具有相電流估計器的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器電流感測的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，特別是開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相電流感測和估計。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于其高效性以及所占據(jù)的面積/體積小，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器被廣泛地用于現(xiàn)代 電子系統(tǒng)中的各種應(yīng)用，例如用于電信的計算（服務(wù)器和移動臺）和POL(負載點系統(tǒng) Point-of-Load)。廣泛接受的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器包括降壓、升壓、降壓-升壓、正向、逆向、半 橋、全橋和SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)。多相降壓轉(zhuǎn)換器尤其適于提供在低電壓下的高性能集成電路 所需的高電流，例如微處理器、圖形處理器、和網(wǎng)絡(luò)處理器。降壓轉(zhuǎn)換器可以用有源部件來 實現(xiàn)，例如脈沖寬度調(diào)制（PWM)控制器1C(集成電路）、驅(qū)動器電路、包括功率M0SFET(金 屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）的一個或多個相、以及無源部件，如電感器、變壓器或 耦合的電感器、電容器、和電阻器。多個相可以通過相應(yīng)電感器并聯(lián)連接到負載，以滿足高 輸出的電流需求。
[0003] 現(xiàn)代高性能電源需要相電流信息，以向負載提供高質(zhì)量功率。相電流信息在提供 諸如相位故障檢測、電流平衡、節(jié)能模式、過電流和負電流保護、以及改善的瞬態(tài)響應(yīng)的關(guān) 鍵特征時是很重要的。傳統(tǒng)的多相數(shù)字開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器包括電流感測/采樣網(wǎng)絡(luò)，用于獲 得相電流信息。然而，傳統(tǒng)電流采樣網(wǎng)絡(luò)消耗大量的功率和控制器芯片（晶片）上的面積， 因此需要一種具有低功率和面積消耗的高性能電流采樣網(wǎng)絡(luò)。
[0004] 例如，一種用于采樣相電流信息的常規(guī)方法是高分辨率和高速電流快閃ADC(模 擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器）?？扉WADC提供快速轉(zhuǎn)換和高精度，但是具有高成本和高泄漏電流、控制 器芯片上的高功率和面積消耗。獲得相電流信息的另一種傳統(tǒng)方法是跟蹤ADC。但是，跟蹤 ADC易受噪聲影響，具有相對較高的控制器芯片上的功率和面積消耗，并在高開關(guān)頻率時具 有不好的跟蹤能力和性能。獲得相電流彳目息的又一種常規(guī)方法是西格瑪 _德爾塔ADC。然 而，西格瑪-德爾塔ADC在高開關(guān)頻率時具有不好的跟蹤能力，需要以比信號帶寬大得多的 速率進行過采樣，并且在數(shù)字輸出和相應(yīng)的采樣時刻之間具有很大的延遲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)相電流估計器的一個實施例，相電流估計器包括模擬電路，可操作為通過比 較開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的相電流與表示相電流的估計值的模擬值，來產(chǎn)生相電流估計誤差。該 相電流估計器還包括數(shù)字電路，可操作為基于相電流估計誤差和多個與開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的 操作相關(guān)聯(lián)的參數(shù)來修改相電流估計值。
[0006] 根據(jù)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的一個實施例，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器包括相，所述相可操作為將 相電流輸送到負載和相電流估計器。該相電流估計器包括模擬電路，可操作為通過比較開 關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的相電流與表示相電流的估計值的模擬值，來產(chǎn)生相電流估計誤差。該相電 流估計器還包括數(shù)字電路，可操作為基于相電流估計誤差和多個與開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作 相關(guān)聯(lián)的參數(shù)來修改相電流估計值。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器還可以包括估計器故障檢測單元，可 操作為比較相電流與相電流估計值來確定相電流與相電流估計值之間的差別是否超過閾 值，以用于指示不合標(biāo)準(zhǔn)的相電流估計值。
[0007] 根據(jù)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相電流的估計方法的一個實施例，所述方法包括：通過 模擬電路比較開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的相電流與相電流的估計值，以產(chǎn)生相電流估計誤差；并且 基于相電流估計誤差和多個與開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作相關(guān)聯(lián)的參數(shù)來通過數(shù)字電路修正 相電流估計值。
[0008] 本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀以下詳細描述并且查看了附圖之后，將認(rèn)識到附加的特征 和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0009] 附圖中的元件不一定相對于彼此按比例繪制。相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的類似部 分。各個所示實施例的特征可以組合，除非它們彼此排斥。本發(fā)明的實施例在附圖中示出 并詳述于下面的描述。
[0010] 圖1示出了具有相電流估計值和估計器故障檢測的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的實施例的 框圖。
[0011] 圖2示出了模擬和數(shù)字電路的框圖，其包含圖1的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的相電 流估計器。
[0012] 圖3是相電流估計器的模擬和數(shù)字電路的更詳細的圖示。
[0013] 圖4示出了與開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的PWM操作相關(guān)聯(lián)的各個波形圖。
[0014] 圖5示出了相電流估計器的相電流跟蹤單元的實施例的框圖。
[0015] 圖6示出了相電流估計器的相電流斜率估計器單元的實施例的框圖。
[0016] 圖7示出了相電流估計器的相電流斜率估計器單元的另一實施例的框圖。
[0017] 圖8示出了相電流估計器的相電流斜率校正單元的實施例的框圖。
[0018] 圖9示出了與相電流斜率校正單元的操作相關(guān)聯(lián)的各個波形圖。
[0019] 圖10示出了與相電流估計器的操作相關(guān)聯(lián)的各個波形圖。
[0020] 圖11示出了估計器故障檢測單元的實施例的框圖。
[0021] 圖12示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相電流估計方法的實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0022] 在此描述的實施例通過使用基于系統(tǒng)信息產(chǎn)生的相電流的估計值，改進了開關(guān)功 率轉(zhuǎn)換器的相電流跟蹤回路的性能，系統(tǒng)信息例如輸入電壓、輸出電壓、輸出電感和用于控 制開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的相的PWM信號的狀態(tài)。閉環(huán)系統(tǒng)可以通過線性反饋形成。另外，可以提 供非線性積分器反饋，其能夠補償參數(shù)公差和較差的相電流估計值。本文所述的相電流估 計實施例可以結(jié)合實際的和估計的相電流信息，以生成非常高性能的跟蹤和噪聲抑制。結(jié) 果，整個開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)不需要在高時鐘速率的情況下運行。相反，相電流估計器的模 擬部分可以以比估計器的數(shù)字部分慢得多的速率運行，相比于對整個開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng) 使用單個時鐘速率的傳統(tǒng)方法，其減少了片上功耗，同時產(chǎn)生相同或更好的性能。這里所述 的相電流采樣估計實施例也對量化和測量噪聲較不敏感，并可以重構(gòu)相電流的丟失的正斜 率，在高阻抗（HiZ)模式期間估計相電流，實現(xiàn)非常有效和簡單的估計器故障檢測器，用于 檢測不精確的電流估計和不好（不合標(biāo)準(zhǔn)）的跟蹤條件，并提供針對寄生效應(yīng)和電感器值 公差的自適應(yīng)調(diào)整。
[0023] 圖1示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的一個實施例，其包括功率級100,包括多個相102及 控制器200,例如微控制器、微處理器、ASIC(專用集成電路）等，用于控制功率級100的操 作。功率級100向負載104提供規(guī)定的電壓。功率級100的每個相102可操作為通過單獨 的電感器（LX)向負載104輸送相電流（IphX)，負載104經(jīng)由電感器和輸出電容器（Cout) 連接到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。所述負載104可以是高性能集成電路，諸如微處理器、圖形處理 器、網(wǎng)絡(luò)處理器等或其它類型的需要電壓調(diào)節(jié)的電子電路。
[0024] 每個相102具有高側(cè)開關(guān)（HSX)和低側(cè)開關(guān)（LSX)，其用于通過相應(yīng)的電感器耦合 到所述負載104。每一相102的高側(cè)開關(guān)可切換地將負載104連接到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸 入電壓（Vin)，并且所述相應(yīng)的低側(cè)開關(guān)可開關(guān)地以不同的周期將所述負載104連接到地。 為了便于舉例說明，在圖1中示出三個相102 (N= 3)，然而所述功率級100可包括任意數(shù)量 的相102,包括單相或多于一個相。
[0025] 控制器200通過調(diào)節(jié)輸送到負載104的相電流，調(diào)整由功率級100輸送到負載104 的電壓（Vsense)?？刂破?00包括脈沖寬度調(diào)制器（PWM) 202,用于對功率級100的開關(guān)的 每個相102進行開關(guān)。一旦負載電流為低（例如低于相電流的一半），同步轉(zhuǎn)換器允許負 電流（反向電流）流經(jīng)低側(cè)開關(guān)和它消失的地方。然而，如果低側(cè)開關(guān)關(guān)斷，相應(yīng)的主體二 極管不能導(dǎo)通反向電流，且其保持在HiZ(高阻抗）或零電流，其被稱為DCM(非連續(xù)導(dǎo)通模 式）。開