基于电感电流自校准无损检测的平均电流模式控制器 【技术领域】
本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种电感型变换器中电感电流自校准无损检测的平均电流模式控制器。
背景技术
在电感型变换器中，基本上大多数的直流-直流或交流-直流变换器都需要检测电感电流作为：1.电流型环路控制；2.过流检测保护；3.反向电流检测，以实现断续电流控制模式(DCM)。其中电感电流检测的方法有很多，且各有优缺点。下表例举了常用的几种电感电流检测的方法及其优缺点：
检测方法 优点 缺点 串联电阻 精度高 功耗大 开关导通电阻 功耗小 精度低 镜像开关 功耗小，可集成 精度低，有匹配问题， 低带宽 检测电感电压计算电 感电流 功耗小，全周期 检测 需要知道电感值 滤波器检测 功耗小，全周期 检测 需要知道电感值以及 ESR阻值 滤波器的电阻和电容值 较大
【发明内容】
本发明提供一种电感电流自校准无损检测的平均电流模式控制器，采用电感固有的串联等效电阻(ESR)实现在电感型的直流-直流变换器中对不同阻值的ESR电阻进行自校准和电感电流的无损检测，并基于这种电流检测实现电感电流的平均电流控制。
一种电感电流自校准无损检测的平均电流模式控制器，包括电感型直流变换器、功率开关和与电感型直流变换器串联的负载，所述的平均电流模式控制器还包括：
驱动器，连接所述的功率开关，用于控制功率开关的闭合；
电流环控制电路，连接所述的电感型直流变换器的输入输出端，用于检测流经电感的电流，并输出稳定的直流检测信号；
电压环控制电路，连接所述的电感型直流变换器的输出端，用于对输出电压进行采样，并为电流环控制电路输出基准控制信号；
斜坡补偿电路，连接电流环控制电路的输出端，用于向电流环控制电路输出的直流检测信号叠加一个斜坡信号；
占空比比校电路，接收直流检测信号和电压环控制电路输出的基准控制信号，用于比较两种信号并输出占空比信号控制所述的驱动器的工作。
其中，所述的电流环控制电路包括低通滤波器、可变电阻、电容器，功率电压基准源和低通滤波器直流增益自校准电路，其中：
所述的功率电压基准源通过并联的可变电阻和电容器连接低通滤波器的输出端，用于为所述的低通滤波器的输出提供直流偏置信号。
所述的低通滤波器直流增益自校准电路，用于对可变电阻的阻值进行调节，从而改变低通滤波器的直流增益。
其中，所述的电压环控制电路包括误差放大器、若干反馈分压电阻、第一电压基准源、补偿电阻和补偿电容器；
所述的误差放大器一输入端通过反馈分压电阻连接到变换器输出端，另一输入端连第一接电压基准源，用于将反馈信号与所述的第一电压基准源提供的基准电压做误差放大；
所述的补偿电阻和补偿电容器连接误差放大器的输出端，用于构成电压环控制电路的积分型滞后频率补偿网络。
其中，所述的低通滤波器直流增益自校准电路包括前置放大器、比较器，计数器和第二电压基准源；
前置放大器，连接所述的低通滤波器的输出，用于将低通滤波器输出的检测信号放大；
比较器，连接所述的前置放大器的输出端和所述的第二电压基准源，用于将前置放大器输出的放大后的监测信号和第二电压基准源输出的基准信号进行比较；
计数器，接收比较器输出的比较信号，用于根据接收的比较信号控制所述的可变电阻的阻值。
本发明的平均电流模式控制器，在电流环的设计中不需要再额外引入积分器，不存在复杂的补偿问题。另外，电流环的反馈级是低通滤波器，其传递函数带一个左半平面极点，当电流环控制电路闭环后，反馈级传递函数中的极点在闭环传递函数中分解成了一个左半平面零点和一个高频极点，有助于增大带宽和提高相位裕度。
本发明的平均电流模式控制器以及采用本控制器进行平均电流控制方法地优点是适应性强，适用于任何带电感的变换器拓扑和多种型号及系列的电感，应用工程师不需要事先测得电感的阻值，在控制器可校准范围内的值均可以应用。采用本控制器进行平均电流控制，没有在功率级引入额外的耗能原件，尤其在大功率应用的拓扑当中，转换效率有相当明显的提高。本发明的控制器有很多扩展应用，能够对功率开关的导通电阻进行校准检测。
【附图说明】
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为图1中电路工作时关键信号的波形图；
图3为本发明低通滤波器直流增益自校准电路结构示意图；
图4为图3中自校准过程中电路中各节点的信号波形图。
【具体实施方式】
图1是发明的的电路结构示意图，以降压型buck拓扑进行说明，其他升压型boost拓扑，升降压型buck-boost拓扑的控制类似。
一种电感电流自校准无损检测的平均电流模式控制器，包括：
电感型直流变换器，其中L是电感，带有一个未知的ESR电阻，电阻Ro和电容器Co组成输出负载；
功率开关，由P沟道功率开关MP和N沟道功率开关MN构成，控制电感型直流变换器的输出电压；
驱动器，连接功率开关，控制功率开关的闭合；
电流环控制电路，包括跨导型运放gm、可变电阻RS、电容器CS细成的的低通一阶gm-c滤波器，功率电压基准源DC和低通滤波器直流增益自校准电路，低通滤波器输入端连接电感型直流变换器的电感L两端，检测流经电感L的电流，并输出稳定的直流检测信号VS，功率电压基准源DC通过并联的可变电阻RS和电容器CS连接低通滤波器的输出端。低通滤波器直流增益自校准电路连接低通滤波器的输出，并控制可变电阻RS的阻值。
电压环控制电路，包括误差放大器EA、两个输出电压反馈分压电阻R1和R2、第一电压基准源、补偿电阻RC和补偿电容器CC，电压环控制电路通过误差放大器EA一输入端连接反馈分压电阻R1和R2采样得到反馈信号VFB，其中，输出反馈分压电阻R1和R2串联后与电感型直流变换器的输出端负载并连，误差放大器EA由反馈信号VFB与基准电压做误差放大并为电流环控制电路输出基准控制信号VC。
补偿电阻RC和补偿电容器CC连接误差放大器EA的输出端，构成电压环控制电路的积分型滞后频率补偿网络。
斜坡补偿电路RAMP是一个峰峰值为VM的斜坡，连接电流环控制电路的输出端，向电流环控制电路输出的直流检测信号叠加一个斜坡信号得到信号VRAMP；
占空比比较电路PWM，接收叠加斜坡信号后的信号VRAMP和电压环控制电路输出的基准控制信号VC，比校两种信号并输出占空比信号控制驱动器的工作。产生占空比信号d。
电流环控制电路中的低通滤波器为一阶gm-c滤波器，由跨导型运放gm和可变电阻RS、电容器CS组成。其传递函数表示为：
Gf(s)=gm·RS1+s·RS·CS---(1)]]>
其中，gm为跨导型运放gm的跨导值，RS是可变电阻RS的阻值，CS是电容器CS的电容值，s表示复变量。
由公式(1)可知，当运放的跨导确定后，只要改变可变电阻RS的阻值就可以改变低通滤波器的直流增益。当低通滤波器的带宽小于变换器工作频率时，其输出信号就能精确地表示电感电流的平均值，检测到的电感电流平均值VS为：
VS‾=gm·RS·RESR·iL‾---(2)]]>
RESR是电感ESR电阻的阻值，iL是流过电感的电流
当电流环闭环后，其闭环传递函数为：
Ai(s)=VINRESR·(gm·RS·VIN+VM)·(1+s·RS·CS)(1+s·LRESR)·(1+s·VM·RS·CSgm·RS·VIN+VM)---(3)]]>
VIN是变换器的输入电压，VM是斜坡的峰峰值，L是电感的感值。
可见，其闭环传递函数有一低频零点和两个高频极点，有助于改善闭环幅频特性。
电流环控制电路输出信号叠加一个斜坡后VRAMP与基准控制信号VC。比较产生占空比信号d去控制功率开关的工作。由于电流环设计的特殊性，电流环控制电路本身不需要补偿，电压环控制电路也只需要简单的补偿就可以实现理想的幅频特性。这里采用一个跨导型运放实现积分型滞后频率补偿。
特别注意gm-c滤波器下面的功率电压基准源DC，其作用是为滤波器的输出提供一个合适的直流偏置，即滤波器的输出信号是在这个功率电压基准源上叠加而成的。若电感电流信号减小并靠近零，滤波器的输出也减小并靠近DC基准值。这样可以保证即使在很小的电流下，滤波器的输出仍在合理的范围之内，而避免进入饱和状态。
图2是系统环路正常工作关键信号的波形图。电感电流IL为三角波，通过低通滤波器后检测信号也为三角波，其高频增益很小，所以基准控制信号VS可以近似当成直流信号。叠加上一个斜坡后信号VRAMP仍为斜坡信号。电压环输出信号VC由于积分型滞后频率补偿网络的影响也可以当成直流信号。VRAMP与VC信号通过PWM比较器后，可以得到占空比信号d去控制功率开关的工作。
图3是电流检测自校准电路的工作原理图。
其中，低通滤波器直流增益自校准电路包括前置放大器、比较器，计数器和第二电压基准源；
前置放大器，连接低通滤波器的输出，将低通滤波器输出的检测信号VS放大；
比较器，连接前置放大器的输出端和第二电压基准源，将前置放大器输出的放大后的监测信号VCOMP和第二电压基准源输出的基准信号VREF进行比较；
计数器，接收比较器输出的比较信号，用于根据接收的比较信号控制可变电阻RS的阻值。
其中可变电阻RS是由Rmini、R0、2×R0、4×R0、8×R0、16×R0、32×R0、64×R0和128×R0组成串联组成，R0、2×R0、4×R0、8×R0、16×R0、32×R0、64×R0和128×R0各并联一个开关。一般电感的ESR阻值在几十毫欧到几欧姆不等，当采用8为计数器时，电流检测自校准电路中可变电阻RS可调整的范围是Rmini＜RS＜Rmini+255R0。足够适用于一般的应用，若需要增加调整范围，可以增加计数器的位数，这种方法很客易在集成电路中实现。另外，整个电流检测自校准电路均可在片上集成，无需在片外增加额外的器件。
电流检测自校准电路的工作过程是：合理控制系统的启动过程，让电流检测自校准电路在电流环环路与电压环环路开始工作之前工作完毕。其工作原理：系统启动时，把电感和功率级断开，并灌入一较小的直流检测电流，通过gm-c滤波器检测电感两端电压得到VS，启动时开关S0～S7均为闭合，可变电阻RS设置在电阻值最小值，VS通过一个前置放大器后得到VCOMP信号，然后输入到一个比较器，与一个基准信号VREF比较，若VCOMP信号小于VREF信号，比较器输出触发一个计数器使之计数一位，并且打开最低位的开关S0，使可变电阻RS的电阻值增加R0，通过此反馈，gm-c滤波器的直流增益也增加，对增加后的信号继续做上述的比较，通周期进行比较后，直到VCOMP信号逼近并超过VREF信号，则比较器输出控制计数器停止计数并保持计数值，电流检测自校准过程即完成，随后电流环与电压环功率环路开始正常工作。
图4是自校准过程中电路中各节点的信号波形。
当检测信号源为直流时，各节点的电压在一个周期内均为直流。当计数器停止时，有以下结论：
VREF＝K·gm·RS·RESR·IS (4)
记：a=gm·RS·RESR=VREFK·IS---(5)]]>
代入式(2)得：VS＝a·iL (6)
其中，K为前置放大器的增益。
由式(5)(6)的分析可知，当系统参数确定后，经过自校准后的a值为一个恒定值，即电流检测模块的检测比例是一恒定比值，符合控制系统设计的需要。