用于测量传递给负载的平均电感器电流的方法和设备技术领域
本发明涉及电流感测，并且具体而言，涉及通过电感电路来测量
传递给负载的平均电流。
背景技术
参照图1，该图示出了基本开关调节器电路10的电路图。该电
路包括具有第一(更正)节点14和第二(更负或接地)节点16的
电源电压12。晶体管开关18(在本示例中，n沟道MOSFET器件)
具有耦接在节点14与中间节点20之间的电流传导路径(源极-漏极
路径)。晶体管开关18的控制端子(栅极)接收由控制电路22生
成的脉宽调制(PWM)控制信号。二极管24连接在中间节点20与
接地节点16之间(其中阳极端子耦接至节点16并且阴极端子耦接
至节点20)。本领域技术人员应理解的是，如果需要的话，二极管
24可以改为由晶体管开关(如n沟道MOSFET器件)代替，该晶体
管开关由PWM控制信号的适当阶段控制。电感器26耦接在中间节
点20与输出节点28之间。电流感测电路30可以用于感测在电感器
26中流动的电流，其中感测电流由控制电路22用来生成PWM信号
以调节输出。电压感测电路32可以用于感测输出处的电压，其中感
测电压由控制电路22用来生成PWM信号以调节输出。电容器34
与负载36并联耦接在输出节点28与节点16之间。PWM信号具有
固定的频率，但是具有由控制电路22设置的可变占空比。
图2中示出了PWM信号的一般配置。在PWM信号的PWM周
期的第一阶段40期间，晶体管开关18接通并且电流从电源电压12
流过电感器26以对电容器34充电。在这个阶段40期间，经过电感
器26的电流增加。在PWM周期的第二阶段42期间，晶体管开关
18关断并且电源电压12从电感器26断开。二极管24变为正向偏置
并且电感器电流流过负载26。在这个阶段42期间，经过电感器26
的电流减小。图3中示出了电感器电流的电流流动波形。
在某些情况下，对流过电感器的平均电流(Iav)的测量是要知
道的重要的运行特点。本领域中所需要的是一种用于测量平均电感
器电流的电路和方法。
发明内容
在实施例中，一种电路，包括：电流感测电路，该电流感测电路
被配置为用于生成感测电流，该感测电流与响应于脉宽调制(PWM)
控制信号而流过电感器的电感器电流相对应；以及平均电路，该平
均电路在PWM控制信号的一个或多个PWM周期内运行以处理在一
个或多个PWM周期的阶段中的感测电流，从而生成指示流过该电感
器的平均电流的输出信号。
平均电路包括：电阻器，所述感测电流流过该电阻器以生成与电
感器电流相对应的电压；以及取样保持电路，该取样保持电路响应
于和电感器电流相对应的所述电压而被触发以对生成的平均电压取
样并且生成指示流过该电感器的平均电流的所述输出信号。
在用于平均的一个实现方式中，该平均电路包括：第一电容器，
该第一电容器由所述感测电流充电，以生成与最小电感器电流相关
联的第一充电电压；第二电容器，该第二电容器由所述感测电流充
电以生成与最大电感器电流相关联的第二充电电压；以及电荷共享
电路，该电荷共享电路被配置成用于在该第一电容器与该第二电容
器之间选择性地共享电荷并且输出所述平均电压。
在用于平均的另一实现方式中，该平均电路包括：电容器，该电
容器在第一PWM周期的阶段期间由所述感测电流充电以生成充电
电压，所述电容器在第二PWM周期的阶段期间放出电流，从而生成
放电电压，该电流具有的幅度是该感测电流的幅度的整数倍；以及
比较电路，该比较电路被配置成用于将该放电电压与基准电压进行
比较并且响应于所述比较而生成用于触发该取样保持电路的触发信
号。
在实施例中，一种方法包括：感测与响应于脉宽调制(PWM)
控制信号而流过电感器的电感器电流相对应的电流；并且在PWM控
制信号的一个或多个PWM周期内处理感测电流，从而生成指示流过
该电感器的平均电流的输出信号。
在一个实现方式中，处理包括：在第一PWM周期的阶段期间用
所述感测电流对电容器充电；在第二PWM周期的阶段期间使所述电
容器放出放电电流，该放电电流是该感测电流的整数倍；跨电阻器
施加所述感测电流，以生成电压；检测所述电容器的放电；并且响
应于所检测到的放电而对所述电压取样。
在另一实现方式中，处理包括：跨电阻器施加所述感测电流，以
生成电压；响应于PWM周期的与最小电感器电流相关联的第一阶段
而存储所述电压作为第一充电电压；响应于该PWM周期的与最大电
感器电流相关联的第二阶段而存储所述电压作为第二充电电压；在
后续PWM周期中将该第一充电电压与该第二充电电压进行平均以
生成平均电压；并且对所述平均电压取样。
附图说明
为了更好地理解实施例，现在将仅以示例方式参照附图，在附图
中：
图1是基本开关调节器电路的电路图；
图2示出了在图1的电路中使用的PWM控制信号波形；
图3示出了针对图1的电路的运行的电感器电流波形；
图4是用于感测平均电感器电流的电路的实施例的电路图；
图5示出了图4的电路的运行波形；
图6是用于感测平均电感器电流的电路的实施例的电路图；并且
图7示出了图6的电路的运行波形。
具体实施方式
现在参照图4，该图示出了用于感测平均电感器电流的电路100
的实施例的电路图。响应于PWM控制信号，电感器电流Iind流过
电感器126。例如，这种电流可以由图1中所示的转换器电路10生
成，或使用包括电感元件的任何其他电路来生成，在电路运行期间
可变电感器电流流过该电感元件。
电路100包括电流感测电路130，该电路被配置成用于感测电感
器电流Iind并且输出指示电感器电流Iind的电流I感测。电流感测电
路130包括感测电阻器102，该感测电阻器耦接在电感器126的一个
端子和输出节点128之间。电阻器102具有电阻值R感测。电流感测
电路130进一步包括跨导放大器104，该跨导放大器具有耦接至电感
器126与感测电阻器102之间的节点106的非反相输入并且进一步
具有耦接至输出节点128的反相输入。跨导放大器104感测跨越感
测电阻器102的电压降并且根据以下方程式将该感测电压降转换成
输出电流I感测：
I感测＝gm*(V+-V-)＝gm*Iind*R感测，
其中：“gm”是放大器104的跨导值。
电容器134与负载136并联耦接在输出节点128与接地节点116
之间。
电路100进一步包括电路150，该电路响应于输出电流I感测和
PWM信号并且被配置成用于生成指示流过电感器126的平均电流的
输出信号。电路150包括第一电流源152，该电流源耦接在电源电压
Vdd与开关电路154的第一端子之间。例如，开关电路154可以包
括晶体管开关(如n沟道MOSFET器件)。开关电路154的第二端
子耦接至节点156。电路150进一步包括第二电流源158，该电流源
耦接在基准电压Vref与开关电路160的第一端子之间。例如，开关
电路160可以包括晶体管开关，如n沟道MOSFET器件。开关电路
160的第二端子耦接至节点156。感测电容器162耦接在节点156与
接地节点116之间。第一电流源152被配置成用于生成第一电流I1，
该第一电流等于输出电流I感测。第二电流源158被配置成用于生成
第二电流I2，该电流等于输出电流I感测的两倍(即，2*I感测)。例
如，这些电流生成可以使用本领域中已知的常规电流镜电路来完成。
基准电压Vref小于电源电压Vdd，但是大于在接地节点116的接地
电压。
电路150进一步包括比较器170，该比较器具有耦接至节点156
的非反相输入和耦接成用于接收基准电压Vref的反相输入。比较器
170的功能是将节点156处的电压(由感测电容器162存储)与基准
电压进行比较并且响应于那项比较而生成触发信号(trig)。
电路150还进一步包括第三电流源176，该电流源耦接在电源电
压Vdd与中间节点178之间。电阻器180耦接在中间节点178与接
地节点116之间。取样保持(S/H)电路184具有耦接至中间节点178
的输入。S/H电路184的功能是响应于触发信号(trig)而对输入处
的电压(即，中间节点178处的电压)取样并且输出那个被取样的
电压。模数转换器(ADC)电路188具有耦接到S/H电路184的输
出的输入以及数字信号输出。ADC电路188的功能是将S/H电路184
的输出处的被取样并且保持的电压转换成多比特数字输出信号OUT
(数字)，该信号表示流过电感器126的平均电流。
例如被实现为数字逻辑电路的定时电路190接收PWM控制信号
并且生成时钟信号φ1和φ2，这些时钟信号分别控制开关电路154
和160的致动。
现在另外参照图5，该图展示了电路150的运行波形。电路150
根据中间点测量技术运行。电感器126中的电流具有最小值和最大
值。所期望的平均电流介于最小值与最大值之间的中间。最小电流
值发生在PWM控制信号的每个周期200的开始/结束。最大电流值
发生在PWM周期的第一阶段40的结束。最小电流值则发生在PWM
周期的第二阶段42的结束。
定时电路190从PWM控制信号生成时钟信号φ1和φ2。响应于
第一PWM周期200(1)中的第一阶段40的开始，定时电路190断
言时钟信号φ1(参考号202)并且接通开关154。第一电流源152
然后从基准电压Vref开始对感测电容器162充电204。当电容器162
上的电压上升到基准电压Vref之上时，比较器170改变状态并且触
发信号(trig)转变到逻辑低(参考号206)。感测电容器162的充
电在第一阶段40的结束处结束，并且定时电路190去断言时钟信号
φ1(参考号208)并且关断开关154。在第一PWM周期200(1)的
第二阶段42期间，感测电容器162上的电压被保持210。响应于第
二PWM周期200(2)中的第一阶段40的开始，例如，紧接在第一
PWM周期200(1)之后，定时电路190断言时钟信号φ2(参考号
212)并且接通开关160。第二电流源158然后将感测电容器162放
电214。然而，由于放电电流I2是充电电流I1的值的两倍(I2＝2*I1)，
因此放电速率将是充电速率的两倍。感测电容器162上的电压将相
应地在最小电流和最大电流之间的基本上中点处(即，在平均电流
值)返回216到基准电压Vref。当感测电容器162上的电压下降到
基准电压Vref时，比较器170改变状态并且触发信号(trig)转变到
逻辑高(参考号218)。因而，触发信号的逻辑高断言与平均电感器
电流正在流动时的时间点基本一致。触发信号的断言高(即上升沿)
引起S/H电路184对中间节点178处的电压取样。节点178处的取
样电压根据以下方程式指示平均电感器电流：
V(178)＝I感测*R(180)；
其中，在取样时，I感测＝Iav。取样电压由ADC电路188转换为
数字值(输出信号OUT(数字))，该值表示流过电感器126的平
均电流。实际平均电流值通过将取样电压的数字值除以电阻器180
的电阻来计算。定时电路190在第二PWM周期200(2)中的第一
阶段40的结束时取消断言时钟信号φ2(参考号220)并且关断开关
160。
可以在下一个PWM周期200中再次开始用于确定平均电感器电
流的过程。替代性地，可以在再次开始该过程之前强制延迟一个或
多个PWM周期200。
平均电流确定基本上准确。然而，比较器170生成触发信号的逻
辑高断言时的延迟引起轻微的偏移误差，如参考号222所示。
现在参照图6，该图示出了用于感测平均电感器电流的电路110
的实施例的电路图。响应于PWM控制信号，电感器电流Iind流过
电感器126。例如，这种电流可以由如图1中所示的转换器电路10
生成，或使用包括电感元件的任何其他电路来生成，在电路运行期
间可变电流流过该电感元件。
电路102包括电流感测电路130，该电路被配置成用于感测电感
器电流Iind并且输出指示电感器电流Iind的电流I感测。电流感测电
路130包括感测电阻器102，该感测电阻器耦接在电感器126的一个
端子和输出节点128之间。电阻器102具有电阻值R感测。电流感测
电路130进一步包括跨导放大器104，该跨导放大器具有耦接至电感
器126与感测电阻器102之间的节点106的非反相输入并且进一步
具有耦接至输出节点128的反相输入。跨导放大器104感测跨越感
测电阻器102的电压降并且根据以下方程式将该感测电压降转换成
输出电流I感测：
I感测＝gm*(V+-V-)＝gm*Iind*R感测，
其中：“gm”是放大器104的跨导值。
电容器134与负载136并联耦接在输出节点128与接地节点116
之间。
电路102进一步包括电路250，该电路响应于输出电流I感测和
PWM信号并且被配置成用于生成指示流过电感器126的平均电流的
输出信号。电路250包括第一电流源252，该第一电流源耦接在电源
电压Vdd与第一中间节点254之间。电阻器256耦接在中间节点254
与接地节点116之间。第一电流源252被配置成用于生成第一电流
I1，该第一电流等于输出电流I感测。例如，这可以使用本领域中已知
的常规电流镜电路来完成。节点252处的电压根据以下方程式跟踪
电流I1(I感测)：
V(254)＝I感测*R(256)。
单位增益缓冲器260具有耦接至中间节点254的输入何耦接至
第二中间节点262的输出。第一开关电路264与第一电容器266串
联耦接在中间节点262与接地节点116之间。例如，开关电路264
可以包括晶体管开关(如n沟道MOSFET器件)。开关264的第一
端子连接至中间节点262并且开关的第二端子连接至第三中间节点
268。电容器266的第一极板连接至中间节点268并且电容器的第二
极板连接至接地节点116。第二开关电路274与第二电容器276串联
耦接在中间节点262与接地节点116之间。例如，开关电路274可
以包括晶体管开关(如n沟道MOSFET器件)。开关274的第一端
子连接至中间节点262并且开关的第二端子连接至第四中间节点
278。电容器276的第一极板连接至中间节点278并且电容器的第二
极板连接至接地节点116。第三开关电路290耦接在中间节点268
与中间节点278之间。例如，开关电路290可以包括晶体管开关(如
n沟道MOSFET器件)。
第二单位增益缓冲器292具有耦接至中间节点278的输入以及
输出294。取样保持(S/H)电路184具有耦接至输出294的输入。
S/H电路184的功能是响应于触发信号(trig)而对其输入处的电压
(即，在输出294处的电压)取样并且输出那个取样电压。模数转
换器(ADC)电路188具有耦接到S/H电路184的输出的输入以及
数字信号输出。ADC电路188的功能是将S/H电路184的输出处的
被取样并且保持的电压转换成多比特数字输出信号OUT(数字)，
该信号表示流过电感器126的平均电流。
例如被实现为数字逻辑电路的定时电路298接收PWM控制信号
并且生成时钟信号φ1、φ2和φ3，这些时钟信号分别控制开关电路
264、274和290的致动。定时电路298进一步生成触发信号。
现在另外参照图7，该图展示了电路250的运行波形。电路250
根据峰值点测量技术运行。在电感器126中的电流在最小峰值点具
有最小值并且在最大峰值点具有最大值，峰值点由PWM信号确定。
所期望的平均电流介于最小峰值点与最大峰值点之间的中间。检测
与最小峰值点和最大峰值点中的每一者相对应的电压并且然后进行
平均，其中得到的平均电压对应于平均电感器电流。
定时电路298从PWM控制信号生成时钟信号φ1、φ2和φ3。响
应于第一PWM周期200(1)中的第二阶段42，定时电路298断言
时钟信号φ1(参考号300)和φ2(参考号302)并且接通开关264
和274。电流源252跨越电阻器256施加电流I1＝I感测，以在中间节
点254处形成电压。该电压被缓冲并施加到电容器266和276。由于
电流I1在第二阶段42期间递减，因此节点254处的电压并且因而跨
越电容器266和276的电压也递减(参考号304)。电容器266处的
电压用实线表示，而电容器276处的电压用虚线表示。
在第一PWM周期200(1)的第二阶段42结束时，定时电路298
取消断言时钟信号φ1(参考号306)并且关断开关264。电容器266
现在在与电感器电流的最小峰值点相对应的时间点从节点254和
262断开。存储308在电容器266上的电压因而指示最小电感器电流。
然而，定时电路298继续断言时钟信号φ2(参考号310)并且
因而开关274保持接通。第二PWM周期200(2)的第一阶段40开
始。电流源252继续跨电阻器256施加电流I1＝I感测，以在中间节点
254处形成电压。电压被缓冲并且被施加到电容器276。由于电流I1
在第一阶段40期间递增，因此节点254处的电压并且因而跨电容器
276的电压也递增(参考号312)。
在第二PWM周期200(2)的第一阶段40结束时，定时电路298
取消断言时钟信号φ2(参考号314)并且关断开关274。电容器276
现在在与电感器电流的最大峰值点相对应的时间点从节点254和
262断开。在第二阶段42期间存储316在电容器276上的电压因而
指示最大电感器电流。
在电容器266和276分别已经存储指示电感器电流的最小峰值
点和最大峰值点的电压之后的任何点，定时电路298断言时钟信号
φ3(参考号318)并且接通开关290。在所示实施例中，本操作与下
一个PWM周期200(3)的开始同步，但这只是示例。这个动作将
电容器266和276彼此串联连接。电荷共享在这些电容器之间发生，
并且节点278处的电压移动到指示最小峰值点的存储电压(从电容
器266)与指示最大峰点的存储电压(从电容器276)之间的中点值。
在参考号320示出了这种情况。节点278处的中点电压因而指示平
均电感器电流。此电压由单位增益缓冲器292缓冲并且在输出294
处呈现。
定时电路298进一步断言触发信号(trig)，由此引起S/H电路
184对输出294处的电压取样。这个触发信号生成发生在节点278
处的电压在开关290的致动之后已经稳定下来之后。输出294处取
样的电压由ADC电路188转换成数字值(输出信号OUT(数字))，
该数字值表示流过电感器126的平均电流。实际平均电流值通过将
取样电压的数字值除以电阻器256的电阻来计算。定时电路298在
第三PWM周期200(3)中的第一阶段40结束时取消断言时钟信号
φ3(参考号322)并且关断开关290。
可以在下一个PWM周期200中再次开始用于确定平均电感器电
流的过程。替代性地，可以在再次开始该过程之前强制延迟一个或
多个PWM周期200。
已经通过对本发明的示例性实施例的完整且信息性的描述的示
例性且非限制性的示例提供了之前的描述。然而，对于相关领域的
技术人员而言，鉴于前面的描述，当结合附图和所附权利要求书来
阅读本说明书时，各种修改和适配会变得明显。然而，对本发明教
导的所有这样和类似的修改将仍然落入如所附权利要求书所限定的
本发明的范围之内。