本申請(qǐng)案主張于2014年10月17日提出申請(qǐng)的共同擁有的第62/065,152號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)，所述美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)案出于所有目的以引用方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)，且特定來(lái)說(shuō)，涉及對(duì)降壓SMPS中的輸出電流的準(zhǔn)確測(cè)量。

背景技術(shù)：

切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)遞送大量電力而極少浪費(fèi)，這是因?yàn)镾MPS的電路元件是極其高效的且耗散極少電力。在SMPS(特定來(lái)說(shuō)，負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器)中，以高準(zhǔn)確度(在全負(fù)載下的1％到3％)提供對(duì)輸出電流的實(shí)時(shí)測(cè)量以用于最大操作效率是必不可少的。不僅此電流測(cè)量必須是準(zhǔn)確的，而且其必須不影響SMPS POL轉(zhuǎn)換器的效率或動(dòng)態(tài)性能。感測(cè)且測(cè)量電流達(dá)到此高準(zhǔn)確度(1％到3％)是在SMPS設(shè)計(jì)中已存在了多年的問(wèn)題?，F(xiàn)今，并不存在已知解決方案以滿(mǎn)足不會(huì)不利地影響POL轉(zhuǎn)換器的效率的此要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，需要在不使SMPS的效率及/或動(dòng)態(tài)性能降級(jí)的情況下對(duì)SMPS輸出電流進(jìn)行較準(zhǔn)確測(cè)量。

根據(jù)一實(shí)施例，一種用于在切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)(具有串聯(lián)耦合于供應(yīng)電壓與共同點(diǎn)之間的高側(cè)開(kāi)關(guān)及低側(cè)開(kāi)關(guān)以及耦合于所述高側(cè)開(kāi)關(guān)和所述低側(cè)開(kāi)關(guān)的接合點(diǎn)與負(fù)載之間的功率電感器)中執(zhí)行電流測(cè)量的方法可包括以下步驟：當(dāng)所述高側(cè)開(kāi)關(guān)可接通時(shí)，以第一恒定電流將時(shí)序電容器充電；當(dāng)脈沖寬度調(diào)制(PWM)周期達(dá)到50％且所述高側(cè)開(kāi)關(guān)可接通時(shí)，以所述第一恒定電流將所述時(shí)序電容器放電；當(dāng)所述PWM周期達(dá)到50％且所述高側(cè)開(kāi)關(guān)可關(guān)斷時(shí)，以第二恒定電流將所述時(shí)序電容器放電，其中所述第二恒定電流可為所述第一恒定電流的兩倍；及當(dāng)所述時(shí)序電容器上的電壓達(dá)到預(yù)定參考電壓時(shí)，對(duì)所述功率電感器電流進(jìn)行取樣。

根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，當(dāng)所述高側(cè)開(kāi)關(guān)可關(guān)斷且所述PWM周期可小于50％時(shí)，可不將所述時(shí)序電容器充電或放電。根據(jù)又一實(shí)施例，當(dāng)可對(duì)所述功率電感器電流進(jìn)行取樣時(shí)，將所述電容器預(yù)充電到所述參考電壓。根據(jù)又一實(shí)施例，將所述功率電感器電流樣本轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示的步驟可借助模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來(lái)完成。

根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，可包括以下步驟：將多個(gè)所述功率電感器電流樣本求平均；及借助模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將所述多個(gè)所述功率電感器電流樣本的平均值轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示。

根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，對(duì)所述功率電感器電流進(jìn)行取樣的所述步驟可包括以下步驟：在所述低側(cè)開(kāi)關(guān)與所述供應(yīng)共同點(diǎn)之間提供電流測(cè)量電阻器；及當(dāng)所述時(shí)序電容器上的所述電壓達(dá)到所述預(yù)定參考電壓時(shí)，對(duì)跨越所述電流測(cè)量電阻器形成的電壓進(jìn)行取樣。

根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，所述高側(cè)開(kāi)關(guān)及所述低側(cè)開(kāi)關(guān)可為功率晶體管。根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，所述功率晶體管可為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)。根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，對(duì)所述功率電感器電流進(jìn)行取樣的所述步驟可包括當(dāng)所述時(shí)序電容器上的所述電壓達(dá)到所述預(yù)定參考電壓時(shí)對(duì)跨越所述低側(cè)MOSFET形成的電壓進(jìn)行取樣的所述步驟。

根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，對(duì)所述功率電感器電流進(jìn)行取樣的所述步驟可包括以下步驟：提供與所述低側(cè)MOSFET相關(guān)聯(lián)的前導(dǎo)場(chǎng)效晶體管(FET)，其中所述前導(dǎo)FET可具有流動(dòng)穿過(guò)其的所述功率電感器電流的小部分；及當(dāng)所述時(shí)序電容器上的所述電壓達(dá)到所述預(yù)定參考電壓時(shí)，對(duì)跨越所述前導(dǎo)FET及所述低側(cè)MOSFET形成的電壓進(jìn)行取樣。根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，對(duì)所述功率電感器電流進(jìn)行取樣的所述步驟可包括以下步驟：提供與所述功率電感器串聯(lián)的電流測(cè)量電阻器；及當(dāng)所述時(shí)序電容器上的所述電壓達(dá)到所述預(yù)定參考電壓時(shí)，對(duì)跨越所述電流測(cè)量電阻器形成的電壓進(jìn)行取樣。根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，對(duì)所述功率電感器電流進(jìn)行取樣的所述步驟可包括當(dāng)所述時(shí)序電容器上的所述電壓達(dá)到所述預(yù)定參考電壓時(shí)對(duì)跨越所述功率電感器的電壓進(jìn)行取樣的所述步驟。

根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，預(yù)定閾值電壓可為大約零(0)伏特。根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，可包括當(dāng)所述時(shí)序電容器上的所述電壓達(dá)到所述預(yù)定參考電壓時(shí)產(chǎn)生取樣信號(hào)的步驟。根據(jù)所述方法的又一實(shí)施例，可包括所述時(shí)序電容器上的所述電壓每第n次達(dá)到所述預(yù)定參考電壓時(shí)借助模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將所述功率電感器電流樣本轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示的步驟。

根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于確定降壓切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)中的功率電感器電流取樣點(diǎn)的設(shè)備可包括：恒定電流源，其具有第一節(jié)點(diǎn)及第二節(jié)點(diǎn)，其中其所述第一節(jié)點(diǎn)可耦合到電壓源；恒定電流槽，其具有第一節(jié)點(diǎn)及第二節(jié)點(diǎn)，其中所述恒定電流槽可為所述恒定電流源的電流值的兩倍；電流源開(kāi)關(guān)，其耦合于所述恒定電流源的所述第二節(jié)點(diǎn)與所述恒定電流槽的所述第一節(jié)點(diǎn)之間；電流槽開(kāi)關(guān)，其耦合于所述恒定電流槽的所述第二節(jié)點(diǎn)與電壓源共同點(diǎn)之間；時(shí)序電容器，其耦合于所述恒定電流槽的所述第一節(jié)點(diǎn)與所述電壓源共同點(diǎn)之間；電壓比較器，其具有耦合到預(yù)定參考電壓的第一輸入、耦合到所述時(shí)序電容器的第二輸入及輸出，其中其所述輸出可在所述時(shí)序電容器上的所述電壓可大于所述預(yù)定參考電壓時(shí)處于第一邏輯電平且在所述時(shí)序電容器上的所述電壓可等于或小于所述預(yù)定參考電壓時(shí)處于第二邏輯電平；其中當(dāng)來(lái)自所述SMPS的高側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)變?yōu)榈谝贿壿嬰娖綍r(shí)，所述電流源開(kāi)關(guān)接通且將所述恒定電流源耦合到所述時(shí)序電容器，借此所述時(shí)序電容器上的電壓增加；當(dāng)來(lái)自所述SMPS的所述高側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)變?yōu)榈诙壿嬰娖綍r(shí)，所述電流源開(kāi)關(guān)關(guān)斷且將所述恒定電流源從所述時(shí)序電容器解耦，借此所述時(shí)序電容器上的所述電壓保持不變；且當(dāng)可接收來(lái)自所述SMPS的50％脈沖寬度調(diào)制(PWM)周期信號(hào)時(shí)，所述電流槽開(kāi)關(guān)接通且將所述恒定電流槽耦合到所述時(shí)序電容器，借此當(dāng)所述高側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)可處于所述第二邏輯電平時(shí)所述時(shí)序電容器上的所述電壓以為其增加時(shí)兩倍快的速率降低，且當(dāng)所述高側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)可處于所述第一邏輯電平時(shí)所述時(shí)序電容器上的所述電壓以與其增加時(shí)相同的速率降低。

根據(jù)又一實(shí)施例，當(dāng)所述電壓比較器的所述輸出可處于所述第二邏輯電平時(shí)，可產(chǎn)生取樣信號(hào)。根據(jù)又一實(shí)施例，電壓均衡開(kāi)關(guān)可耦合于所述時(shí)序電容器與所述預(yù)定參考電壓之間，其中當(dāng)可產(chǎn)生所述取樣信號(hào)時(shí)，所述電壓均衡開(kāi)關(guān)可接通且可迫使所述時(shí)序電容器上的所述電壓變得與所述預(yù)定參考電壓基本上相同。根據(jù)又一實(shí)施例，當(dāng)可產(chǎn)生所述取樣信號(hào)時(shí)，可獲取所述功率電感器電流的樣本。

根據(jù)又一實(shí)施例，一種用于確定降壓切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)中的功率電感器電流取樣點(diǎn)的微控制器可包括：恒定電流源，其具有第一節(jié)點(diǎn)及第二節(jié)點(diǎn)，其中其所述第一節(jié)點(diǎn)可耦合到電壓源；恒定電流槽，其具有第一節(jié)點(diǎn)及第二節(jié)點(diǎn)，其中所述恒定電流槽可為所述恒定電流源的電流值的兩倍；電流源開(kāi)關(guān)，其耦合于所述恒定電流源的所述第二節(jié)點(diǎn)與所述恒定電流槽的所述第一節(jié)點(diǎn)之間；電流槽開(kāi)關(guān)，其耦合于所述恒定電流槽的所述第二節(jié)點(diǎn)與電壓源共同點(diǎn)之間；時(shí)序電容器，其耦合于所述恒定電流槽的所述第一節(jié)點(diǎn)與所述電壓源共同點(diǎn)之間；電壓比較器，其具有耦合到預(yù)定參考電壓的第一輸入、耦合到所述時(shí)序電容器的第二輸入及輸出，其中其所述輸出可在所述時(shí)序電容器上的所述電壓可大于所述預(yù)定參考電壓時(shí)處于第一邏輯電平且在所述時(shí)序電容器上的所述電壓可等于或小于所述預(yù)定參考電壓時(shí)處于第二邏輯電平；其中當(dāng)來(lái)自所述SMPS的高側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)變?yōu)榈谝贿壿嬰娖綍r(shí)，所述電流源開(kāi)關(guān)接通且將所述恒定電流源耦合到所述時(shí)序電容器，借此所述時(shí)序電容器上的電壓增加；當(dāng)來(lái)自所述SMPS的所述高側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)變?yōu)榈诙壿嬰娖綍r(shí)，所述電流源開(kāi)關(guān)關(guān)斷且將所述恒定電流源從所述時(shí)序電容器解耦，借此所述時(shí)序電容器上的所述電壓保持不變；且當(dāng)可接收來(lái)自所述SMPS的50％脈沖寬度調(diào)制(PWM)周期信號(hào)時(shí)，所述電流槽開(kāi)關(guān)接通且將所述恒定電流槽耦合到所述時(shí)序電容器，借此當(dāng)所述高側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)可處于所述第二邏輯電平時(shí)所述時(shí)序電容器上的所述電壓以為其增加時(shí)兩倍快的速率降低，且當(dāng)所述高側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)可處于所述第一邏輯電平時(shí)所述時(shí)序電容器上的所述電壓以與其增加時(shí)相同的速率降低。

附圖說(shuō)明

可通過(guò)參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下說(shuō)明而獲取對(duì)本發(fā)明的更完整理解，在所述附圖中：

圖1圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的降壓切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)的示意圖；

圖2圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的電流取樣時(shí)序與觸發(fā)器邏輯的示意圖；

圖3圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的在20％PWM工作循環(huán)下的圖2中所展示的電流取樣時(shí)序與觸發(fā)器邏輯的示意性時(shí)序圖；

圖4圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的在80％PWM工作循環(huán)下的圖2中所展示的電流取樣時(shí)序與觸發(fā)器邏輯的示意性時(shí)序圖；

圖5圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的從恒定電流源及槽將電容器充電及放電的示意性時(shí)間-電壓曲線圖；

圖6圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的電感器電流測(cè)量電路的示意圖；及

圖7圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的其它具體實(shí)例性實(shí)施例的電感器電流測(cè)量電路的示意圖。

雖然本發(fā)明易于作出各種修改及替代形式，但在圖式中展示并在本文中詳細(xì)描述其具體實(shí)例性實(shí)施例。然而，應(yīng)理解，本文中對(duì)具體實(shí)例性實(shí)施例的說(shuō)明并非打算將本發(fā)明限制于本文中所揭示的特定形式。

具體實(shí)施方式

根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，取樣與保持電路在脈沖寬度調(diào)制(PWM)周期的低側(cè)部分的基本上中間(在低側(cè)開(kāi)關(guān)接通期間的50％點(diǎn))處獲取流動(dòng)穿過(guò)降壓切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)的電感器的電流的樣本。在所述低側(cè)接通期間50％點(diǎn)處穿過(guò)所述SMPS電感器的所述電流的此樣本可視為所述SMPS的“平均”或“DC輸出”電流。且優(yōu)選地，應(yīng)每當(dāng)對(duì)所述SMPS電感器電流進(jìn)行取樣時(shí)恰好在相同的低側(cè)接通50％點(diǎn)處獲取。

SMPS可使用仿真電流模式控制架構(gòu)。替代從穿過(guò)感測(cè)元件的電流產(chǎn)生的電流斜波，將平均輸出電流與斜率補(bǔ)償斜波一起求和。接著，將經(jīng)求和電流波形的輸出與誤差放大器輸出進(jìn)行比較。因此，在每個(gè)PWM周期的低側(cè)接通的50％點(diǎn)處獲取的平均負(fù)載電流可用于控制SMPS。在高電平處，確定或測(cè)量平均負(fù)載電流的問(wèn)題歸結(jié)為時(shí)序。何時(shí)應(yīng)對(duì)所感測(cè)的電流進(jìn)行取樣以提供平均負(fù)載電流？此取樣必須每個(gè)循環(huán)(PWM周期)在基本上相同時(shí)間處發(fā)生且在低側(cè)開(kāi)關(guān)(例如，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET))接通時(shí)間的中點(diǎn)處發(fā)生。任何逐循環(huán)或中點(diǎn)時(shí)序移位將引起所測(cè)量的平均輸出電流中的誤差。

需要平均系統(tǒng)負(fù)載電流不僅用于PWM產(chǎn)生控制系統(tǒng)，而且還作為可由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測(cè)量以用于轉(zhuǎn)換為表示模擬電流樣本的數(shù)字值的值。然而，ADC轉(zhuǎn)換可花費(fèi)比PWM周期長(zhǎng)的時(shí)間，因此每第n次出現(xiàn)50％點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)換電感器電流的樣本可為必需的。還預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi)，不僅在第n次獲取PWM周期的低側(cè)接通50％點(diǎn)的多個(gè)樣本且將這些樣本求平均以用于稍后由ADC進(jìn)行的轉(zhuǎn)換。與目前技術(shù)電感器電流取樣方法相比，用于在低側(cè)接通期間50％點(diǎn)處對(duì)電感器電流進(jìn)行取樣的此技術(shù)(方法)在集成解決方案中提供平均電感器電流的高度準(zhǔn)確及可重復(fù)樣本。

期望此ADC測(cè)量盡可能地準(zhǔn)確，且因此在功率切換晶體管(例如，功率MOSFET)、驅(qū)動(dòng)器二者均不切換時(shí)發(fā)生。開(kāi)始ADC轉(zhuǎn)換的良好時(shí)間將為給出取樣信號(hào)時(shí)，這是因?yàn)榇嗽诘万?qū)動(dòng)時(shí)間的中點(diǎn)處發(fā)生。

為了提供所要求的高取樣時(shí)序準(zhǔn)確度，可利用對(duì)與高速模擬電壓比較器組合的時(shí)序電容器的恒定電流充電及放電。PWM周期的50％點(diǎn)由以PWM周期的頻率(周期＝1/頻率)的兩倍運(yùn)行的時(shí)鐘容易地提供，例如，PWM周期時(shí)間是通過(guò)將產(chǎn)生50％點(diǎn)的時(shí)鐘除以二而導(dǎo)出。

現(xiàn)在參考圖式，示意性地圖解說(shuō)明實(shí)例性實(shí)施例的細(xì)節(jié)。在圖式中，將由相似編號(hào)表示相似元件，且將由帶有不同小寫(xiě)字母后綴的相似編號(hào)表示類(lèi)似元件。

參考圖1，描繪根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的降壓切換模式電力供應(yīng)器(SMPS)的示意圖。通常由數(shù)字100表示的降壓SMPS可包括脈沖寬度調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器102、高側(cè)開(kāi)關(guān)(例如，功率MOSFET)104、低側(cè)開(kāi)關(guān)(例如，功率MOSFET 106)、功率電感器108及輸出濾波器電容器110。輸出電壓可跨越輸出濾波器電容器110經(jīng)感測(cè)(+V_SEN，-V_SEN)。輸出電流可通過(guò)測(cè)量穿過(guò)電感器108的電流(例如，使用跨越電阻器112的電壓降)(+I_SEN，-I_SEN)或電感器108電阻本身，或者通過(guò)測(cè)量穿過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)106的電流(例如，使用跨越電阻器114的電壓降)(I_SN，I_SP)而確定。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例，對(duì)確切何時(shí)進(jìn)行電流測(cè)量的確定由電流取樣時(shí)序與觸發(fā)器邏輯200確定。預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi)，PWM產(chǎn)生器102及電流取樣時(shí)序與觸發(fā)器邏輯200可為微控制器的一部分或與微控制器協(xié)作地起作用。關(guān)于PWM產(chǎn)生的更多細(xì)節(jié)及信息(例如，應(yīng)用注解AN1050、AN564等等)可在受讓人的網(wǎng)站www.microchip.com處獲得，且出于所有目的以引用方式并入本文中。

參考圖2，描繪根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的電流取樣時(shí)序與觸發(fā)器邏輯的示意圖。通常由數(shù)字200表示的電流取樣時(shí)序與觸發(fā)器邏輯可包括恒定電流源220、充電開(kāi)關(guān)(FET)222、恒定電流槽226、放電開(kāi)關(guān)(FET)228、時(shí)序電容器238、放電開(kāi)關(guān)(FET)240、模擬輸入電壓比較器242、預(yù)定標(biāo)器(n分頻器)254、NAND門(mén)246及248、AND門(mén)230以及反相器224、232、234、244、250及252。預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可存在可執(zhí)行與圖2中所展示的電路相同的功能且可由電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域及本發(fā)明的權(quán)益的技術(shù)者設(shè)計(jì)的其它及不同電路配置。

當(dāng)充電開(kāi)關(guān)222接通時(shí)，恒定電流源220將開(kāi)始以恒定電流I將時(shí)序電容器238充電，其中時(shí)序電容器238上的電荷將隨時(shí)間線性地增加以產(chǎn)生充電電壓。當(dāng)放電開(kāi)關(guān)228接通時(shí)，恒定電流槽226將開(kāi)始將時(shí)序電容器238上的電荷放電。當(dāng)充電開(kāi)關(guān)222及放電開(kāi)關(guān)228二者均分別接通時(shí)，對(duì)時(shí)序電容器226的充電/放電將為恒定電流源220與恒定電流槽226之間的電流差。由于恒定電流槽226具有恒定電流值2I且恒定電流源220具有恒定電流值I，因此當(dāng)開(kāi)關(guān)222及228二者均接通時(shí)，將以恒定電流I將時(shí)序電容器238放電。當(dāng)僅開(kāi)關(guān)222接通時(shí)，恒定電流源220將以恒定電流I將時(shí)序電容器238充電。當(dāng)僅開(kāi)關(guān)228接通時(shí)，恒定電流槽226將以恒定電流2I將時(shí)序電容器238放電。

來(lái)自電流感測(cè)路徑的取樣信號(hào)將以等于PWM信號(hào)的切換頻率的速率出現(xiàn)。當(dāng)取樣信號(hào)由圖2中所展示的邏輯產(chǎn)生時(shí)，其還可控制開(kāi)關(guān)240以將還耦合到電壓比較器242的非反相輸入的時(shí)序電容器238(電壓均衡)預(yù)充電到參考電壓。根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例，此參考電壓可為(舉例來(lái)說(shuō)但并不限于)0.7伏特(V)。然而，可使用其它參考電壓(諸如例如，0.0伏特)。

PWM周期可比模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)(未展示)將模擬電流樣本轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示所花費(fèi)的時(shí)間快。因此，可在取樣信號(hào)與用以起始ADC轉(zhuǎn)換的ADC轉(zhuǎn)換觸發(fā)器信號(hào)之間需要預(yù)定標(biāo)器254(除以n電路)。然而，仍可在每個(gè)低側(cè)50％點(diǎn)處獲取模擬電流值的樣本且將其一起求平均以用于由ADC進(jìn)行的轉(zhuǎn)換。使用包括NAND門(mén)230及234以及反相器232及236的觸發(fā)器電路，50％PWM周期信號(hào)將接通開(kāi)關(guān)228，開(kāi)關(guān)228將保持接通直到斷言取樣信號(hào)為止。

參考圖3，描繪根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的在20％PWM工作循環(huán)下的圖2中所展示的電流取樣時(shí)序與觸發(fā)器邏輯的示意性時(shí)序圖。當(dāng)PWM工作循環(huán)小于50％時(shí)，根據(jù)以下說(shuō)明產(chǎn)生取樣信號(hào)且在圖3中進(jìn)行描繪。僅當(dāng)高驅(qū)動(dòng)(HI_ON)經(jīng)斷言(接通)(高側(cè)開(kāi)關(guān)104接通)從而致使充電開(kāi)關(guān)222導(dǎo)電(接通)借此將恒定電流源220耦合到時(shí)序電容器238時(shí)，從恒定電流源220以等于I的恒定電流將電容器238充電。已將時(shí)序電容器238充電到0.7V，其中恒定充電電流I將進(jìn)一步增加其上的電壓電荷。充電開(kāi)關(guān)222保持接通且恒定電流源220保持耦合到時(shí)序電容器238直到高驅(qū)動(dòng)(HI_ON)經(jīng)解除斷言(關(guān)斷)(高側(cè)開(kāi)關(guān)104關(guān)斷)為止。

如果高側(cè)開(kāi)關(guān)104在PWM切換周期已達(dá)到50％之前關(guān)斷，那么充電開(kāi)關(guān)222關(guān)斷且電容器238上的電荷經(jīng)保持。在電流源220及/或電流槽226不耦合到時(shí)序電容器238的情況下，其將維持其上的電荷(電壓)。當(dāng)PWM切換周期達(dá)到50％時(shí)，開(kāi)關(guān)228接通且電流槽226耦合到時(shí)序電容器238，借此以恒定電流速率2I將其上的電壓電荷放電。因此，電容器238以為其經(jīng)充電時(shí)兩倍快的速率放電。當(dāng)電容器238上的電壓電荷為0.7V時(shí)，達(dá)到對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行取樣的時(shí)間點(diǎn)。此取樣點(diǎn)與低側(cè)開(kāi)關(guān)106導(dǎo)電時(shí)間的中點(diǎn)一致。

在PWM周期50％點(diǎn)處開(kāi)始時(shí)序電容器238上的電壓繼續(xù)降低，只要恒定電流槽226耦合到時(shí)序電容器238且直到時(shí)序電容器238上的電壓達(dá)到0.7V為止，其中電壓比較器242輸出將變高，反相器244輸出將變低且NAND門(mén)246的輸出將變高。此將致使NAND門(mén)248的輸出變低，這是因?yàn)楦唑?qū)動(dòng)(HI_ON)經(jīng)解除斷言(關(guān)斷)。當(dāng)NAND門(mén)248的輸出變低時(shí)，反相器252的輸出變高且產(chǎn)生取樣信號(hào)，從而致使FET開(kāi)關(guān)240接通，借此將時(shí)序電容器238上的電壓復(fù)位回到0.7V(如果在不同電壓處)。取樣信號(hào)在低側(cè)開(kāi)關(guān)106接通時(shí)的中點(diǎn)處變高。因此，在電感器電流的中點(diǎn)或平均值處獲取穿過(guò)電感器108的電流的樣本。

參考圖4，描繪根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的在80％PWM工作循環(huán)下的圖2中所展示的電流取樣時(shí)序與觸發(fā)器邏輯的示意性時(shí)序圖。當(dāng)PWM工作循環(huán)大于50％時(shí)，根據(jù)以下說(shuō)明產(chǎn)生取樣信號(hào)且在圖4中進(jìn)行描繪。僅當(dāng)高驅(qū)動(dòng)(HI_ON)經(jīng)斷言(接通)(高側(cè)開(kāi)關(guān)104接通)從而致使充電開(kāi)關(guān)222導(dǎo)電(接通)借此將恒定電流源220耦合到時(shí)序電容器238時(shí)，從恒定電流源220以等于I的恒定電流將電容器238充電。已將時(shí)序電容器238充電到0.7V，其中恒定充電電流I將進(jìn)一步增加其上的電壓電荷。充電開(kāi)關(guān)222保持接通且恒定電流源保持耦合到時(shí)序電容器238直到高驅(qū)動(dòng)(HI_ON)經(jīng)解除斷言(關(guān)斷)為止。在PWM周期50％點(diǎn)處，開(kāi)關(guān)228經(jīng)接通且電流槽226還耦合到時(shí)序電容器238，借此以恒定電流速率I將其上的電壓電荷放電，這是因?yàn)殡娏髟?20保持耦合到時(shí)序電容器238。

一旦關(guān)斷高側(cè)開(kāi)關(guān)104，將通過(guò)高側(cè)驅(qū)動(dòng)(HI_ON)變低而關(guān)斷開(kāi)關(guān)222。接著，時(shí)序電容器238上的電壓將以為其經(jīng)充電時(shí)兩倍的速率降低直到時(shí)序電容器238上的電壓達(dá)到0.7V為止。其中電壓比較器242輸出將變高，反相器244輸出將變低且NAND門(mén)246的輸出將變高。此將致使NAND門(mén)248的輸出變低，這是因?yàn)楦唑?qū)動(dòng)(HI_ON)經(jīng)解除斷言(關(guān)斷)。當(dāng)NAND門(mén)248的輸出變低時(shí)，反相器252的輸出變高且產(chǎn)生取樣信號(hào)，借此將時(shí)序電容器238上的電壓復(fù)位回到0.7V(如果在不同電壓處)。取樣信號(hào)在低側(cè)開(kāi)關(guān)106接通時(shí)的中點(diǎn)處變高。因此，在電感器電流的中點(diǎn)或平均值處獲取穿過(guò)電感器108的電流的樣本。

參考圖5，描繪根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的從恒定電流源及槽將電容器充電及放電的示意性時(shí)間-電壓曲線圖?？赏ㄟ^(guò)參考圖5而更好地理解圖2中所展示的模擬時(shí)序電路的功能，其中描繪電容器538從恒定電流源520經(jīng)充電且由恒定電流槽526放電的時(shí)間-電壓曲線圖。當(dāng)通過(guò)恒定電流源520將電容器538充電時(shí)，跨越電容器518的電壓Vcap根據(jù)以下方程式隨時(shí)間線性地增加：I＝C*dV/dt，其中C為電容器538的電容值，I為來(lái)自恒定電流源520的電流，且V為在時(shí)間t處電容器538上的電壓。當(dāng)已知電流I、時(shí)間t及電壓V中的任兩個(gè)值時(shí)，可根據(jù)所述兩個(gè)已知值來(lái)計(jì)算其它未知值。舉例來(lái)說(shuō)，如果已知電容器538的電容及來(lái)自恒定電流源520的充電電流，那么可使用以上方程式(1)來(lái)確定電壓V₁處的時(shí)間t₁及電壓V₂處的時(shí)間t₂。類(lèi)似地，可通過(guò)將恒定電流槽526耦合到電容器538而將電容器538上的電壓放電。當(dāng)恒定電流槽526具有2I或?yàn)楹愣娏髟?20的恒定電流值的兩倍的恒定電流時(shí)，時(shí)序電容器538將以為其在恒定電流I下經(jīng)充電時(shí)兩倍快的速率(2I)放電。如果恒定電流槽526為恒定電流源520的電流值的基本上兩倍，那么當(dāng)僅恒定電流槽526耦合到時(shí)，時(shí)序電容器538將總是以為其經(jīng)充電時(shí)兩倍的速率放電。在可在www.microchip.com處獲得的微芯片應(yīng)用注解AN1250及AN1375以及兩者均為詹姆斯E.巴特林(James E.Bartling)的共同擁有的第US7,460,441 B2號(hào)美國(guó)專(zhuān)利(標(biāo)題為“測(cè)量長(zhǎng)時(shí)間周期(Measuring a long time period)”)及第US 7,764,213 B2號(hào)美國(guó)專(zhuān)利(標(biāo)題為“當(dāng)前時(shí)間數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(Current-time digital-to-analog converter)”)中更全面地描述對(duì)時(shí)序電容器的恒定電流充電及放電的應(yīng)用的更一般使用說(shuō)明；其中所有應(yīng)用注解及美國(guó)專(zhuān)利均特此出于所有目的以引用方式并入本文中。

參考圖6，描繪根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例性實(shí)施例的電感器電流測(cè)量電路的示意圖。圖6(a)中展示電流測(cè)量電路，其中電阻器114在低側(cè)電流穿過(guò)其時(shí)形成電壓。在圖6(b)中，使用開(kāi)關(guān)(FET)106的內(nèi)部電阻替代電阻器114。在圖6(c)中，感測(cè)或前導(dǎo)FET 107可用作電流感測(cè)元件?？墒褂么┻^(guò)小前導(dǎo)FET 107的電流替代跨越電阻器114形成的電壓?？蓪⑶皩?dǎo)FET 107構(gòu)建到主功率FET 106中或?qū)⑵渑c主功率FET 106共同封裝，且前導(dǎo)FET 107通常具有比主功率FET 106大得多的導(dǎo)通電阻。舉例來(lái)說(shuō)，此設(shè)計(jì)可能夠在前導(dǎo)FET 107對(duì)功率FET 106具有10,000:1的導(dǎo)通電阻比率的情況下感測(cè)電流。在低側(cè)開(kāi)關(guān)106導(dǎo)電期間，所有這些電流測(cè)量電路提供穿過(guò)電感器108的電流的模擬參數(shù)指示。

參考圖6(d)，輸入端子上的電感器電流信號(hào)I_SN及I_SP可施加到差分輸入放大器660且接著施加到取樣與保持電路662，所述取樣與保持電路可每個(gè)取樣信號(hào)斷言獲取電壓樣本且可具有經(jīng)引入的電壓偏移(例如，0.5V)。使用電壓偏移使得誤差放大器可在輕負(fù)載條件下控制窄工作循環(huán)。通常，甚至軌對(duì)軌輸出放大器無(wú)法一直驅(qū)動(dòng)到電壓軌。此電壓偏移允許誤差放大器維持對(duì)所有工作循環(huán)條件的控制。放大器664可進(jìn)一步調(diào)節(jié)及/或放大I_SENSE信號(hào)以用于由ADC(未展示)進(jìn)行的轉(zhuǎn)換。每第n次出現(xiàn)取樣信號(hào)時(shí)，ADC可將I_SENSE信號(hào)轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示。可在每個(gè)低側(cè)50％點(diǎn)處獲取模擬電流值的樣本且在由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字值之前將所述樣本一起求平均。

參考圖7，描繪根據(jù)本發(fā)明的其它具體實(shí)例性實(shí)施例的電感器電流測(cè)量電路的示意圖。電感器電流感測(cè)元件可為與到負(fù)載的輸出串聯(lián)的電阻器112(圖1)或者電感器708的串聯(lián)電阻712。如果使用電感器708的串聯(lián)電阻712，那么可將RC濾波器放置于電感器708周?chē)?，如圖7(a)中所展示?？赏ㄟ^(guò)使用以下公式而確定電阻器770(R_S)及電容器772(C_S)的值：

L/R_L＝R_S×C_S，其中

L為輸出電感器708的電感值，

R_L為輸出電感器708的串聯(lián)電阻712，

R_S為電流感測(cè)濾波器電阻器770，及

C_S為電流感測(cè)濾波器電容器772。

當(dāng)將電流感測(cè)濾波器時(shí)間常數(shù)設(shè)定為等于電感器時(shí)間常數(shù)時(shí)，跨越電容器772(C_S)出現(xiàn)的電壓近似于在電感器708中流動(dòng)的電流乘以電感器708的串聯(lián)電阻712。

參考圖7(b)，輸入端子上的電感器電流信號(hào)I_SN及I_SP可施加到差分輸入放大器760且接著施加到取樣與保持電路762，所述取樣與保持電路可每個(gè)取樣信號(hào)斷言獲取電壓樣本且可具有經(jīng)引入的電壓偏移(例如，0.5V)。使用電壓偏移使得誤差放大器可在輕負(fù)載條件下控制窄工作循環(huán)。通常，甚至軌對(duì)軌輸出放大器無(wú)法一直驅(qū)動(dòng)到電壓軌。此電壓偏移允許誤差放大器維持對(duì)所有工作循環(huán)條件的控制。所取樣的電流及所測(cè)量的輸出電流兩者均可用于控制。放大器764可進(jìn)一步調(diào)節(jié)及/或放大I_SENSE信號(hào)以用于由ADC(未展示)進(jìn)行的轉(zhuǎn)換。每第n次出現(xiàn)取樣信號(hào)時(shí)，ADC可將I_SENSE信號(hào)轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示?？稍诿總€(gè)低側(cè)50％點(diǎn)處獲取模擬電流值的樣本且在由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字值之前將所述樣本一起求平均。

本文中所描述的整個(gè)電路可優(yōu)選地實(shí)施于具有ADC、PWM產(chǎn)生器及充電時(shí)間測(cè)量單元(CTMU)的微控制器內(nèi)?？膳渲眠壿嬁纱嬖谟谒鑫⒖刂破髦幸栽试S根據(jù)上文所論述的實(shí)施例中的一者的配置。然而，CTMU的具體實(shí)施方案可已提供所要求的電路。固件可控制相應(yīng)電路以特定來(lái)說(shuō)針對(duì)SMPS應(yīng)用以極少軟件額外開(kāi)銷(xiāo)自動(dòng)地測(cè)量電流。