用于半谐振电压转换器中的相电流估计的方法和装置制造方法及图纸

公开了用于半谐振电压转换器中的相电流估计的方法和装置。谐振或半谐振电压转换器包括同步整流(SR)开关，当SR开关激活时，通过SR开关传导具有半周期正弦状形状的电流。对通过SR开关的电流建模，并且由数字估计器基于该模型生成SR开关电流的估计。SR开关电流估计以相当快的速率被更新，如电压转换器的控制器可能需要的。模拟转换器以较慢的速率运行，并且生成被反馈到数字估计器的误差信号以改善未来的SR开关电流估计。由于模拟转换器以相当慢的速率运行，因此功耗很小。然而，SR开关电流估计以足以为电压转换器提供足够控制的快的速率被更新。

A method and device for phase current estimation in a semi resonant voltage converter

A method and device for the phase current estimation in a semi resonant voltage converter is disclosed. A resonant or semi resonant voltage converter consists of a synchronous rectifier (SR) switch that conducts a semi periodic sinusoidal form of current through a SR switch when the SR switch is activated. The model of the current through the SR switch is modeled and the estimation of the SR switching current is generated by the digital estimator based on the model. The SR switching current estimation is updated at a very fast rate, such as the voltage converter's controller may need. The analog converter runs at a slower rate and generates an error signal that is fed back to the digital estimator to improve the future SR switching current estimation. Because the analog converter runs at a very slow speed, the power consumption is very small. However, the SR switching current estimation is updated enough that the fast speed of sufficient control for the voltage converter is updated.

【技术实现步骤摘要】
用于半谐振电压转换器中的相电流估计的方法和装置
本申请涉及半谐振和谐振电压转换器，并且具体地涉及用于估计流过这样的转换器的每个相的电流的技术。
技术介绍
谐振和半谐振DC-DC电压转换器(包括隔离和非隔离拓扑)用于各种应用中，包括电信、消费电子、计算机电源等。由于它们的零电压和/或零电流开关特性以及它们利用电子电路固有的寄生电性能的能力，这样的转换器的使用越来越受欢迎。与其他类型的转换器相比，这样的转换器提供各种优点，包括成本更低和效率更高。很多谐振和半谐振电压转换器的输出电流呈正弦曲线的上半周期的形状，其中该形状发生在这样的电压转换器的每个开关周期期间。这些转换器通常使用可变开关频率被控制，以满足其相关联的负载要求，这可能随时间而变化。这样的转换器的多个相可以并联连接，以便增加可用的负载电流并且减少这样的转换器的输出处的纹波。高性能电压转换器需要每个相的电流信息，以便为其负载提供高质量的功率。这种相电流信息在提供关键特性(如相故障检测、峰值电流保护、相平衡、精确负载线路估计、省电模式、过流保护和改进的瞬态响应)方面至关重要。传统的开关电源转换器(包括谐振转换器)包括用于获取相电流信息的电流感测/采样网络。然而，传统的电流采样网络消耗大量功率并且需要较大的管芯面积。例如，一种传统的用于采样相电流信息的方法利用闪速模数转换器(ADC)。虽然这样的ADC可以提供快速转换和高精度，但是它们相对昂贵，即使在不是主动转换时也具有高的漏电流，在正在转换时使用高的功率，并且在控制器芯片或电压转换器内的其他地方需要显著的管芯面积。另一种传统的用于获取相电流信息的方法利用跟踪ADC。然而，跟踪ADC易受噪声影响，需要相对较高的功率，消耗显著的管芯面积，并且在高电流下具有差的跟踪能力和性能。因此，需要可以由谐振或半谐振电压转换器使用的改进的相电流估计技术，其中该估计技术消耗低的功率和管芯面积，同时提供准确且快速的相电流跟踪。
技术实现思路
根据开关电压转换器的实施例，转换器利用可变开关频率并且包括第一相、控制电路和电流估计器。第一相包括同步整流(SR)开关，当SR开关激活时，通过SR开关传导具有半周期正弦状形状的SR电流。电流估计器包括数字估计电路和模拟转换电路二者。数字估计电路使用通过SR开关的电流的模型和误差信号来生成SR电流的第一估计。数字估计电路以第一频率运行，并且以第一频率更新其对SR电流的第一估计。模拟转换电路基于实际测量的SR电流和由数字估计电路生成的SR电流的第一估计来生成误差信号。模拟转换电路以第二频率更新误差信号并且提供转换，第二频率通常低于由数字估计电路使用的第一频率。控制电路可操作为通过向SR开关提供脉冲宽度调制(PWM)控制信号来控制SR开关的逐周期开关，其中PWM控制信号的频率和/或占空比基于SR电流的第一估计。根据方法的实施例，提供了一种用于可变频率电压转换器中的电流估计的方法。电压转换器包括同步整流(SR)开关，当SR开关激活时，通过SR开关传导具有半周期正弦状形状的SR电流。该方法通常在电压转换器或其内的控制器内实现。对于电压转换器的每个开关周期，SR开关被启用，使得其在SR导通时段内传导SR电流，其中SR导通时段是电流开关周期的开关时段的一部分。在SR导通时段期间基于SR电流的模型来生成建模的SR电流，并且以第一频率更新建模的SR电流。使用建模的SR电流和数字误差信号生成第一SR电流估计。第一SR电流估计被转换成模拟SR电流估计，其中模拟SR电流估计以第二频率被更新。通过考虑模拟SR电流估计和测量的SR电流估计之间的差异来生成模拟SR电流误差。然后将该模拟SR电流估计转换为也以第二频率更新的数字误差信号。因此，第一SR电流估计以第一频率更新，并且模数和数模转换以第二频率执行，其中第二频率通常比第一频率低得多。通常对于电压转换器的每个开关周期重复该方法。在阅读以下详细说明以及查看附图时，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。附图说明附图的元件不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的相似部件。各种所示实施例的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。实施例在附图中示出，并且在下面的说明中详细描述。图1示出了包括控制电路的多相电压转换器的实施例的框图，其中控制电路包括相电流估计器。图2示出了如图1所示的并且可以将其自身视为单相电压转换器的电压转换器的一个相的实施例的电路图。图3示出了可以在如图2所示的半谐振电压转换器的一个相中生成的电压和电流波形。图4示出了与在诸如图2所示的同步整流(SR)开关的半谐振电压转换器内流过SR开关的电流相对应的波形。图5示出了如图1所示的相电流估计器的实施例。图6示出了如图5所示的相电流估计器的实施例，但具有附加的细节。图7示出了如图6的相电流估计器中所示的斜率估计器的实施例。图8示出了与用于估计在如图2所示的半谐振电压转换器内流过SR开关的电流的方法相对应的流程图。具体实施方式本文中所述的实施例提供了用于估计使用可变频率开关的谐振或半谐振电压转换器的相内的电流的技术。所估计的电流相当频繁地被更新，但是用于估计电流的模拟部件以相对较低的频率运行。这些技术利用电流的模型，然后使用该模型和实际测量的电流来创建误差信号。误差信号被反馈到模型中，以便更新和提高估计的电流。由于提供误差信号的模拟部件以相当低的频率运行，所以模拟部件的电流消耗和管芯面积可以保持相当低。然而，这些技术通过相当频繁的电流估计更新提供了精确的电流跟踪，如可变频率开关电压转换器的控制器所需要的。将在以下详细说明和相关附图中提供电压转换器内的电压转换器电路和方法的各种实施例。所描述的实施例提供了特定示例用于解释目的，而并非意在限制。来自示例实施例的特征和方面可以被组合或重新排列，除非上下文不允许这一点。图1示出了电压转换器100的实施例，其被配置为从电源VIN输入功率，输出用于驱动负载120的功率，并且包括相电流估计器118。电压转换器100向负载120和用于对输出电压VOUT进行滤波的电容器C0提供电流IOUT。图1的电压转换器包括多个相130、180、190。作为多个相的代表的相1(130)以框图形式示出，理解为其他相将被类似地配置。虽然图1示出了多相电压转换器，但是本文中呈现的大多数技术也可应用于单相电压转换器。如图所示，相1(130)包括将功率级132耦合到电压转换器输出VOUT的无源电路134。功率级132输入用于控制其中的开关的开关控制信号HS1和LS1。功率级132内的开关通常需要驱动器(为了便于说明而未示出)。无源电路134耦合到同步整流(SR)开关级138，SR开关级138用于可开关地将无源电路134耦合到接地。SR开关级138包括通常也需要驱动器(也未示出)的SR开关(未示出)。控制电路110控制电压转换器100的相130、180、190中的每一个相的功率级132和SR开关级138的开关。频率和占空比发生器112基于从输出电压VOUT感测的负载要求来确定电压转换器100的开关频率和占空比，并且将这些参数提供给脉冲宽度调制(PWM)发生器116。PWM发生器116又针对电压转换器100的每个相生成开关控制信号(例如，HS1、LS1、SR1)。电压转换器100的开关频率是可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用可变开关频率的电压转换器，所述电压转换器包括：第一相，其包括同步整流(SR)开关，当所述SR开关激活时，通过所述SR开关传导具有半周期正弦状形状的SR电流；PWM发生器，其可操作为通过向所述SR开关提供脉冲宽度调制(PWM)控制信号来控制所述SR开关的逐周期开关，所述PWM控制信号的频率基于所述SR电流的第一估计；以及电流估计器，其包括：数字估计电路，其被配置为使用通过所述SR开关的电流的模型以及误差信号来生成所述SR电流的第一估计，并且被配置为以第一频率更新所述SR电流的第一估计，以及模拟转换电路，其被配置为输入与所述SR电流对应的测量的电流，以第二频率提供转换，并且生成所述误差信号。

【技术特征摘要】
2016.05.31 US 15/168,4391.一种使用可变开关频率的电压转换器，所述电压转换器包括：第一相，其包括同步整流(SR)开关，当所述SR开关激活时，通过所述SR开关传导具有半周期正弦状形状的SR电流；PWM发生器，其可操作为通过向所述SR开关提供脉冲宽度调制(PWM)控制信号来控制所述SR开关的逐周期开关，所述PWM控制信号的频率基于所述SR电流的第一估计；以及电流估计器，其包括：数字估计电路，其被配置为使用通过所述SR开关的电流的模型以及误差信号来生成所述SR电流的第一估计，并且被配置为以第一频率更新所述SR电流的第一估计，以及模拟转换电路，其被配置为输入与所述SR电流对应的测量的电流，以第二频率提供转换，并且生成所述误差信号。2.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述第一相还包括：功率级，其包括高侧开关和在所述功率级的开关节点处耦合到所述高侧开关的低侧开关；以及无源电路，其包括变压器/分接电感器，所述无源电路将所述开关节点耦合到所述电压转换器的输出节点，并且所述无源电路在所述SR开关导通时通过所述SR开关被耦合到接地，其中所述PWM发生器还可操作为通过向所述高侧开关和所述低侧开关中的每个开关提供PWM控制信号来控制所述高侧开关和所述低侧开关的逐周期开关。3.根据权利要求1所述的电压转换器，还包括附加相，所述附加相中的每个附加相包括附加SR开关，当所述附加SR开关激活时，通过所述附加SR开关传导具有半周期正弦状形状的附加SR电流。4.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述第一频率大于所述第二频率。5.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述数字估计电路被配置为基于二阶或更高阶的多项式来对所述SR电流建模。6.根据权利要求5所述的电压转换器，其中所述多项式是由下式给出的二阶多项式：ISR_EST＝nα(TSR_ON-t)t其中n与所述SR开关耦合到的变压器/分接电感器的匝数比相关，TSR_ON是所述电压转换器的周期内的时间段，所述SR开关在该时间段期间导通，t是距所述SR开关导通的时段的开始的时间，以及α基于所述电压转换器的周期的开关时段TSW以及所述SR开关导通的时间段TSR_ON。7.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述模拟转换电路包括：数模转换器，其被配置为输入所述SR电流的第一估计并且以对应于所述第二频率的速率将所述第一估计转换成模拟SR电流估计；电流求和电路，其被配置为通过对所述模拟SR电流估计和所述测量的电流进行求和来生成模拟误差；以及模数转换器，其被配置为以对应于所述第二频率的速率将所述模拟误差转换成所述误差信号。8.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述数字估计电路还包括：斜率估计器，其被配置为生成所述SR电流的斜率的第一估计，估计的斜率以所述第一频率被更新。9.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述数字估计电路还包括：误差积分器，其被配置为对所述误差信号进行积分和缩放以产生积分误差，其中所述积分误差以对应于所述第二频率的速率被更新。10.根据权利要求9所述的电压转换器，其中所述数字估计电路还包括：数字求和电路，其被配置为通过对所述积分误差、所述误差信号或所述误差信号的缩放版本、和所述SR电流的斜率的第一估计进行求和来生成改进的斜率估计；以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·巴巴扎德赫，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT