CN101567629A - 开关电源用电感电流感应电路 - Google Patents

Abstract

一种开关电源用电感电流感应电路，设有开关管电路、感应电流产生电路及感应电压产生电路，开关管电路的输出端连接感应电流产生电路，感应电流产生电路的输出端连接感应电压产生电路，感应电压产生电路的输出端输出感应电压；开关管电路、感应电流产生电路及感应电压产生电路具有同一的公共电源输入端和同一的公共输入控制信号，利用处于线性区的PMOS管近似等效于一个电阻的原理，采用自偏置电流镜，按一定比例缩小电感电流来感应电感电流，通过感应电流流过输出电阻的方法进行电流电压的转换，产生稳定的感应电压。

Description

开关电源用电感电流感应电路

技术领域

本发明涉及电流感应电路，尤其是一种开关电源用电感电流感应电路，它能准确的跟踪电感中的电流，输出感应电压。

背景技术

开关电源电路一般分为电压模式控制和电流模式控制。电流模式控制具有动态反应快、补偿电路简化、增益带宽大等优点，因而得到了越来越广泛的应用。而在电流模式的控制电路中，电感电流需要准确、高效的被检测，因而电感电流检测电路在电流模式开关电源电路中显的尤为重要。

传统的电感电流感应方法通常是在电感的一侧串联检测电阻(图1a)或直接利用开关管的导通电阻来检测电感电流的变化(图1b)。但串联电阻的方法产生了额外的功耗，尤其在大电流的开关电源系统中极大的降低了系统的工作效率；直接利用开关管导通电阻的方法中，开关管的导通电阻的具体值受工艺偏差影响较大，存在一定的温度系数，使得电流感应值不够准确，此外，当电感电流较小时，需要大的导通电阻来提高电流检测的精度，但大的导通电阻必然会消耗较大的额外功耗，会大大降低工作效率。一个好的电感电流感应电路要求具有精确的电感电流跟踪效果，同时受制作工艺、工作环境的影响要尽可能小。

发明内容

本发明目的是克服现有技术之不足，提供一种开关电源用电感电流感应电路，其特征在于：设有开关管电路、感应电流产生电路及感应电压产生电路，开关管电路的输出端连接感应电流产生电路，感应电流产生电路的输出端连接感应电压产生电路，感应电压产生电路的输出端输出感应电压；开关管电路、感应电流产生电路及感应电压产生电路具有同一的公共电源输入端和同一的公共输入控制信号；开关管电路包含一个起开关作用的PMOS开关管；感应电流产生电路包含两个起开关作用的PMOS开关管、两个连接成电流镜的PMOS电流管、两个连接成电流镜的NMOS电流管；感应电压产生电路包含一个起开关作用的PMOS开关管、一个拷贝电流的PMOS电流管及两个输出电阻；开关管电路中起开关作用的PMOS开关管、感应电流产生电路中两个起开关作用的PMOS开关管以及感应电压产生电路中一个起开关作用的PMOS开关管都工作在线性区，利用处于线性区的PMOS管近似等效于一个电阻的原理，在感应电流产生电路中由连接成电流镜的两个PMOS电流管及两个NMOS电流管，采用自偏置电流镜结构产生感应电流；感应电压产生电路按一定比例拷贝感应电流产生电路产生的感应电流，并将拷贝的感应电流流过感应电压产生电路中两个输出电阻的方法进行电流电压的转换，产生稳定的感应电压，所产生的感应电压能够精确的跟踪电感电流，同时受工艺变化、工作温度的变化很小。由于采用了自偏置结构，跟踪速度快，延时小，能够适用于较高的工作频率中。

上述电路的具体连接关系是：

开关管电路的PMOS管P1，其栅极由开关信号Vc控制，源极接输入电源Vin，漏极接开关管输出信号Vp；

感应电流产生电路的PMOS管P2、P3、P5、P6以及NMOS管N1和N2中，P2和P3的栅极共接于开关信号Vc，P2的源极接开关管电路中开关管输出信号Vp，P3的源极接输入电源Vin，P2、P3的漏极分别与P5和P6的源极相连，P5、P6的栅极共同连接于P5的漏极，P5和P6的漏极分别连接于N1和N2的漏极，N1和N2的栅极共同连接于N2的漏极，N1和N2的源极都与公共地线相连；

感应电压产生电路中的电流拷贝电路的PMOS管P4和P7，P4的源极接输入电源Vin，P4的栅极由开关信号Vc控制，P4的漏极与P7的源极相连，P7的栅极与感应电流产生电路中P6的栅极相连，P7的漏极电压为感应电压Vsense；电流电压转换电路输出电阻R_s1、R_s2，R_s1的一端是感应电压Vsense，另一端与R_s2的一端相连，R_s2的另一端连接于公共地线。

本发明的优点及有益效果：

(1)电路结构简单，仅包含少量的MOS器件和电阻，易于实现且制备工艺简单；

(2)电路中产生的感应电压不随输入电源以及温度的变化而变化；

(3)电路中产生的感应电压受制备工艺影响较小，适应性强；

(4)由于采用了自偏置结构，跟踪速度快，感应电压产生延迟小，能够适用于较高开关频率的系统中；

(5)电路输出感应电压值范围较广，能够精确的跟踪各种大小的电感电流。

附图说明：

图1是传统的电感电流感应电路；

图2是本发明的电感电流感应电路结构框图；

图3是本发明的电感电流感应电路图；

图4是本发明的一个实施例；

图5是本发明的另一个实施例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的工作原理及工作过程作进一步说明。

参看图2、3，电感电流感应电路由开关管电路、感应电流产生电路和感应电压产生电路组成，它利用处于线性区的PMOS管近似等效于一个电阻的原理，采用自偏置电流镜，按一定比例缩小电感电流的原理来感应电感电流，产生稳定的感应电压。

开关管电路1由PMOS管P1组成，P1的栅极由开关信号Vc控制，源极接输入电源Vin，漏极接开关管输出信号Vp；

感应电流产生电路2由PMOS管P2、P3、P5、P6以及NMOS管N1和N2组成。P2和P3的栅极共接于开关信号Vc，P2的源极接开关管电路中开关管输出信号Vp，P3的源极接输入电源Vin，P2、P3的漏极分别与P5和P6的源极相连，P5、P6的栅极共同连接于P5的漏极，P5和P6的漏极分别连接于N1和N2的漏极，N1和N2的栅极共同连接于N2的漏极，N1和N2的源极都与公共地线相连。感应电流产生电路2采用了自偏置电流镜结构，通过P5、P6和N1、N2两对电流相等的电流镜结构使得P5和P6具有相同的源极电位，配合P2和P3的共同作用产生相应的感应电流。这种自偏置结构由于结构简单、反应快、延迟小，可以迅速的感应电感电流，反应时间几乎可以忽略，因此不仅仅适用于工作频率低的开关电源系统中，也非常适用于工作频率较高的开关电源系统。

感应电压产生电路3由电流拷贝电路31和电流电压转换电路32组成。电流拷贝电路31由PMOS管P4和P7构成，P4的源极接输入电源Vin，P4的栅极由开关信号Vc控制，P4的漏极与P7的源极相连，P7的栅极与感应电流产生电路2中P6的栅极相连，P7的漏极电压为感应电压Vsense。电流电压转换电路32由电阻R_s1、R_s2构成，R_s1的一端是感应电压Vsense，另一端与R_s2的一端相连，R_s2的另一端连接于公共地线。

图4和图5是本发明的实施例。本发明的电感电流感应电路可应用于普通的降压型开关电源系统中，如图4所示；也可应用于同步整流降压型开关电源系统中，如图5所示；感应电感电流的大小，输出感应电压Vsense。本发明的电感电流感应电路在开关管P1导通时，感应电感电流，输出感应电压Vsense，开关管P1关闭时，输出感应电流为0。

一般，处于线性区的PMOS管电阻可以表示为：

$R_{\mathrm{ds}}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{ox}}(W/L)(V_{\mathrm{SG}}-|V_{\mathrm{TP}}\left|\right)}---\left(1\right)$

μ_p是PMOS管的迁移率，V_TP是PMOS管的阈值电压，V_SG是PMOS管的源栅电压，W是PMOS管的宽，L是PMOS管的长，C_ox是单位面积栅氧电容。

当开关信号Vc为低电位时，开关管P1、P2导通，设P1和P2的宽长比之比为N∶1，于是P1和P2的线性区电阻比为1∶N。同理，若P2和P3的宽长比之比为M∶1，P2和P3的线性区电阻比为1∶M。N1和N2，P5和P6具有相同的宽长比，因此，很容易得到：

I₂·R_ds3＝I₁(R_ds1+R_ds2)+I_L·R_ds1    (2)

$I_1=I_2=\frac{I_L}{M\·N-1-N}---\left(3\right)$

P3和P4的宽长比之比为S∶1，于是，

$I_3=\frac{I_2}{S}=\frac{I_L}{(M\·N-1-N)\·S}---\left(4\right)$

因此，感应电压Vsense为：

$V_{\mathrm{sense}}=\frac{I_L}{(M\·N-1-N)\·S}\·(R_{s1}+R_{s2})---\left(5\right)$

R_s1和R_s2分别取不同温度系数的电阻，于是(R_S1+R_s2)可以设计成零温漂的电阻，因此感应电压Vsense不仅与电源电压，与温度也无关。

Claims (2)

1、一种开关电源用电感电流感应电路，其特征在于：设有开关管电路、感应电流产生电路及感应电压产生电路，开关管电路的输出端连接感应电流产生电路，感应电流产生电路的输出端连接感应电压产生电路，感应电压产生电路的输出端输出感应电压；开关管电路、感应电流产生电路及感应电压产生电路具有同一的公共电源输入端和同一的公共输入控制信号；开关管电路包含一个起开关作用的PMOS管；感应电流产生电路包含两个起开关作用的PMOS管、两个连接成电流镜的PMOS管、两个连接成电流镜的NMOS管；感应电压产生电路包含一个起开关作用的PMOS管、一个拷贝电流的PMOS管及两个输出电阻；开关管电路、感应电流产生电路以及感应电压产生电路中起开关作用的PMOS管都工作在线性区，利用处于线性区的PMOS管近似等效于一个电阻的原理，在感应电流产生电路中由连接成电流镜的两个PMOS管及两个NMOS管，采用自偏置电流镜结构产生感应电流；感应电压产生电路按比例拷贝感应电流产生电路产生的感应电流，并将拷贝的感应电流流过感应电压产生电路中两个输出电阻的方法进行电流电压的转换，产生稳定的感应电压。

2、根据权利要求1所述的开关电源用电感电流感应电路，其特征在于：

开关管电路的PMOS管P1，其栅极由开关信号Vc控制，源极接输入电源Vin，漏极接开关管输出信号Vp；

感应电流产生电路的PMOS管P2、P3、P5、P6以及NMOS管N1和N2中，P2和P3的栅极共接于开关信号Vc，P2的源极接开关管电路中开关管输出信号Vp，P3的源极接输入电源Vin，P2、P3的漏极分别与P5和P6的源极相连，P5、P6的栅极共同连接于P5的漏极，P5和P6的漏极分别连接于N1和N2的漏极，N1和N2的栅极共同连接于N2的漏极，N1和N2的源极都与公共地线相连；

感应电压产生电路中的电流拷贝电路的PMOS管P4和P7，P4的源极接输入电源Vin，P4的栅极由开关信号Vc控制，P4的漏极与P7的源极相连，P7的栅极与感应电流产生电路中P6的栅极相连，P7的漏极电压为感应电压Vsense；电流电压转换电路输出电阻R_s1、R_s2，R_s1的一端是感应电压Vsense，另一端与R_s2的一端相连，R_s2的另一端连接于公共地线。

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