CN102331517A - 一种电感电流检测电路及dc-dc电源开关转换器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电路领域，提供了一种电感电流检测电路及DC-DC电源开关转换器，所述电感电流检测电路包括：成比例电感电流检测电路，用于检测等比例缩小的电流信号；电流镜电路，用于将所述成比例电感电流检测电路等比例缩小的电流信号加以镜像；以及电流检测电路，用于根据所述电流镜电路输出的镜像电流检测信号获取所要检测到的电流。本发明提供的电感电流检测电路结构简单，仅需要几个镜像的MOS管和电阻就可以精确地检测电感电流值，便于实现，功耗小，且能够保证其检测电流有很高的精准度，易于集成，可有效简化电路，降低损耗，提高精度，并且易于实现。

Description

一种电感电流检测电路及DC-DC电源开关转换器

技术领域

本发明属于电路领域，尤其涉及一种电感电流检测电路及DC-DC电源开关转换器。

背景技术

随着超大规模集成电路的不断发展，开关电源芯片的集成得到了迅猛的发展，并广泛应用于各种设备尤其是便携式电子产品。DC-DC开关电源转换器由于转换效率高的优点而在手持设备和便携式电子产品中得到广泛应用。

功率开关电源电路拓扑分为电流模式控制和电压模式控制。电流模式控制具有自动过流保护、快速的瞬态响应、补偿电路简化、增益带宽大、输出电感小、易于均流以及高度的稳定性、高精度的输出电压等优点，因而取得了越来越广泛的应用。而在电流模式的控制电路中，需要准确、高效地测量电流值，故电流检测电路的实现就成为一个重要的问题。因此，在DC-DC转换器芯片中，电感电流的检测技术也非常重要，通过精准的检测电感的电流，可以很好的跟踪到负载电流的变化，这一点特别是在电流模PWM控制方式的转换器中更是重要，同时也可以很好的对整个电路进行限流保护。

电流检测电路在DC-DC开关电源转换器里是非常重要的一个模块，尤其在电流模PWM控制反馈环的转换器更是重要，能否快速，精确的检测到电感电流直接关系到转换器的瞬态响应等一些关键的性能指标。

现有技术中存在多种不同的电感电流检测技术，比较常用的有串电阻检测法、检测功率管压降法以及等比例电流检测方法三种检测方式，都已经得到了不同程度的实现和应用。例如串联电阻检测法是直接采用一个精密的小电阻与功率管串联在一起，然后通过检测电阻的压降来确定功率管的电流大小。该方法的缺点就是功率管的大电流会跟随功率管的导通一直流过精密电阻，这样将会造成很大能量损耗。同时，如何保证电阻的精密度，也是比较困难的事情，如果集成在芯片中，目前的工艺是比较难保证达到所要求的精密度的。若是采用芯片外的电阻，这又将会增加成本。

在目前的实际应用中，常用的是等比例电流检测法，图1所示为采用与功率管按比例缩小的小功率管检测电流的实现原理。

MP1和MN1为功率管，需要检测的是功率管MP1导通时所流过的电流，MP2为与功率管MP1按比例1∶N缩小的小功率管。电阻Rs为按比例缩小的小功率管检测电流的采样电阻，节点Vs为采样电阻的电压。运算放大器A1的作用是MP1和MP2的漏端N1和N2相等，这样可以减少沟道长度调制的影响，以确保电流镜产生的电流尽量精确。

由MP1，MP2的比例关系有：

$\frac{W_{\mathrm{MP}1}}{L_{\mathrm{MP}1}}:\frac{W_{\mathrm{MP}2}}{L_{\mathrm{MP}2}}=N:1---\left(1\right)$

且N2和N1相等，则可得到：

$I_{\mathrm{MP}2}=\frac{1}{N}{I}_{\mathrm{MP}1}---\left(2\right)$

于是

$I_{\mathrm{Rs}}=I_{\mathrm{MP}2}=\frac{1}{N}{I}_{\mathrm{MP}1}---\left(3\right)$

V_S＝I_RsR_s                (4)

通过以上分析，就可以检测到与功率管成比例的电流。成比例的MP1和MP2在版图布局上，要做到匹配性好，这样才能提高检测电流的准确度。

上述电流检测方案有一个缺点就是要用到一个运算放大器来使N1，N2两点相等，这样就会增加电路结构的复杂性，增加静态功耗，同时对应用于此的该运算放大器的一些性能指标上的要求，也给设计上带来了一些难度和风险。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电感电流检测电路，旨在解决现有的电感电流检测方案电路结构复杂，静态功耗大，设计难度和风险大的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种电感电流检测电路，所述电感电流检测电路包括：

成比例电感电流检测电路，用于检测等比例缩小的电流信号；

电流镜电路，用于将所述成比例电感电流检测电路等比例缩小的电流信号加以镜像；以及

电流检测电路，用于根据所述电流镜电路输出的镜像电流检测信号获取所要检测到的电流。

本发明实施例的另一目的在于提供一种DC-DC电源开关转换器，所述DC-DC电源开关转换器包括上述电感电流检测电路。

本发明实施例提供的电感电流检测电路结构简单，仅需要几个镜像的MOS管和电阻就可以精确地检测电感电流值，便于实现，功耗小，且能够保证其检测电流有很高的精准度，易于集成，可有效简化电路，降低损耗，提高精度，并且易于实现。

附图说明

图1是现有技术提供的等比例电路检测电路的实现原理图；

图2是本发明实施例提供的电感电流检测电路的原理图；

图3是本发明实施例提供的电感电流检测电路的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，采用与功率管及与其按比例缩小的小功率管获得成比例缩小的电流，使得与小功率管串联的检测电阻的功耗减小，精准度提高，并采用工艺参数相同、宽长比相等的MOS管构成两组电流镜电路，简化了电路结构。

图2示出了本发明实施例提供的电感电流检测电路的原理，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

成比例电感电流检测电路21用于检测等比例缩小的电流信号。

在本发明实施例中，成比例电感电流检测电路21接收实际电压输入VDD，进而导通电路中的功率管，检测小功率管电流进而获取实际电感电流。成比例电感电流检测电路21的输出为电压VOUT。同时，小功率管源端串联一检测电阻，相对于传统检测方法中通过检测高精密电阻Rs压降进而获取电感电流的方法，虽然电流也会随着小功率管导通流过该电阻，但由于该电流已经被缩小，因此功耗大大降低。

电流镜电路22将成比例电感电流检测电路21等比例缩小的电流信号加以镜像。

在本发明实施例中，电流镜电路22接收成比例电感电流检测电路21检测的电流信号，并且通过工艺参数相同，宽长比相等的MOS管来实现所要检测电流信号的镜像，用于电流镜电路22的量化计算。本发明实施例在进行电路设计时，不需要加入运算放大器，因此不需要考虑运放性能指标的要求，将电路结构大大简化，同时减小了静态功耗。

电流检测电路23根据电流镜电路22输出的镜像电流检测信号获取所要检测到的电流。

电流检测电路23，接收电流镜电路22输出的镜像电流检测信号，输出要检测的电流。

图3示出了本发明实施例提供的电感电流检测电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

成比例电感电流检测电路21包括功率管MP1、小功率管MP2、续流功率管MN1、检测电阻Rsen、电感L1、电容C1和电阻R1。

电压VDD经串联的功率管MP1和续流功率管MN1接地，电阻R1与电容C1并联，其并联支路再与电感L1串联接在功率管MP1与续流功率管MN1的漏端之间，并输出电压VOUT。

小功率管MP2为与功率管MP1按比例1∶N缩小的小功率管(N为大于1的自然数)，电压VDD经检测电阻Rsen与功率管MP2的源端串联，小功率管MP2与功率管MP1共栅极，小功率管MP2的漏端与电感L1相连。

在成比例电感电流检测电路21中，虽然电流也会跟随小功率管MP2的导通一直流过与小功率管MP2源端串联的检测电阻Rsen，但由于这个电流已经是按比例缩小N分之一，所消耗的功耗也很少了。且对于检测电阻Rsen的精密度，相对于现有方案中直接串联在功率管的电阻Rs，绝对值要大很多，集成在芯片中的精准度要大很多。

电流镜电路22包括两个镜像连接的PMOS电流检测管Mc1和Mc2组成的电流镜，与PMOS电流检测管Mc1和Mc2源极串联的电阻R3、R2，以及三个镜像连接的NMOS管Mc4、Mc5和Mc6。

镜像连接的三个NMOS管Mc4、Mc5和Mc6的工艺参数相同，宽长比相等。

镜像连接的两个PMOS电流检测管Mc1和Mc2的工艺参数相同，宽长比相等。

电阻R2、R3的阻值相等。

电流检测电路23包括PMOS管Mc3，与PMOS管Mc3的漏极串联的采样电阻Rs，采样电阻Rs的另一端接地，节点Vs为采样电阻Rs的电压，所要检测到的电流I3流经所述PMOS管Mc3的源端。

电流检测电路23的检测过程分为以下两种情况：

当P_DR＝0时，通过检测小功率管MP2的电流从而得到电感电流。

由于P_DR为低，则功率管MP1、小功率管MP2均导通，续流功率管MN1截止。

在本发明实施例中，PMOS电流检测管Mc1和Mc2镜像连接，同时NMOS管Mc4、Mc5和Mc6也组成一组镜像电流镜，电阻R2、PMOS电流检测管Mc2和NMOS管Mc4依次串联，电阻R3、PMOS电流检测管Mc1和NMOS管Mc5也依次串联，所要检测电流I3流经的PMOS管Mc3、采样电阻Rs串联。

由于三个NMOS管Mc4、Mc5和Mc6与两个PMOS电流检测管Mc1和Mc2的工艺参数相同，宽长比相等；电阻R2、R3的阻值相等。

下面定量分析，推导电流检测的原理：

综合考虑到功率管MP1和小功率管MP2在版图上的匹配布局，流经检测电阻Rsen的功耗，以及输出负载电流的大小，N一般可以取10～100之间。在该电路设计中，NMOS管Mc6，Mc5和Mc4组成一组镜像电流镜，它们的宽长比是相等的；同时PMOS电流检测管Mc2和Mc1也形成一个电流镜，它们的宽长比也是相等的，则保证有：

IB＝I1＝I2               (5)

对于PMOS电流检测管Mc2和Mc1，忽略沟道长度调制的影响，PMOS电流检测管Mc2的VGS会等于PMOS电流检测管Mc1的VGS，这样它们的源端电压就相等了，也就是节点N3的电压等于节点N4的电压。

V_N3＝V_N4                 (6)

可以得到如下一组式子：

I4＝I3+I2                (7)

Isen＝I1+Ip2             (8)

$\mathrm{Ip}2=\frac{1}{N}\mathrm{Ip}1---\left(9\right)$

Vsen＝VDD-Isen×Rsen     (10)

V_N3＝VDD-I4×R2          (11)

V_N4＝Vsen-I1×R3         (12)

将式(8)和(9)代入式(10)有：

$\mathrm{Vsen}=\mathrm{VDD}-\mathrm{Rsen}\×(I1+\frac{1}{N}\mathrm{Ip}1)---\left(13\right)$

由式(6)，(11)和(12)可以得到：

VDD-I4×R2＝Vsen-I1×R3  (14)

将式(7)，(9)和(10)代入(14)，且由于电阻R2和R3是相等的，然后整理可以得到：

$I3=\frac{\mathrm{Rsen}}{R3}(\frac{1}{N}\mathrm{Ip}1+I1)---\left(15\right)$

在实际情况应用中，

于是有：

$I3=\frac{\mathrm{Rsen}}{R3}\×\frac{1}{N}\×\mathrm{Ip}1---\left(16\right)$

I3就是所要检测到的电流，由式(16)可知，I3与功率管MP1的电流Ip1成正比例关系，其比例大小可以通过调整Rsen，R2和N这三个参数可得到，因此进而就可以得到电感电流。

当P_DR＝1时，此时，功率管MP1、小功率管MP2均截止，续流功率管MN1导通，由于虚线框电路不存在续流元件，所以电感电流与I3无关，即不需要通过比例关系检测电感电流。

由上所述，在本发明实施例中，采用与功率管MP1及与其按比例缩小的小功率管MP2获得成比例缩小的电流，使得与小功率管MP2串联的检测电阻Rsen的功耗减小，精准度提高。同时，采用工艺参数相同、宽长比相等的MOS管构成两组电流镜电路，简化了电路结构，降低了传统方案中运算放大器带来的静态损耗。通过计算电流检测管Mc3流过的电流I3获得与之成正比的功率管MP1电流值，进而得到电感电流。

本发明实施例提供的电感电流检测电路可用于多种领域，尤其是需要精确检测电流及需要对电路进行保护的场合，广泛适用于DC-DC开关转换器中，通过将采样得到的电感电流直接反馈去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值电流直接跟随电压反馈电路中误差放大器输出的信号，确保其能很好地跟随给定。

本发明实施例解决了DC-DC开关电源转换器芯片设计中设计精准且容易实现的电流检测电路的问题，提供的电感电流检测电路结构简单，仅需要几个镜像的MOS管和电阻就可以精确地检测电感电流值，便于实现，功耗小，且能够保证其检测电流有很高的精准度，易于集成，可有效简化电路，降低损耗，提高精度，并且易于实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电感电流检测电路，其特征在于，所述电感电流检测电路包括：

成比例电感电流检测电路，用于检测等比例缩小的电流信号；

电流镜电路，用于将所述成比例电感电流检测电路等比例缩小的电流信号加以镜像；以及

电流检测电路，用于根据所述电流镜电路输出的镜像电流检测信号获取所要检测到的电流。

2.如权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述成比例电感电流检测电路包括功率管MP1、小功率管MP2、续流功率管MN1、检测电阻Rsen、电感L1、电容C1和电阻R1；

电压VDD经串联的所述功率管MP1和所述续流功率管MN1接地，所述电阻R1与所述电容C1并联，其并联支路再与所述电感L1串联接在所述功率管MP1与所述续流功率管MN1的漏端之间，并输出电压VOUT；

所述小功率管MP2为与功率管MP1按比例1∶N缩小的小功率管，电压VDD经所述检测电阻Rsen与所述功率管MP2的源端串联；

所述小功率管MP2与功率管MP1共栅极，所述小功率管MP2的漏端与电感L1相连；

N为大于1的自然数。

3.如权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述电流镜电路包括采用工艺参数相同、宽长比相等的MOS管构成的两组电流镜电路。

4.如权利要求3所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述电流镜电路包括两个镜像连接的PMOS电流检测管Mc1和Mc2组成的电流镜，与所述PMOS电流检测管Mc1和Mc2的源极串联的电阻R3、R2，以及三个镜像连接的NMOS管Mc4、Mc5和Mc6；

镜像连接的所述三个NMOS管Mc4、Mc5和Mc6的工艺参数相同，宽长比相等；

镜像连接的所述两个PMOS电流检测管Mc1和Mc2的工艺参数相同，宽长比相等；

所述电阻R2、R3的阻值相等。

5.如权利要求1所述的电感电流检测电路，其特征在于，所述电流检测电路包括PMOS管Mc3，以及与所述PMOS管Mc3的漏极串联的采样电阻Rs；

所要检测到的电流接所述PMOS管Mc3的源端；

所述采样电阻Rs的另一端接地。

6.一种DC-DC电源开关转换器，其特征在于，所述DC-DC电源开关转换器包括权利要求1至5任一项的电感电流检测电路。

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