[发明专利]电流感测和增益开关电路及使用宽电流范围的方法

说明书

一种电流控制电路包括：电流互感器，检测初级电流；传感器增益开关，选择性地将初级电流连接到第一增益放大器和第二增益放大器中的一个增益放大器，以提供电流感测输出；控制器增益开关，选择性地将电流感测输出连接到第一控制器放大器和第二控制器放大器中的一个控制器放大器；以及控制器，控制传感器增益开关的切换和控制器增益开关的切换。

技术领域

本发明涉及增益开关电路中的电流感测。更具体地，本发明涉及一种电流感测和增益开关电路及使用宽电流范围的方法。

背景技术

使用微控制器的数字控制或数字信号处理(DSP)由于灵活的控制、易于集成和高性能的优点，已经对于开关模式电源变得普及。开关模式电源的一个示例包括功率因数校正(PFC)转换器。传统的PFC转换器包括二极管桥，其提供交流输入电压的全波整流，使得传统的PFC转换器的功率转换电路总是接收正极性输入电压。功率转换电路通常包括具有用于去磁感测的辅助绕组的升压电感器。辅助绕组耦合到包括模拟比较器或诸如微控制器的集成电路(IC)设备在内的检测电路。

图1是使用电流互感器和针对功率因数校正的数字控制的电路的已知示例的示图。如图1所示，PFC转换器包括通过二极管桥DB连接到升压电感器L的交流电源Vin。来自交流电源Vin的电压被二极管桥DB整流，使用电感器L被升压，然后被提供给电容器C。微控制器控制晶体管Q的导通和截止切换以增加提供给电容器C的整流电压。升压二极管D确保电流适当地从电感器L流向电容器C，并且电容器C仅对连接到输出电压Vo的负载Rload放电。端子PFC V+和PFC V-是输出电压Vo的正极和负极。

为了在PFC转换器中执行升压转换，需要适当地控制晶体管Q的导通和截止操作。特别地，基于由微控制器确定的导通时间和升压电感器L的磁化状态来控制晶体管Q，以获得期望的输出电压和输入电流特性。由将数字脉冲宽度调制(DPWM)施加到晶体管Q的栅极的微控制器基于电压和电流测量来执行对晶体管Q的导通和截止操作的控制。

对于数字控制的PFC，通常感测在其导通时间期间通过晶体管Q的电流以确定通过电感器L的电流以用于电流回路控制。具体地，如果晶体管Q是如图1所示的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，则MOSFET电流可以由电流互感器(CT)感测，电流互感器(CT)是相对便宜且低损耗的解决方案。因为电流感测输出Is的信号被提供给微控制器的模数(A/D)转换器(ADC)模块以用于电流测量，所以电流互感器CT的感测电阻器R1必须具有相对较大的电阻，以利用ADC模块的动态范围。如果感测电阻器R1具有小的电阻，则微控制器的电流测量分辨率将会很低，以致电流的总谐波失真(THD)将受到影响。由于电流测量的误差较大，所以尤其在轻负载条件下THD可能很高。因此，在电流互感器CT的次级侧包括大的电阻可以增加数字控制PFC升压转换器的电流测量分辨率。

然而，使用大电阻作为感测电阻器R1导致电流互感器CT的磁芯内部的磁通量的值较大。为了防止磁芯的饱和，需要选择较大尺寸的磁芯，这增加了实现小物理尺寸/占用空间和高功率密度设计的难度，因为较大的磁芯增加了感测电路的尺寸，从而减小了功率密度。因此，为了确保电流互感器CT不饱和，感测电阻器R1的电阻保持尽可能小以限制在一个开关周期中的伏秒(volt-second)，其中伏秒是在一个开关周期中电流互感器CT的输出电压和该电压的持续时间的乘积。此外，对于高功率密度设计，优选小尺寸电流互感器。

图2是使用分流电阻器R_shunt和针对功率因数校正的数字控制的电路的已知示例的示图。如图2所示，除了电流互感器CT被分流电阻器R_shunt替代以外，PFC转换器包括与图1所示的PFC转换器相似的组件。分流电阻器R_shunt通常用于低功率应用。尽管分流电阻器R_shunt被示为与晶体管Q串联连接，但是分流电阻器R_shunt可以位于电路中的不同位置，例如与电感器L串联或者在二极管D的电流路径中。