[发明专利]具有分离的AC及DC电流感测路径的开关电源

说明书

技术领域

本发明涉及DC/DC转换器，且特定而言，涉及在电流模式控制开关电源中感测电流。

背景技术

图1说明现有技术电流模式DC/DC开关电源的一种类型，其也被称作电流模式DC/DC转换器。许多其它转换器配置也可受益于本发明。图1所示的转换器类型是峰值电流模式转换器。

所述转换器的操作是常规的且如下所述。

将时钟(Clk)信号施加到RS触发器20的设置输入。

RS触发器20的设置在其Q输出端处产生高信号。作为响应，逻辑电路24接通晶体管开关26且关闭同步整流器开关28。两个开关均可为MOSFET或其它晶体管。二极管可替换同步整流器开关28。逻辑电路24确保开关26及28不存在交叉传导。通过开关26施加到电感器L1的输入电压Vin造成斜变电流流过电感器L1，且此电流流过低值感测电阻器32。斜变电流由输出电容器36进行滤波且将电流供应到负载38。输出电容器36相对大以消除波纹。

将输出电压Vo施加到分压器42，且将已分压的电压施加到跨导误差放大器44的负输入端。注意，此放大器44可为电流输出型跨导放大器或电压输出型放大器。电容器可跨越分压器42中的电阻器而连接以进一步补偿反馈电压。将参考电压Vref施加到放大器44的正输入端。放大器44的输出电流对应于实际输出电压Vo与所需输出电压之间的差。基于放大器44的正或负电流输出而上升或下降调整在放大器44的输出端处跨越电容器46的电压(控制电压Vc)。电容器46处的控制电压Vc尤其设置开关26的工作循环，且控制电压Vc的电平是使进入放大器44的输入均衡所需要的电平。众所周知，电阻器及电容器可与电容器46并联连接以用于控制及最优化相位及回路稳定性。

将控制电压Vc施加到脉宽调制(PWM)比较器50。当开关26接通时，由具有某一增益的差动放大器52感测跨越感测电阻器32的斜变电压，且当放大器52的输出超过控制电压Vc时，触发PWM比较器50以将重置信号输出到RS触发器20。这会关闭开关26且接通同步整流器开关28以使电感器L1放电，从而造成向下斜变电流。以此方式，调节在每一循环内通过电感器L1的峰值电流以产生所需输出电压Vo。通过感测电阻器32的电流包含DC分量(较低频率，平均电流)及AC分量(较高频率，波纹电流)。

图1还说明常规的倾斜补偿电路59，这对于电流模式电力转换器是众所周知的。在高工作循环(通常大于50%)时，倾斜补偿电路59在电感器电流斜坡超过控制电压Vc之前关闭开关26，以减少在高工作循环时可发生在电流回路中的次谐振荡。倾斜补偿电路59的效应与本发明无关。

如将关于图3所描述，由接通或关闭开关26引起的开关噪声(例如，高频率尖峰及振荡)耦合到电流感测电路且造成对PWM比较器50的误触发，从而引起抖动及输出电压Vo上的波纹增大。

随着电流变高及输出电压变低，跨越低值感测电阻器32的电压降及功率耗散变得越来越显著。需要使用小值感测电阻器以减少其功率耗散。不幸地，提供极低值感测电阻器32会引起感测信号的低信噪比，从而除了造成开关噪声问题之外，还造成不精确的开关。此外，需要甚至完全地消除感测电阻器以节省功率损耗且改进转换器效率。

代替检测通过感测电阻器的电感器电流，可通过检测跨越开关26(例如，MOSFET)的电压降而感测通过电感器L1的电流。此类MOSFET的接通电阻可为几毫欧姆。然而，此类感测除了引起开关噪声问题之外，仍引起感测信号的低信噪比及不精确的开关。

图2说明使用电感器L1的固有DC绕组电阻(DCR)以检测电感器电流。电感器绕组可具有大约几毫欧姆到小于1毫欧姆的DC电阻。包括串联连接的电阻器R及电容器C(跨越电感器L1而连接)的RC网络经选择成具有与所述电感器及DCR的时间常数实质上相同的时间常数，使得RC=L1/DCR。因此，跨越电阻器C的斜变电压将跟踪通过电感器L1的斜变电流。接着由差动放大器52感测跨越电容器C的电压，且操作的剩余部分与关于图1所描述的操作相同。跨越电容器C的经感测电压包含DC分量(对应于较低的频率，平均电流)及AC分量(对应于较高频率，波纹电流)。在具有极低电感器DCR值的应用中，图2的转换器遭受与关于图1所描述的开关噪声问题及信噪比问题相同的开关噪声问题及信噪比问题。因为RC时间常数必须匹配用于适当操作的L1/DCR时间常数，所以使用图2的技术不能改进信噪比。