CN102122886A - Dc-dc转换器中电感峰值电流的检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路及方法，该DC-DC转换器电路包括复数个功率开关管及一电感，通过设置一以一定比例镜像流过其中第一功率开关管电流的镜像管，与镜像管相串接的检测电阻，以及跨接在检测电阻两端的运算放大器，使得流过镜像管的镜像电流，会在检测电阻上产生一定的压降，且通过运算放大器检测峰值电流，当运算放大器检测到流过电感的电流达到设定峰值时，运放输出端输出有效信号给控制电路，控制电路产生反馈控制信号去控制所述功率开关管，以完成对电感峰值电流的检测和反馈控制过程。本发明具有高精度、高速度进行电流检测的优点，且提高了DC-DC电源转换系统的性能。

Description

DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路及方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及内置功率开关管的DC-DC转换器中输入峰值电流的检测电路及方法。

背景技术

众所周知，所有的电子设备都需要电源，但不同的电子系统对电源的要求不同，为了发挥各自电子系统的最佳性能，则需要选择合适的电源管理芯片以提供最佳的电源管理方式。而高性能电源管理芯片是高效率电源转换器的重要组成部分。高性能电源管理芯片具有电压反馈控制环路和电流反馈控制环路。电流反馈控制就需要电流检测器检测电感或开关管的电流，然后反馈回控制模块，以产生准确的控制信号。

图1就是目前DC-DC转换器系统的主要架构，由四个允许流过大电流的功率开关管P1、P4、N2、N3，电感L和系统控制模块构成，当PMOS管P1和NMOS管N3导通时就是对电感L的充电过程；当NMOS管N2和PMOS管P4导通时就是电感L放电过程。而转换器系统处于升压、降压还是升降压的工作状态，主要取决于输入电压VIN与输出电压VOUT的关系。输入电压VIN与输出电压VOUT的压差大小决定着四个开关管P1、P4、N2、N3导通的时间长短。

图2为目前DC-DC(直流-直流)转换器中输入电流检测的一般方法，采用的是直接检测功率开关管P1的源漏电压Vds，由于功率开关管P1正常工作在线性区，所以流过P1的电流ID为：

$I_D\≈{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})V_{\mathrm{DS}}$

由于ID电流比较大，存在很多其他效应，且不同的输入电压VIN的差别非常大，所以反馈电流不能比较精确控制，因而这种方法所检测到的流并不是很精确，这样会影响DC-DC系统的响应速度，以致于影响DC-DC系统输出精度，降低电源管理芯片的性能。

发明内容

本发明的目的在于解决电源管理芯片中输入峰值电流的精确检测问题，使得电流控制回路更快、更准，提高DC-DC电源转换系统的性能，更好保护大电流工作的芯片电路。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路，包括DC-DC转换器电路，对该转换器电路中的电感峰值电流进行检测的峰值电流检测电路，以及产生反馈控制信号的控制电路；其中DC-DC转换器电路包括复数个功率开关管及电感(L)；所述峰值电流检测电路包括以一定比例镜像流过其中第一功率开关管(P1)电流的镜像管(P5)，与该镜像管(P5)相串接的检测电阻(Rsenser)，以及运算放大器(AMP)。

其中，所述DC-DC转换器电路具有输入电压(VIN)端及输出电压(VOUT)端，所述第一功率开关管(P1)接在输入电压(VIN)端。

所述镜像管(P5)与检测电阻(Rsenser)串接后，接在第一功率开关管(P1)的源极和漏极两端，且镜像管(P5)的第四端衬底与第一功率开关管(P1)的第四端衬底一同接在输入电压(VIN)端。运算放大器(AMP)跨接在检测电阻(Rsenser)两端。

所述运算放大器(AMP)的同相输入端(IN+)接到输入电压(VIN)端上，反相输入端(IN-)接到检测电阻(Rsenser)与镜像管(P5)串连结点上；且该运算放大器(AMP)具有预设的固定失调电压(Vos)，该电压为第一电流源(Ii1)流过第一电阻(R1)产生的电压。

所述运算放大器(AMP)为折叠式共源共栅放大器，其由复数个晶体管及电流源组成三级运算放大电路。

所述运算放大器(AMP)包括第四NMOS管(N4)、第五NMOS管(N5)、第六NMOS管(N6)、第七NMOS管(N7)、第八NMOS管(N8)、第九NMOS管(N9)、第六PMOS管(P6)、第七PMOS管(P7)和五个电流源(Ii2～Ii5)；其中，第四NMOS管(N4)与第五NMOS管(N5)是运放的差分输入对管，要求高度匹配在版图(layout)上；第六PMOS管(P6)和第七PMOS管(P7)是一对共栅管，其工作在饱和区；第六NMOS管(N6)接成二极管与第七NMOS管(N7)构成镜像关系，完成差分信号转换成单端信号的功能；第四电流源(Ii4)与第八NMOS管(N8)完成第二级放大功能；第五电流源(Ii5)与第九NMOS管(N9)完成第三级放大功能。

所述检测电阻是聚合物材料电阻。

本发明还提供了一种DC-DC转换器中电感峰值电流的检测方法，用于检测DC-DC转换器电路中的电感峰值电流，该DC-DC转换器电路包括复数个功率开关管及电感，通过设置一以一定比例镜像流过其中第一功率开关管电流的镜像管，与镜像管相串接的检测电阻，以及跨接在检测电阻两端的运算放大器；使得流过镜像管的镜像电流，会在检测电阻上产生一定的压降，且通过运算放大器检测峰值电流，当运算放大器检测到流过电感的电流达到设定峰值时，运放输出端输出有效信号给控制电路，控制电路产生反馈控制信号去控制所述功率开关管，以完成对电感峰值电流的检测和反馈控制过程。

其中，所述运算放大器具有预设的固定输入失调电压。

所述运算放大器为折叠式共源共栅放大器，其通过复数个晶体管及电流源组成三级运算放大电路。

本发明所揭示DC-DC转换器中电感峰值电流检测电路及检测方法，其具有可集成、高精度、高速度进行DC-DC转换器中电感峰值电流检测的优点，提高了DC-DC电源转换系统的性能，更好地保护了大电流工作的芯片电路，且不增加芯片成本。

附图说明

图1为现有的升压-降压(Buck-boost)型DC-DC转换器电路的示意图；

图2为现有的DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路的示意图；

图3为本发明DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路的示意图；

图4为另一本发明DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路的示意图。

具体实施方式

本发明提出一种检测DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路及检测方法，如图3所示，该检测电路包括DC-DC转换器电路，对该转换器电路中的电感峰值电流进行检测的峰值电流检测电路，产生反馈控制信号的控制电路。其中DC-DC转换器电路包括功率开关管P1、P4、N2和N3，电感L，输入电压VIN端与输出电压VOUT端，第一功率开关管P1接在输入电压VIN端。峰值电流检测电路包括以一定比例镜像流过第一功率开关管P1电流的镜像管P5，与镜像管P5相串接的检测电阻Rsenser，以及运算放大器AMP。

镜像管P5与检测电阻Rsenser串接后，接在功率开关管P1的源极(Sourse)和漏极(Drain)两端，即跨接在管脚输入电压VIN和SW1之间，检测电阻Rsenser的一头接在输入电压VIN端，镜像管P5一头接在SW1端；第一功率开关管P1和镜像管P5的栅极(Gate)共同受Control1信号控制；镜像管P5的第四端衬底(Substrate)与第一功率开关管P1的第四端衬底一同接在输入电压VIN端。而具有固定失调电压的运算放大器AMP跨接在检测电阻Rsenser两端，其中运算放大器AMP的同相端接到输入电压VIN端上，运算放大器AMP的反向端接到Rsenser与镜像管P5串连结点上。

如图4所示，峰值电流检测电路主要由检测电阻Rsenser、P5管和运算放大器AMP构成。运算放大器AMP的同相输入端IN+接在第一电阻R1和第一电流源Ii1之间。电流I1流过R1产生一个电压，就是所定义的失调电压Vos。运算放大器AMP的反向输入端IN-接在第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接到电流检测电阻Rsenser和镜像管P5的漏端间。第二电阻R2用作平衡第一电阻R1，同时防止大电流冲击而保护运放输入差分对第五NMOS管N5的栅极。

所述运算放大器AMP是一折叠式共源共栅放大器，由第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6、第七NMOS管N7、第八NMOS管N8、第九NMOS管N9、第六PMOS管P6、第七PMOS管P7和五个电流源Ii2～Ii5构成。所述折叠式共源共栅放大器是一种三级运算放大器，保证足够的电压增益。其中，第四NMOS管N4与第五NMOS管N5是运放的差分输入对管，要求高度匹配在版图(layout)上。第六PMOS管P6和第七PMOS管P7是一对共栅管，由Bias1提供适当的偏置电压，使其工作在饱和区。第六NMOS管N6接成二极管与第七NMOS管N7构成镜像关系，完成差分信号转换成单端信号的功能。第四电流源Ii4与第八NMOS管N8完成第二级放大功能。第五电流源Ii5与第九NMOS管N9完成第三级放大功能。最后在Ipeakout可以得到满摆幅的有效信号，送到数字电路实现的控制电路中处理，以产生功率开关管P1、P4、N2和N3的栅极的控制信号。

所述电流检测电阻Rsenser，第一电阻R1和第二电阻R2都是聚合物(Poly)材料的电阻，对阻值精度要求相对较高。第一电阻R1和第二电阻R2要求一定的匹配在物理版图上。

所述电流镜像管P5与第一功率开关管P1成一定比例关系，假设：

${\left(\frac{W}{L}\right)}_{P5}/{\left(\frac{W}{L}\right)}_{P1}=\frac{N}{M},$ 则 $I2/I0\≈\frac{N}{M},$ 即 $I2=\frac{N}{M}\·I0$

所以，当电感的峰值电流为(I0)_peak时，在检测电阻上的压降为：

所述运算放大器AMP的预设固定失调电压为Vos＝R1□I1，其中I1就是第一电流源Ii1提供的电流。

使得V_Rsenser＝Vos，那么当流过第一功率开关管的电流亦即流过电感L的电流I0超过设定峰值(I0)_peak时，V_Rsenser＞Vos，运算放大器AMP输入端Ipeakout输出一个高电平的有效电平到控制模块中，产生反馈控制信号Control1～Control4，暂时会关断开关管P1，以保护电路。这样就完成了电感峰值电流检测和反馈控制的过程。

通过改变第一电阻R1和第一电流源Ii1的大小来产生不同的失调电压Vos，这样额定峰值电流也不相同，可以根据实际应用要求而变化，具有充分的灵活性。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路，包括DC-DC转换器电路，对该转换器电路中的电感峰值电流进行检测的峰值电流检测电路，以及产生反馈控制信号的控制电路；其中DC-DC转换器电路包括复数个功率开关管及电感(L)；其特征在于：所述峰值电流检测电路包括以一定比例镜像流过其中第一功率开关管(P1)电流的镜像管(P5)，与该镜像管(P5)相串接的检测电阻(Rsenser)，以及运算放大器(AMP)。

2.如权利要求1所述的DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路，其特征在于：所述DC-DC转换器电路具有输入电压(VIN)端及输出电压(VOUT)端，所述第一功率开关管(P1)接在输入电压(VIN)端。

3.如权利要求2所述的DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路，其特征在于：所述镜像管(P5)与检测电阻(Rsenser)串接后，接在第一功率开关管(P1)的源极和漏极两端，且镜像管(P5)的第四端衬底与第一功率开关管(P1)的第四端衬底一同接在输入电压(VIN)端，运算放大器(AMP)跨接在检测电阻(Rsenser)两端。

4.如权利要求2所述的DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路，其特征在于：所述运算放大器(AMP)的同相输入端(IN+)接到输入电压(VIN)端上，反相输入端(IN-)接到检测电阻(Rsenser)与镜像管(P5)串连结点上；且该运算放大器(AMP)具有预设的固定失调电压(Vos)，该电压为第一电流源(Ii1)流过第一电阻(R1)产生的电压。

5.如权利要求1所述的DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路，其特征在于：所述运算放大器(AMP)为折叠式共源共栅放大器，其由复数个晶体管及电流源组成三级运算放大电路。

6.如权利要求5所述的DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路，其特征在于：所述运算放大器(AMP)包括第四NMOS管(N4)、第五NMOS管(N5)、第六NMOS管(N6)、第七NMOS管(N7)、第八NMOS管(N8)、第九NMOS管(N9)、第六PMOS管(P6)、第七PMOS管(P7)和五个电流源(Ii2～Ii5)；其中，第四NMOS管(N4)与第五NMOS管(N5)是运放的差分输入对管，要求高度匹配在版图(layout)上；第六PMOS管(P6)和第七PMOS管(P7)是一对共栅管，其工作在饱和区；第六NMOS管(N6)接成二极管与第七NMOS管(N7)构成镜像关系，完成差分信号转换成单端信号的功能；第四电流源(Ii4)与第八NMOS管(N8)完成第二级放大功能；第五电流源(Ii5)与第九NMOS管(N9)完成第三级放大功能。

7.如权利要求1所述的DC-DC转换器中电感峰值电流的检测电路，其特征在于：所述检测电阻是聚合物材料电阻。

8.一种DC-DC转换器中电感峰值电流的检测方法，用于检测DC-DC转换器电路中的电感峰值电流，该DC-DC转换器电路包括复数个功率开关管及电感，其特征在于：通过设置一以一定比例镜像流过其中第一功率开关管电流的镜像管，与镜像管相串接的检测电阻，以及跨接在检测电阻两端的运算放大器；使得流过镜像管的镜像电流，会在检测电阻上产生一定的压降，且通过运算放大器检测峰值电流，当运算放大器检测到流过电感的电流达到设定峰值时，运放输出端输出有效信号给控制电路，控制电路产生反馈控制信号去控制所述功率开关管，以完成对电感峰值电流的检测和反馈控制过程。

9.如权利要求8所述的DC-DC转换器中电感峰值电流的检测方法，具特征在于：所述运算放大器具有预设的固定输入失调电压。

10.如权利要求8所述的DC-DC转换器中电感峰值电流的检测方法，具特征在于：所述运算放大器为折叠式共源共栅放大器，其通过复数个晶体管及电流源组成三级运算放大电路。

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