申请/专利权人：恩智浦美国有限公司

申请日：2016-03-15

公开（公告）日：2021-05-07

公开（公告）号：CN107204699B

主分类号：H02M1/00(20070101)

分类号：H02M1/00(20070101);G01R31/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.05.07#授权;2019.04.09#实质审查的生效;2017.11.24#著录事项变更;2017.09.26#公开

摘要：本发明涉及谐振储能网络的Q因子的确定。具有开关网络、谐振储能网络和控制器的功率变换器执行谐振储能网络的Q因子的原地确定。控制器通过对开关网络的晶体管开关施加数量有限的接通脉冲来激发谐振储能网络的暂时阻尼振荡。控制器然后对与所激发的暂时阻尼振荡对应的波形的包络采样并处理所产生的数字信号样本集以确定谐振储能网络的Q因子。Q因子确定能够被重复以防止功率变换器在由某些环境因素例如，在功率变换器的紧邻处存在非期望的金属物体导致的非期望的操作条件下操作。

主权项：1.一种电路，包括：含有开关网络和谐振储能网络并且产生正弦电压信号的谐振变换器；调节所述正弦电压信号的接口电路；以及经由所述接口电路与所述谐振变换器在操作上连接的控制器，其中所述控制器可操作为通过以下操作来确定所述谐振储能网络的Q因子：切换所述开关网络以激发所述谐振储能网络的暂时阻尼振荡从而所述谐振储能网络产生所述正弦电压信号；使用所述经调节的所述正弦电压信号获取代表所述暂时阻尼振荡的波形包络的数字信号样本的阵列；以及使用所述数字信号样本的阵列来确定所述Q因子，其中所述数字信号样本的阵列具有M个数字值S1，S2，…，SM，其中M是大于2的整数；并且其中所述确定的步骤包括：计算比值Ri＝Si+1-d0Si-d0的集合，其中i＝1，2，…M-1并且d0为直流偏移值；通过对所述M-1个比值Ri求和并将所得之和除以M-1来计算平均比值；以及使用所述平均比值来计算所述Q因子。

全文数据：谐振储能网络的Q因子的确定技术领域[0001]本公开内容涉及功率电子器件，并且更特别地涉及用于谐振储能网络resonanttanknetwork的Q因子的原地测量的电路和方法。背景技术[0002]DC-DC功率变换器被用于各种各样的应用中，例如，笔记本电脑及各种办公设备的电源、无线充电、飞行器电力系统、电信设备及直流电机驱动器。DC-DC功率变换器的输入是未调整的直流电压ViiuDC-DC功率变换器操作用于产生经调整的直流输出电压Vciut，具有不同于Vin的大小（以及可能还有极性）。例如，在计算机电源中，丨2〇v的公用交流电压典型地被整流以产生大约170V的直流电压。DC-DC功率变换器然后能够被用来将该电压降低至可由计算机的集成电路1C接受的经调整的5V或3.3V。[0003]某些DC-DC功率变换器使用谐振储能网络和脉宽调制pwM来获得相对高的功率转换效率和或减小功率变换器的整体尺寸、重量和成本。这样的沉-加功率变换器通常称为谐振变换器。在某些谐振变换器应用中，变换器的谐振储能网络的Q因子品质因数必须被周期性地或不定期地测量以确保正确的操作。例如，在无线充电中，变换器的谐振储能网络的Q因子需要被测量以感测非期望的和非想要的金属物体的存在性。[0004]谐振器的Q因子是用于提供谐振器的振荡的阻尼强度的度量并且还表征谐振器相对于其中心频率的带宽的无量纲参数。根据常规的定义，越高的Q因子指示储存于谐振器内的能量越低的损失率。对于电谐振系统，Q因子代表电阻损耗的阻尼效果。因而，有利的是能够确定谐振电路的Q因子。附图说明[0005]本发明的实施例在此通过举例的方式来说明，且并不受附图所限，在附图中相同的附图标记指不相似的兀件。在附图中的兀件仅出于简单和清晰起见而示出，而并不一定按比例绘出。根据下面参照附图进行的详细描述，所公开的实施例的各个方面、特征及有利性通过举例的方式将变得更为明显，在附图中：[0006]图1是根据本发明的一种实施例的电路的示意性框图；[0007]图2是图1的电路的谐振储能网络的一种可替换实施例的示意性电路图；[0008]图3是图1的电路的谐振储能网络的另一种可替换实施例的不意性电路图；[0009]图4是能够用于根据本发明的一种实施例的图1的电路中的接口电路的示意性电路图；[0010]图5是能够用于根据本发明的一种实施例的图1的电路中的比较器的示意性电路图；[0011]图6是示出在根据本发明的一种实施例的图1的电路中的一种示例暂时阻尼振荡transitorydampedoscillations的曲线图；[0012]图7是能够以根据本发明的一种实施例的图1的电路来实现的确定Q因子的方法的流程图；[0013]图8是能够用于根据本发明的一种实施例的图7的方法中的采样方法的流程图；以及[0014]图9-11是以图表示出由图1的电路在根据本发明的一种实施例的图7-8的方法的执行期间生成的各种信号的时序图。具体实施方式[0015]本发明的详细说明性实施例公开于此处。但是，本公开内容所提到的具体的结构及功能细节仅仅是代表，为了描述本发明的示例实施例。本发明的实施例可以按照许多可替换的形式来实施并且不应被理解为仅限于本文所阐明的实施例。[0016]在此公开了具有开关网络、谐振储能网络以及可操作用于执行谐振储能网络的Q因子的原地确定的电子控制器的功率变换器的各种实施例。在一种示例实施例中，控制器通过对开关网络的晶体管开关施加数量有限的导通脉冲来激发谐振储能网络的暂时阻尼振荡。控制器然后对与所激发的暂时阻尼振荡对应的波形的包络采样并处理所产生的数字信号样本集以确定谐振储能网络的Q因子。Q因子确定能够根据需要或必要性而重复，例如，用于防止功率变换器在由某些环境因素例如，在功率变换器的紧邻处存在非期望的金属物体导致的不适合的操作条件下操作。[0017]本发明的一种实施例是用于确定电路的谐振储能网络的Q因子的机器实现的方法。该方法包括:激发谐振储能网络的暂时阻尼振荡;获取代表暂时阻尼振荡的波形包络的数字信号样本的阵列;并且使用该数字信号样本的阵列来确定Q因子。[0018]本发明的另一种实施例是一种电路，包括:包含开关网络和谐振储能网络的谐振变换器；以及在操作上与谐振变换器连接的控制器，其中控制器通过以下操作来确定谐振储能网络的Q因子:切换开关网络以激发谐振储能网络的暂时阻尼振荡;获取代表暂时阻尼振荡的波形包络的数字信号样本的阵列;并且使用该数字信号样本的阵列来确定Q因子。[0019]现在参照图1，图中示出了根据本发明的一种实施例的电路1〇〇的示意性框图。电路100包含可作为负载140的电源来操作的谐振变换器102。特别地，谐振变换器102操作用于将输入的直流电压Vin转换成输出电压Vcmt。根据负载140的功率要求，谐振变换器102能够被设计为使得输出电压V™t要么为经调整的直流电压要么为经调整的交流电压。[0020]在一种示例实施例中，谐振变换器102包含开关网络110、谐振储能网络120以及能够使用辅助电感器Ls与谐振储能网络120电感耦接的可任选的适配器电路130，例如，如图1所示。适配器电路130能够省略，例如，在谐振变换器102作为DC-AC功率变换器来操作的实施例中。在谐振变换器102作为DC-DC功率变换器来操作的实施例中，适配器电路130可以包含整流器和低通滤波器在图1中未明显示出）。在涉及无线充电应用的实施例中，适配器电路13〇还可以包含可允许谐振变换器102与负载140之间的贯穿空间的电耦合的耦合器。谐振变换器1〇2的某些实施例可以包含电压源106。在谐振变换器102的某些可替换实施例中，电压源106可以是外部电路或器件的一部分在图1中未明显示出）。[0021]在图1所示的实施例中，开关网络110被实施为具有四个晶体管开关奶Vref时处于逻辑电平“1”以及ii在Vl5220的明确界定的且可辨别的ZCP。[0034]波形包络604具有上边沿604u和下边沿604i。上边沿604u和下边沿604i每个都能够通过指数衰减函数来近似，该指数衰减函数的衰减速率k如下式所示的那样与谐振储能网络120的阻尼比C相关：[0035]k=Cw〇1，[0036]其中《Q是谐振储能网络120的谐振频率。振荡周期T和Q因子分别如同⑵_⑶式所表示的那样与由阻尼比C相关：[0037]t=2ji{co〇l-^212}2；[0038]Q=l2〇3。[0039]如果姻子相对较大，则2式能够近似为：[0040]T«2n〇〇⑷。[0041]从图6可明显看出，波形包络604的上边沿604u能够通过获取与波形的局部极大值对应的波形602的样本来采样。波形包络604的下边沿60屯能够类似地通过获取与波形的局部极小值对应的波形602的样本来采样。[0042]图7是示出根据本发明的一种实施例的能够实施于电路1〇〇图1中的确定q因子的方法700的流程图。方法700将在下文继续参照图1和5-7来描述。[0043]尽管在图1中没有明确表示，但是在方法7〇〇的步骤702,电子控制器160给晶体管开关Q1-Q4的栅极（图1施加预定的固定数量N〇的导通脉冲。如同上文已经解释过的，在导通脉冲停止之后，由谐振储能网络120生成的电压Vr经历与图6所示的那些暂时阻尼振荡类似的暂时阻尼振荡。接口电路150使用电线124来感测电压Vr的相应暂时波形并且给电子控制器160同样参见图1施加相应的已调节的电信号152。[0044]在步骤704,电子控制器160处理己调节的电信号152以确定振荡周期T同样参见图6。在一种示例实施例中，该确定能够使用下列子步骤来实现。首先，比较器162被配置用于促使控制信号164在ZCP参见图6处于电压Vr的暂时波形的“低”和“高”电平之间转换。本领域技术人员应当理解，比较器162的这种配置能够通过适当地设定运算放大器510参见图5的参考电压Vref来获得。其次，计时器160生成控制信号164在“低”和“高”逻辑电平之间转换的时间序列，并将所生成的该时间序列提供给处理器174。第三，处理器174处理接收自计时器160的该时间序列以确定振荡周期T。[0045]在某些实施例中，步骤704的第三子步骤能够通过以下操作来执行：（i计算在控制信号164的预定的固定数量N2的连续上升沿之间的时间差的集合；（ii计算该时间差的集合的平均时间差;并且iii将所算得的平均时间差指定为振荡周期T的确定值。[0046]在某些实施例中，步骤704是可任选的且能够跳过。[0047]在步骤706,控制器160可操作用于获取代表波形包络604图6的数字信号样本S的阵列E。在某些实施例中，电子控制器160可以获取代表波形包络604的上边沿604u的阵列E。如上所述，这样的信号样本能够通过在波形的局部极大值处对相应的暂时振荡波形例如，波形602图6采样来获取。在可替换的实施例中，控制器16〇可以类似地获取代表波形包络604的下边沿604i的阵列E。如上所述，这样的信号样本能够通过在波形的局部极小值处对相应的暂时振荡波形采样来获取。步骤7〇6的一种示例实施例将在下文参照图8更详细地描述。[0048]在步骤708,处理器174处理在步骤7〇6获取的数字信号样本S的阵列E，以确定与波形包络604对应的衰减速率k。在一种不例实施例中，步骤7〇8能够被执行如下。[0049]假定在步骤706获取的阵列E包含与波形包络604的上边沿604u对应的M个数字值31，32，."，31«。则在步骤708的第一子步骤，处理器174计算^1-1个比值1^=51+1-〇1八8广d〇，其中i=1，2,…，M-1，并且do是由接口电路150图4引入的直流偏移值。对于接口电路150的某些实施例，do能够为0。在步骤7〇8的第二子步骤，处理器174通过对M—1个比值Ri求和并将所算得之和除以M-1来计算平均比值Ravg。在步骤708的第三子步骤，处理器1"74使用下式来计算衰减速率k:[0050]k=-lnRaVgT5，[0051]其中T是在步骤704确定的振荡周期。本领域技术人员应当理解，步骤706能够类似地在阵列E包含与波形包络604的下边沿604i对应的M个数字值Si，S2，…，Sm时实施。[0052]在步骤710,处理器174使用在步骤708确定的衰减速率k和在步骤704确定的振荡周期T来计算Q因子。在一种示例实施例中，Q因子能够通过关于Q求解方程（1-3来计算。对于低阻尼系统under-dampedsystems即，其特征在于相对大的Q因子的系统），方程1-3的求解减少为以下的近似：[0053]Q-JikT=-nlnRavg6。[0054]图8是示出根据本发明的一种实施例的能够用来实施方法700的步骤706图7的采样方法800的流程图。方法800对应于其中控制器160获取代表波形包络604的上边沿604u参见图6的数字信号样本的步骤706的一种实施例。本领域技术人员应当很容易了解如何修改方法800以得到其中控制器160获取代表波形包络604的下边沿604i的数字信号样本的采样方法。在步骤802-810上循环预定次数的方法800将在下文继续参照图1和6-8来描述。[0055]在方法800的步骤802,电子控制器160操作用于激发谐振储能网络120的暂时阻尼振荡（图1。在一种示例实施例中，步骤802能够按照与方法700的步骤702相同的方式来实施。[0056]在步骤804,计时器166被配置用于生成可促使ADC170在相对控制信号164的各自上升沿延迟了延迟时间td的各个时刻对已调节的电信号152采样M次的触发器信号168参见图1。回想到，控制信号164的连续上升沿彼此分离振荡周期T同样参见图6。结果，ADC170生成与电压Vr图1的M个完整振荡对应的己调节的电信号152的M个数字样本。[0057]在步骤806,处理器174使用在步骤804生成的M个数字样本来更新存储于处理器174的存储缓冲器在图1中未明显示出）内的M个数字值的阵列。在一种示例实施例中，能够使用下列更新规则和程序。[0058]在方法800的处理第一次经过步骤804和806之前，存储缓冲器被清除以删除先前存储于其内的任何数字值。[0059]在方法800的处理第一次经过步骤804和806时，在步骤804生成的全部M个数字样本的数字值被作为阵列写入存储缓冲器内。[0060]在方法8〇0的处理每次后续经过步骤804和806时，在步骤804生成的M个数字样本每个都与存储于存储缓冲器内的阵列的相应数字值比较。如果在步骤804生成的数字样本小于或等于存储于存储缓冲器内的阵列的相应数字值，则该数字样本被丢弃。相反，如果数字样本大于存储于存储缓冲器内的阵列的相应数字值，则数字样本的值被写入阵列中的相应位置内，以覆写该位置的先前数字值。[0061]在方法800的处理最后一次经过步骤804和806之后，在存储于处理器174的存储缓冲器内的阵列中结束的M个数字值形成上述阵列…，SM，该阵列在方法7〇〇的步骤7〇8使用（图7。上述更新规则导致按照上述方式生成的阵列E含有数字值，这些数字值每个都代表电压Vr的相应一个完整振荡的局部极大值。如同以上已经参照图6提及的，波形602的局部极大值提供波形包络604的上边沿604u的采样点。[0062]在步骤8〇8,延迟时间td的当前值递增At。在一种示例实施例中，在步骤8〇4的第一实例中使用的初始延迟时间td能够为0.15T，即，振荡周期T的15%。延迟时间增量At则能够为0.01T，即，振荡周期T的1%。以步骤808所使用的这些实例参数，在步骤8〇4的第n个实例中使用的延迟时间td由（7式描述如下：[0063]td=0.15T+0.01n-lT7。[0064]本领域技术人员应当了解，在可替换的实施例中，能够类似地使用初始延迟时间td和延迟时间增量At的其他合适值。[0065]在步骤810，延迟时间td的新值与阈值时间to比较。如果tdADC170没有被触发参见通道CH4，并且处理器174在步骤704依靠接收自计时器160的上述时间序列（控制信号164在“低”和“高”逻辑电平之间转换的时间）来确定振荡周期T。[0070]图10以图表示出了方法800的步骤802-804图8。与图10中的通道CH1-CH3对应的波形分别基本上与对应于图9中的通道CH1-CH3的波形相同。但是，在图10的通道CH4中的触发器信号168现在传送在步骤804使用的ADC触发脉冲。在方法800的这种特定实施方式中，在触发器信号168中的ADC触发脉冲的数量为M=14。在步骤804的这个特定实例中使用的延迟时间td为0.15T。对在通道CH4中的ADC触发脉冲相对于通道CH2的波形的时间对准的检查揭示，该波形的暂时振荡部分与图6的波形602类似正在与各自的波形极大值对应的时间的稍前的各个时刻被采样。[0071]图11同样以图表示出了方法800的步骤802-804图8。但是，在图10和11之间的一个区别在于，在图11的通道CH4的触发器信号168中的14个ADC触发脉冲对应于延迟时间td=0•25T。对在图11的通道CH4中的ADC触发脉冲相对于通道CH2的波形的时间对准的检查揭示，该波形的暂时振荡部分正在与各自的波形极大值对应的时间的稍后的各个时刻被采样。这个观察指出，在图10所示的步骤802-804的实例与图11所示的步骤802-804的实例之间，通道CH2的波形的暂时振荡部分被扫描通过其极大值，由此使得控制器160能够根据方法700的步骤706图7来编译阵列E=Si，S2，…，SM。[0072]还应当理解，在不脱离随附的权利要求书所表示的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对为了解释本发明的性质而已经描述并示出的部分的细节、材料及布局进行各种改变。

权利要求：1.一种电路，包括：含有开关网络和谐振储能网络的谐振变换器；以及与所述谐振变换器在操作上连接的控制器，其中所述控制器可操作为通过以下操作来确定所述谐振储能网络的Q因子：切换所述开关网络以激发所述谐振储能网络的暂时阻尼振荡；获取代表所述暂时阻尼振荡的波形包络的数字信号样本的阵列；以及使用所述数字信号样本的阵列来确定所述Q因子。2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路是无线充电器。3.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器是微控制器单元MCU。4.根据权利要求1所述的电路，还包括直流电压源，其中所述开关网络耦接于所述直流电压源与所述谐振储能网络之间。5.根据权利要求1所述的电路，还包括适配器电路，所述适配器电路包括电感耦合器且可操作为在所述谐振变换器与外部负载之间提供贯穿空间的电耦合。6.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关网络包括成全桥布局的四个晶体管开关。7.—种确定电路的谐振储能网络的Q因子的机器实现的方法，所述方法包括步骤：激发所述谐振储能网络的暂时阻尼振荡；获取代表所述暂时阻尼振荡的波形包络的数字信号样本的阵列；以及使用所述数字信号样本的阵列来确定所述Q因子。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述激发的步骤包括：对连接于所述谐振储能网络与直流电压源之间的开关网络的晶体管开关施加一个或多个导通脉冲；以及在施加了所述一个或多个导通脉冲之后，将所述晶体管开关中的至少一个保持为关断状态并且将所述晶体管开关中的至少另一个保持为导通状态达一固定时间，所述固定时间比所述暂时阻尼振荡的三个振荡周期长。9.根据权利要求8所述的方法，还包括:选择所述固定时间使得所述暂时阻尼振荡在所述固定时间内衰减到检测不到的水平。10.根据权利要求7所述的方法，还包括:确定所述暂时阻尼振荡的振荡周期。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述确定所述Q因子的步骤包括：通过处理所述数字信号样本的阵列来确定与所述波形包络对应的衰减速率；以及使用所述衰减速率和所述振荡周期来计算所述Q因子。12.根据权利要求7所述的方法，其中所述获取的步骤包括:触发模数转换器以对与所述暂时阻尼振荡对应的电波形采样，每当在相对于所述暂时阻尼振荡的各个过零点延迟固定的延迟时间td时进行所述触发。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述获取的步骤还包括：递增所述固定的延迟时间td;以及使用己递增的所述固定的延迟时间td来重复所述触发的步骤。14.根据权利要求13所述的方法，所述获取的步骤还包括:通过（i保留由所述模数转换器响应于所述触发的步骤的所述触发和所述重复而生成的数字信号样本的第一子集以及ii丢弃所述数字信号样本的至少第二子集来生成所述数字信号样本的阵列。15.根据权利要求7所述的方法，其中所述数字信号样本的阵列具有M个数字值S^Ss，…，SM，其中M是大于2的整数;并且其中所述确定的步骤包括：计算比值Ri=Si+1-doSi-do的集合，其中i=1，2，…M-1并且do为直流偏移值；通过对所述M-1个比值心求和并将所得之和除以M-1来计算平均比值;以及使用所述平均比值来计算所述Q因子。

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