感測切換式電源供應器相位電流的制作方法
【專利說明】
[0001] 優(yōu)先權主張
[0002] 本申請案為2014年12月18日申請的同樣在申請中美國專利申請案第14/575501 號的接續(xù)申請案；所述申請案主張2014年7月10日申請的美國臨時專利申請案第 62/022, 886號及2014年12月3日申請的申請案第62, 086, 933號的權益；所有前述申請 案的全文以引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003] 本發(fā)明涉及感測信號技術領域，特別涉及一種感測切換式電源供應器相位電流。
【背景技術】
[0004] 圖1為電源供應器（此處為單相降壓式轉換器（有時稱為降壓式調(diào)節(jié)器）10)及 自降壓式轉換器接收電力的負載12的示意圖。降壓式轉換器10將輸入信號（此處為輸入 節(jié)點14上的輸入電壓Vin)轉換成經(jīng)調(diào)節(jié)輸出信號（此處為輸出節(jié)點16上的經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電 壓Ο，其中fVιη;例如，Vιη= 3. 3伏特（V)且ν_= 1. 3V。且負載12可包括任何類 型的負載（例如，類似微處理器或微控制器的整合式計算電路）。雖然預期負載可包括電容 性及電感性阻抗成分，但可將負載12模型化為單純的電阻性阻抗（即，可模型化為多個阻 抗），且可改變其阻抗以改變其電流消耗狀態(tài)（例如，自"喚醒"狀態(tài)轉變至"睡眠"狀態(tài)，且 反之亦然）。因此，降壓式轉換器10經(jīng)組態(tài)以在負載阻抗的一范圍及負載電流I^d的一范 圍下將節(jié)至設定電壓位準。
[0005] 降壓式轉換器10包括電源供應器控制器18、于相位節(jié)點24處耦合在一起的高壓 側及低壓側NM0S切換式晶體管20及22、包含相位電感器28的相位26、相位電流感測電路 30、輸出電容器32及回授網(wǎng)絡34。相位電感器28可模型化為包括具有電感L的理想電感 器及串聯(lián)等效電阻器DCR，且感測電路30包括電阻器36、感測電容器38及放大器40。此 外，回授網(wǎng)絡34包括由電阻器42及44所形成的分壓器。降壓式轉換器10亦可包括其他 組件及電路系統(tǒng)，為簡潔起見，圖中將其省略。降壓式轉換器10的組件中的一或多個或因 此各別部分可安置于與電源供應器控制器18相同的集成電路裸片上；例如，切換式晶體管 20及22可安置于此集成電路裸片上。此外，電源供應器控制器18及并不安置于電源供應 器控制器上的任何其他一或多個組件中的一部分或所有部分可安置于封裝式電源供應器 模塊內(nèi)。
[0006] 在操作中，控制器18出于將調(diào)節(jié)至由回授網(wǎng)絡34設定的電壓位準的目的而 控制晶體管20及22的工作周期。在高壓側晶體管20接通且低壓側晶體管22斷開時，高 壓側晶體管將相位節(jié)點24耦合至Vin，使得相位電流Iphase(t)流過電感器28且大約線性地 增加（即，向上勻變）；相反地，在高壓側晶體管斷開且低壓側晶體管接通時，低壓側晶體管 將相位節(jié)點24耦合至接地，使得Iph_(t)大約線性地降低（即，向下勻變）。因此，電感器 28及輸出電容器32在相位節(jié)點24處有效地低通濾波切換式信號（其在Vi。與接地之間交 替），使得為相對恒定DC電壓?？刂破?8經(jīng)由由回授網(wǎng)絡34所產(chǎn)生的電壓Vfeedbacki 視乂_。若^，降低為低于由回授網(wǎng)絡34所設定的電壓位準(心及r44 κ44 分別為電阻器42及44的值），則控制器18增加高壓側晶體管20的工作周期以便朝向由回 授網(wǎng)絡所設定的電壓位準回增ν_;相反地，若上升為高于由回授網(wǎng)絡所設定的電壓位 準，則控制器14降低高壓側晶體管的工作周期以便朝向由回授網(wǎng)絡所設定的電壓位準回 降V〇ut。
[0007] 電源供應器控制器18回應于相位電流感測電壓Vsense⑴控制晶體管20及22的切 換，電壓表示相位電流Iph_(t)的量值及相位且其等于橫跨感測電容器38的電壓與放大器 40的增益的乘積。舉例而言，控制器18可限制高壓側晶體管20的工作周期，使得Iphase(t) 的峰值并不超出臨限值；當降壓式轉換器10的輸出節(jié)點16短路至接地時，控制器可執(zhí)行 此限制以實施過電流保護（0CP)?；蛟谳p負載條件期間，降壓式轉換器10以脈沖頻率調(diào)變 (PFM)模式操作時，控制器18可控制高壓側晶體管20的工作周期以產(chǎn)生具有設定峰值的 Iph_(t)的脈沖。替代性地，若降壓式轉換器10具有N>1個相位26,則出于平衡相位電 流Iphasel⑴至IphaseN⑴的目的（即，導致相位電流Iphasel⑴至Iph_N⑴各自具有大約相 同的平均電流位準），控制器18可回應于各別感測電壓(t)至VM_N (t)控制相位的晶 體管20及22的工作周期?？刂破?8亦可響應于V_M(t)實施降壓式轉換器10的電流模 式控制或有效電壓定位（AVP)。
[0008] 不幸的是，如下文所解釋，對于一些應用，相位電流感測電路30可能太不準確地 產(chǎn)生感測電壓V_M(t)。在一些狀況下，V_M(t)可能太不準確使得其可導致降壓式轉換器 10不恰當?shù)夭僮骰蛏踔磷兊檬軗p。
[0009] 出于以下論述的目的，假定感測信號放大器40具有單位增益，在理想條件下，為 頻率的函數(shù)的Vs_(s)歷經(jīng)所有頻率具有與Iph_(s)相同的波形及相位，且具有歷經(jīng)所有 頻率以恒定比例因子DCR相關于Iph_(s)的量值，如下文所描述。
[0010] 在理想條件下，V_se(s)由以下方程序給出：
[0011] (1:
[0012] 其中R36表示電阻器36的電阻且C3S表示感測電容器38的電容。
[0013] 在理想條件下，電感器28的DCR及電感L相對于（S卩，獨立于）Iphase(S)及溫度 為恒定，且R36及C3S亦相對于Iphasf；(s)及溫度為恒定。
[0014] 因此，若設定=β_3_6〇3Β，則理想地，方程式（1)減化為：
[0015] (2)Vsense(s) =Iphase(s)-DCR
[0016] 且
[0017]
[0018] 歷經(jīng)所有頻率，使得理想地，Vs_(s)以恒定比例因子（即，增益）DCR而相關于 Iphase(s)，如上文所描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 在本發(fā)明的實施例中，一種耦合式電感器結構包括第一及第二繞組。第一繞組經(jīng) 組態(tài)以傳導一電流，具有一第一節(jié)點和一第二節(jié)點，第一節(jié)點經(jīng)組態(tài)以用于耦合至一電源 供應器的一相位節(jié)點，第二節(jié)點經(jīng)組態(tài)以用于耦合至電源供應器的一輸出節(jié)點及耦合至經(jīng) 組態(tài)以產(chǎn)生表示電流的一感測信號的一感測阻抗的一第一節(jié)點。且第二繞組經(jīng)組態(tài)以用于 與第一繞組磁耦合，具有耦合至第一繞組的第一節(jié)點的一第一節(jié)點，且具有經(jīng)組態(tài)以用于 耦合至感測阻抗的一第二節(jié)點的一第二節(jié)點。
[0020] 舉例而言，在此結構的一實施例中，第一繞組可為一切換式電源供應器的一相位 電感器，且阻抗可為與第二繞組串聯(lián)并產(chǎn)生表示穿過相位電感器的相位電流的一感測電壓 的一串聯(lián)電阻器電容器網(wǎng)絡。
[0021] 相比于公知感測電路并入該上文所描述結構的一感測電路可具有一較小時間常 數(shù)、可產(chǎn)生較不取決于溫度及相位電感的一感測電壓，因此可改善或甚至消除與公知感測 電路相關聯(lián)的一或多個問題。舉例而言，相比于公知感測電路，即使在該上文所描述感測電 路的主（第一繞組）支腿與感測阻抗之間存在一時間常數(shù)失配的情況下，感測電壓的穩(wěn)定 時間且因此并入此感測電路的一電源供應器對一負載變化的響應時間可較快。此外，相比 于公知感測電路，對于一給定過電流保護（0CP)臨限值，該上文所描述感測電路可允許相 位電感器較小且可甚至允許所述0CP臨限值高于所述相位電感器的飽和電流。
【附圖說明】
[0022] 圖1為負載及包括經(jīng)組態(tài)以產(chǎn)生表示電源供應器的相位電流的感測信號的感測 電路的電源供應器的示意圖；
[0023] 圖2為具有軟飽和核心的電感器的電感相較于穿過電感器的電流的示意圖；
[0024] 圖3為具有硬飽和核心的電感器的電感相較于穿過電感器的電流的示意圖；
[0025] 圖4為圖1的感測電路的欠阻尼、臨界阻尼及過阻尼增益的波德圖的重迭圖；
[0026] 圖5為圖1的感測電路的欠阻尼、臨界阻尼及過阻尼步階回應的時域圖的重迭 圖；
[0027] 圖6為圖1的電源供應器的實際相位電流及圖1的感測電路響應于實際相位電流 所產(chǎn)生的過阻尼感測信號的時域圖的重迭圖；
[0028] 圖7為根據(jù)實施例的負載及包括經(jīng)組態(tài)以產(chǎn)生表示電源供應器的相位電流的感 測信號的感測電路的電源供應器的示意圖；
[0029] 圖8為根據(jù)實施例的圖7的感測電路的欠阻尼、臨界阻尼及過阻尼增益的波德圖 的重迭圖；
[0030] 圖9為根據(jù)實施例的圖1的感測電路的欠阻尼、臨界阻尼及過阻尼步階回應的時 域圖的重迭圖；
[0031] 圖10為根據(jù)實施例的圖7的電源供應器的實際相位電流及圖7的感測電路響應 于實際相位電流所產(chǎn)生的過阻尼感測信號的時域圖的重迭圖；
[0032] 圖11為根據(jù)實施例的包括圖7的電源供應器的初級及輔助繞組的核心結構的剖 視圖；
[0033] 圖12為根據(jù)實施例的圖11的核心結構的等角視圖；
[0034] 圖13為根據(jù)實施例的圖11的核心結構的一階電路模型的示意圖；
[0035] 圖14為根據(jù)實施例的包括圖7的電源供應器的電源供應器模塊的剖視側視圖，且 其中圖7的核心結構安置于電源供應器的其他組件上；
[0036] 圖15為根據(jù)實施例的圖14的電源供應器模塊的剖視俯視圖；
[0037] 圖16為根據(jù)實施例的負載及每相位包括一個感測電路的多相耦合式電感器電源 供應器的一部分的不意圖；
[0038] 圖17為根據(jù)實施例的包括圖16的電源供應器的初級及輔助繞組的核心結構的剖 視圖；
[0039] 圖18為根據(jù)實施例的包括圖7、圖14、圖15或圖16的一或多個電源供應器的系 統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開 的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現(xiàn)本公開而不應被這里闡述的實施例 所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍 完整的傳達給本領域的技術人員。
[0041] 再次參看圖1，在現(xiàn)實中，DCR可隨溫度變化；例如，DCR可歷經(jīng)近似25至100的溫 度