专利名称：基于*uk的电流源的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种电流源，特别地是一种基于 Uk转换器拓扑的电流源，并且涉及一种用于提供负载电流的方法。
背景技术：
基于开关模式转换器拓扑的电流源是通常已知的。这种类型的电流源包括至少一个耦合到负载的诸如扼流圈(choke)的电感存储元件以及脉冲宽度调制器。所述脉冲宽度调制器从恒定供电电压生成经脉冲宽度调制的(PWM)电压，该电压被施加至所述电感存储元件。在这种类型的控制器中，可以通过改变PWM电压的占空比来调节通过所述电感存储元件以及因此通过负载的电流的平均值。产生施加于所述电感存储元件的PWM电压可以牵涉将提供恒定供电电压的电压 源循环连接到所述电感存储元件的开关过程。这些开关过程可能导致电磁干扰(EMI)。特别地，这比如在如下汽车应用中在电压源和包括所述电感存储元件的控制器之间存在长供电线路时是问题其中电压源例如是电池并且其中控制器可以利用所述控制器和电池之间数米的供电线路而遍布汽车进行分布。因此，需要提供一种其中能够防止或至少减少EMI问题的受控电流源。
发明内容
第一方面涉及一种受控电流源，其包括被配置为接收输入电压的输入端子、被配置为具有与之连接的负载的输出端子、以及被配置为具有对其施加的基准电势的基准端子。第一电感存储元件和开关元件被串联连接。具有所述第一电感存储元件和开关元件的串联电路连接在所述输入端子和基准端子之间。第二电感存储元件和续流(freewheeling)元件串联连接。具有所述第二电感存储元件和续流元件的串联电路连接在所述输出端子和基准端子之间。电容存储元件耦合在第一和第二电感存储元件之间，以使得所述第一电感存储元件、电容存储元件和第二电感存储元件在所述输入端子和输出端子之间串联连接。第一电流测量电路被配置为测量通过所述开关元件、通过所述续流元件的电流之一或者通过所述开关元件和续流元件的电流之和，以提供取决于所测量的电流的第一电流测量信号。控制电路被配置为接收所述第一电流测量信号并且根据所述第一电流测量信号为所述开关元件生成驱动信号。第二方面涉及一种用于受控电流源中的开关元件的控制电路。所述电流源包括被配置为接收输入电压的输入端子、被配置为具有与之连接的负载的输出端子、以及被配置为具有对其施加的基准电势的基准端子。第一电感存储元件和开关元件串联连接。具有所述第一电感存储元件和开关元件的串联电路连接在输入端子和基准端子之间。第二电感存储元件和续流元件串联连接。具有所述第二电感存储元件和续流元件的串联电路连接在所述输出端子和基准端子之间。电容存储元件耦合在第一和第二电感存储元件之间，以使得所述第一电感存储元件、电容存储元件和第二电感存储元件在所述输入端子和输出端子之间串联连接。第一电流测量电路被配置为测量通过所述开关元件、通过所述续流元件的电流之一或者通过所述开关元件和续流元件的电流之和，以提供取决于所测量的电流的第一电流测量信号。控制电路被配置为接收所述第一电流测量信号并且根据所述第一电流测量信号为所述开关元件生成驱动信号。第三方面涉及一种用于提供负载电流的方法。输入端子被配置为接收输入电压。输出端子被配置为具有与之连接的负载，并且基准端子被配置为具有对其施加的基准电势。第一电感存储元件和开关元件串联连接。具有所述第一电感存储元件和开关元件的串联电路连接在所述输入端子和基准端子之间。第二电感存储元件和续流元件串联连接。具有所述第二电感存储元件和续流元件的串联电路连接在所述输出端子和基准端子之间。电容存储元件耦合在第一和第二电感存储元件之间，以使得所述第一电感存储元件、电容存储元件和第二电感存储元件在所述输入端子和输出端子之间串联连接。测量通过所述开关元件或通过所述续流元件的电流之一,或者测量通过所述开关元件和续流元件的电流之和，以提供取决于所测量的电流的第一电流测量信号。根据所述第一电流测量信号为所述开关元件生成驱动信号。
现在将参见附图对实施例进行解释。这些附图用来图示基本原理，从而仅对理解所述基本原理所必需的那些特征进行图示。附图并非依比例绘制。相似的附图标记在所有附图中表示相似的特征。图I图不了具有 uk转换器拓扑的电流源的电路 图2图示了图I的电流源在启动时的操作原理；
图3图示了图I的电流源在稳定状态中的操作原理；
图4图示了根据第一实施例的具有 uk转换器拓扑的受控电流源的电路 图5示出了图示图4的电流源的控制电路的操作原理的时序图；
图6图示了根据第二实施例的具有 uk转换器拓扑的受控电流源的电路 图7示出了图示图6的电流源的控制电路的操作原理的时序 图8图示了根据第三实施例的具有 uk转换器拓扑的受控电流源的电路 图9示出了图示图8的电流源的控制电路的操作原理的时序 图10图示了图4的电流源的控制电路的另外的实施例；和 图11图示了图4的电流源的控制电路的再另一个实施例。
具体实施例方式图I图示了具有Uk转换器拓扑的电流源。所述电流源包括被配置为接收输入电压Vin的输入端子11、被配置为具有与之连接的负载Z (以虚线图示)的输出端子12、以及被配置为具有对其施加的基准电势的基准端子13，所述基准电势诸如接地。所述输入电压Vin例如是相对于所述基准电势的电压。所述电流源进一步包括比如扼流圈的第一电感存储元件21、比如电容器的电容存储元件22、比如扼流圈的第二电感存储元件23、受控开关元件24以及续流元件25。所述开关元件24可以被实现为常规的电子开关，比如M0SFET、IGBT或双极结型晶体管(BJT)。所述续流元件25可以被实现为比如二极管(如图I所示)的无源续流元件，或者可以被实现为比如电子开关的有源续流元件。所述第一电感存储元件21与开关元件24串联连接以形成第一串联电路，其中所述第一串联电路连接在输入端子11和基准端子13之间。所述第二电感存储元件23与续流元件25串联连接以形成第二串联电路，其中所述第二串联电路连接在输出端子12和基准端子13之间。此外，电容存储元件22连接在第一和第二电感存储元件21、23之间，从而所述第一电感存储元件21、电容存储元件22和第二电感存储元件23在输入端子11和输出端子12之间串联连接。图I所示的电流源适于向负载提供具有可控平均值的输出电流，例如向(如图I所示的)发光二极管(LED)装置Z而且还向需要近似恒定的供电或负载电流的任何其它负载提供具有可控平均值的输出电流。在图I的电流源中，该电流源的输入电流等于通过第一电感存储元件21的第一电流II，并且该电流源的输出电流等于通过第二电感存储元件23的第二电流12。输出电流12的电流方向如图I所示。输出电流12从输出端子12流过第二电感存储元件23。结果，作为输出电流12在负载Z处所导致的电压的输出电压Vout为 负电压。现在将参见图2和3对图I的电流源的基本操作原理进行解释。在图2和3中，示出了处于启动阶段(见图2)和稳定阶段(见图3)的第一电流II、第二电流12、(以实线图示的)通过开关元件24的第三电流13和(以虚线图示的)通过续流元件25的第四电流14的时序图。在图2中，tO表示开关元件24在电流源的启动阶段中第一次接通所处的时间。出于解释目的，假设在第一时间tO之前已对输入端子11施加了输入电压Vin。在输入电压Vin已被施加于输入端子11之后以及在第一开关元件24第一次接通之前，对电容存储元件22进行充电直至横跨电容存储元件22的电压V22等于输入电压Vin。在该充电过程期间，输入电流11流过第一电感存储元件21。出于解释目的，假设该充电过程已在第一时间to之前终止，从而第一电流Il在第一时间to为零。出于解释目的，进一步假设第一开关元件24在第一时间tO接通并且在晚于第一时间tO的第二时间tl断开。当第一开关元件24在第一时间tO接通时，第一电流Il线性地或近似线性地增大。第一电流Il的增大(斜率)如下取决于输入电压Vin以及第一电感存储元件的电感LI
Vin
-=- ⑴。
dt LI在第一开关元件24在第一时间tO接通之前，电容存储元件22、第二电感存储元件23和续流元件25之间的电路节点26处的电势近似等于基准电势GND。当第一开关元件24在第一时间tO接通时，节点26处的该电势下降为负电势，其中该负电势的绝对值等于横跨电容存储元件22的电压V22的绝对值，并且因此等于输入电压Vin的绝对值。电路节点26处的该负电势导致第二电流12线性地或近似线性地增大，其中该电流12的增大取决于横跨电容存储元件22的电压以及横跨负载Z的电压。当开关元件24接通时，通过续流元件25的第四电流14为零，并且第一电流Il和第二电流12均流过开关元件24，从而第三电流13是第一电流Il和第二电流12之和。当开关元件24在第二时间tl断开时，第一电流Il由于存储在电感存储元件21中的磁能量而继续流动，并且第二电流12由于存储在第二电感存储元件23中的磁能量而继续流动。第一电流Il流到电容存储元件22中并经过续流元件25，并且对电容存储元件22再充电，并且第二电流12流过续流元件25。第一和第二电流II、12在开关元件24已在时间tl断开之后线性地或近似线性地减小。第一和第二电流II、12减小直至第一开关元件24在新的开关周期开始时的第三时间t2再次接通。根据一个实施例，图I的电流源在连续电流模式中进行操作。在该连续电流模式中，开关元件24的接通时间和断开时间被调节以使得输入电流Il和输出电流12都不减小为零。图3图示了处于在连续电流模式中操作的基于uk的电流控制器的稳定状态中的第一电流II、第二电流12以及第三和第四电流13、14的时序图。图3图示了开关元件24的两个后续开关周期。在图3所示的实施例中，这些开关周期每个都具有T的持续时间，其中在每个开关周期中，开关元件24在接通时段Ton内接通并且在断开时段Toff内断开。在稳定状态中，第一和第二电流11、12的平均值恒定，即第一和第二电流11、12在接通时间起始时从其开始增大的开始值等于第一和第二电流II、12在断开时间结束时减小至的结束值。
可以通过在若干开关周期的占空比再次被调节为电流源以稳定状态进行操作的值之前增大所述占空比来增大输出电流12的结束值，并且可以通过在若干开关周期的占空比被再次调节为电流源以稳定状态进行操作的值之前减小所述占空比来减小第二电流12的平均值。占空比D是一个开关周期的接通时段Ton和总体时段T之间的商Ton/T，从而增大占空比D等同于(在给定的开关周期时段T)增加接通时段Ton的持续时间，而减小占空比等同于减小接通时段Ton。
在比如图I的电流源的受控电流源中，期望将输出电流(比如图I的输出电流12)调节至所期望的值，或者更确切地说期望将输出电流的平均值调节至所期望的值。在图I的受控电流源中，可以通过适当调节开关元件24的开关操作的占空比来调节输出电流12。为了控制输出电流，可以根据瞬时输出电流12或瞬时输出电流12的平均值来调节所述占空比。因此，调节开关元件24的开关操作的占空比需要关于输出电流12的信息。所述输出电流可以在输出端子12处被测量。然而，这要求以浮动电势进行操作的电流测量电路，所述浮动电势比如电流源的输出电势。测量输出电流12可以包括提供输出电流所流过的分流电阻器并且估算横跨该电阻器的压降。然而，由于输出电流的方向，所要估算的电压相对于基准电势将是负电压。在一个集成电路中处理正电压和负电压是困难的，从而这是为何难以测量输出电流的另一个原因。图4图示了图I所示的基于uk拓扑的电流源的第一实施例。图4的电流源进一步包括连接在基准端子13与为开关元件24和续流元件25共用的电路节点28之间的第一电流测量电路27。该电路节点28和基准端子13之间的电流等于通过开关元件24的第三电流13和通过续流元件25的第四电流14之和。电流测量电路27被配置为测量电路节点28和基准端子13之间的电流并且提供取决于该电流13+14的电流测量信号S27。根据一个实施例，电流测量信号S27与电流13+14成比例。电流测量电路27可以被实现为常规的电流测量电路，比如具有电流反射镜的电流测量电路。电流测量电路是公知的，从而在这一点上无需进一步解释。图4的电流源进一步包括控制电路30，其接收电流测量信号S27和基准信号Iref0所述基准信号表示输出电流12的期望平均值。控制电路30被配置为生成经脉冲宽度调制的(PWM)驱动信号S30。开关元件24在其控制端子处接收经脉冲宽度调制的(PWM)驱动信号S30。驱动信号S30被配置为循环地接通和断开开关元件24以便调节输出电流12，以使得其平均值对应于基准值Iref或者至少取决于所述基准值Iref。将参见图5对用于生成取决于电流测量信号S27和基准值Iref的PWM驱动信号S30的控制电路30的操作原理进行解释。图5图示了电流测量信号S27和驱动信号S30在两个后续开关周期内的时序图。图4的控制电路30被配置为生成驱动信号S30，以使得单独的开关周期具有相同的持续时间T，其中控制电路30根据电流测量信号S27调节占空比D并且因此调节每个开关周期中的接通时段Ton。控制电路30例如被实现为数字电路，其在内部生成电流测量信号S27的数字表示、对电流测量信号S27进行处理并且提供具有接通电平或断开电平的数字驱动信号S30。开关元件24在驱动信号S30具有接通电平时被接通，并且开关元件24在驱动信号S30具有断开电平时被断开。任选地，驱动器级或放大器级31 (以虚线图示)连接在控制电路30和开关元件24之间。放大器级31对控制电路30的输出信号进行放大以呈现(assume)适于驱动开关元件24的信号电平。开关元件24例如被实现为MOSFET，特别地是n型MOSFET、IGBT或BJT。控制电路30被配置为在一个开关周期期间基于电流测量信号S27来计算输出电流12的平均值并且根据所计算的输出电流12的平均值来调节随后的开关周期的占空比。图5图示了两个开关周期的时序图，所述两个开关周期为第一开关周期n和后续第二开关周期n+1。Tonn表示第一开关周期中的接通时段，并且Tonn+1表示第二开关周期中的接通时段。第一开关周期的占空比为Dn并且第二开关周期的占空比为0 +1。控制电路30被配置为首先确定电流测量信号S27所表示的电流的平均值，所述电流是通过开关24的第三电流13加上通过续流元件25的第四电流14。该电流等于接通时段中通过开关24的电流13并且等于断开时段中通过续流元件25的电流14。在稳定状态中，负载电流12的平均值I2m等于通过续流元件25的第四电流14的平均值I4m，并且输入电流Il的平均值Il111等于通过开关24的第三电流13的平均值13_
权利要求
1.一种受控电流源，包括 被配置为接收输入电压的输入端子； 被配置为具有与之连接的负载的输出端子； 被配置为具有对其施加的基准电势的基准端子； 串联连接的第一电感存储元件和开关元件，具有所述第一电感存储元件和所述开关元件的串联电路连接在所述输入端子和所述基准端子之间； 串联连接的第二电感存储元件和续流元件，具有所述第二电感存储元件和所述续流元件的串联电路连接在所述输出端子和所述基准端子之间； 电容存储元件，耦合在第一和第二电感存储元件之间以使得所述第一电感存储元件、电容存储元件和第二电感存储元件在所述输入端子和所述输出端子之间串联连接； 第一电流测量电路，被配置为测量通过所述开关元件、通过所述续流元件的电流之一或者通过所述开关元件和所述续流元件的电流之和，以提供取决于所测量的电流的第一电流测量信号；和 控制电路，被配置为接收所述第一电流测量信号并且根据所述第一电流测量信号为所述开关元件生成驱动信号。
2.如权利要求I所述的受控电流源， 其中所述驱动信号是具有占空比的经脉冲宽度调制的驱动信号，并且 其中所述控制电路被配置为根据所述第一电流测量信号调节所述占空比。
3.如权利要求2所述的受控电流源，其中所述控制电路被配置为生成驱动信号以便具有后续开关周期，并且生成所述驱动信号以便在每个开关周期中在接通时间内接通所述开关元件并且在断开时间内断开所述开关元件。
4.如权利要求3所述的受控电流源，其中所述控制电路进一步被配置为 在一个开关周期的接通时间或断开时间期间对所述第一电流测量信号进行至少一次采样以获得采样值，并且 根据所述采样值对后续开关周期的占空比进行调节。
5.如权利要求4所述的受控电流源，其中所述控制电路进一步被配置为在相对于接通时间的持续时间的固定时间上在接通时间期间对第一电流测量信号进行采样。
6.如权利要求5所述的受控电流源，其中所述固定时间是接通时间的中间。
7.如权利要求4所述的受控电流源，其中所述控制电路进一步被配置为在相对于断开时间的持续时间的固定时间上在断开时间期间对第一电流测量信号进行采样。
8.如权利要求7所述的受控电流源，其中所述固定时间是断开时间的中间。
9.如权利要求4所述的受控电流源，其中所述控制电路进一步被配置为 从至少一个采样值计算通过所述第二电感存储元件的电流的平均值， 将所计算的平均值与基准电流值进行比较，并且 基于比较结果调节占空比。
10.如权利要求9所述的受控电流源，其中所述控制电路进一步被配置为 在所计算的平均值低于基准电流值时增大占空比，并且 在所计算的平均值高于基准电流值时减小占空比。
11.如权利要求10所述的受控电流源，其中所述受控电流源进一步被配置为从至少一个采样值计算通过所述第一电感存储元件的电流的另外的平均值，并且 基于所计算的另外的平均值调节占空比。
12.如权利要求I所述的受控电流源， 其中所述第一电流测量电路被配置为测量通过所述开关元件和所述续流元件的电流之和， 其中所述受控电流源进一步包括第二电流测量电路，所述第二电流测量电路被配置为测量通过所述第一电感存储元件的电流并且提供取决于所测量的通过所述第一电感存储元件的电流的第二电流测量信号，并且 其中所述控制电路被配置为从第一和第二电流测量信号生成表示通过所述第二电感存储元件的电流的信号以将表示通过所述第二电感存储元件的电流的该信号与基准电流值进行比较并且根据比较结果生成驱动信号。
13.如权利要求12所述的受控电流源，其中所述控制电路被配置为 生成取决于所述第一电流测量信号、所述第二电流测量信号和所述基准电流值之间的差的控制信号，并且 根据所述控制信号生成驱动信号。
14.如权利要求13所述的受控电流源，其中所述控制电路包括滞后控制器，所述滞后控制器被配置为接收控制信号并且根据所述控制信号生成驱动信号。
15.如权利要求13所述的受控电流源，其中所述控制电路包括 控制器，被配置为接收控制信号并且生成经修改的控制信号；和 脉冲宽度调制器，被配置为接收所述经修改的控制信号并且生成具有取决于所述经修改的控制信号的占空比的驱动信号。
16.如权利要求15所述的受控电流源，其中所述控制器具有PI特性。
17.一种用于受控电流源中的开关元件的控制电路，所述电流源包括 被配置为接收输入电压的输入端子，被配置为具有与之连接的负载的输出端子，以及被配置为具有对其施加的基准电势的基准端子； 串联连接的第一电感存储元件和开关元件，具有所述第一电感存储元件和所述开关元件的串联电路连接在所述输入端子和所述基准端子之间； 串联连接的第二电感存储元件和续流元件，具有所述第二电感存储元件和所述续流元件的串联电路连接在所述输出端子和所述基准端子之间； 电容存储元件，耦合在第一和第二电感存储元件之间以使得所述第一电感存储元件、电容存储元件和第二电感存储元件在所述输入端子和所述输出端子之间串联连接；和第一电流测量电路，被配置为测量通过所述开关元件、通过所述续流元件的电流之一或者通过所述开关元件和所述续流元件的电流之和，以提供取决于所测量的电流的第一电流测量信号； 其中所述控制电路被配置为接收所述第一电流测量信号并且根据所述第一电流测量信号为所述开关元件生成驱动信号。
18.一种用于操作电路的方法，所述电路包括被配置为接收输入电压的输入端子，被配置为具有与之连接的负载的输出端子，以及被配置为具有对其施加的基准电势的基准端子；串联连接的第一电感存储元件和开关元件，具有所述第一电感存储元件和所述开关元件的串联电路连接在所述输入端子和所述基准端子之间；串联连接的第二电感存储元件和续流元件，具有所述第二电感存储元件和所述续流元件的串联电路连接在所述输出端子和基准端子之间；电容存储元件，耦合在第一和第二电感存储元件之间以使得所述第一电感存储元件、电容存储元件和第二电感存储元件 输入端子和输出端子之间串联连接，所述方法包括 测量通过所述开关元件、通过所述续流元件的电流之一或者通过所述开关元件和所述续流元件的电流之和，以提供取决于所测量的电流的第一电流测量信号；并且根据所述第一电流测量信号为所述开关元件生成驱动信号。
全文摘要
公开了一种基于 uk的电流源、一种用于基于 uk的电流源的控制电路以及一种用于提供电流的方法。
文档编号H05B37/02GK102751864SQ20121002150
公开日2012年10月24日 申请日期2012年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者A.洛朱迪斯, G.基奥齐 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司