CN100477460C - 具有电感电流检测功能的直流/直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，该直流/直流变换器包括一个开关、一个电感、两个分压器、一个电容和一个控制器。开关连接至输入电压。电感含有一个寄生直流电阻，用于将开关连接至直流/直流变换器的输出节点以在该输出节点上生成输出电压。第一分压器连接至输出节点以生成该输出电压的一个分压电压。第二分压器将开关接地。电容连接在两个分压器之间，通过检测该电容两端的电压可得知流经电感的电流大小。控制器连接至开关，控制开关开合，间歇地将输入电压传输给电感。

Description

具有电感电流检测功能的直流/直流变换器

相关申请

本申请之优先权基于名为“分压电感DCR电流检测”的美国临时专利申请，序列号60/720,754，2005年9月27日登记，其内容完全参照合并于此。

技术领域

本发明系关于电路之电源管理，具体为直流/直流变换器。

背景技术

直流/直流变换器在电子领域广泛用于将一个直流输入电压变换为一个预设大小(高于或低于此输入电压)的稳定直流输出电压。此类电路或器件一般使用半导体开关控制结构，效率很高，体积小，因此成为各种电子设备电源的重要组成部分。直流/直流变换器含有一个控制器，用于接收回馈信号(如电流和电压回馈信号)并将输出电压或电流调整至所需大小。

通常在直流/直流变换器中通过检测流经电感的电流来获取电流信息并将之用作电流回馈信号。检测流经电感的电流可以有多种方法，其中一种为使用检测电阻与输出电感串联来检测电流大小。流经该电阻的电流大小为该电阻两端电压除以其阻值。使用该方法无可避免地引起检测电阻上的功率损耗。

为提高效率，另一种检测电流的方法是使用电感器中的电感串联电阻作为电流检测元件，该电阻也叫作直流电阻(DCR)。该方法使用一个串联的电阻和电容，二者与电感并联。当电阻和电容的时间常数与电感和电感串联电阻的时间常数匹配时，流经电感的电流可以通过检测到的电容两端电压得到。

图1为当前技术之直流/直流变换器100。直流/直流变换器100为典型的降压变换器，使用电阻和电容网络117来检测流经电感106的电流。使用一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)连接到电感106以间歇地给电感106传输输入电压(Vin)，并将输出电压传输给负载130。电感106含有一个电感寄生DCR电阻108。在另一等同模型中，电感106与DCR电阻108串联，如图1所示。一个包括电阻112和114的分压器连接至直流/直流变换器100的输出电压上以生成分压电压。电阻和电容网络117包括电阻116和电容110，二者串联并与电感106和DCR电阻108并联。如图1所示，电阻116和电容110与电感106和电感寄生DCR电阻108并联以形成电阻和电容网络来检测流经电感106的电流。连接一个MOSFET 104至MOSFET 102，当MOSFET 102关闭时，该MOSFET104使电感106放电。直流/直流变换器100还包含一个控制器120，以下作详细描述。

控制器120有一个HDR引脚和一个LDR引脚，分别连接到MOSFET 102和104以开关这两个MOSFET。电容110的两端连接到控制器120的CSP引脚和CSN引脚使得控制器120可以检测或接收到电容110两端的电压。控制器120的FB引脚连接到电阻112和114之间的节点以接收回馈信号，即输出电压的分压。

本领域技术人员将理解，如果电感的时间常数与电阻和电容网络的时间常数匹配，电容110两端的电压即等于流经电感的电流乘以DCR电阻108的阻值，也就是说，方程(1)成立：

L/DCR＝R*C.........................................(1)

以上方程中L为电感106的电感量，DCR为电感DCR电阻108的阻值，R为电阻116的阻值，C为电容110的电容值。流经电感106的电流等于电容110两端电压除以DCR电阻108的阻值。DCR电阻108的阻值已知，电容110两端的电压可以通过控制器120的CSP和CSN引脚的输入来检测或度量。这样，控制器120可以检测流经电感106的电流并根据此电流信息来控制MOSFET 102和104。

然而，由于控制器120的CSN引脚上的电压等于直流/直流变换器100的输出电压，一旦输出电压较高，通过CSN引脚传输给控制器120的输出电压就可能损坏控制器120。

因此，需要有一种具有更好的电感电流检测功能的直流/直流变换器，本发明之主旨即为提供此种直流/直流变换器。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器。该直流/直流变换器包括一个开关，一个电感，两个分压器，一个电容和一个控制器。开关连接至输入电压。电感含有一个寄生直流电阻用于将开关连接至直流/直流变换器的输出节点以在输出节点生成输出电压。第一分压器连接至输出节点以生成一个输出电压的分压电压。第二分压器连接至开关并接地。电容连接在第一和第二分压器之间，通过检测电容两端电压可以计算流经电感的电流大小。控制器连接至开关并控制其开合，使得输入电压间歇地给电感供电。

附图说明

附图中类似部件使用类似数字编号，参照相应附图的详细描述，本发明之实施例的特性和优点显而易见。

图1为使用传统电感电流检测网络的当前技术之直流/直流变换器。

图2为使用本发明之实施例的直流/直流变换器，具有改进的电感电流检测网络。

图3为使用本发明之实施例的一种将直流输入电压变换为直流输出电压的方案流程图。

具体实施方式

以下将对本发明之实施例进行详细描述。需要理解的是，虽然对本发明的描述结合实施例进行，但本发明并不限于此中实施例。相反，在后附权利要求书所界定的本发明之精神和发明范围内，可以有多种变更、修改和等同物。

以下描述中涉及设计大量细节以便于理解。然而，本领域技术人员将发现，本发明在不使用此类细节时仍可实现。另外，为凸现本发明之主旨，熟知的方案、程序、元件和电路将不再赘述。

图2为使用本发明实施例的含有电感电流检测电路的直流/直流变换器200。直流/直流变换器200用于将一个输入电压变换为一个预设值大小的输出电压给负载230供电，它包括开关202和204，电感206，电容222，电阻212、214、216和218，电容210以及控制器220。开关202将直流/直流变换器200的输入电压(Vin)连接至电感206。开关204连接至开关202和电感206。开关202和204形成一个开关电路以接收输入电压并将其变换为预设值大小的输出电压。在本发明的一个实施例中，开关202和204为N型MOS晶体管。

本领域技术人员显然能够理解，在本发明的一个实施例中开关204可以是一个二极管。该二极管的阴极连接至开关202，阳极接地。在此实施例中，当开关202关闭时二极管将打开以提供一个放电路径。在本发明的另一实施例中，开关202和204为P型MOS晶体管。

电感206的一端连接至开关202，另一端连接至直流/直流变换器200的输出节点。电容222一端连接至直流/直流变换器200的输出节点，另一端接地。电感206和电容222形成一个低通滤波来平滑直流/直流变换器200的输出。

电感206含有一个寄生DCR电阻208。在电感206的另一等同模式中，电感206和寄生电阻208串联，如图2所示。

第一分压器包括电阻212和214，两个电阻串联，分压器连接至输出端以生成输出电压的分压电压。第二分压器包括电阻216和218，两个电阻串联，分压器连接至电感206和第一开关202。电容210连接在第一分压器和第二分压器之间，使得流经电感206的电流可以通过电容210计算出来，以下将详细描述。

在本发明的一个实施例中，控制器220为一个集成电路(IC)，包括一个HDR引脚，一个LDR引脚，一个CSP引脚以及一个CSN/FB引脚。控制器220的HDR引脚连接至开关202以控制其导通状态。开关202和电感206之间节点的平均电压将取决于开关202的平均导通时间。本发明的一个实施例中，可通过控制器220的HDR引脚传输一个脉宽调制(PWM)信号来将直流/直流变换器200的输出电压校准在预设值大小。控制器220的LDR引脚连接至开关204，当开关202不工作时，该引脚控制开关204工作。与之类似，可通过LDR引脚传输一个PWM控制信号给开关204。

在本发明的一个实施例中，使用一个第一PWM信号来使得开关202工作或失效，使用一个第二PWM信号来使得开关204工作或失效。第一PWM信号和第二PWM信号可互为反转信号，二者有一个短暂重叠失效期，以避免开关202和204同时工作。

图2中，控制器220的CSN/FB引脚连接至电阻212和214之间的节点。由于电阻212和214形成第一分压器并将输出电压连接至地，电阻212和214之间的节点上的信号与直流/直流变换器200的输出电压成正比，故可用作电压回馈信号。控制器220的CSN/FB引脚上的电压信号Vref可通过以下方程(2)计算：

Vref＝Vout*R₂₁₄/(R₂₁₂+R₂₁₄).....................................(2)

其中Vout为直流/直流变换器200的输出电压，R₂₁₂和R₂₁₄分别为电阻212和214的阻值。这样，控制器220可使用一个引脚实现两个功能，一个是获取电容210的压降信号，另一功能是获取分压回馈信号。控制器220的引脚数得以减少。

另外，开关202在开和关之间循环切换，直流输入电压间歇作用于电感206。在开关202和电感206之间的节点上生成一个方波电压。电容210连接在第一分压器(电阻212和214)和第二分压器(电阻216和218)之间。在本发明的一个实施例中，电阻216的阻值远远大于电阻212，电阻218的阻值远远大于电阻214，这样可以使得引入控制器220的CSN/FB引脚的方波电压降至最小，并使得CSN/FB引脚上接收到的信号尽可能稳定。“远远大于”意为100倍以上。在本发明的一个实施例中，电阻216的阻值比电阻212大几百倍，电阻218的阻值比电阻214大几百倍。

如上已述，电容210连接在第一和第二分压器之间。控制器220的CSP引脚和CSN/FB引脚分别连接至电容210的两端。电容210的两端电压可以由控制器220来检测或度量。为检测和度量流经电感206的电流，电感206和DCR电阻208的时间常数必须与电阻电容(RC)网络的时间常数匹配。电感206的电感量为L，电阻208的阻值为DCR，则电感206的时间常数应为L/DCR。RC网络包括电阻212、214、216和218以及电容210，如图2所示。如上已述，电阻212和214的阻值分别远远小于电阻216和218的阻值。计算RC网络的时间常数时，电阻212和214的阻值可忽略不计。RC网络的时间常数值可根据以下方程(3)计算：

T_RC＝R₂₁₆/R₂₁₈*C＝R₂₁₆*R₂₁₈/(R₂₁₆+R₂₁₈)*C........................(3)

其中T_RC为RC网络的时间常数，C为电容210的电容值，R₂₁₆和R₂₁₈分别为电阻216和218的阻值。当RC网络的时间常数等于电感206的时间常数时，即T_RC等于L/R_DCR时，DCR电阻208两端的电压即等于电容210两端电压，而电容210两端电压可以由控制器220来检测。这样，流经电感206的电流大小就可度量或计算得出。

另外，本领域技术人员显然理解，电阻212、214、216和218的阻值满足以下方程(4)：

R₂₁₈/(R₂₁₆+R₂₁₈)＝R₂₁₄/(R₂₁₂+R₂₁₄)............................(4)

其中R₂₁₂、R₂₁₄、R₂₁₆和R₂₁₈分别为电阻212、214、216和218的阻值。这样，第一分压器和第二分压器的分压比例相等。

控制器220根据CSP和CSN/FB引脚上接收到的信号来控制开关202和204工作或失效。在本发明的一个实施例中，传输一个第一PWM信号给开关202使其间歇工作，传输一个第二PWM信号给开关204，第二PWM信号为第一PWM信号的反转信号。根据CSP和CSN/FB引脚上接收到的信号可适当调整第一PWM信号的脉冲占空因数。这样，控制器220可将直流/直流变换器200的输出电压控制在预设值大小。

与图1之直流/直流变换器100相比，控制器220的CSN/FB引脚上的电压按比例缩小为Vout/(R1+R2)*R2，而非输出电压Vout的原始大小。也就是说，在控制器220的CSN/FB引脚接收到的电压保持在一个较低值的同时，输出电压的范围可以延伸至较高电压。而且控制器220的CSN/FB引脚上接收到的电压与直流/直流变换器200的输出电压成正比，可将此电压信号用作回馈电压信号。控制器220的引脚数得以减少。

需要说明的是，本发明之精神可用于任何类型的降压或升压直流/直流变换器，而且也可用于其它类型的电源变换器。

图3为将直流输入电压变换为预设值大小的直流输出电压的一种方案。如图3所示，步骤310中，连接一个第一开关至直流输入电压，并连接一个电感至第一开关以在电感的输出端输出一个预设值大小的直流输出电压。

步骤312中，第一开关在开和关之间循环切换以将直流输入电压间断地传输给电感。连接一个输出电容至电感以减小输出端的纹波电压。使用一个第二开关将第一开关接地。当第一开关不工作或断开时，第二开关工作或导通，以提供放电路径。在本发明的一个实施例中，使用一个第一PWM信号控制第一开关，使用一个第二PWM信号控制第二开关，第二PWM信号为第一PWM信号的反转信号。第一PWM信号的脉冲占空因数可变，以调整输出电压的平均电压。

步骤314中，连接一个第一分压器在输出端和地之间，第一分压器包括第一和第二电阻，两电阻串联。在第一和第二电阻之间的节点生成一个与输出端电压成正比的电压信号用作回馈电压信号。

步骤316中，连接一个第二分压器在电感和地之间，第二分压器包括第三和第四电阻，两电阻串联。在第一和第二分压器之间连接一个电容。电容的一端连接至第一和第二电阻，另一端连接至第三和第四电阻。本领域技术人员显然能理解，第一和第二电阻阻值分别远远小于第三和第四电阻阻值。第三和第四电阻阻值比等于第一和第二电阻的阻值比。当电感(其中含有一个固有寄生DCR电阻)的时间常数与电容和第三以及第四电阻的时间常数匹配或相等时，电容两端电压即等于流经电感的电流乘以寄生DCR电阻的阻值。这样，电容两端的电压可以检测到，并用作电流回馈信号。

步骤318中，将电压回馈信号和电流回馈信号反馈给第一PWM信号以进一步控制第一开关，使得输出端生成的直流输出电压精确保持在预设值大小。本领域技术人员显然理解，可使用一个控制器来接收电压回馈信号和电流回馈信号并控制第一和第二开关。

以上描述和附图仅为本发明之常见实施例，在不背离后附权利要求书所界定的本发明原则之精神和范围的前提下，可能存在多种增补、修改和替代。本领域技术人员将发现，不背离本发明原则的前提下，根据具体环境和操作要求，本发明可以在形式、结构、安排、比例、材料、要素、元件及其它诸多方面有所修改。故在此公开之实施例仅为说明性，而非限制性，本发明之范围并不限于此前之描述，而由后附权利要求及其合法等同物来界定。

Claims (19)

1.一种用于将输入电压变换为输出节点上预设值大小的输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，包括：

一个用于接收输入电压的第一开关；

一个电感，该电感将上述第一开关连接至直流/直流变换器的输出节点以便于在输出节点生成输出电压；

一个第一分压器，连接至输出节点以生成分压电压；

一个第二分压器，连接在位于所述第一开关和所述电感之间的节点和地之间；

一个电容，连接在第一分压器的生成分压电压的节点和第二分压器的生成分压电压的节点之间，通过检测该电容两端的电压可得知流经上述电感的电流大小；

一个控制器，连接至上述第一开关以控制开关开合，使得输入电压间歇地给上述电感供电并将输出电压保持在预设值大小。

2.如权利要求1所述之直流/直流变换器，其特征在于，所述控制器可接收输出电压的分压电压，该分压电压可作为所述输出电压给所述控制器的回馈信号。

3.如权利要求2所述之直流/直流变换器，其特征在于，所述控制器可检测所述电容两端的电压并由此得知流经所述电感的电流大小。

4.如权利要求3所述之直流/直流变换器，其特征在于，所述控制器可生成一个PWM信号使得所述第一开关工作或失效。

5.如权利要求1所述之直流/直流变换器，其特征在于，还包括一个第二开关将第一开关和电感接地以提供放电路径。

6.如权利要求5所述之直流/直流变换器，其特征在于，所述控制器连接至所述第二开关使得第二开关工作或失效。

7.如权利要求6所述之直流/直流变换器，其特征在于，所述控制器可生成一个第二PWM信号以控制第二开关工作。

8.如权利要求1所述之直流/直流变换器，其特征在于，所述第一分压器还包括：

一个第一电阻，连接至所述直流/直流变换器的输出节点；

一个第二电阻，将第一电阻接地。

9.如权利要求8所述之直流/直流变换器，其特征在于，所述第二分压器包括：

一个第三电阻，连接至所述第一开关和所述电感之间的节点，其阻值远大于第一电阻阻值；

一个第四电阻，将第三电阻接地，其阻值远大于第二电阻阻值。

10.如权利要求9所述之直流/直流变换器，其特征在于，所述第三和第四电阻分压比等于第一和第二电阻的分压比。

11.如权利要求1所述之直流/直流变换器，其特征在于，还包括：

一个输出电容，连接至所述直流/直流变换器的输出节点，以减小输出节点的纹波电压。

12.一种将直流输入电压变换为输出端的预设值大小的直流输出电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在第一开关接收直流输入电压；

控制第一开关间歇地将输入电压提供给电感以生成直流输出电压；

在连接到输出端的第一分压器上生成一个电压回馈信号，该电压回馈信号与输出端电压成正比；

在连接在第一分压器的生成分压电压的节点和一个第二分压器的生成分压电压的节点之间的电容上生成一个电流回馈信号，所述第二分压器连接至所述第一开关和所述电感之间的节点，电流回馈信号与流经电感的电流成正比；

接收所述电压回馈信号和电流回馈信号，使得在所述控制第一开关的步骤中调整直流输出电压使其保持在预设值大小。

13.如权利要求12所述之方法，其特征在于，还包括以下步骤：

使用一个连接至输出端的输出电容以减小输出端纹波电压。

14.如权利要求12所述之方法，其特征在于，所述控制第一开关的步骤还包括以下步骤：

使用一个PWM信号控制所述第一开关。

15.如权利要求12所述之方法，其特征在于，还包括以下步骤：

使用一个第二开关将第一开关接地，以提供放电路径。

16.如权利要求12所述之方法，其特征在于，所述电感的时间常数与电容和第二分压器的时间常数相等。

17.如权利要求16所述之方法，其特征在于，所述第一分压器包括一个连接至输出端的第一电阻和一个第二电阻，该第二电阻将第一电阻接地以便于在第一和第二电阻之间的节点生成所述电压回馈信号。

18.如权利要求17所述之方法，其特征在于，所述第二分压器包括一个连接至电感的第三电阻和一个将第三电阻接地的第四电阻，所述电容连接至上述第一、第二、第三和第四电阻，所述电流回馈信号为该电容两端的电压。

19.如权利要求18所述之方法，其特征在于，所述第三和第四电阻阻值比例等于第一和第二电阻阻值比例。

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