本發(fā)明涉及開關(guān)電源電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種PWM控制的開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置及方法。

背景技術(shù)：

開關(guān)電源轉(zhuǎn)換電路是常見的電壓轉(zhuǎn)換電路，分為降壓型（Buck），升壓型（Boost），升壓-降壓型（Buck-Boost），其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖1-3所示。

在開關(guān)電源電路中，電感作為儲能元件，會不斷的進(jìn)行勵磁和消磁動作。如圖4所示，在CCM（Continuous Conduction Mode，連續(xù)導(dǎo)通模式）下，電感電流隨著勵磁消磁動作呈現(xiàn)出高頻的鋸齒波形，其電流峰值IPK通過系統(tǒng)環(huán)路控制，跟隨輸入電壓、電流，輸出負(fù)載的變化而變化，通過IPK可以間接檢測輸入電流或者輸出電流，電感電流信號的采樣和保持是開關(guān)電源電路中經(jīng)常遇到的課題。

如圖4所示，在勵磁階段，電感電流信號通過電阻元件轉(zhuǎn)換為電壓信號VSEN。請參閱圖5，以Boost型電路為例，為采樣電感電流信號，在電感勵磁通路上串接一個小的采樣電阻Rsen，電感電流在電阻Rsen上產(chǎn)生電壓信號VSEN。由于電阻Rsen僅在勵磁支路上，電壓信號VSEN波形僅體現(xiàn)電感勵磁時電流波形。

請參閱圖6和圖7，現(xiàn)有技術(shù)的采樣保持電路中，在勵磁周期CLK內(nèi)采樣開關(guān)S1導(dǎo)通，開關(guān)S2斷開，電容C1對電壓信號VSEN進(jìn)行采樣， 電容C2保持上一個周期的IPK信號。在消磁周期CLKN內(nèi)，開關(guān)S1斷開，開關(guān)S2導(dǎo)通，通過電容C1和C2的電荷分配，電容C2上保持電容C1上采集到的信號。

現(xiàn)有技術(shù)的采樣保持電路中，要求電容C1遠(yuǎn)大于電容C2，以保證電容C1和C2電荷分配對采樣信號的誤差足夠小或者電容C1、C2具有精確的容值比例，可以計算出電荷分配產(chǎn)生的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置及方法，對采樣元件的要求大大降低，降低成本。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供一種開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置，該裝置包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第一采樣保持單元以及第二采樣保持單元，其中：

所述第一開關(guān)管、第二開關(guān)管以及第一采樣保持單元組成第一采樣支路，第三開關(guān)管、第四開關(guān)管以及第二采樣保持單元組成第二采樣支路；

所述第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管以及第四開關(guān)管分別接收第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號以及第四驅(qū)動信號，使得所述第一采樣保持單元和第二采樣保持單元分別對電感電流進(jìn)行間隔采樣和保持。

其中，第一開關(guān)管的驅(qū)動端接收所述第一驅(qū)動信號，所述第一開關(guān)管的輸入端接收所述電壓采樣信號VSEN，第一開關(guān)管的輸出端分別與所述第一采用保持單元以及所述第二開關(guān)管的輸入端電連接；

所述第二開關(guān)管的驅(qū)動端接收所述第二驅(qū)動信號，所述第二開關(guān)管的輸入端分別與所述第一開關(guān)管的輸出端以及所述第一采樣保持單元電連接，所述第二開關(guān)管的輸出端輸出電感電流對應(yīng)的電壓保持信號VHOLD；

所述第三開關(guān)管的驅(qū)動端接收所述第三驅(qū)動信號，所述第三開關(guān)管的輸入端接收所述開關(guān)電壓采樣信號VSEN，第三開關(guān)管的輸出端分別與所述第二采樣保持單元以及所述第四開關(guān)管的輸入端電連接；

所述第四開關(guān)管的驅(qū)動端接收所述第四驅(qū)動信號，所述第四開關(guān)管的輸入端分別與所述第三開關(guān)管的輸出端以及所述第二采樣保持單元電連接，所述第四開關(guān)管的輸出端輸出電感電流對應(yīng)的電壓保持信號VHOLD；

其中，所述電壓采樣信號VSEN為所述的電感電流在采樣電阻上的體現(xiàn)。

其中，第一驅(qū)動信號驅(qū)動第一開關(guān)管采樣第一周期，第三驅(qū)動信號驅(qū)動第三開關(guān)管采樣第二周期，依次交替采樣，其中，第一驅(qū)動信號和第三驅(qū)動信號由所需要采樣的電感電流點決定，在電感峰值電流采樣保持中第一驅(qū)動信號和第三驅(qū)動信號在電感電流到達(dá)峰值時分別關(guān)閉第一開關(guān)管和所述第三開關(guān)管的采樣。

其中，第二驅(qū)動信號和第四驅(qū)動信號分別驅(qū)動第二開關(guān)管和第四開關(guān)管保持電壓保持信號，其中，第二驅(qū)動信號與第四驅(qū)動信號互為反信號，以交替保持電壓保持信號。

其中，第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管以及所述第四開關(guān)管均為MOS開關(guān)管，其中所述驅(qū)動端為MOS開關(guān)管的柵極，所述輸入端為所述MOS開關(guān)管的源極，所述輸出端為所述MOS開關(guān)管的漏極。

其中，第一采樣保持單元和所述第二采樣保持單元均為電容。

其中，電容為MOS電容。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是：提供一種開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持方法，該方法應(yīng)用于開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置中，所述裝置包括前文所述的任一項的開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置；

所述方法包括以下步驟：

S1：通過采樣電阻將電感電流勵磁部分轉(zhuǎn)換為電壓采樣信號；

S2：開啟所述第一開關(guān)管，使得所述第一采樣保持單元對所述電壓采樣信號進(jìn)行采樣，并在所述第一采樣保持單元采樣到設(shè)定的電壓采樣信號值后關(guān)閉所述第一開關(guān)管使所述第一采樣單元保持所述電壓采樣信號，同時，開啟所述第四開關(guān)管，使得所述第二采樣保持單元所保持的上一周期的電壓采樣信號輸出為電壓保持信號，其中，關(guān)閉所述第二開關(guān)管和所述第三開關(guān)管；

S3：在勵磁結(jié)束后，關(guān)閉所述第四開關(guān)管，同時開啟所述第二開關(guān)管，使得第一采樣單元所保持的電壓采樣信號輸出為電壓保持信號，同時，保持關(guān)閉所述第一開關(guān)管，開啟所述第三開關(guān)管，使得所述第二采樣單元初始化并準(zhǔn)備采樣；

S4：開啟所述第三開關(guān)管，使得所述第二采樣保持單元對所述電壓采樣信號進(jìn)行采樣，在所述第二采樣單元采樣到設(shè)定的電壓采樣信號值后關(guān)閉所述第三開關(guān)管，使所述第二采單元保持所采樣到的電壓采樣信號，同時，保持開啟所述第二開關(guān)管，使得所述第一采樣單元所保持的上一周期的電壓采樣信號輸出為電壓保持信號，關(guān)閉所述第一開關(guān)管與第四開關(guān)管；

S5：在勵磁結(jié)束后，關(guān)閉所述第二開關(guān)管，同時開啟所述第四開關(guān)管，使得所述第二采樣單元所保持的電壓采樣信號輸出為電壓保持信號，保持關(guān)閉所述第三開關(guān)管，開啟所述第一開關(guān)管91，使得所述第一采樣單元初始化并準(zhǔn)備采樣；

通過重復(fù)所述步驟S2~S5以實現(xiàn)對電感電流的間隔采樣和保持。

其中，第一驅(qū)動信號和第三驅(qū)動信號由所需要采樣的電感電流點決定，第一驅(qū)動信號和第三驅(qū)動信號在電感電流到達(dá)峰值時分別關(guān)閉所述第一開關(guān)管和所述第三開關(guān)管的采樣。

其中，第二驅(qū)動信號與所述第四驅(qū)動信號互為反信號，以交替保持電壓保持信號。

本發(fā)明的有益效果是：區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明提供一種PWM開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置及方法，該裝置包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第一采樣保持單元以及第二采樣保持單元，其中，第一開關(guān)管、第二開關(guān)管以及第一采樣保持單元組成第一采樣支路，第三開關(guān)管、第四開關(guān)管以及第二采樣保持單元組成第二采樣支路，第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管以及第四開關(guān)管分別接收第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號以及第四驅(qū)動信號，使得第一采樣保持單元和第二采樣保持單元分別對PWM開關(guān)電源電路的電感電流進(jìn)行間隔采樣和保持。因此，本發(fā)明對采樣保持單元中的元件的要求大大降低，降低成本。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的降壓型開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)的升壓型開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是現(xiàn)有技術(shù)的升壓-降壓型開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是電感電流的波形圖和電感電流通過電阻元件后轉(zhuǎn)換為的電壓信號VSEN的波形圖；

圖5是升壓型開關(guān)電源串聯(lián)采樣電阻的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是現(xiàn)有技術(shù)的采樣保持電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是圖6所示的采樣保持電路中的電壓采樣信號和電壓保持信號的波形圖；

圖8是本發(fā)明實施例提供的一種PWM開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是圖8所示的電感電流采樣保持裝置的采樣保持電感電流峰值的驅(qū)動信號的一種波形圖；

圖10是圖8所示的電感電流保持裝置的電壓采樣信號VSEN在圖9所示的驅(qū)動信號驅(qū)動下的電壓保持信號VHOLD的波形；

圖11是圖8所示的電感電流保持裝置在圖9所示的驅(qū)動信號驅(qū)動下的第一采樣保持單元和第二采樣保持單元的波形圖；

圖12是圖8所示的電感電流采樣保持裝置的采樣保持電感電流初始值的驅(qū)動信號的波形圖；

圖13是本發(fā)明實施例提供的一種開關(guān)電源的電感電流采樣保持方法的流程圖。

具體實施方式

請參閱圖8，圖8是本發(fā)明實施例提供的一種開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖8所示，該裝置90包括第一開關(guān)管91、第二開關(guān)管92、第三開關(guān)管93、第四開關(guān)管94、第一采樣保持單元95以及第二采樣保持單元96。

其中，第一開關(guān)管91、第二開關(guān)管92以及第一采樣保持單元95組成第一采樣支路901。第三開關(guān)管93、第四開關(guān)管94以及第二采樣保持單元96組成第二采樣支路902。

第一開關(guān)管91、第二開關(guān)管92、第三開關(guān)管93以及第四開關(guān)管94分別接收第一驅(qū)動信號CK1、第二驅(qū)動信號CK2、第三驅(qū)動信號CK3以及第四驅(qū)動信號CK4，使得第一采樣保持單元95和第二采樣保持單元96分別對開關(guān)電源電路的電感電流進(jìn)行間隔采樣和保持。

具體而言，第一開關(guān)管91的驅(qū)動端接收第一驅(qū)動信號CK1，第一開關(guān)管91的輸入端接收電壓采樣信號VSEN，第一開關(guān)管91的輸出端分別與第一采用保持單元95以及第二開關(guān)管92的輸入端電連接，采樣單元95在第一開關(guān)管91開啟時跟隨采樣電壓采樣信號VSEN，并保持第一開關(guān)管關(guān)閉瞬間的電壓采樣信號VSEN值。

第二開關(guān)管92的驅(qū)動端接收第二驅(qū)動信號CK2，第二開關(guān)管92的輸入端分別與第一開關(guān)管91的輸出端以及第一采樣保持單元95電連接，第二開關(guān)管92的輸出端輸出電感電流相對應(yīng)的電壓保持信號VHOLD，在第二開關(guān)管92開啟時將第一采樣單元95保持的電壓采樣信號VSEN值輸出為電壓保持信號VHOLD。

第三開關(guān)管93的驅(qū)動端接收第三驅(qū)動信號CK3，第三開關(guān)管93的輸入端的接收電壓采樣信號VSEN，第三開關(guān)管93的輸出端分別與第二采用保持單元96以及第四開關(guān)管94的輸入端電連接，第二采樣單元96在第三開關(guān)管93開啟時跟隨采樣電壓采樣信號VSEN，并保持第三開關(guān)管93關(guān)閉瞬間的電壓采樣信號VSEN值。

第四開關(guān)管94的驅(qū)動端接收第四驅(qū)動信號CK4，第四開關(guān)管94的輸入端分別與第三開關(guān)管93的輸出端以及第二采樣保持單元96電連接，第四開關(guān)管94的輸出端輸出電感電流相對應(yīng)的電壓保持信號VHOLD，在第四開關(guān)管開啟時將第二采樣單元96保持的VSEN值輸出為VHOLD。

其中，電壓采樣信號VSEN為開關(guān)電源電路的電感電流在負(fù)載采樣電阻上的體現(xiàn)，具體如前文所述以及圖5所示。

本實施例中，第一開關(guān)管91、第二開關(guān)管92、第三開關(guān)管93以及第四開關(guān)管94均為MOS開關(guān)管，其中驅(qū)動端為MOS開關(guān)管的柵極，輸入端為MOS開關(guān)管的源極，輸出端為MOS開關(guān)管的漏極。第一采樣保持單元95和第二采樣保持單元96均為電容。

本實施例中，電感電流包括電感勵磁起始時刻的電感電流和勵磁結(jié)束時刻的電感電流，對該兩種電感電流的采樣保持的方法不同，具體如下所述。

對于勵磁結(jié)束時刻的電感電流的采樣保持，本實施例采用的方案是：第一驅(qū)動信號CLK1和第四驅(qū)動信號CLK4相同，第二驅(qū)動信號CLK2和第三驅(qū)動信號CLK3相同，并且第一驅(qū)動信號CLK1和第二驅(qū)動信號CLK2互為反向信號，即第一驅(qū)動信號CLK1和第二驅(qū)動信號CLK2的周期相同，相位相反。具體而言，第一驅(qū)動信號CLK1驅(qū)動第一開關(guān)管91采樣第一周期，第三驅(qū)動信號CLK3驅(qū)動第三開關(guān)管93采樣第二周期，依次交替采樣，其中，第一驅(qū)動信號CLK1和第三驅(qū)動信號CLK3由所需要采樣的電感電流點決定，例如圖9-11所示，第一驅(qū)動信號CLK1和第三驅(qū)動信號CLK3在電感電流到達(dá)峰值IPK時分別關(guān)閉第一開關(guān)管91和第三開關(guān)管93的采樣。使得在第一采樣保持單元95采樣時，第二采樣保持單元96保持上一個周期的采樣值。

進(jìn)一步的，第二驅(qū)動信號CLK2和第四驅(qū)動信號CLK4分別驅(qū)動第二開關(guān)管92和第四開關(guān)管94保持電壓保持信號，其中，第二驅(qū)動信號CLK2與第四驅(qū)動信號CLK4互為反信號，以交替保持電壓保持信號VHOLD。

采樣保持電感電流峰值的驅(qū)動信號的波形具體如圖9所述。其中，電壓采樣信號VSEN在圖9所示的驅(qū)動信號驅(qū)動下的電壓保持信號VHOLD的波形如圖10所示，在圖9所示的驅(qū)動信號驅(qū)動下的電容結(jié)構(gòu)的第一采樣保持單元95和第二采樣保持單元96的波形如圖11所示。

具體工作原理為：驅(qū)動信號為高電平有效。當(dāng)?shù)谝或?qū)動信號CLK1和第三驅(qū)動信號CLK4有效時，開關(guān)91和94導(dǎo)通，開關(guān)92和93斷開，第一采樣保持單元95對電壓采樣信號VSEN進(jìn)行采樣，第二采樣保持單元96保持上一周期的信號，由于開關(guān)94導(dǎo)通，即輸出的電壓保持信號VHOLD信號保持上個周期的信號。

同理，當(dāng)?shù)诙?qū)動信號CLK2和第四驅(qū)動信號CLK3有效時，開關(guān)91和94斷開，開關(guān)92和93導(dǎo)通，第二采樣保持單元96對電壓采樣信號VSEN進(jìn)行采樣，第一采樣保持單元95保持上一周期的信號，由于開關(guān)92導(dǎo)通，即輸出的電壓保持信號VHOLD信號保持上個周期的信號。

因此，本實施例通過開關(guān)周期分頻產(chǎn)生相位相反的兩個采樣時鐘驅(qū)動信號來控制開關(guān)91-94；通過電容結(jié)構(gòu)的采樣保持單元95和96隔周期對電壓采樣信號VSEN進(jìn)行采樣保持。通過驅(qū)動信號的錯時采樣，間隔保持，實現(xiàn)電感勵磁結(jié)束時刻電感電流即電感峰值電感電流IPK的采樣保持。

本實施例的采樣電路對作為采樣保持單元的電容的要求大大降低，只需要很小的采樣電容，同時兩者沒有比例要求，可以使用MOS電容實現(xiàn)，在控制芯片設(shè)計時避免芯片內(nèi)部電容的使用，減少光刻層數(shù)，降低成本。

對于起始時刻的電感電流的采樣保持，本實施例采用的方案是：第一驅(qū)動信號CLK1在上一個勵磁周期結(jié)束后有效，在本次勵磁周期起始時第一采樣保持單元95采樣起始電感電流信號后關(guān)閉，第二驅(qū)動信號CLK2在本次勵磁結(jié)束后有效，將第一采樣保持單元95所保持的信號輸出。

第三驅(qū)動信號CLK3在上一個勵磁周期結(jié)束后有效，在本次勵磁周期起始時第二采樣保持單元96采樣起電感電流始信號后關(guān)閉，第四驅(qū)動信號CLK4在本次勵磁結(jié)束后有效，將第二采樣保持單元96所保持的信號輸出。

采樣保持電感電流初始值的驅(qū)動信號的波形具體如圖12所示，第一采樣支路901與第二采樣支路902對電感電流對應(yīng)的電壓采樣信號VSEN交替采樣保持。

本發(fā)明實施例還提供了一種開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持方法，該方法應(yīng)用于開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置中。其中開關(guān)電源電路的電感電流采樣保持裝置如前文所述，在此不再贅述。請參閱圖13所示，本實施例的方法包括以下步驟：

步驟S1：通過采樣電阻將電感電流勵磁部分轉(zhuǎn)換為電壓采樣信號VSEN。

步驟S2：開啟第一開關(guān)管91，使得第一采樣保持單元95對電壓采樣信號VSEN進(jìn)行采樣，并在第一采樣單元95采樣到設(shè)定的電壓采樣信號VSEN值后關(guān)閉第一開關(guān)管91使第一采單元95保持采樣信號，同時，開啟第四開關(guān)管94，使得第二采樣單元96所保持的上一周期的電壓采樣信號輸出為電壓保持信號，其中，第二開關(guān)管92與第三開關(guān)管93關(guān)閉。

步驟S3：在勵磁結(jié)束后，關(guān)閉第四開關(guān)管94，同時開啟第二開關(guān)管92，使得第一采樣單元95所保持的電壓采樣信號輸出為電壓保持信號，同時，保持關(guān)閉第一開關(guān)管91，開啟第三開關(guān)管93，使得第二采樣單元96初始化并準(zhǔn)備采樣。

步驟S4：開啟第三開關(guān)管93，使得第二采樣保持單元96對電壓采樣信號VSEN進(jìn)行采樣，在第二采樣單元96采樣到設(shè)定的電壓采樣信號VSEN值后關(guān)閉第三開關(guān)管93，使第二采單元保持所采樣到的電壓采樣信號，同時，保持開啟第二開關(guān)管92，使得第一采樣單元95所保持的上一周期的電壓采樣信號輸出為電壓保持信號，關(guān)閉第一開關(guān)管91與第四開關(guān)管94。

步驟S5：在勵磁結(jié)束后，關(guān)閉第二開關(guān)管92，同時開啟第四開關(guān)管94，使得第二采樣單元96所保持的電壓采樣信號輸出為電壓保持信號，保持關(guān)閉第三開關(guān)管93，開啟第一開關(guān)管91，使得第一采樣單元95初始化并準(zhǔn)備采樣。

通過重復(fù)步驟S2~S5實現(xiàn)對電感電流的間隔采樣和保持。

本實施例中，電感電流包括電感勵磁起始時刻的電感電流和終止時刻的電感電流，具體如前文所述以及圖9-圖12所示。

綜上所述，本發(fā)明對采樣保持單元中的元件的要求大大降低，降低成本。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。