CN101846700A

CN101846700A - 电流感测电路

Info

Publication number: CN101846700A
Application number: CN200910216923A
Authority: CN
Inventors: 河昌佑; 张桢雅
Original assignee: Dongbu Electronics Co Ltd
Current assignee: DB HiTek Co Ltd
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2010-09-29
Also published as: US20100164553A1; KR101537534B1; TW201024748A; KR20100079542A; US8102193B2

Abstract

本发明公开了一种电流感测电路。本发明包括：功率晶体管；感测晶体管(M1)，用于以预定比率复制流经功率晶体管的电流；电流感测电阻器(R1)，用于检测从由所述感测晶体管(M1)复制的电流转换的电压；输入电阻器，用于将输入电压(VIN)转换成电流；交叉自偏级联块，用于调节输入电阻器的各自端处的电流；共栅极晶体管(M3)和参考电阻器(R4)，用于将所述输入电阻器的输出电流转换为最终感测电压(Visense)。因此，本发明使转换效率最大化并且使电流感测中导致的损耗最小化。

Description

电流感测电路

相关申请交叉参考

本申请要求于2008年12月31日提交的第10-2008-0138064号的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引证结合在此。

技术领域

本发明涉及一种转换器(converter)，更具体地，涉及一种电流感测电路。尽管本发明适于广泛应用，但是其具体用于使转换效率最大化以及使电流感测中的损耗最小化。

背景技术

通常，DC-DC转换器的当前技术趋势包括小型化、高效率和大容量。对于小型化，传统的板级系统电路集成在IC(集成电路)级中。此外，已提出各种技术(如，电流感测技术)以实现高效率。

相反地，为达到大电容量，功率晶体管(功率TR)的尺寸趋于增加。然而，功率电容的大小正在减小。

因此，如果通过根据背景技术的电流感测方法检测到大规模的电流，则诸如效率降低、减速、增加误差等的缺点是相当可观的，从而导致整个系统的性能的下降。

图1是根据背景技术的用于电流感测方法的电流感测电路的电路图，其中Buck转换器感测高端开关的电流。

参考图1，如果从作为功率开关的功率TR 12流出电流，则包含感测晶体管(感测TR)32、OP-AMP 34和共栅极TR 36的负反馈以预定的比率感测该电流。

尽管在导通电阻(Rdson)等于或大于1ohm的情况下，背景技术的方法不会产生问题，但是其可以导致或加剧以下的问题。

首先，如果通过减小导通电阻而增加了Iswitch与Isense的比率，则电流感测误差增加。

其次，如果通过减小导通电阻(Rdson)而减小了Iswitch与Isense的比率，则Isense增加。因而，感测效率急剧地下降。

第三，由于使用OP-AMP 34来配置负反馈，故增加了对带宽的限制。

第四，通过OP-AMP 34的增益而产生一个偏置，如果温度变化，则共栅极TR 36、功率TR 12和感测TR 32的温度系数的差会使得信号的波形失真。

第五，根据OP-AMP 34的输入电压的范围产生了感测电流值的失真。

第六，由于OP-AMP 34的输出电压范围的限制而不能感测微小的电流值(如，100mA～3A)。

同时，为了提升DC-DC转换器的效率并且实现对其精确控制，正在开发用于感测流经功率开关的功率TR 12的电流的各种技术。

这些电流感测技术主要分为通过串联连接电阻器的电流感测方法和使用与功率TR 12相同的器件经由感测晶体管32的电流感测方法。

然而，随着DC-DC转换器的容量的增加，会产生上述问题或这些问题变得更严重。

发明内容

因此，本发明致力于提供一种电流感测电路，其基本上可以避免由背景技术的局限和缺点导致的一个或多个问题。

本发明的一个目的是提供一种电流感测电路，通过该电路可以由DC-DC转换器更精确地感测3A或更高的电流。

本发明的另一目的是提供一种电流感测电路，通过该电路可以使由电流感测导致的损耗最小化。

在下面的描述中将部分地阐述本公开的其它优点、目的以及特性，并且根据分析下述内容或者可以从本发明的实施中得到教导，本发明的一部分对本领域的技术人员来说将变得显而易见。本发明的目的和其他优点可以由在其所写的说明书和权利要求以及附图中所具体指出的结构来实现和获得。

为了实现这些目的和其他优点并且根据本发明的目的，正如本文中所实施并广泛描述的，根据本发明的电流感测电路包括：功率晶体管、以预定的比率复制流经功率晶体管的电流的感测晶体管(M1)、检测得自由感测晶体管(M1)复制的电流的电压的电流感测电阻器(R1)、将输入电压(VIN)转换为电流的输入电阻器、调节输入电阻器的各自端处的电流的交叉自偏级联块(crossself-biasing cascade block)、以及用于将输入电阻器的电流输出转换为最终感测电压(Visense)的参考电阻器(reference resistor，R4)。

优选地，交叉自偏级联块相等地调节提供至输入电阻器的电阻器(R2，R3)的各端处的电流。

优选地，电流感测电路还包括提供至输入电阻器的电阻器(R2，R3)的各自端的电流源。

优选地，共栅极晶体管(M3)包括共栅极放大器并将输出电流传递至参考电阻器。因此，参考电阻器(R4)将从共栅极晶体管(M3)传递的输出电流转换成最终感测电压(Visense)。

优选地，输入电阻器中的一个(R2)和共栅极晶体管(M3)的栅极电容器构成低通滤波器。

应当理解，本发明的前文的一般描述以及下文的详细描述都是示例性的和解释性的，并且旨在提供对本发明的权利要求的进一步解释。

附图说明

附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理，所包括的这些附图用于提供本公开的进一步理解，并且结合在本申请中并构成该申请的一部分。在附图中：

图1是根据背景技术的用于电流感测方法的电流感测电路的电路图；

图2是用于描述电流感测结构的电路图；以及

图3是根据本发明的电流感测电路的电路图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的具体实施例，在附图中示出了本发明的实例。在任何可能的情况下，将在所有图中使用的相同的参考标号表示相同或类似的部件。

以下将参考附图详细描述根据本发明的优选实施例的电流感测电路。

图2是用于描述电流感测结构的电路图。

参考图2，M2表示主功率开关，M1表示感测TR。感测TR可以包括场效应晶体管(FET)。

流经主功率开关M2的主电流Im(如，感应电流)以N∶1的比率复制到感测TR。

复制的电流Is通过流经电阻器Rs产生感测电压Vsen。

电流感测单元检测输入电压VIN与感测电压Vsen之间的差，然后输出最终感测电压Visense。

图2中示出的电流感测结构示出了非常通用的配置。然而，如果对应于功率开关的功率晶体管的导通电阻Rdson小于1ohm，则会导致各种各样的问题。因此，本发明采用了图3中所示的电流感测电路。

图3是根据本发明的电流感测电路的电路图。

参考图3，根据本发明的电流感测电路包括主功率TR 100、感测TR 110、电流感测电阻器120、输入电阻器130、交叉自偏级联块140、电流源150、共栅极TR 160以及参考电阻器170。

对应于主功率开关的主功率晶体管M2执行开关操作。

感测TR(M1)110以预定的比率复制流经主功率TR(M2)100的主电流Im(感应电流)。

在这种情况下，主功率TR(M2)100和感测TR(M1)110中的每个均可以包括场效应晶体管(FET)。

电流感测电阻器(R1)120将由感测TR(M1)110复制的电流检测成电压。

输入电阻器130包括一对彼此并联连接的电阻器R2和电阻器R3。输入电阻器130将输入电压VIN转换成电流，然后配置整个感测电路的增益。

交叉自偏级联块140调节电流以使其相等地流经输入电阻器130的一对电阻器R2和电阻器R3的各自端。

电流源150是输入电阻器130的端对端电流源。

共栅极TR(M3)160和参考电阻器(R4)170将输入电阻器130的输出电流转换为最终感测电压Visense。

共栅极TR(M3)160是共栅极放大器，并且用于将从输入电阻器130输出的单个电流传递至最终的参考电阻器170。

参考电阻器(R4)170将输出电流转换成最终输出电压，即最终感测电压Visense。参考电阻器(R4)170与R2一起配置整个电路的增益，R2对应于输入电阻器130中的一个电阻器。

根据本发明的电流感测电路中的最终感测电压Visense(其为最终输出电压)和跨阻增益(trans-impedance gain)(GA)可以通过公式1得到。

[公式1]

Visense＝[[(Is×R1)+(I1×R3)]/R2-I0]×R4

＝(R4/R2)×R1×Is

GA＝(R4/R2)×R1

在公式1中，Is表示流经电流感测电阻器(R1)120的电流。I1表示从电流源150的一个电流源提供以流经输入电阻器130中的R3的电流。I0是电流源150的一个电流源提供以流经输入电阻器130中的R2的电流。

最终感测电压Visense(其为最终输出电压)独立于输入电压VIN的电平。即使电流感测电阻器R1是相当的小(＜＜1 ohm)，通过增加感测电流(Is)也能够获得足够的电压。

在这种情况下，感测电流Is与流经主功率TR 100的主电流Im合并于节点SW，然后用于外部切换。因此，几乎不产生损耗。

同时，共栅极TR(M3)160(其为共栅极放大器)具有小的增益但是提供了优良的频率特性。因此，共栅极TR可以保证更宽的频带并且将输出电流稳定地传递至参考电阻器(R4)。

同时，输入电阻器(R2)130和共栅极TR(M3)160的栅极电容器配置低通滤波器。因而，如果将足够的尺寸分配给共栅极TR(M3)160和输入电阻器(R2)130，则能够自动地减小感测噪声。

下面将在温度方面解释根据本发明的电流感测电路。

如果将公式1转换成温度系数的公式，则产生公式2。

[公式2]

ΔVisense/ΔT＝(ΔR4/ΔR2)×ΔR1×Is＝ΔR1×Is

根据公式2，如果使用具有正温度特性的电阻器作为电流感测电阻器(R1)120，则随着温度升得越高，增益增加的越多。因而，通过互连至温度特性，能够快速地启用过流检测功能。特别地，通过使电流容量和温度彼此互连，能够快速地启用过流保护电路。

根据本发明，当超过3A的大容量的DC-DC转换器能够更精确地感测电流时，可以将由电流感测导致的损耗最小化。因此，可以将转换效率最大化。

由于根据本发明的电流感测电路不使用OP-AMP，故尽管导通电阻非常小(如，低于1ohm)，但仍能够精确地感测大电流(1mA～10A)。

由于根据本发明的电流感测电路能够使用感测电流，用于无切换损耗地感测电流，所以其具有高效率。

由于根据本发明的电流感测电路不使用OP-AMP，所以就免除了由OP-AMP的增益导致的偏差。虽然温度变化，但是没有由有源元件导致的信号波形的失真。

根据本发明的电流感测电路能够使电流感测与温度的变化无关，并且可以对感测TR和主功率开关的参数进行处理。

如果将感测电阻器设计为具有正温度系数，则本发明通过互连至温度特性，能够快速地启用过流检测功能。

并且，根据以输入电阻器以及共栅极或共基极电路构成的输入结构，本发明具有低通滤波特性。因此，本发明能够自动地消除感测电流的高频噪声。

对本领域的技术人员是显而易见的是，在没有背离本发明的精神和范围的前提下，在本发明中可以进行各种修改和变化。因此，本发明的修改和变化都在所附的权利要求及其等价物的范围之中，本发明旨在包含这些改变和变化。

Claims

1.一种电流感测电路，包括：

功率晶体管；

感测晶体管(M1)，用于以预定比率复制流经所述功率晶体管的电流；

电流感测电阻器(R1)，用于检测得自由所述感测晶体管(M1)复制的电流的电压；

输入电阻器，用于将输入电压(VIN)转换成电流；

交叉自偏级联块，用于调节所述输入电阻器的各自端处的电流；以及

共栅极晶体管(M3)和参考电阻器(R4)，用于将所述输入电阻器的输出电流转换为最终感测电压(Visense)。

2.根据权利要求1所述的电流感测电路，其中，所述输入电阻器包括彼此并联连接的多个电阻器(R2，R3)。

3.根据权利要求2所述的电流感测电路，其中，所述交叉自偏级联块调节提供至所述输入电阻器的所述多个电阻器(R2，R3)的各自端处的电流。

4.根据权利要求3所述的电流感测电路，其中，所述交叉自偏级联块相等地调节所述多个电阻器(R2，R3)的各自端处的电流。

5.根据权利要求2所述的电流感测电路，还包括用于提供至所述输入电阻器的所述多个电阻器(R2，R3)的各自端的电流源。

6.根据权利要求1所述的电流感测电路，其中，所述共栅极晶体管(M3)包括共栅极放大器。

7.根据权利要求1所述的电流感测电路，其中，所述共栅极晶体管(M3)用于将所述输出电流传递至所述参考电阻器。

8.根据权利要求1所述的电流感测电路，其中，所述参考电阻器(R4)将从所述共栅极晶体管(M3)传递的所述输出电流转换为所述最终感测电压(Visense)。

9.根据权利要求1所述的电流感测电路，其中，所述输入电阻器中的一个电阻器(R2)和所述共栅极晶体管(M3)的栅极电容器组成低通滤波器。