專利名稱：積分電流調節器及調節電流的方法
技術領域：
本發明涉及調節器領域。
背景技術：
所謂的滯環調節器或兩點調節器公知用于調節流經感應負載的電流。在該類調節 器中，將供給電壓周期性地施加給負載，并確定出該情形下流經負載的電流。在該情形中， 當電流超過預定上限值時切斷供給電壓，并當電流下沖到預定的下限值時再次導通供給電 壓。對于理想情形而言，也就是說，對于施加電壓時電流上升且不施加電壓時電流降低的嚴 格的三角形電流分布而言，電流的平均值對應于上下電滯限值的平均值。更復雜的調節器具有閉合控制回路。在這些調節器的情形中，供給電壓周期性地 施加到負載，并確定出流經負載的電流。調節器用于從以該方式獲得的測量值中產生脈寬 調制驅動信號，所述驅動信號周期性地驅動與負載串聯的開關，以便施加供給電壓至負載。
發明內容
本發明公開了調節流經負載的電流的電流調節器的不同示例性實施例。例如，電 流調節器可包括第一電路，其被構造成確定出流經負載的電流量；以及第二電路，其被構 造成使電壓施加在負載兩端，該電壓的占空比取決于流經負載的電流量。這里也公開了電 流調節器實施例執行的方法。這些和其他方面將在下面的具體實施例部分說明。
在下面用附圖更詳細地解釋本發明的示例性實施例。應該指出，這些附圖用于解 釋本發明的基本原理，而不必示出功能布局所要求的所有電路元件。在附圖中，除非另外說 明，否則相同的參考標號表示相同的信號和具有相同意義的電路元件。圖1示出本發明電流調節器的一個示例性實施例的電路圖，該電流調節器具有用 于負載的連接端子、電流測量結構和施加脈寬調制電壓至連接端子的開關結構。圖2示出圖1中所示電流調節器的電路圖，其中詳細示出了電流測量結構的示例 性實施例和開關結構的示例性實施例。圖3示出使用電流調節器中產生的信號的時間分布操作圖1和圖2中示出的電流 調節器的方法。圖4示出圖2中所示的開關結構中脈寬調制器的第一示例性實施例的電路圖。圖5示出脈寬調制器的第二示例性實施例的電路圖。圖6示出脈寬調制器的第三示例性實施例的電路圖。圖7示出本發明電流調制器的另一個示例性實施例的電路圖。圖8示出為開關結構的開關產生脈寬調制信號的驅動電路的另一個示例性實施 例的電路圖，其中所述開關與負載串聯。
圖9示出使用驅動電路中產生的信號的時間分布來操作圖8中所示的驅動電路的方法。
具體實施例方式圖1示出了根據本發明多個方面的電流調節器的一個示例性實施例。該電流調節器具有連接端子11，12，這些連接端子用于連接負載，特別用于連接感應負載或至少負有 (encumbered with)電感的負載。這類感應負載或負有電感的負載在圖1中明確示出以便 更好地理解，并用參考標號10表示。電流調節器還具有在連接端子11，12之間施加脈寬調 制供給電壓VlO并因此供電給負載10的開關電路30。開關電路30被設計為從電流調節器 的輸入電壓Vin產生該脈寬調制電壓VlO，所述輸入電壓被施加在第一電勢V的端子和第二 電勢GND的端子之間。例如，第一電勢V是正電勢。第二電勢GND是例如基準電勢，特別是 地電勢，電路中產生的所有電壓都可基于該基準電勢。在該情形中，輸入電壓Vin的大小對 應于電勢V的大小。為了從輸入電壓Vin產生脈寬調制電壓V10，開關電路30具有連接到連接端子 11，12的開關31，其連接方式是如果有負載10就與該負載串聯。在所示例子中，該開關連 接在第二連接端子12和第二電勢GND的端子之間。在該情形中，電路調節器的第一連接端 子11連接到第一電勢V的端子。開關31由脈寬調制驅動信號S30驅動，該驅動信號由驅動電路32以下面將解釋 的方式產生。開關31由驅動信號S30周期性地閉合(或導通)和打開(或斷開)，在驅動 周期中，該開關在導通階段閉合并在導通階段后的斷開階段打開。假定不可避免的線阻明 顯小于負載10的電阻，則在開關31閉合時，約整個電壓Vin都施加在連接端子11，12之間， 且因此施加在負載10的兩端。在這些導通階段中，脈寬調制電壓VlO表現出約對應于輸入 電壓Vin的第一電平。當開關31打開時，約整個輸入電壓Vin施加在開關31兩端，連接端 子11，12之間的電壓且因而負載10兩端的電壓由此至少近似為零。這對應于斷開階段中 脈寬調制電壓VlO的第二電平。開關31是例如半導體開關，例如MOSFET或IGBT。圖1中所示的電流調節器還具有電流測量電路20，該電流測量電路被設計為檢測 流經負載10的負載電流IlO并產生電流測量信號S20，該電流測量信號取決于該電流，具 體地，與該電流IlO成比例。感應負載10在導通階段中汲取電能。為了在開關斷開后避 免開關31兩端的高壓(所述高壓由存儲在感應負載10內的能量產生)，可提供慣性元件 (freewheeling element) 13，例如二極管。為了在導通階段和斷開階段都能檢測流經負載 的電流，在有負載10時，該慣性元件13以與包括負載10和電流測量電路20的串聯電路并 聯的方式連接。為此，根據該實例，慣性元件13連接在連接端子之一(在該實例中為第一 連接端子11)和電流測量電路20的遠離(faces away from)另一連接端子12的連接點之 間。電流測量電路20產生的電流測量信號S20和基準電流信號ST —起施加到開關電 路30的驅動電路32。在該情形中，基準電流信號ST預先確定流經負載10的電流平均值的 期望值。驅動電路32被設計為基于電流測量信號S20的時間積分和基準電流信號ST的時 間積分產生用于開關31的驅動信號S30。例如，驅動電路32被設計為在驅動周期中確定出基準電流信號ST的時間積分和電流測量信號S20的時間積分，從而至少在驅動信號的斷開階段比較由此獲得的積分，并在電流測量信號S20的積分降低至基準電流信號ST的積分時 開始新的驅動周期。在該電流調節器的情形中，脈寬調制電壓VlO的占空比，也就是導通時 長和斷開時長的比率或導通時長和驅動周期時長的比率，因此取決于電流測量信號S20的 積分并取決于基準電流信號ST的積分。在圖1所示的電流調節器中，開關電路30的開關31和電流測量電路20連接在第 二連接端子12和第二電勢GND的端子之間。這僅應理解為一個實例。電流測量電路20和 開關31因此也可連接在第一電勢V的端子和第一連接端子11之間，或者這兩個電路元件 中的一個可連接在第一電勢V和第一連接端子11之間而這些電路元件中的另一個可連接 在第二連接端子12和第二電勢GND的端子之間。參考圖2，電流測量電路20例如具有電流測量電阻器21，其與負載10和開關31串 聯。該電流測量電阻器21例如是無電抗電阻器(nonreactive resistor)；因此當開關31 關閉時，該電流測量電阻器兩端的電壓降V21與流經負載10的負載電流IlO成正比。為了 檢測該電壓降V21并提供電流測量信號S20，電流測量電路20還具有電流測量放大器22， 該電流測量放大器為運算放大器的形式且連接成使得電流測量電阻器21位于電流測量放 大器22的輸入端之間。在電流測量放大器22的輸出端輸出電流測量信號S20。參考圖2，驅動電路32具有例如被供以電流測量信號S20并提供基于電流測量信 號S20的第一積分信號S33的第一積分器33。驅動電路32還具有被供以基準電流信號ST 并提供基于基準電流信號ST的第二積分信號S34的第二積分器34。積分信號S33，S34被 提供給比較器35，該比較器將這兩個積分信號比較并產生基于該比較的比較信號S35。該 比較信號S35被提供給脈寬調制器36，該脈寬調制器基于比較信號S35產生驅動開關31的 脈寬調制信號S30。下面利用圖3來解釋圖1和2中所示的電流調節器的操作方法，具體地，解釋產生 脈寬調制信號S30的驅動電路30的操作方法。圖3示出電流測量信號S20、基準電流信號 ST、脈寬調制驅動信號S30和第一及第二積分信號S33、S34的示意性時間分布。為了解釋的目的，假定在參考圖3考慮的時間段內，基準電流信號ST是不隨負載 所需功率消耗(也就是所需功率消耗值)變化的常量信號。由于寄生效應，如線阻或感應 負載的無電抗性電阻，還假定負載電流IlO的時間分布且因此在該實例中的電流測量信號 S20的時間分布不是三角形的，這將是理想感應負載的情形，其中感應負載工作在飽和區以 下。在圖3中所示的示例性實施例中，開關31閉合時，也就是在導通階段Ton時，流經負載 10的電流分段呈指數增加，而在開關打開時，也就是在斷開階段TofT時，呈指數降低。除了 寄生效應，飽和效應也在所示時間分布中起到一定作用，在導通時間段發生的所述飽和效 應如此長以至感應負載10進入飽和區狀態。為了解釋的目的，還假定，對于圖3中所示的 時間分布而言，當驅動信號S30呈高電平時開關31導通，而當驅動信號S30呈低電平時開 關31斷開。圖2中所示的驅動電路32的積分器33、34被設計為從驅動周期開始并從同等初 始值(例如零)開始分別積分電流測量信號S20和基準電流信號ST。為了解釋的目的，假 定新驅動周期分別從開關31的導通階段開始。在該情形中，積分器33、34在驅動周期起點 例如通過驅動信號S30分別被復位為初始值。這樣的復位分別以例如脈寬調制驅動信號S30的上升邊緣來實現。然而，表示基準電流信號ST的時間積分的第二積分信號S34從驅動周期起點開始 隨時間線性上升，表示電流測量信號S20的時間積分的第一積分信號S33的上升速率改變。 對于在圖3中示出的負載電流或電流測量信號S20的時間分布而言，第一積分信號S33起 初小于第二積分信號S34，但在驅動周期開始后迅速超過第二積分信號S34。在圖2所示的驅動電路32中，比較信號S35執行預先確定開關31的導通期起點 的導通信號的功能。在所示實例中，導通時長Ton，也就是說導通階段的時間段對于所有驅 動周期而言都是恒定的。相反，斷開時長TofT或斷開階段的時長，且因此驅動周期的總時 長T可改變，以便調節功率消耗。在所示例子中，當第一積分信號S33在開關31打開后，也 就是說，在斷開階段期間，下沖到第二積分信號S34的值時，驅動循環的終點且因此新驅動 循環的起點分別達到。在圖2所示的驅動電路32的情形中，在時間上在該點有比較信號或 導通信號S35的上升邊緣。圖4示出脈寬調制器36的一個示例性實施例，該脈寬調制器基于導通信號S35產 生脈寬調制信號S30的導通電平，且因此導通開關31，并在預先確定的導通時長Ton結束后 產生驅動信號S30的斷開電平，且因此斷開開關31。所示的脈寬調制器36具有RS觸發器 361，該RS觸發器具有設置輸入端S，復位輸入端R和輸出脈寬調制驅動信號S30的非反相 輸出端Q。導通信號S35被提供給設置輸入端S。所示觸發器361被設定在導通信號S35的 預定邊緣，例如上升邊緣，結果是脈寬調制信號S30呈預定的信號電平，在該實例中為高電 平。脈寬調制器36還具有被同樣提供以導通信號S35的延遲元件362。該延遲元件的輸出 信號S362被提供給觸發器361的復位輸入端R。延遲元件362以預先確定的延遲時間將導 通信號S35發送給觸發器361的復位輸入端R，該延遲時間對應于導通時長Ton，且結果為 已被設定的觸發器361在導通時長結束后被再次復位，且在導通時長結束后，驅動信號S30 呈斷開電平，在該實例中為低電平。圖5示出脈寬調制器36的另一個示例性實施例。該脈寬調制器與圖4所示的不 同之處在于，其具有連接在觸發器361的復位輸入端R上游的OR門363，且該OR門的一個 輸入端被提供以延遲元件362輸出端輸出的延遲信號S362，而另一個輸入端被提供以過電 流斷開信號S364。該過電流斷開信號S364由比較器364的輸出端輸出，該比較器的一個輸 入端被提供以電流檢測信號S20，而另一個輸入端被提供以最大電流信號Smax。在該情形 中，最大電流信號Smax表示最大可允許負載電流。在該脈寬調制器36中，在延遲信號S362 呈高電平時或在過電流斷開信號S364呈高電平時，也就是說，在導通時長已結束時或在導 通時長結束前負載電流IlO超過預定可允許電流時，觸發器361被復位。圖5中所示的脈 寬調制器36因此確保電流調節器得以過電流保護。圖6示出脈寬調制器的另一個示例性實施例。與圖5中所示的脈寬調制器相比，該脈寬調制器沒有用于設置恒定導通時長的延遲元件。在該脈寬調制器的情形中，觸發器 361僅是基于電流測量信號S20和最大電流信號Smax的比較來復位的。為此，觸發器361 的復位輸入端R僅被提供以來自比較器364的輸出信號S364。當使用該脈寬調制器時，負 載電流在導通時長總是上升到由最大電流值Smax決定的電流值，且導通時長Ton可因此由 于不同負載和不同輸入電壓Vin而改變。為了產生積分信號S33、S34，圖2中所示的電流調節器包含積分器33、34，這些積分器對電流測量信號S20和基準電流信號ST連續進行隨時間的積分。這些積分器33、34具有例如電壓控制的電流源和電容，這些電容以圖中未示出的方式連接在電流源的下游。在 該情形中，電流源產生取決于電流測量信號S20和基準電流信號ST的電流，并從初始值對 電容充電。在該情形中，電容兩端的電壓對應于積分信號S33、S34。取代用于產生積分信號S33、S34的連續積分器33，34，也可參考圖7使用對電流 測量信號S20和基準電流信號ST的樣點值S372、S382進行加和的離散時間積分器37、38。 這些離散積分器37、38具有例如采樣元件372、382，這些采樣元件根據時鐘信號CLK并以時 鐘信號CLK預定的規則的時間間隔對電流測量信號S20和基準電流信號ST進行采樣，并產 生樣點值S372、S382。在該情形中，從例如零的初始值分別加和樣點值S372、S382的加法 器371、381連接在采樣元件372、382的下游。在驅動周期的起點，這些加法元件371、381 例如利用脈寬調制信號S30被分別復位到它們的初始值。由加法元件371、381的輸出端所 輸出的并執行在圖2解釋的連續信號S33、S34的功能的信號S37、S38表示電流測量信號 S20和基準電流信號ST的離散時間積分信號。這些離散時間信號S37、S38被提供給比較 器35，在比較器35的輸出端輸出導通信號S35，所述導通信號取決于這些離散時間積分信 號S37、S38的比較。為了更好地理解，圖3示出電流測量信號S20和基準電流信號ST的樣點值S372、 S382以及由此產生的一個驅動周期的離散時間積分信號S37、S38。在該情形中，Tclk表示 采樣周期的時長，在該采樣周期內，電流測量信號S20和基準電流信號ST分別被采樣一次。 采樣頻率滿足fclk = Ι/Tclk。兩個信號S20，ST在相同的時間點被分別采樣。如在連續 時間情形中，導通信號S35呈這樣的信號電平，該信號電平在第一積分信號S37降到第二積 分信號S38的值以下時起動新的導通階段，該第一積分信號取決于電流測量信號S20，而第 二積分信號取決于基準電流信號ST。應該指出，與本發明關聯的“積分信號”應被理解為連續時間積分信號和離散時間 積分信號，該連續時間積分信號利用電流測量信號S20或基準電流信號ST的連續時間積分 形成，該離散時間積分信號是通過對電流測量信號S20的樣點值或基準電流信號ST的樣點 值加和而形成的。圖8示出產生脈寬調制驅動信號S30的驅動電路30的另一個示例性實施例。該 驅動電路30具有減法器39，該減法器被提供以電流測量信號S20和基準電流信號ST，且其 輸出端輸出表示電流測量信號S20和基準電流信號ST間差值的差分信號Sdiff。該差分信 號SdifT被提供給積分器40，積分器40對該差分信號SdifT積分并產生積分信號S40。與 上面解釋的示例性實施例對比，該積分器40并不是必須在驅動周期開始時復位。積分信號 S40被提供給用于檢測積分信號S40的零點的比較器35，且為此，對例如積分信號S40與基 準電勢GND或零點比較。圖9示出基于圖3所示的電流測量信號S20和基準電流信號ST的時間分布的差 分信號Sdiff的時間積分S40。圖9還示出源自該積分的差分信號的比較信號S35，假定比 較器35是以這樣的方式執行的，即比較信號S35在差分信號Sdiff的積分信號S40小于零 時呈高電平且在差分信號Sdiff的積分信號S40大于零時呈低電平。在圖8所示的驅動電 路30中，驅動周期，也就是導通階段的起點分別開始于比較器35的輸出信號S35的上升邊 緣，也就是導通信號的上升邊緣。導通階段的時長Ton是由脈寬調制器36以前面所解釋的方式確定的。為了更好地理解，圖9同樣示出基于導通信號S35的驅動信號S30的時間分布。在具有圖8所示的驅動電路30的電流調節器的情形中，導通時長Ton和斷開時長 Toff間的比率取決于電流測量信號S20和基準電流信號St間的差分信號Sdiff的積分，并 因此取決于電流測量信號S20的積分和基準電流信號ST的積分間的差值。在圖8所示的驅動電路30的情形中，連續時間積分器40可由采樣元件和加法器 取代，該加法器按照參考圖7的陳述并以未更詳細示出的方式連接到采樣元件的下游。上述電流調節器和上述利用該電流調節器的電流調節方法的應用與所用負載類 型無關，具體地與感應負載10在導通階段是否進入飽和狀態無關。此外，該電流調節器和 該電流調節方法能夠對基準電流值ST的變化做出快速反應；只需要一個驅動周期就可以 將流經負載10的電流IlO的平均值調節為新的基準值。此外，該電流調節器和該電流調節 方法對輸入電壓Vin的變化具有魯棒性(robust)。
權利要求
一種電流調節器，用于調節流經負載的電流，所述電流調節器包括第一電路，其被構造成確定出流經所述負載的電流量；和第二電路，其被構造成使電壓施加在所述負載兩端，所述電壓具有的占空比取決于流經所述負載的電流量。
2.根據權利要求1所述的電流調節器，其中，所述第一電路被構造成產生取決于所述 第一電路測量的電流量的信號，且所述第二電路被構造成接收所述信號。
3.根據權利要求2所述的電流調節器，其中，所述第二電路被構造成使所述電壓具有 的占空比取決于所述信號的積分。
4.根據權利要求1所述的電流調節器，其中，所述第二電路包括開關，并且所述第二電 路被構造成打開和閉合所述開關，以使所述電壓具有所述占空比。
5.根據權利要求4所述的電流調節器，其中，所述開關與所述負載串聯。
6.一種電流調節器，用于調節流經負載的電流，所述電流調節器包括電流測量電路，其被構造成確定出流經所述負載的電流量并產生取決于所述電流量的 電流測量信號；以及開關電路，其被構造成在第一狀態和第二狀態間循環，并被構造成接收基準電流信號 并使供給電壓施加在所述負載兩端，所述供給電壓在所述第一狀態期間具有第一電平并在 所述第二狀態期間具有第二電平，其中，所述第一狀態的時長和所述第二狀態的時長之間 的比率基于所述電流測量信號的時間積分和所述基準電流信號的時間積分。
7.根據權利要求6所述的電流調節器，其中，所述比率基于所述電流測量信號的時間 積分和所述基準電流信號的時間積分間的差值。
8.根據權利要求7所述的電流調節器，其中，所述開關結構被構造成對于多個驅動周期中的每個驅動周期而言，積分所述電流測量信號和所述基準電流信 號間的差值，以獲得差分積分信號，在所述第一狀態的時長結束后，響應所述差分積分信號達到預定閾值而開始下一個驅 動周期。
9.根據權利要求6所述的電流調節器，其中，所述開關電路被構造成對于多個驅動周期中的每個驅動周期而言，在所述第一狀態的時長期間對所述電流測 量信號和所述基準電流信號進行隨時間的積分，以獲得所述電流測量信號的時間積分和所 述基準電流信號的時間積分；以及在所述第一狀態的時長結束后，響應所述電流測量信號的積分小于所述基準電流信號 的積分而開始下一個驅動周期。
10.根據權利要求9所述的電流調節器，其中，所述開關電路被構造成以連續時間方式 積分所述電流測量信號和所述基準電流信號，以獲得所述電流測量信號的時間積分和所述 基準電流信號的時間積分。
11.根據權利要求9所述的電流調節器，其中，所述開關電路被構造成對所述電流測量 信號的樣點值和所述基準電流信號的樣點值進行加和，以獲得所述電流測量信號的時間積 分和所述基準電流信號的時間積分。
12.根據權利要求6所述的電流調節器，其中，所述第一狀態的時長在多個驅動周期上 是固定的。
13.根據權利要求6所述的電流調節器，其中，對于多個驅動周期中的每個驅動周期而 言，所述第一狀態的時長取決于所述電流測量信號。
14.一種調節流經負載的電流的方法，所述方法包括施加供給電壓至所述負載，所述供給電壓在第一階段期間的第一電平和第二階段期間 的第二電平之間循環；以及產生取決于流經所述負載的電流量的電流測量信號，其中，所述第一階段的時長和第二階段的時長之間的比率基于所述電流測量信號的時 間積分和基準電流信號的時間積分。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述第一階段的時長和第二階段的時長之間 的比率取決于所述電流測量信號的時間積分和所述基準電流信號的時間積分間的差值。
16.根據權利要求14所述的方法，進一步包括對于多個驅動周期中的每個驅動周期而言，積分所述電流測量信號和所述基準電流信 號間的差值，以獲得差分積分信號；以及在所述第一階段的時長結束后，響應所述差分積分信號達到預定閾值而開始下一個驅 動周期。
17.根據權利要求14所述的方法，進一步包括對于多個驅動周期中的每個驅動周期而言，在所述第一階段的時長期間對所述電流測 量信號和所述基準電流信號進行隨時間的積分，以獲得所述電流測量信號的時間積分和所 述基準電流信號的時間積分；以及在所述第一階段的時長結束后，響應所述電流測量信號的積分小于所述基準電流信號 的積分而開始下一個驅動周期。
18.根據權利要求17所述的方法，進一步包括以連續時間方式積分所述電流測量信 號和所述基準電流信號，以獲得所述電流測量信號的時間積分和所述基準電流信號的時間 積分。
19.根據權利要求17所述的方法，進一步包括對所述電流測量信號的樣點值和所述 基準電流信號的樣點值進行加和，以獲得所述電流測量信號的時間積分和所述基準電流信 號的時間積分。
20.根據權利要求14所述的方法，其中，所述第一階段的時長在多個驅動周期上是固 定的。
21.根據權利要求14所述的方法，其中，對于多個驅動周期中的每個驅動周期而言，所 述第一階段的時長取決于所述電流測量信號。
22.一種電流調節器，用于調節流經負載的電流，所述電流調節器包括施加供給電壓至所述負載的裝置，所述供給電壓在第一階段期間的第一電平和第二階 段期間的第二電平間循環；以及產生電流測量信號的裝置，所述電流測量信號取決于流經所述負載的電流量，其中，所述第一階段的時長和第二階段的時長之間的比率基于所述電流測量信號的時 間積分和所述基準電流信號的時間積分。
全文摘要
本發明公開了一種用于調節流經負載的電流的電流調節器和相關方法。該電流調節器可例如包括第一電路，被構造成確定出流經該負載的電流量；以及第二電路，被構造成使電壓施加在該負載兩端，該電壓具有取決于流經負載的電流量的占空比。
文檔編號G05F1/10GK101813955SQ20091000956
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月20日 優先權日2009年2月20日
發明者克勞斯·施特羅邁爾, 海莫·哈特利布, 阿克塞爾·賴特霍費爾 申請人:英飛凌科技股份有限公司