專利名稱：用于改進dc/dc調壓器的電感器電流檢測準確度的系統和方法
用于改進DC/DC調壓器的電感器電流檢測準確度的系統和
方法 有關申請的交叉參照本申請要求2007 年 12 月 6 日提交的題為 “METHOD FOR IMPROVINGDCR CURRENT SENSING ACCURACY”的美國臨時專利申請60/992，817的權益，其全部內容引用在此作為參考。

發(fā)明內容
如本文所揭示和所描述的那樣，本發(fā)明包括一種DC/DC電壓轉換器。該電壓轉換 器包括至少一個開關晶體管以及連接到該至少一個開關晶體管的電感器。脈沖寬度調制電 路響應于電流控制信號，向該至少一個開關晶體管產生控制信號。與電感器并聯連接的電 流傳感器檢測流過電感器的電流。該傳感器包括電阻器以及與該電阻器串聯連接的NTC電 容器。一個電路監(jiān)控該NTC電容器兩端的電壓，并且響應于所監(jiān)控的電壓來產生電流控制 信號。


為了更完整地理解，現在參照下面的描述并結合附圖，其中圖1是一種DC/DC轉換器的簡化示意圖；圖2示出了與電感器并聯的電流傳感器；圖3a和3b示出了檢測的電流、電感器電流以及圖2所示電路的輸出波形；圖4示出了 NTC電容器的負溫度系數；以及圖5示出了集總的(Iumped)DCR電感器、使用NTC電容器的電流傳感器以及不使 用NTC電容器的電流傳感器的電流波形。
具體實施例方式現在參照附圖，使用相同的標號來指代相同的元件，示出和描述了通過dc/dc調 壓器的電感器改進電流檢測準確度的系統和方法的各種視圖和實施方式，也描述了其它可 能的實施方式。不必定按比例繪制附圖，在一些實例中，僅僅為便于示出而夸大和/或簡化 了附圖。本領域普通技術人員應該理解，許多可能的應用和變體均基于下述可能的實施方 式的示例。在功率轉換器設計中，電流檢測電路檢測流過功率轉換器的輸出電感器的電流， 以便于各種用途。像電流模式控制、過電流保護、電流共享和電流監(jiān)控等用途都需要通過電 流檢測電路來準確地檢測流過電感器的電流。用于測量功率轉換器的電感器電流的現有方 案都具有其各種優(yōu)點和缺點。這些方法中的一些包括使用與輸出電感器串聯的電流檢測 電阻器，以實時地提供準確的電流信號，其成本較高且效率較低。也可以在功率轉換器的高 側FET漏極上安裝檢測電阻器。然而，該電流在高側FET “截止”階段變?yōu)榱惴兀沟煤?難獲得準確的“循環(huán)到循環(huán)”的電流信息。另一個方法包括使用無損RC電路，該電路與電感器和電感器的“集總的”DCR(DC電阻)并聯放置。該方法利用了這些電路各自的時間常 數，以通過檢測電容器兩端的電壓降來“拉動”電容器電流信息?，F在參照圖1，圖中示出了 DC/DC轉換器102的簡化示意圖。該電路相似于美國專 利5，982，160所揭示的電路，該專利引用在此作為參考。DC/DC轉換器102將節(jié)點104處的 受控電壓Vott提供給負載106。DC/DC轉換器102包括一對開關晶體管，這對開關晶體管包 括連接成接收源極電壓Vin的高側開關108和低側開關110。其它實施方式中的DC/DC轉 換器102可以僅包括高側開關108，在低側開關110的位置處替換上一個二極管。另外，盡 管示出了 MOSFET晶體管，但是也可以使用其它半導體開關，正如本領域普通技術人員所理 解的那樣。DC/DC轉換器另外包括過載檢測電路144，該電路使用來自電流傳感器136的檢 測的電流信號來防止過載。
提供高側開關晶體管108和低側開關晶體管110，控制信號來自脈沖寬度調制控 制電路112。響應于通過電感器114而監(jiān)控的電流，脈沖寬度調制控制電路112產生用于高 側開關108和低側開關110的一系列脈沖寬度調制的控制脈沖，以調節(jié)耦合到負載106的 輸出電壓VQUT。將輸出電感器Lqut 114連接到在高側開關108和低側開關110之間的節(jié)點 116處的DC/DC轉換器102的相位節(jié)點。將電感器114連接在相位節(jié)點116和輸出電壓節(jié) 點104之間。將二極管118連接在節(jié)點116和地之間。輸出電容Cqut 120與負載106并聯 地連接在輸出電壓節(jié)點104和地之間。調壓環(huán)路122通過電阻分壓器提供來自輸出節(jié)點Vtm的反饋電壓，該電阻分壓器 由電阻器124和電阻器126構成，電阻器124和電阻器126串聯連接在節(jié)點104和地之間。 輸出電壓反饋信號處理單元128監(jiān)控來自節(jié)點130處的分壓電路的輸出電壓。輸出電壓反 饋信號處理器128將反饋電壓信號提供給比較器132的反相輸入。電流控制環(huán)路134將輸入提供給比較器132的非反相輸入。電流控制環(huán)路134包 括電流傳感器136，電流傳感器136與輸出電感器114并聯連接以檢測流過電感器114的電 流。電流傳感器136包括串聯連接在一起的電阻器Res 138和NTC電容器140。響應于通 過電感器114的檢測的電流，電流傳感器136通過電感器電流處理電路142將電流控制信 號返回給PWM控制電路112，以幫助控制功率開關108和110。在實踐中，所有的電感器都包括由導線(比如銅)圍繞著磁性材料或空氣而構成 的繞組。這種導線具有單位長度電阻，這種單位長度電阻導致一種分布電阻，可以測量這種 分布電阻作為電感器的DC電阻(DCR)。如圖2所示，實用的電感器的相當好的模型將分布 繞組電阻集總成單個元件DCR，該單個元件DCR與理想的電感L串聯在一起。相應地，根據 方程τ i = L/DCR，可以使DC/DC轉換器102的輸出電感器Lqut 114模型化成具有純電感L 和用于定義第一時間常數hWDCR。在一個實施方式中，與電感器114并聯的電流傳感器 136的電阻器Rcs 138和電容器Ccs 140定義了第二時間常數τ 2，根據方程T2 = RC,基本 上等于第一時間常數。知道電感器114的電感值并測量DCR的值，可以選擇電阻器138和電容器140的 值以使T1等于τ 2。當這兩個時間常數匹配時，就可以準確地測量流過電感器的平均電流 以及電感器的DCR的兩端的電壓驅動，并且提供在控制環(huán)路內的實時的電流信息。當電感L 和DCR所產生的電感器的時間常數(T1 = L/DCR)匹配于電流傳感器136的時間常數(τ 2 =Rcs Χ Ccs)時，電流檢測電容器140兩端的電壓等于電感器114的等效DC電阻(DCR)兩端的電壓降。通過電感器電流反饋信號處理器142來測量電容器140兩端的電壓。然而，在使用時，有多個變量使這些電路中的每個電路的^和τ 2定時常數發(fā)生 變動。溫度對這兩個時間常數的匹配能力有很大的影響。一個關鍵的因素是，溫度的上升 使電感器的芯材料的飽和電流能力下降。當流過電感器的電流增大時，飽和的芯材料呈現 出電感的損耗。根據應用，在飽和時，電感的值可以改變多達30%。
從室溫(+25C)到全負載電流溫度(在某些情況下是+105C)的DCR的變化可以導 致銅繞組的串聯電阻DCR中有32%的差異，并且引起假的電壓輸出電平或落后于電流波形 一有限的時間周期的電壓輸出電平，從而允許輸出電壓下降到負載106的可允許的最小值 以下，這是因這些變化對調節(jié)器控制響應環(huán)路造成的影響所致。圖3a和3b示出了這樣的 示例。圖3a和3b示出了負載電流302、檢測的電流304以及輸出電壓306的軌跡。在圖 3a中，示出了這些波形在熱狀態(tài)下的操作，在圖3b中，則示出了在冷狀態(tài)下的情況。在圖 3b所示的冷狀態(tài)下，電感器的DCR更小，從而導致輸出電壓的上沖以及下沖，這是因電流檢 測網絡內相對較短的RC時間常數所致。圖3a和3b的圖示僅僅代表了因自加熱而導致的 失配，而并非是因電路通常工作所處的完全溫度范圍所致。當將標準RC部件用作電流傳感器136時，會出現RC時間常數τ 2的變化，這是因 電感器的電阻性阻抗和電感器的電感性阻抗的變化所引起的溫度變化所致。如通常實現的 那樣，隨溫度而變化的RC時間常數(τ 2)并不匹配于τ工時間常數L/DCR溫度變化特征，從 而導致在監(jiān)控的電流數據中有AC和DC失配。用公知的技術來補償DC失配。然而，這些技 術并不補償AC變化。AC失配導致了過電流保護準確度下降，環(huán)路性能變差(因電流模式環(huán)路中不正確 的電流信息所致)，欠電壓保護下降，并且數字調節(jié)器中的測量準確度下降。先前曾嘗試將 熱敏電阻用作電阻器138從而解決AC失配問題。然而，NTC熱敏電阻的成本會非常高，因 為它們大約是每個部件$0. 05?；跓崦綦娮璧脑O計比最佳狀況要差點，因為NTC熱敏電阻 不像L/DCR的商的變化那樣是線性的?？紤]到所有的變量，在正常操作期間，L/DCR時間常數值可以劇烈地變化。當DCR 值變化時，它將具有兩個主要的效果。如果DCR值增大從而導致L/DCR小于R χ
< τ 2)，則電容器140兩端的電壓將低于電感器的DCR兩端的電壓降，并且經調節(jié)的響應將 是緩慢的并且有可能引起低Vtm情況(UVP)(即關于Vot的欠電壓故障狀態(tài))。在第二條件 下，DCR已從額定值減小，從而導致L/DCR大于R χτ2)。這產生了一種情況，其中
電容器140兩端的電壓大于電感器的DCR兩端的電壓降，從而需要更多的電流流過電感器 114。這導致一種可能的情況，其中電感器電流向上突增(spike up)，并且可能在過電流保 護電路上引起假的觸發(fā)。通過將NTC電容器用作電容器140，實現了如圖4所示的負溫度系數，使得當溫度 上升時電容就下降。與目前的NTC熱敏電阻相比，NTC電容器證明了對溫度的更線性的響 應。在備選實施方式中，如果電阻具有與銅相反的溫度特征，則可以使用PTC電容器?？梢?用NTC電容器的特征來匹配電感器的DCR溫度特征。通過仔細設計NTC電容器溫度系數， 在所有操作溫度下，電流傳感器136所提供的時間常數RC將匹配于所有操作溫度下的電感 器的時間常數L/DCR。與使用NTC熱敏電阻相比，NTC電容器提供了許多優(yōu)點，因為它們具 有非常穩(wěn)定的溫度系數(大約是-4000ppm，如果需要的話還可以更大)并且成本明顯更低(大約是$0. 015)。對于多階段設計而言(其中每個階段都需要NTC熱敏電阻)，這種成本 節(jié)省是特別顯著的。 NTC電容器140減小/取消了針對所有操作溫度的時間常數失配。NTC電容器140 產生了負的溫度系數，使得電容器140的電容隨著溫度上升而下降。NTC電容器140證明 了對溫度的更線性的響應，并且要求電阻138為電流傳感器136設置時間常數τ2?？梢杂?NTC電容器140的溫度特征來匹配電感器的DCR溫度特征。通過仔細設計NTC電容器溫度 系數，時間常數RC將匹配于所有操作溫度下的時間常數L/DCR。當僅考慮DCR變化時，L/DCR的商具有大致為+4000ppm的隨溫度的變化率，這是 因銅繞組電阻的增大而導致的。所建議的外部NTC電容器將至少要求這一大小的線性變化 率。在實踐中，上述系數需要更高些，以補償像溫度的電感性阻抗的減小以及因溫度梯度而 導致的二階效應，其中電容器的溫度稍稍不同于電感器中的溫度。在完全的溫度變化情況下，電流測量的失配可以是22%或更大，正如圖5所示那 樣。這些變化取決于電感器的電感性阻抗的溫度變化率，而后者又因制造商不同而不同。 圖5示出了集總的DCR電感器的電流波形502(用方框表示)、使用NTC電容器的電流傳感 器的波形504 (用倒三角表示)以及不使用NTC電容器的電流傳感器的波形506 (用菱形表 示)。無法從集總的DCR電壓降中區(qū)分出具有匹配的電容器(即NTC電容器)的AC波形。 這種模擬假定了用正常的補償技術來補償DC部件。在電流傳感器136之內使用NTC電容器140，就解決了電流傳感器內的許多問題。 首先，該解決方案提供了匹配的時間常數，使得負載電流的快速變化可以被用于保護電路 部件(例如，OCP事件)，準確地監(jiān)控流過電感器的電流的效率，并且在被用作到控制環(huán)路的 輸入時改進暫態(tài)響應。另外，該解決方案提供了這樣一種電流傳感器，其線性好于使用熱敏 電阻的電流傳感器(其NTC非線性響應比NTC電容器大很多)。最終，該解決方案提供了這 樣一種電流傳感器，其成本顯著低于熱敏電阻解決方案，考慮到成本約為$0.015的新NTC 電容器替代了成本約為$0. 002的標準電容器，當與包括成本約為$0. 05的熱敏電阻的電流 傳感器相比較，這帶來的成本影響可以忽略不計。從本申請中獲益的本領域普通技術人員應該理解，通過dc/dc調壓器的電感器改 善電流檢測準確度的系統和方法提供了一種使用NTC電容器的電流傳感器，用于更準確地 測量流過電感器的電流。應該理解，應該認為這里的附圖和詳細描述是示例性的而非限制 性的，并不旨在限于所揭示的特定形式和示例。相反，對于本領域普通技術人員而言，很明 顯，本申請包括任何進一步的修改、變化、重新排列、替代、替換、設計選擇以及實施方式，而 不背離下面權利要求書定義的本發(fā)明的精神和范圍。由此，旨在把下列權利要求書解釋為 包括所有這樣的進一步修改、變化、重新排列、替代、替換、設計選擇以及實施方式。
權利要求
一種DC到DC電壓轉換器，包括至少一個開關晶體管；連接到所述至少一個開關晶體管的電感器；脈沖寬度調制電路，用于響應于電流控制信號向所述至少一個開關晶體管產生控制信號；與所述電感器并聯連接的電流傳感器，用于檢測流過所述電感器的電流，所述傳感器還包括電阻器；與所述電阻器串聯連接的NTC電容器或PTC電容器中的至少一個；用于監(jiān)控NTC電容器兩端的電壓并響應于所監(jiān)控的電壓產生電流控制信號的電路。
2.如權利要求1所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于， 所述電感器還包括用于定義第一時間常數的電感和直流(DC)電阻。
3.如權利要求2所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于，所述電阻器和NTC電容器定義第二時間常數，在基本上所有的操作溫度下所述第二時 間常數基本上等于所述第一時間常數。
4.如權利要求2所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于，所述NTC電容器的操作特征補償所述電感器的直流(DC)電阻的操作特征。
5.如權利要求2所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于，所述電阻器和NTC電容器定義第二時間常數，在基本上所有的操作溫度下所述第二時 間常數基本上減小所述第一時間常數和所述第二時間常數之間的失配。
6.如權利要求1所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于， 所述NTC電容器的電容響應于溫度增大而減小。
7.如權利要求1所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于，當測量流過所述電感器的電流時，所述NTC電容器提供AC失配的補償。
8.如權利要求1所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于， 所述NTC電容器具有-4000ppm或更大的相對于溫度的線性變化。
9.一種DC到DC電壓轉換器，包括 至少一個開關晶體管；連接到所述至少一個開關晶體管的電感器，所述電感器具有用于定義第一時間常數的 電感和直流(DC)電阻；脈沖寬度調制電路，用于響應于電流控制信號向所述至少一個開關晶體管產生控制信號；與所述電感器并聯連接的電流傳感器，用于檢測流過所述電感器的電流，所述傳感器 還包括 電阻器；與所述電阻器串聯連接的NTC電容器；其中，所述電阻器和NTC電容器定義第二時間常數，在基本上所有的操作溫度下所述 第二時間常數基本上減小所述第一時間常數和所述第二時間常數之間的失配；用于監(jiān)控NTC電容器兩端的電壓并響應于所監(jiān)控的電壓產生電流控制信號的電路。
10.如權利要求9所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于，所述電阻器和NTC電容器定義第二時間常數，在基本上所有的操作溫度下所述第二時 間常數基本上等于所述第一時間常數。
11.如權利要求9所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于， 所述NTC電容器的電容響應于溫度增大而減小。
12.如權利要求9所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于， 所述NTC電容器的操作特征基本上匹配于所述電感器的直流(DC)電阻的操作特征。
13.如權利要求9所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于，當測量流過所述電感器的電流時，所述NTC電容器提供AC失配的補償。
14.如權利要求9所述的DC到DC電壓轉換器，其特征在于， 所述NTC電容器具有-4000ppm或更大的相對于溫度的線性變化。
15.一種用于檢測流過電感器的電流的電流傳感器，所述傳感器包括 電阻器；與所述電阻器串聯連接的NTC電容器；以及 其中，所述電阻器和電容器與所述電感器并聯連接。
16.如權利要求15所述的電流傳感器，其特征在于，所述電感器還包括用于定義第一時間常數的電感和直流(DC)電阻。
17.如權利要求16所述的電流傳感器，其特征在于，所述電阻器和NTC電容器定義第二時間常數，在基本上所有的操作溫度下所述第二時 間常數基本上等于所述第一時間常數。
18.如權利要求16所述的電流傳感器，其特征在于，所述電阻器和NTC電容器定義第二時間常數，在基本上所有的操作溫度下所述第二時 間常數基本上減小所述第一時間常數和所述第二時間常數之間的失配。
19.如權利要求15所述的電流傳感器，其特征在于， 所述NTC電容器的電容響應于溫度增大而減小。
20.如權利要求15所述的電流傳感器，其特征在于，當測量流過所述電感器的電流時，所述NTC電容器提供AC失配的補償。
全文摘要
DC/DC電壓轉換器包括至少一個開關晶體管。將電感器連接到所述至少一個開關晶體管。脈沖寬度調制電路響應于電流控制信號，向至少一個開關晶體管產生控制信號。與電感器并聯連接的電流傳感器檢測流過電感器的電流。該傳感器包括電阻器以及與該電阻器串聯連接的NTC電容器。用于監(jiān)控該NTC電容器兩端的電壓的電路響應于所監(jiān)控的電壓，產生電流控制信號。
文檔編號H02M3/155GK101842970SQ200880114565
公開日2010年9月22日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權日2007年12月6日
發(fā)明者C·T·伯克特, G·J·曼哈斯, 裘衛(wèi)紅 申請人:英特賽爾美國股份有限公司