響應(yīng)于電容器上電荷來確定信號的特征的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了響應(yīng)于電容器上電荷來確定信號的特征。在一實(shí)施例中，一裝置包括充電電路及確定電路。該充電電路配置用于采用第一電流產(chǎn)生電容器上的電荷，該第一電流與具有一特征的信號相關(guān)，并且該確定電路配置用于響應(yīng)于電容器上電荷來確定信號的特征。例如，通過鏡像該輸入電流，采用鏡像電流對電容器充電，并且確定被充電的電容器兩端電壓，這樣的裝置確定電力供應(yīng)輸入電流的平均值，或者確定用于電力供應(yīng)的電源的輸出電流的平均值。
【專利說明】響應(yīng)于電容器上電荷來確定信號的特征
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請是2013年3月14日提交的申請?zhí)枮?3 / 001，050的同時待審美國專利申請中一部分的延續(xù)；其中本申請要求2013年2月26日提交的申請?zhí)枮?1 / 769，404的同時待審美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)；前述所有的申請這里全部引入作為參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及響應(yīng)于電容器上電荷來確定信號的特征。
【背景技術(shù)】
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中在響應(yīng)于電容器上電荷來確定信號的特征方面存在問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一實(shí)施例中，一種設(shè)備，例如供電控制器，包括充電電路和確定電路。充電電路配置用于使用與具有一特征的信號相關(guān)的第一電流來產(chǎn)生電容器上的電荷，并且確定電路配置用于響應(yīng)于電容器上電荷來確定信號的特征。
[0006]例如，該設(shè)備的一個實(shí)施例通過將輸入電流鏡像并且采用鏡像電流為電容器充電，能夠確定電源的輸入電流的平均值，或者用于電能供應(yīng)從電源輸出電流的平均值。為了確定輸入電流的平均值，電容器將輸入電流在供電切換時間段上有效積分，電流鏡和電容器被設(shè)計(jì)為使得整個電容器上電壓的幅值大約等于平均輸入電流的幅值。為了確定電源輸出電流的平均值，供電控制器采用阻抗對整個電容器上的電壓進(jìn)行有效濾波，該阻抗大約等于電源和電源輸入節(jié)點(diǎn)之間的阻抗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為根據(jù)一實(shí)施例的電力系統(tǒng)的示意圖，該電力系統(tǒng)包括電源、接收來自電源能量的電力供應(yīng)、以及接收來自電力供應(yīng)能量的負(fù)載。
[0008]圖2為根據(jù)一實(shí)施例的圖1中電力供應(yīng)輸入電流的時間關(guān)系圖。
[0009]圖3為根據(jù)另一實(shí)施例的電力系統(tǒng)的示意圖，該電力系統(tǒng)包括電源、接收來自電源能量的電力供應(yīng)、以及接收來自電力供應(yīng)能量的負(fù)載。
[0010]圖4為根據(jù)一實(shí)施例的圖3電流鏡像電路的示意圖。
[0011]圖5為根據(jù)一實(shí)施例圖3的一個階段的示意圖，該該階段中生成表示圖3電源的平均電流輸出。
[0012]圖6為根據(jù)一實(shí)施例的圖3整個積分電容器上電壓的時間關(guān)系圖，其中電壓表示圖3的電力供應(yīng)的平均輸入電流。
[0013]圖7A為根據(jù)一實(shí)施例的圖3的電力供應(yīng)的輸入電流的時間關(guān)系圖。
[0014]圖7B為根據(jù)一實(shí)施例的圖3電力供應(yīng)的輸入電流平均值的時間關(guān)系圖，以及來自圖3電源的輸出電流平均值的時間關(guān)系圖。[0015]圖8A為根據(jù)一實(shí)施例，當(dāng)電力供應(yīng)工作在電流限制模式時從電源到電力供應(yīng)的平均輸出電流的時間關(guān)系圖，其中電流限制模式使用傳統(tǒng)技術(shù)用于確定電力供應(yīng)的平均輸入電流。
[0016]圖SB為根據(jù)一實(shí)施例，當(dāng)電力供應(yīng)工作在電流限制模式時從電源到電力供應(yīng)的平均輸出電流的時間關(guān)系圖，其中電流限制模式使用圖3-6中所述技術(shù)用于確定電力供應(yīng)的平均輸入電流。
[0017]圖9表不根據(jù)一實(shí)施例,合并圖3中電力供應(yīng)或者電力系統(tǒng)的不意圖圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0018]圖1為根據(jù)一實(shí)施例的電力系統(tǒng)10的原理圖，其包括電源12、電力供應(yīng)(這里是一個降壓轉(zhuǎn)換器)14以及負(fù)載16。電力供應(yīng)14將來自電源12的輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為一個受控輸出電壓Vrat,其為負(fù)載16供電。其中，正如在所述實(shí)施例中，電力供應(yīng)14為降壓轉(zhuǎn)換器，從而使得 I Vtjut I〈 I VinI ;例如，Vin=5V 并且 Vtjut=L 3V。
[0019]電源12可構(gòu)建為包括理想DC電壓源18以及內(nèi)阻抗20。理想電壓源18被配置為生成電壓v__并且提供輸出電流Is-W并且阻抗20的阻值R是一個復(fù)數(shù)值，盡管所述阻抗僅具有實(shí)部阻抗值R。因此，如果R>0并且IS()Urc;e>0，那么由于整個阻抗20上的壓降則
Vin〈Vsource °
[0020]降壓轉(zhuǎn)換器電力供應(yīng)14包括輸入節(jié)點(diǎn)22、電源旁路電容器24、開關(guān)控制器26、高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)晶體管28和30、濾波感應(yīng)器32以及濾波電容器34。
[0021]對于所有輸入 節(jié)點(diǎn)上的非零頻率信號，旁路電容器24通過向地面36提供低阻抗路徑在輸入節(jié)點(diǎn)22阻止電壓振蕩和電壓振鈴。
[0022]響應(yīng)于Vwt或者響應(yīng)于與Vtjut相關(guān)的反饋信號，開關(guān)控制器26控制晶體管28和30開關(guān)的定時，其所采用的方式是將Vrat保持在參考電壓Vref設(shè)定的電壓水平上。
[0023]當(dāng)控制器26啟動高側(cè)晶體管28時，高側(cè)晶體管28將感應(yīng)器32耦合在輸入節(jié)點(diǎn)22上，從而電流Iin(如下連同圖2描述)從輸入節(jié)點(diǎn)流入，通過晶體管28和感應(yīng)器(低側(cè)晶體管30閑置，而高側(cè)晶體管工作)，并且到達(dá)濾波電容器34和負(fù)載16，從而將感應(yīng)器充電。由于電源阻抗20和旁路電容器24形成的網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，因此Iin不等于I_TCe。
[0024]當(dāng)控制器26啟動低側(cè)晶體管30時，低側(cè)晶體管30將感應(yīng)器32耦合到地面36，這樣電流Ide-mOTgize從地面流入，通過低側(cè)晶體管和感應(yīng)器(高側(cè)晶體管28閑置，而低側(cè)晶體管工作)，并且到達(dá)濾波電容器34和負(fù)載16，從而將感應(yīng)器放電。如下連同圖2所述，在控制器26再次啟動高側(cè)晶體管28從而重復(fù)上述周期之前，電流Ide_enCTgize通常不會一直衰減到零。
[0025]在晶體管之間的中間節(jié)點(diǎn)38處，晶體管28和30的開關(guān)產(chǎn)生一個在兩個水平，即大約為Vin和地面之間轉(zhuǎn)換的數(shù)字類電壓。
[0026]但是感應(yīng)器32和電容器34在中間節(jié)點(diǎn)38有效濾波電壓，從而生成一個受控DC
輸出電壓Vtjut。
[0027]另外，負(fù)載16可以是任意適當(dāng)?shù)呢?fù)載，例如微處理器、微控制器、或者存儲器。
[0028]圖2為根據(jù)一實(shí)施例的圖1的輸入電流Iin的時間關(guān)系圖。輸入電流Iin的周期為T，等于I / F，其中F為控制器26開關(guān)晶體管28和30所在的頻率；也就是，F(xiàn)為電力供應(yīng)14的開關(guān)頻率。另外，在時間段T的Tm部分，電流Iin從Ivalley線性增長到Ipeak ；Ton對應(yīng)于高側(cè)晶體管28工作而低側(cè)晶體管30閑置的時間段。另外，在時間段T的Irff部分，Iin為零；Toff對應(yīng)于高側(cè)晶體管28閑置而低側(cè)晶體管30工作的時間段。另外，在Tm期間Ide_ene,gize為零，并且在Ttjff期間從Ipeak線性衰減到Ivalley ;也就是說，當(dāng)Iin非零時，Ide_energize為零，并且當(dāng)IinS零時，Ifgize非零。并且電力供應(yīng)14的占空比D等于Tm/T。
[0029]參見圖1和圖2，描述了根據(jù)一實(shí)施例的圖1所示的電力系統(tǒng)10的操作。
[0030]在時刻t(l處，控制器26啟動高側(cè)晶體管28并且使低側(cè)晶體管30不再運(yùn)行(控制器可以首先使得低側(cè)晶體管不再運(yùn)行，從而防止撬桿電流(crow-bar current)同時流過兩個晶體管)，這樣電流Iin從節(jié)點(diǎn)22流出，通過高側(cè)晶體管和感應(yīng)器32，流到電容器34和負(fù)載16。由于通過感應(yīng)器的電流不能立即改變，t0時刻的Iin值等于Ivalley,也就是時刻h前不久流過感應(yīng)器32的放電電流If 圖2中沒有示出)的值。
[0031]在時刻h和時刻&之間的1?期間，電流Iin線性增長。感應(yīng)器上的電壓V以及通過感應(yīng)器的電流I之間的關(guān)系如下等式表示:
[0032](l)V=L(dl / dt)
[0033]從而
[0034](2)dl / dt=V / L
[0035]對于電力供應(yīng)系統(tǒng)10，可以 假定在時間Tm期間，高側(cè)晶體管28上的電壓可以忽略不計(jì)，這樣感應(yīng)器32上的電壓V等于(Vin-Vwt) / L，從而:
[0036](3)dlin / dt= (Vin-Vout) / L
[0037]并且因?yàn)榭梢约俣═m期間的Vin和Vwt為常數(shù)，那么Tm期間Iin的增長率dlin /dt也是常數(shù)，這樣Iin按照斜率為常數(shù)的直線40增長，斜率等于(Vin-Vrat)/L。
[0038]在時刻tl處，控制器26啟動低側(cè)晶體管30并且使高側(cè)晶體管28不再運(yùn)行(控制器可以首先使得高側(cè)晶體管不再運(yùn)行，從而防止撬桿電流同時流過兩個晶體管)，這樣電流Ide-enCTgize從地面36流出，通過低側(cè)晶體管和感應(yīng)器32，流到電容器34和負(fù)載16。由于通過感應(yīng)器的電流不能立即改變，h時刻的Id_n?gize值等于Ipeak,也就是時刻h前不久流過感應(yīng)器32的輸入電流Iin的大小。
[0039]進(jìn)一步的，在時刻h處，電流Iin迅速掉落到零，并且保持為零直到時刻t2，在時刻t2處上述循環(huán)重復(fù)。同樣的，時刻L和t2之間，Ide_energize(圖2中沒有示出)線性衰減，斜率為(U / L(低側(cè)晶體管30的電壓可以假定為忽略不計(jì)，這樣可以假定感應(yīng)器32連接在Vrat和地面之間)。
[0040]仍然參考圖1和圖2，設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)50的多個可替換實(shí)施例。例如，電力供應(yīng)14包括一個或多個上述沒有說明的組件，或者可以省略一個或多個上述說明的組件。
[0041]另外，在某些應(yīng)用中，人們或許希望獲知每個開關(guān)時間段T的Iin的平均值，即Iinavg、每個開關(guān)時間段T的平均值，即avg、或者每個開關(guān)時間段T的Iin avg以及IsourCe_avg°例如，人們希望限制Iin—avg從而防止損壞電力供應(yīng)14。或者，人們希望限制I_ra—avg從而防止損壞電源12 ;例如，如果電源為電池，那么人們希望限制avg從而防止電源過熱或者提前放電。
[0042]一種確定開關(guān)時間段T內(nèi)Iin avg的方法是在節(jié)點(diǎn)22和高側(cè)晶體管28之間插入感應(yīng)電阻，并且對該感應(yīng)電壓進(jìn)行低通濾波從而生成一個與Iin—avg成比例的所得到的低通濾波電壓。[0043]但是這種方法存在一些問題。例如，感應(yīng)電阻會大大降低電力供應(yīng)14的效率，并且所得到的低通濾波電壓相對Iil^p Iin—avg會發(fā)生嚴(yán)重的延遲；這一延遲會使得控制回路或者用于限制Iin—avg的其他電路變得很慢，如下參考圖6A進(jìn)行說明。
[0044]另一種確定開關(guān)時間段T內(nèi)Iinavg的方法是使用處理器根據(jù)如下等式計(jì)算Iin avg.[0045](4) Im_avg
[0046]例如，對于圖2的Iin，由等式(4)獲得開關(guān)時間段T的Iin avg由下面的等式給出:
[0047](5) Iin avg=Ton / T(Ivalley+Ipeak / 2)
[0048]但是該方法的一個問題在于它要求復(fù)雜的電路來測量例如Ivalley、Ipeak以及Tm，從而根據(jù)等式(4)或等式(5)計(jì)算Iin avg。
[0049]圖3為電力系統(tǒng)50的示意圖，除了電源12、電力供應(yīng)14以及負(fù)載16之外，還包括確定電路52，該確定電路52被配置用于根據(jù)實(shí)施例確定Iin avg和13。_—avg，并且相同的附圖標(biāo)記用于標(biāo)識電力系統(tǒng)10(圖1)和50所共有的部件；因此已經(jīng)在上面連同圖1和圖2進(jìn)行說明的共有部件將不再連同圖3進(jìn)行說明。
[0050]確定電路52包括電流鏡54、積分電容器56、采樣保持電路58、復(fù)位電路60以及階
段62，有效配置來確定響應(yīng)于Iin avg的Is_ce—avg。
[0051]電流鏡54從NMOS高側(cè)晶體管28接收柵極電壓Vg和源極電壓Vs，并且被配置為產(chǎn)生響應(yīng)于Vg和Vs的電流Iin integMte。根據(jù)下列等式，Iin_integrate與Iin之間的比例因子為S:
[0052](6) Iin integrate ^ S.Iin
[0053]其中S〈〈l，這樣電流鏡54由Vin獲得的電流Imimff可以忽略不計(jì)，并且因此可以假定當(dāng)高側(cè)晶體管工作時，Iin從節(jié)點(diǎn)22流出，并且整體流過高側(cè)晶體管28。例如，S大約等于 1X10'
[0054]積分電容器56接收來自電流鏡54的電流Iin integMte并且對其進(jìn)行有效積分；也就是如下所述，存儲于積分電容器上的電荷量，以及該電容器上的電壓值與Iin—avg成一定比例或者與其相等。例如，如下連同圖6的說明，可以由整個積分電容器56在電力系統(tǒng)50每個開關(guān)周期末端時刻的電壓確定電流Iin—avg。
[0055]采樣保持電路58對整個積分電容器56在每個開關(guān)周期的末端時刻進(jìn)行電壓采樣和保持，并且在該采樣保持電路對該電容器電壓進(jìn)行采樣和保持后，復(fù)位電路60對積分電容器進(jìn)行放電，從而使積分電容器為下一個開關(guān)周期做好準(zhǔn)備。采樣保持電路58包括采樣開關(guān)70(例如，晶體管)、緩沖器72、保持電容器74以及產(chǎn)生電壓Vlin avg的另一個緩沖器76，電壓Vlin avg代表1in avg。并且復(fù)位電路60包括NMOS晶體管。
[0056]階段62被配置用于響應(yīng)于電壓Vlin—avg由電源12產(chǎn)生Is_；e—avg。例如，如下連同圖3以及圖5-圖7B的說明，采用與節(jié)點(diǎn)22和理想電壓源18之間網(wǎng)絡(luò)阻抗近似相同的有效阻抗，階段62對Vlin avg進(jìn)行有效濾波從而達(dá)到上述目的。
[0057]在對電力系統(tǒng)50的操作進(jìn)行說明之前，對確定電路52后的理論進(jìn)行說明。
[0058]通過電容器C的電流I以及電容器C兩端的電壓V之間的關(guān)系如下等式:
[0059](7) I=C (dV / dt)
[0060] 并且由等式(7)，可以推導(dǎo)出如下等式:[0061]
【權(quán)利要求】
1.一種裝置，包括: 充電電路，配置用于采用第一電流產(chǎn)生電容器上的電荷，所述第一電流與具有特征的信號相關(guān)；以及 確定電路，配置用于響應(yīng)于所述電容器上的電荷，確定所述信號的特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括所述電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述信號包括電力供應(yīng)輸入電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述信號包括電源產(chǎn)生的電流，所述電源向電力供應(yīng)提供電能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括: 其中所述信號包括第二電流；以及 鏡像電路，配置用于響應(yīng)于第二電流，產(chǎn)生第一電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述確定電路配置用于 響應(yīng)于所述電容器兩端的電壓，確定所述信號的特征。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括: 濾波器，配置用于響應(yīng)于所述電容器兩端的電壓，產(chǎn)生濾波電壓；并且 其中所述確定電路配置用于響應(yīng)于所述濾波電壓，確定所述信號的特征。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括: 濾波器，配置用于響應(yīng)于所述電容器兩端的電壓，產(chǎn)生濾波電壓；并且 其中所述確定電路配置用于響應(yīng)于所述濾波電壓，確定另一信號的特征。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述確定電路配置用于確定近似等于所述電容器兩端電壓的幅值的所述信號的特征的幅值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述特征包括平均值。
11.一種電力供應(yīng)，包括: 電容器； 充電電路，配置用于采用第一電流產(chǎn)生所述電容器上的電荷，所述第一電流與具有特征的信號相關(guān)；以及 確定電路，配置用于響應(yīng)于所述電容器上的電荷，確定信號的特征。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力供應(yīng)，進(jìn)一步包括: 其中所述信號包括第二電流；以及 感應(yīng)器，配置用于傳導(dǎo)所述第二電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力供應(yīng)，進(jìn)一步包括: 其中所述信號包括第二電流；以及 輸入節(jié)點(diǎn)，配置用于接收所述第二電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力供應(yīng)，進(jìn)一步包括: 其中所述信號包括第二電流；以及 輸入節(jié)點(diǎn)，配置用于接收與所述第二電流相關(guān)的電流。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力供應(yīng)，進(jìn)一步包括: 其中所述信號包括輸入電流； 輸入節(jié)點(diǎn)，配置用于接收來自電源的電源電流并提供所述輸入電流；濾波器，配置用于響應(yīng)于所述電容器兩端的電壓，產(chǎn)生濾波電壓；以及 其中所述確定電路配置用于響應(yīng)于所述濾波電壓，確定電源電流的特征。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力供應(yīng)，進(jìn)一步包括: 其中所述信號包括輸入電流； 輸入節(jié)點(diǎn)，配置用于接收來自電源的電源電流并提供所述輸入電流； 濾波器，配置用于響應(yīng)于所述電容器兩端的電壓，產(chǎn)生濾波電壓；以及 其中所述確定電路配置用于響應(yīng)于所述濾波電壓，確定電源電流的平均值。
17.—種系統(tǒng),包括: 電力供應(yīng)，其包括: 電容器； 充電電路，配置用于采用第一電流產(chǎn)生所述電容器上的電荷，所述第一電流與具有特征的信號相關(guān)；以及 確定電路，配置用于響應(yīng)于所述電容器上的電荷，確定信號的特征；以及 負(fù)載，與所述電力供應(yīng)連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 其中所述電力供應(yīng)包括輸入節(jié)點(diǎn)； 其中信號包括第二電流；以及 電源，配置用于向所述輸入節(jié)點(diǎn)提供所述第二電流。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 其中所述電力供應(yīng)包括輸入節(jié)點(diǎn)； 其中信號包括第二電流；以及 電源，配置用于向所述輸入節(jié)點(diǎn)提供第三電流，所述第三電流與所述第二電流相關(guān)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 其中所述電力供應(yīng)包括輸入節(jié)點(diǎn)； 其中信號包括來自輸入節(jié)點(diǎn)的輸入電流； 電源，配置用于向所述輸入節(jié)點(diǎn)提供電源電流； 濾波器，配置用于響應(yīng)于所述電容器兩端的電壓，產(chǎn)生濾波電壓；以及 其中所述確定電路配置用于響應(yīng)于所述濾波電壓，確定所述電源電流的平均值。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 其中所述電力供應(yīng)包括輸入節(jié)點(diǎn)； 其中所述信號包括來自所述輸入節(jié)點(diǎn)的輸入電流； 電池，配置用于向所述輸入節(jié)點(diǎn)提供電源電流； 濾波器，配置用于響應(yīng)于所述電容器兩的端電壓，產(chǎn)生濾波電壓；以及 其中所述確定電路配置用于響應(yīng)于所述濾波電壓，確定所述電源電流的平均值。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述電力供應(yīng)包括降壓轉(zhuǎn)換器。
23.—種方法,包括: 采用第一電流產(chǎn)生電容器上的電荷，所述第一電流與具有特征的信號相關(guān)；以及 響應(yīng)于所述電容器上的電荷，確定信號的特征。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括:其中所述信號包括第二電流；以及 將所述第二電流提供給電力供應(yīng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括: 其中所述信號包括第二電流；以及 采用電源生成所述第二電流。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括: 其中所述信號包括電力供應(yīng)輸入電流； 響應(yīng)于來自電源的電源電流，產(chǎn)生所述電力供應(yīng)輸入電流； 響應(yīng)于所述電容器兩端的電壓，產(chǎn)生濾波電壓；以及 響應(yīng)于所述濾波電壓，確定電源電流的平均值。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括: 響應(yīng)于所述電容器兩端的電壓，確定信號的特征。
28.一種電力供應(yīng)控制器,包括: 充電電路，配置用于采用 第一電流產(chǎn)生電容器上電荷，所述第一電流與具有特征的信號相關(guān)；以及 確定電路，配置用于響應(yīng)于所述電容器上的電荷，確定信號的特征。
【文檔編號】H02M3/07GK104009625SQ201410139181
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月26日
【發(fā)明者】馬丁·加林斯基 申請人:英特希爾美國公司