專利名稱：測定dc-dc轉(zhuǎn)換器的平均輸出電流的制作方法
技術(shù)領域：

本發(fā)明的主題涉及電源電路，更具體地講，涉及用于測定感應DC-DC轉(zhuǎn)換器中平均輸出電流的電路和方法。

背景技術(shù)：

在某些應用中，希望精確測定基于電感的DC-DC轉(zhuǎn)換器的平均輸出電流，以便利用該信息將輸出電流限制在安全水平，或者在達到某個輸出電流水平時使轉(zhuǎn)換器停止工作，以保存電池壽命。

例如，在USB-ON-THE-GO應用中，便攜式轉(zhuǎn)換器可以利用較低電壓鋰電池向外部連接器提供調(diào)整的5V升壓電壓。由于轉(zhuǎn)換器的輸出通過連接器受到外部設備的影響，轉(zhuǎn)換器可能經(jīng)受故障情況，如對地的短路。因此，有必要限制所述轉(zhuǎn)換器的輸出電流或使它不起作用，以保存電池壽命。

另外，希望相當精確地測量平均輸出電流，以便轉(zhuǎn)換器可以總是輸送最小所需電流，而不是由于不太精確的電流測量技術(shù)在明顯高于必需水平產(chǎn)生的電流。例如，可能需要轉(zhuǎn)換器輸送USB-ON-THE-GO規(guī)定所要求的500mA最小量電流。

另外，按照傳統(tǒng)技術(shù)，采用電流感測電阻可以直接感測輸出電流。不過，傳統(tǒng)的電流感測電阻具有很大的尺寸。因此，它占據(jù)電路板的較大空間，增加了轉(zhuǎn)換器的成本，并且造成相當大的功率損耗。相應地，希望不使用電流感測電阻來測定輸出電流。


發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓的轉(zhuǎn)換電路包括用于接納輸入電壓的輸入端。電源開關(guān)元件連接至輸入端，并且具有占空度d，利用表示可連接至電源開關(guān)元件的電感元件中電流的電感電流，可控制地調(diào)節(jié)相對于理想水平的輸出電壓。平均保持電路響應電源開關(guān)元件輸出端的電壓，以在電源開關(guān)元件的切換循環(huán)的ON階段期間產(chǎn)生平均開關(guān)電壓。電壓-電流轉(zhuǎn)換器響應平均開關(guān)電壓，用于經(jīng)由電源開關(guān)元件的一個或多個切換循環(huán)產(chǎn)生平均電感電流的表示。具有占空度等于1-d的電流調(diào)制器調(diào)制平均電感電流的表示，以便經(jīng)由電源開關(guān)元件的一個或多個切換循環(huán)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換電路的平均輸出電流成比例的信號。

例如，轉(zhuǎn)換電路可以是升壓轉(zhuǎn)換器，它產(chǎn)生超過輸入電壓的輸出電壓。

按照本發(fā)明的另一方面，電源開關(guān)元件的電阻，而不是電流感測電阻，可用于測定電感電流。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，平均保持電路可以包括第一開關(guān)元件，與電源開關(guān)元件同相運行。電阻-電容(RC)電路可以連接至第一開關(guān)元件的輸出。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電壓-電流轉(zhuǎn)換器可以包括感測開關(guān)元件，連接至輸入端，并且具有與電源開關(guān)元件的電阻成比例的電阻。運算放大器可具有第一輸入，響應平均開關(guān)電壓，和第二輸入，連接至感測開關(guān)元件。驅(qū)動器可以連接至運算放大器的輸出，用于向感測開關(guān)元件提供運算放大器的輸出信號。

電流調(diào)制器可以包括第二開關(guān)元件，它具有輸入，響應平均電感電流的表示，和輸出，用于產(chǎn)生與平均輸出電流成比例的信號。第二開關(guān)元件的輸入可以在電源開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)時連接輸出，或者在電源開關(guān)元件處于連通狀態(tài)時接地。

電流鏡電路可以連接在電壓-電流轉(zhuǎn)換器和電流調(diào)制器之間。

根據(jù)本發(fā)明的方法，執(zhí)行下述步驟，以測定轉(zhuǎn)換電路的平均輸出電流，所述轉(zhuǎn)換電路用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓，并且具有電源開關(guān)元件可連接電感元件 -經(jīng)由電源開關(guān)元件的開關(guān)循環(huán)的ON階段，在電源開關(guān)元件的輸出產(chǎn)生電壓的平均值， -將電壓的平均值轉(zhuǎn)換成平均電感電流的表示，所述電感電流可以利用電源開關(guān)元件的電阻來測定，和 -通過等于1-d的占空度來調(diào)制平均電感電流的表示，其中，d是電源開關(guān)元件的占空度，以產(chǎn)生表示平均輸出電流的信號。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于產(chǎn)生DC輸出電壓來響應DC輸入電壓的轉(zhuǎn)換器包括電源開關(guān)元件，它具有占空度d，利用表示可連接至電源開關(guān)元件的電感元件中電流的電感電流，可控制地產(chǎn)生理想水平的輸出電壓，和電流測定電路，用于測定轉(zhuǎn)換器的平均輸出電流。電流測定電路可以包括電流發(fā)生器，用于產(chǎn)生平均電流信號，表示經(jīng)由電源開關(guān)元件的切換循環(huán)的ON階段的電感電流平均值，和輸出開關(guān)元件，響應平均電流信號，以產(chǎn)生表示平均輸出電流的信號。輸出轉(zhuǎn)換電路可具有等于1-d的占空度。

電流發(fā)生器可以包括平均保持電路，響應電源開關(guān)元件輸出端的電壓，用于在電源開關(guān)元件的切換循環(huán)的ON階段產(chǎn)生平均開關(guān)電壓。

另外，電流發(fā)生器可以包括電壓-電流轉(zhuǎn)換器，響應平均開關(guān)電壓，用于產(chǎn)生平均電流信號。由于電源開關(guān)元件的電阻用于測定電感電流，電壓-電流轉(zhuǎn)換器可以包括感測開關(guān)元件，它具有表示電源開關(guān)元件電阻的電阻。

通過以下說明本領域技術(shù)人員可以方便地理解本發(fā)明的其他優(yōu)點和方面，其中，本發(fā)明的實施例僅以說明實施本發(fā)明最佳方式的形式示出和描述。正如將要披露的，本發(fā)明可以采用其他和不同的實施例，并且在各個明顯的方面可以對它的若干細節(jié)進行改進，這些改進不超出本發(fā)明的構(gòu)思。因此，附圖和說明書被視為說明性質(zhì)的，而不是限定性的。




本發(fā)明實施例的以下詳細說明在結(jié)合以下附圖閱讀時能得到最好的理解，其中，特征不一定是按比例繪制的，而是以最好示出相關(guān)特征的形式繪制，其中
圖1示意性地示出本發(fā)明的示例性DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。

圖2示出本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器中電感電流的示例性波形。

具體實施例方式
本發(fā)明將使用升壓轉(zhuǎn)換器中的電流測定電路為例進行說明。不過，顯而易見，本發(fā)明的構(gòu)思可適用于測定任何DC-DC轉(zhuǎn)換器中的平均輸出電流。

如圖1所示，本發(fā)明的示例性升壓轉(zhuǎn)換器10包括輸入節(jié)點VIN，用于接收輸入電壓，和輸出節(jié)點VOUT，用于產(chǎn)生相對于輸入電壓升壓的調(diào)整輸出電壓。電源開關(guān)可以是場效應晶體管(FET)開關(guān)，利用NMOS晶體管MN1實現(xiàn)，具有通過脈沖寬度調(diào)制(FWM)發(fā)生器12控制的柵極，它產(chǎn)生PWM信號SWON，用于控制電源開關(guān)MN1的占空度d，以便相對于希望水平調(diào)節(jié)輸出電壓。

電感L1，二極管D1和電容C1連接在輸入節(jié)點VIN和輸出節(jié)點VOUT之間，以向輸出節(jié)點輸電。所述元件可以在升壓轉(zhuǎn)換器芯片的外部。另外，它們可以設置在芯片上。相對于電源開關(guān)MN1可異相切換的PMOS晶體管可用于替換二極管D1。PMOS晶體管可以安置在升壓轉(zhuǎn)換器芯片上，或者可以設置在芯片外部。

在時間段ton期間(圖2)，當電源開關(guān)MN1處于連通狀態(tài)，即閉合時，輸入電壓VIN施加在電感L1上，而二極管D1防止電容C1將VOUT放電到大地。由于輸入電壓是DC電壓，通過電感L1的電流隨時間線性上升，上升的速率與輸入電壓除以電感L1的電感成正比。在時間段toff期間(圖2)，當電源開關(guān)MN1處于斷開狀態(tài)，即打開時，電感電流流過二極管D1以向輸出節(jié)點VOUT充電。在時間段toff期間(圖2)，電感電流的斜率倒置，并且電感電流下降。在穩(wěn)態(tài)工作時，電感電流在起始，結(jié)束，和每個切換循環(huán)的每個相應點相等。

因此，在穩(wěn)態(tài)工作條件下，流過電感L1的電流在電源開關(guān)的整個切換循環(huán)期間具有三角形波形。因此，在上升期間電感電流的平均值等于在其下降期間電感電流的平均值。升壓轉(zhuǎn)換器10可以在連續(xù)導電模式下工作，并且它的電感電流總是正的，即電流總是流入負載。

正如下面更詳細地討論的，升壓轉(zhuǎn)換器10的布局具有以下形式，在上升期間的電感電流平均值等于在其下降期間的電感電流平均值。升壓轉(zhuǎn)換器10可以使用電源開關(guān)MN1的導通電阻來檢測電感電流，和獨特的定相技術(shù)發(fā)送輸出電流的表示到精確感測電阻。

具體地講，升壓轉(zhuǎn)換器10可以包括平均保持電路，連接到FET電源開關(guān)MN1的漏極，并且由開關(guān)S1、電阻R1和電容C2組成。由通過PWM發(fā)生器12產(chǎn)生的SWON信號控制的開關(guān)S1，與電源開關(guān)MN1同相工作。在電源開關(guān)MN1連通的時間期間，平均保持電路感測MN1漏極上的電壓。由于開關(guān)S1只有在MN1連通時連通，MN1的輸出端產(chǎn)生的開關(guān)電壓在其值為高時，即輸電至輸出節(jié)點VOUT時被抑制。因此，保持電容C2上的電壓表示在電源開關(guān)連通期間的平均電感電流乘以MN1連通時電源開關(guān)MN1的電阻。因此，在平均保持電路的輸出形成了電源開關(guān)MN1的切換循環(huán)的ON階段期間的平均開關(guān)電壓。

另外，升壓轉(zhuǎn)換器10包括電壓-電流轉(zhuǎn)換器，響應平均保持電路輸出端的平均開關(guān)電壓，用于產(chǎn)生電源開關(guān)MN1的一個或多個切換循環(huán)期間平均電感電流的表示。電壓-電流轉(zhuǎn)換器可以包括漏極匹配伺服放大器，和電流感測元件。漏極匹配伺服放大器可以由運算放大器A1和NMOS晶體管MN2組成。電流感測元件可以用NMOS晶體管MN3實現(xiàn)。NMOS晶體管MN3的柵極優(yōu)選連接至MN1連通時等于電源開關(guān)MN1的門電壓的電壓。運算放大器A1的非反相輸入可以連接到平均保持電路的輸出，而A1的反相輸入可以連接到與MN2的源極連接的MN3的漏極。A1的輸出可以連接到MN2的柵極。

晶體管MN3可被設置具有電阻，精確表示晶體管MN1的電阻。所述結(jié)構(gòu)使得利用電源開關(guān)MN1的電阻測定電感電流成為可能，而不需要額外的電流感測電阻。具體地講，晶體管MN3可以是MN1的比例形式，設置使得流過MN3的電流等于MN1連通時流過MN1的電流的精確部分。例如，MN3可被設計成具有5,000倍的MN1電阻。晶體管MN1和MN3可以裝配在相同的芯片上，并且可以具有相同的門電位。因此，它們的電流之間的比例可以精確控制。

漏極匹配伺服放大器將平均保持電路輸出端的電壓施加在MN3的漏極。流入MN3和MN2的電流是電源開關(guān)MN1接通時經(jīng)過一段時間平均的電感L1中電流的比例復制。如上所述，電感電流具有三角形波形。因此，晶體管MN2漏極的電流直接與電源開關(guān)MN1的一個或多個切換循環(huán)的平均電感電流成比例。

MN2的漏極可以連接到精確電流鏡14，它反映MN2向下接地的電流。電流鏡14可以提供由電壓-電流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電感電流的額外按比例增加或按比例減小。

由于平均保持電路在開關(guān)輸出端的信號的過濾，放大器A1可以在整個切換循環(huán)中保持閉合回路，并因此只響應低于RC電路截止頻率的頻率分量，所述RC電路由電阻R1和電容C2組成。因此，來自MN2漏極的電流接近于DC信號，具有非常低含量的切換頻率分量。因此，電流鏡14還在其輸出產(chǎn)生接近DC的信號。

電流鏡14的輸出連接到電流調(diào)制器，它具有等于1-d的占空度，其中是電源開關(guān)MN1的占空度。電流調(diào)制器可以用單刀雙擲開關(guān)S2實現(xiàn)，通過相對于由PWM發(fā)生器12產(chǎn)生的信號SWON而倒置的信號控制。該開關(guān)控制來自電流鏡14的輸出的電流流向限流編程引腳CLPROG或接地。具體地講，當電源開關(guān)MN1斷開時，開關(guān)S2受控使電流鏡14的輸出連接到CLPROG引腳。當電源開關(guān)MN1接通時，開關(guān)S2受控使電流鏡14的輸出接地。因此，開關(guān)S2相對于電源開關(guān)MN1呈180°異相工作，并且它的占空度等于1-d。

由于在上升時期電感電流的平均值精確等于在其下降時期的平均值，輸送到CLPROG引腳的平均電流是輸送到輸出節(jié)點VOUT的平均電流的精確部分。因此，由開關(guān)S2提供的定相允許平均電感電流的表示轉(zhuǎn)換成輸出負載電流的表示。

CLPROG引腳使得用戶能夠精確測定升壓轉(zhuǎn)換器10的平均輸出電流，并且根據(jù)該值進行希望的操作。例如，在CLPROG引腳測定的平均輸出電流值可用于提供可編程輸出電流限制或線性并連續(xù)地調(diào)制輸出功率。

電阻R2可以連接到CLPROG引腳，以產(chǎn)生與輸送到CLPROG引腳的平均輸出電流成比例的理想電壓值。由開關(guān)S2提供的電流是脈動的。平均電容C3可以連接到CLPROG引腳，以便過濾電流并且使CLPROG電壓基本上為DC信號。電阻R2和電容C3可以是外設部件，由用戶選擇，以定義用于測定本發(fā)明平均輸出電流的電路的靈敏度和精確性。在某些切換USB電源設備(power pathdevice)中，外設電阻-電容組合用于設定輸入電流極限。所述部件還可用作電阻R2和電容C3，以控制平均輸出電流。

以上說明示出和披露了本發(fā)明的各個方面。另外，本文所示出和披露的僅僅是優(yōu)選實施例，但是如上所述，應當理解，本發(fā)明能夠使用在各種其他組合，改進，和環(huán)境中，并且能夠在本文所述的本發(fā)明構(gòu)思范圍內(nèi)進行改變或改進，與上述教導，和/或相關(guān)領域的技能或知識相稱。

上述實施例還可用于解釋已知實施本發(fā)明的最佳方式，并且使得本領域其他技術(shù)人員能夠?qū)⒈景l(fā)明應用在上述或其他實施例中，并且根據(jù)本發(fā)明的具體應用或使用的要求進行各種改進。

因此，本說明書不是用于將本發(fā)明局限于本文所披露的形式。另外，應當指出，所附權(quán)利要求書被視為包括替代實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓的轉(zhuǎn)換電路，包括
輸入端，用于接收輸入電壓，
電源開關(guān)元件，連接輸入端，并且具有占空度d，利用表示可連接至電源開關(guān)元件的電感元件中電流的電感電流，可控制地調(diào)節(jié)相對于希望水平的輸出電壓，
平均保持電路，響應電源開關(guān)元件輸出端的電壓，以在電源開關(guān)元件的切換循環(huán)的ON階段產(chǎn)生平均開關(guān)電壓；
電壓-電流轉(zhuǎn)換器，響應平均開關(guān)電壓，用于在電源開關(guān)元件的一個或多個切換循環(huán)產(chǎn)生平均電感電流的表示；和
電流調(diào)制器，具有等于1-d的占空度，用于調(diào)制平均電感電流的表示，以產(chǎn)生一信號，與經(jīng)由電源開關(guān)元件的一個或多個切換循環(huán)的轉(zhuǎn)換電路的平均輸出電流成比例。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，輸出電壓超過輸入電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，電源開關(guān)元件的電阻用于測定電感電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，平均保持電路包括第一開關(guān)元件，與電源開關(guān)元件同相運行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，平均保持電路還包括電阻-電容(RC)電路，連接至第一開關(guān)元件的輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，電壓-電流轉(zhuǎn)換器包括感測開關(guān)元件，具有與電源開關(guān)元件的電阻成比例的電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，電壓-電流轉(zhuǎn)換器還包括運算放大器，具有第一輸入，響應平均開關(guān)電壓，和第二輸入，連接至感測開關(guān)元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，電壓-電流轉(zhuǎn)換器還包括驅(qū)動器，連接至運算放大器的輸出，用于將運算放大器的輸出信號提供給感測開關(guān)元件，并且傳送感測開關(guān)元件中的電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，電流調(diào)制器包括第二開關(guān)元件，具有輸入，響應平均電感電流的表示，和輸出，用于產(chǎn)生與平均輸出電流成比例的信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，當電源開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)時，第二開關(guān)元件的輸入連接至輸出。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)換電路，其中，當電源開關(guān)元件處于接通狀態(tài)時，第二開關(guān)元件的輸入接地。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換電路，還包括電流鏡電路，連接在電壓-電流轉(zhuǎn)換器和電流調(diào)制器之間。
13.一種用于測定轉(zhuǎn)換電路中平均輸出電流的方法，所述電路用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓，并且具有可連接至電感元件的電源開關(guān)元件，所述方法包括以下步驟
在電源開關(guān)元件的切換循環(huán)的ON階段產(chǎn)生電源開關(guān)元件輸出端電壓的平均值，
將電壓的平均值轉(zhuǎn)換成平均電感電流的表示，和
通過等于1-d的占空度調(diào)制平均電感電流，其中d是電源開關(guān)元件的占空度，以產(chǎn)生表示平均輸出電流的信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，電感電流利用電源開關(guān)元件的電阻測定。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，輸出電壓是超過輸入電壓的調(diào)整電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，電源開關(guān)元件的占空度受控以調(diào)制輸出電壓。
17.一種用于產(chǎn)生DC輸出電壓來響應DC輸入電壓的轉(zhuǎn)換器，包括
電源開關(guān)元件，具有占空度d，利用表示可連接至電源開關(guān)元件的電感元件中電流的電感電流，可控制地產(chǎn)生所需水平的輸出電壓，和
電流測定電路，用于測定轉(zhuǎn)換器的平均輸出電流，所述電流測定電路包括
電流發(fā)生器，用于產(chǎn)生平均電流信號，表示在電源開關(guān)元件的切換循環(huán)的ON階段的電感電流平均值，和
輸出開關(guān)元件，響應平均電流信號，用于產(chǎn)生表示平均輸出電流的信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)換器，其中，輸出轉(zhuǎn)換電路具有的占空度等于1-d。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)換器，其中，電源開關(guān)元件的電阻用于測定電感電流。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)換器，其中，電流發(fā)生器包括平均保持電路，響應電源開關(guān)元件輸出端的電壓，用于在電源開關(guān)元件的切換循環(huán)的ON階段產(chǎn)生平均開關(guān)電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的轉(zhuǎn)換器，其中，平均保持電路包括平均開關(guān)元件，響應電源開關(guān)元件的輸出，并且與電源開關(guān)元件同相工作。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的轉(zhuǎn)換器，其中，平均保持電路還包括RC電路，連接至平均開關(guān)元件的輸出。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的轉(zhuǎn)換器，其中，電流發(fā)生器還包括
電壓-電流轉(zhuǎn)換器，響應平均開關(guān)電壓，用于產(chǎn)生平均電流信號。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，其中，電壓-電流轉(zhuǎn)換器包括感測開關(guān)元件，具有表示電源開關(guān)元件電阻的電阻。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)換器，其中，在電源開關(guān)元件的切換循環(huán)的OFF階段期間保持平均值。
全文摘要
一種用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓的轉(zhuǎn)換電路，具有用于接收輸入電壓的輸入端。電源開關(guān)元件連接輸入端，并且具有占空度d，利用表示可連接至電源開關(guān)元件的電感元件中電流的電感電流，可控制地相對于理想水平調(diào)節(jié)輸出電壓。平均保持電路響應電源開關(guān)元件輸出端的電壓，以在電源開關(guān)元件的切換循環(huán)的ON階段產(chǎn)生平均開關(guān)電壓。電壓-電流轉(zhuǎn)換器響應平均開關(guān)電壓，用于經(jīng)由一個或多個切換循環(huán)產(chǎn)生平均電感電流的表示。具有占空度等于1-d的電流調(diào)制器調(diào)制平均電感電流的表示，以經(jīng)由一個或多個切換循環(huán)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換電路的平均輸出電流成比例的信號。
文檔編號H02M3/315GK101286704SQ20071019514
公開日2008年10月15日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者S·L·馬汀 申請人:凌特公司