實施例的平均電流限制與控制電路可以由任何需要具有良好表現(xiàn)的電流控制限制特征的脈寬調制電源轉換器加以利用?？刂齐娐樊a(chǎn)生一常數(shù)或是“磚塊墻”電流限制行為，使得電流并未超過一最大電流水平，且電流保持固定值而不會發(fā)生超過負載的狀況。輸出電源水平保持固定使得最大電流水平未被超過，取而代之允許輸出端電壓崩潰?？刂齐娐穼τ陔姵毓╇姷碾娮友b置特別有用，該些電子裝置包括可攜式或是移動式裝置等，其必須將電流限制在一預定的最大水平。這種配置可以包含非隔離式的電源拓樸。但控制電路對于高度供電裝置以及交流供電裝置也是同樣有用，例如計算機服務器系統(tǒng)及利用隔離式電源拓樸等。
雖然本發(fā)明已經(jīng)由詳細的細節(jié)參考特定較佳型式加以說明，其他型式及變化仍是可能可以完成的。本領域熟習技術人員應可了解，在不背離由申請專利范圍所定義的精神和范疇下，可以容易的利用所揭示的觀念以及特定實施例作為基礎而設計或是修改其他結構，作為提供本發(fā)明相同之目的。
權利要求
1.一種電流平均電路，其用于平均一脈寬調制(PWM)電源轉換器的分段線性開關電流波形，其包含第一取樣與保持電路，其于每一脈寬調制周期的開始取樣電流波形的短持續(xù)時間，且其提供對應的短取樣；第二取樣與保持電路，其取樣每一脈寬調制周期的長持續(xù)時間，并且提供對應的長取樣；取樣平均電路，其連接至所述第一和第二取樣與保持電路，該取樣平均電路平均對應的短與長取樣且提供對應的平均值；以及第三取樣與保持電路，其取樣每一所述平均值并且其提供電流平均信號。
2.如權利要求1所述的電流平均電路，其特征在于，所述第一、第二與第三取樣與保持電路，每一個都包含一開關，其耦接至電容器。
3.如權利要求2所述的電流平均電路，其特征在于，該第一、第二與第三取樣與保持電路，每一個進一步包含緩沖器，其具有耦接至對應的電容器的輸入端，以及提供取樣值的輸出端。
4.如權利要求2所述的電流平均電路，其特征在于，進一步包含計時控制電路，其控制該第一，第二與第三取樣與保持電路的每一個的所述開關。
5.如權利要求4所述的電流平均電路，其特征在于，所述計時控制電路提供短控制信號至所述第一取樣與保持電路的第一開關，提供長控制信號至所述第二取樣與保持電路的第二開關，以及提供平均控制信號至所述第三取樣與保持電路的第三開關。
6.如權利要求5所述的電流平均電路，其特征在于，分段線性開關電流波形包含步階上斜坡脈沖，并且其中所述計時控制電路于每一電流波形脈沖開始時提供所述短控制信號作為一短脈沖，在每一電流波形脈沖持續(xù)時間提供長控制信號作為一長脈沖，而在每一電流波形脈沖結束時提供所述平均控制信號作為一短脈沖。
7.如權利要求1所述的電流平均電路，其特征在于，所述取樣平均電路包含一電阻性差動接面，其耦接至一電容器。
8.一種電源轉換器，其包含電感性裝置；開關電路，其選擇性地施加輸入電壓至該電感性裝置以形成一輸出電壓；電流傳感器，其感測流經(jīng)所述開關電路的電流，并且提供電流感測信號作為步階上斜坡波形；電流平均電路，其接收所述電流感測信號，并且提供電流平均信號，該電流平均電路包含第一取樣與保持電路，其取樣所述電流感測信號的每一脈沖的起始，并且提供對應的短取樣；第二取樣與保持電路，其取樣每一脈沖的持續(xù)時間，并且提供對應的長取樣；取樣平均電路，其連接至所述第一與第二取樣與保持電路，該取樣平均電路平均所述短取樣與長取樣的對應一些，且提供對應的平均值；以及第三取樣與保持電路，其取樣每一所述平均值，且提供所述電流平均信號；以及控制器，其根據(jù)所述電流平均信號控制所述開關電路。
9.如權利要求8所述的電源轉換器，其特征在于所述電感性裝置包含第一變壓器，其具有初級繞組與次級繞組；其中該開關電路包含第一與第二開關，其連接至所述第一變壓器的所述初級繞組，并且其中所述次級繞組形成所述輸出電壓；并且其中所述控制器包含第一放大器，其具有接收所述電流平均信號與電流參考信號的輸入端，以及提供電流控制信號的輸出端；第二放大器，其具有接收所述電流控制信號及振蕩信號的輸入端，以及提供脈寬調制(PWM)信號的輸出端；以及開關控制器，其具有接收所述脈寬調制信號的輸入端，并具有第一輸出端與第二輸出端，其分別提供第一與第二開關控制信號至該第一開關與第二開關。
10.如權利要求9所述的電源轉換器，其特征在于，該電流傳感器包含感測變壓器，其具有初級繞組與次級繞組，該初級繞組與該第一變壓器的初級繞組串聯(lián)耦接；以及整流電路，其提供所述電流感測信號。
11.如權利要求10所述的電源轉換器，其特征在于，進一步包含控制邏輯，其具有接收所述第一與第二開關控制信號的輸入端，以及提供計時控制信號的輸出端；以及其中所述電流平均電路進一步包含計時控制電路，其具有接收所述計時控制信號的輸入端，以及多個輸出端，其用于控制所述第一、第二與第三取樣與保持電路。
12.如權利要求9所述的電源轉換器，其特征在于，進一步包含第三放大器，其具有接收所述輸出電壓以及輸出參考電壓的輸入端，以及提供電壓控制信號的輸出端，并且其中所述第二放大器包含比較器，該比較器具有接收所述電流控制信號、所述電壓控制信號與所述振蕩信號的輸入端，并具有提供所述脈寬調制信號的輸出端。
13.如權利要求8所述的電源轉換器，其特征在于所述開關電路包含第一開關，其具有控制終端與一對電流終端，其耦接在所述輸入端電壓與相位節(jié)點之間，以及第二開關，其具有控制終端與一對電流終端，其耦接在所述電流傳感器與接地之間；其中該電流傳感器具有輸入終端，其耦接在所述相位節(jié)點與所述第二開關之間，并且具有一輸出端以提供所述電流感測信號；并且其中所述控制器包含第一放大器，具有接收所述電流平均信號與電流參考信號的輸入端，并具有提供電流控制信號的輸出端；比較器，其具有第一與第二輸入端，其分別接收所述電流控制信號與振蕩信號，該比較器亦具有一輸出端提供脈寬調制(PWM)信號；并且控制電路，其具有輸入端，其接收所述脈寬調制信號，以及第一與第二輸出端，其分別提供第一與第二開關控制信號至所述第一與第二開關的所述控制終端。
14.如權利要求13所述的電源轉換器，其特征在于，進一步包含第二放大器，它具有接收所述輸出端電壓與參考電壓的輸入端，以及提供電壓控制信號的輸出端；以及其中所述比較器具有接收所述電壓控制信號的第三輸入端。
15.一種平均脈寬調制(PWM)電源轉換器的分段線性開關電流波形的方法，包含在每一脈寬調制周期開始時取樣電流波形的短持續(xù)時間，并且提供對應的短取樣；取樣每一脈寬調制周期的長持續(xù)時間并且提供對應的長取樣；平均短取樣與長取樣的各一些并且提供對應的平均值；以及取樣每一平均值并且提供電流平均信號。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述取樣步驟每一個都包括耦合一電容器并對其充電。
17.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述取樣短持續(xù)時間的步驟包含在一短持續(xù)時間內關閉第一開關，并且在每一脈寬調制周期開始時充電第一電容器，其中所述取樣每一脈寬調制周期的長持續(xù)時間的步驟包含關閉第二開關，并且在每一脈寬調制周期的持續(xù)時間內充電第二電容器，且其中該取樣每一平均值的步驟包含在每一長持續(xù)時間之后關閉第三開關并且對第三電容器充電。
18.如權利要求15所述的方法，其特征在于，該分段線性開關電流波形包含步階上斜坡脈沖，其中所述取樣短持續(xù)時間的步驟包含于每一脈沖開始時關閉第一開關以對第一電容器充電，其中所述取樣每一脈寬調制周期的長持續(xù)時間步驟包含在每一脈沖的持續(xù)時間內關閉第二開關以對第二電容器充電，并且其中所述取樣每一平均值的步驟包含關閉第三開關并且在每一脈沖結束時對第三電容器充電。
19.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述平均短取樣與長取樣的各自一些的步驟包含跨過一電阻性電壓差異接面提供短取樣與長取樣。
20.如權利要求15所述的方法，其特征在于，進一步包含感測流經(jīng)脈寬調制電源轉換器的開關裝置的電流，并且對其感測電流整流。
全文摘要
揭示一種用于平均一脈寬調制電源轉換器的分段線性開關電流波形的電流平均電路，其包含第一，第二與第三取樣與保持電路以及取樣平均電路。該第一取樣與保持電路對每一脈寬調制周期的一短持續(xù)時間內的電流波形進行取樣，并且提供對應的短取樣值。第二取樣與保持電路取樣每一脈寬調制周期的長持續(xù)時間并且提供對應的長取樣值。該取樣平均電路連接至該第一與第二取樣與保持電路，平均對應的短取樣值與長取樣值，并提供對應的平均值。第三取樣與保持電路取樣每一平均值并提供一電流平均信號。該波形可以包含代表開關電流的步階上斜坡電壓脈沖。該電流平均信號在每一電流脈沖之后更新。
文檔編號G05F1/12GK1734385SQ20051008821
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月26日 優(yōu)先權日2004年7月26日
發(fā)明者G·M·伍德, F·F·格林菲爾德 申請人:英特賽爾美國股份有限公司