CN102331810A - SenseFET的替代电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种SenseFET的替代电路，包括第一功率MOSFET、电流采样电阻和电压电流转换电路，其中，所述第一功率MOSFET的源极一方面通过所述采样电阻接地，另一方面连接至所述电压电流转换电路的输入端；所述电压电流转换电路，用于将所述第一功率MOSFET的源极输出的电流在所述电流采样电阻上产生的电压信号，按预定比例转换为输出电流信号。本发明所述的SenseFET的替代电路，可以降低成本，并且可以消除SenseFET固有的电流失配缺陷，以提高电流采样精度。

Description

SenseFET的替代电路

技术领域

本发明涉及一种SenseFET的替代电路，尤其涉及一种使用功率MOSFET替代SenseFET的设计电路。

背景技术

在市场竞争日益激烈的今天，每个企业都在严格控制成本，能不能在保证并提高产品性能的前提下降低产品成本，已经成为一个企业是否能生存并走向成功的关键因素。

如图1所示，是传统的SenseFET电路示意图，传统的SenseFET11包括宽长按一定比例设计的两个MOSFET，其中一个是标号为M5的采样MOSFET，另一个是标号为M6的功率MOSFET。I_LOAD是输出电流，即流过M5和M6的总电流。举例来说，流过M5的电流和流过M6的电流的比值是1/m，那么理想的采样电流I_Rsense的计算公式如公式(1)所示：

$I_{\mathrm{Rsense}}=I_{\mathrm{LOAD}}\×\frac{1}{1+m}$ 公式(1)

但是，由于采样MOSFET的源极串接有采样电阻Rsense，流过M5和M6的电流并不会按设想的1∶m的关系分配，而是小于1∶m，存在一定的失配，并且失配值会随着输出电流值的变化而变化。

由此可知，现有的SenseFET电路结构在采样输出电流时存在误差，并且无论是自己设计还是在市面上购买SenseFET，都会增加企业成本。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种SenseFET的替代电路，使用普通的功率MOSFET替代SenseFET，以降低成本以及消除电流失配。

为了达到上述目的，本发明提供了一种SenseFET的替代电路，包括第一功率MOSFET、电流采样电阻和电压电流转换电路，其中，

所述第一功率MOSFET的源极一方面通过所述采样电阻接地，另一方面连接至所述电压电流转换电路的输入端；

所述电压电流转换电路，用于将流过所述第一功率MOSFET的负载电流在所述电流采样电阻上产生的电压信号，按预定比例转换为输出电流信号。

实施时，所述第一功率MOSFET、所述电流采样电阻和所述电压电流转换电路集成于IC内部。

实施时，所述电流采样电阻和所述电压电流转换电路集成于IC内部，所述第一功率MOSFET置于该IC外部。

实施时，所述第一功率MOSFET和所述电压电流转换电路集成于IC内部，所述电流采样电阻置于该IC外部。

实施时，所述电压电流转换电路集成于IC内部，所述第一功率MOSFET和所述电流采样电阻置于该IC外部。

实施时，所述电压电流转换电路包括镜像电流源、第二MOSFET、转换电阻和运算放大器，其中，

所述镜像电流源的电流输入端与所述第二MOSFET的漏极连接；

所述第二MOSFET的源极一方面通过所述转换电阻接地，另一方面与所述运算放大器的反相输入端连接；

所述运算放大器的输出端与所述第二MOSFET的栅极连接；

所述运算放大器的同相输入端为所述电压电流转换电路的输入端；

所述镜像电流源的电流输出端为所述电压电流转换电路的输出端。

实施时，所述镜像电流源包括第三MOSFET和第四MOSFET；

所述第三MOSFET的源极和第四MOSFET的源极连接；

所述第三MOSFET的栅极和第四MOSFET的栅极连接；

所述第三MOSFET的栅极和漏极连接；

所述第三MOSFET的漏极为所述镜像电流源的电流输入端，所述第四MOSFET的漏极为所述镜像电流源的电流输出端。

与现有技术相比，本发明所述的SenseFET的替代电路，采用了普通的功率MOSFET、电压电流转换电路和电流采样电阻，以替代SenseFET，降低了成本，并且由于本发明采用了仅一个普通的第一功率MOSFET和电压电流转换电路，从而可以控制输出电流I_Rsense与负载电流I_LOAD之间的比值，因此可以消除SenseFET固有的电流失配缺陷，提高了电流采样精度。

附图说明

图1是现有的SenseFET的电路图；

图2是本发明所述的SenseFET的替代电路的电路图；

图3是本发明所述的SenseFET的替代电路的典型应用电路图；

图4是本发明所述的SenseFET的替代电路的电压电流转换电路的一具体实施例的电路图；

图5是本发明所述的SenseFET的替代电路的一应用电路图；

图6是本发明所述的SenseFET的替代电路的另一应用电路图。

具体实施方式

首先，对本发明所涉及的专业术语进行说明：

MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(金属-氧化层-半导体-场效晶体管)；

SenseFET：Current Sensing Power MOSFET(电流感应功率MOSFET)；

PMOS：P-channel metal oxide semiconductor Field Effect Transistor(P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)；

NMOS：N-channel metal oxide semiconductor Field Effect Transistor(N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)。

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加明白，下面结合实施例和附图，对本发明的实施例做进一步详细的说明。在此，本发明的示意性实施例以及说明用于解释本发明，但不作为对本发明的限定。

如图2所示，本发明的一实施例所述的SenseFET的替代电路包括标号为M1的普通的第一功率MOSFET、电流采样电阻R1和电压电流转换电路30，其中，

M1的源极一方面通过R1接地，另一方面连接至所述电压电流转换电路30的输入端；

所述电压电流转换电路30，用于将流过M1的负载电流I_LOAD在R1上产生的电压信号，按一预定比例N转换为输出电流信号I_Rsense；

即， $I_{\mathrm{Rsense}}=I_{\mathrm{LOAD}}\×R1\×\frac{1}{N}$ 公式(2)。

本发明所述的SenseFET的替代电路由于采用了仅一个普通的第一功率MOSFET和电压电流转换电路，从而可以控制输出电流I_Rsense与负载电流I_LOAD之间的比值，因此可以消除SenseFET固有的电流失配缺陷。

实施时，M1、R1和所述电压电流转换电路30集成于IC内部。

实施时，R1和所述电压电流转换电路30集成于IC内部，M1置于该IC外部。

实施时，M1和所述电压电流转换电路30集成于IC内部，R1置于该IC外部。

实施时，所述电压电流转换电路30集成于IC内部，M1和R1置于该IC外部。

参见图3，为本发明的典型应用示意图，本发明所述的SenseFET的替代电路在AC、DC等电源领域有着普遍的应用。

在图3中，所述电压电流转换电路30的输出端与地线之间串接有采样电阻Rsense，所述电压电流转换电路30的输出端与电压比较器31的反相输入端连接，该电压比较器31的同相输入端的电位为Vref；该电压比较器31的输出端与一栅极驱动器的输入端连接，所述栅极驱动器的输出端与M1的栅极连接。在工作过程中，首先M1打开，流入M1的负载电流I_LOAD逐渐增大，当所述电压电流转换电路30的输出端电压Vsense达到Vref时，该电压比较器31的输出端电平翻转，从而控制该栅极驱动器关闭M1，起到限流的作用。

参见图4，为本发明所述的SenseFET的替代电路的电压电流转换电路的具体实施例的电路图。

如图4所示，所述电压电流转换电路的一实施例包括镜像电流源、标号为M2的第二MOSFET、标号为R3的转换电阻和运算放大器32，其中，

所述镜像电流源的输入电流与输出电流Io的比值为1∶K；

所述镜像电流源的电流输入端与M2的漏极连接；

M2的源极一方面通过R3接地，另一方面与所述运算放大器32的反相输入端连接；

所述运算放大器32的输出端与M2的栅极连接；

该运算放大器32的同相输入端的电位为输入电压Vin；

所述运算放大器的同相输入端为所述电压电流转换电路的输入端；

所述镜像电流源的电流输出端为所述电压电流转换电路的输出端。

该实施例所述的电压电流转换电路在工作时，利用负反馈原理，将输入电压Vin转换为输出电流Io，其中，

$\mathrm{Io}=K\×\frac{\mathrm{Vin}}{R3}$ 公式(3)。

为了提高所述镜像电流源的镜像精度，如图4所示，所述镜像电流源可以采用共源共栅电流镜结构，该镜像电流源包括宽长比为1∶K的标号为M3的第三MOSFET和标号为M4的第四MOSFET，其中，

M3的源极和M4的源极连接；

M3的栅极和M4的栅极连接；

M3的漏极和M2的漏极连接；

M3的栅极和漏极连接；

该镜像电流源的电流输入端为M3的漏极，该镜像电流源的电流输出端为M4的漏极。

参见图5，本发明的一实施例所述的SenseFET的替代电路的一种应用电路图，在该实施例中使用的电压电流转换电路为如图4所示的电压电流转换电路，并且为了实现与SenseFET相同的应用，Rsense的取值相同，Vsense的阈值也相同。

在实际应用中，所述电压电流转换电路的具体实施例不仅限于以上所举出的实施例。

如图5所示，该运算放大器32的同相输入端一方面通过电流采样电阻R1接地，另一方面与M1的源极连接；M4的漏极一方面通过采样电阻Rsense接地，另一方面与电压比较器31的反相输入端连接；该电压比较器31同相输入端的电位为Vref，该电压比较器31的输出端与一栅极驱动器的输入端连接，该栅极驱动器的输出端与M1的栅极连接。在工作过程中，流过M4的电流Id等于公式(1)中的电流I_Rsense，那么，

$\mathrm{Id}=K\×I_{\mathrm{LOAD}}\×R1/R3=I_{\mathrm{Rsense}}=I_{\mathrm{LOAD}}\×\frac{1}{1+m}$ 公式(4)；

举例来说，如果原SenseFET的采样MOSFET和功率MOSFET的宽长比为1∶1000，即m＝1000，那么只需要

$K\×R1/R3=\frac{1}{1001}\≈\frac{1}{1000}$ 公式(5)；

这个系数在电路设计中很容易实现，对于M3和M4构成的电流镜结构，为了使电流镜像精度更高，可以使用共源共栅电流镜结构。

如图6所示，本发明所述的SenseFET的替代电路的另一应用电路的电路图。在图6中，所述电压电流转换电路30的输出端与电流比较器33的反相输入端连接，该电流比较器33的同相输入端的电位为Iref，该电流比较器33的输出端与一栅极驱动器的输入端连接，所述栅极驱动器的输出端与M1的栅极连接。在工作过程中，首先M1打开，流入M1的负载电流I_LOAD逐渐增大，当所述电压电流转换电路30的输出端电流Io达到Iref时，该电流比较器33的输出端电平翻转，从而控制该栅极驱动器关闭M1，起到限流的作用。

由上述技术方案可知，本发明一方面使用普通的功率MOSFET替代了相对昂贵的SenseFET，降低了成本；另一方面，本发明消除了SenseFET固有的电流失配缺陷，提高了电流采样精度。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种SenseFET的替代电路，其特征在于，包括第一功率MOSFET、电流采样电阻和电压电流转换电路，其中，

所述第一功率MOSFET的源极一方面通过所述采样电阻接地，另一方面连接至所述电压电流转换电路的输入端；

所述电压电流转换电路，用于将流过所述第一功率MOSFET的负载电流在所述电流采样电阻上产生的电压信号，按预定比例转换为输出电流信号。

2.如权利要求1所述的SenseFET的替代电路，其特征在于，

所述第一功率MOSFET、所述电流采样电阻和所述电压电流转换电路集成于IC内部。

3.如权利要求1所述的SenseFET的替代电路，其特征在于，

所述电流采样电阻和所述电压电流转换电路集成于IC内部，所述第一功率MOSFET置于该IC外部。

4.如权利要求1所述的SenseFET的替代电路，其特征在于，

所述第一功率MOSFET和所述电压电流转换电路集成于IC内部，所述电流采样电阻置于该IC外部。

5.如权利要求1所述的SenseFET的替代电路，其特征在于，

所述电压电流转换电路集成于IC内部，所述第一功率MOSFET和所述电流采样电阻置于该IC外部。

6.如权利要求1所述的SenseFET的替代电路，其特征在于，

所述电压电流转换电路包括镜像电流源、第二MOSFET、转换电阻和运算放大器，其中，

所述镜像电流源的电流输入端与所述第二MOSFET的漏极连接；

所述第二MOSFET的源极一方面通过所述转换电阻接地，另一方面与所述运算放大器的反相输入端连接；

所述运算放大器的输出端与所述第二MOSFET的栅极连接；

所述运算放大器的同相输入端为所述电压电流转换电路的输入端；

所述镜像电流源的电流输出端为所述电压电流转换电路的输出端。

7.如权利要求6所述的SenseFET的替代电路，其特征在于，

所述镜像电流源包括第三MOSFET和第四MOSFET，其中，

所述第三MOSFET的源极和第四MOSFET的源极连接；

所述第三MOSFET的栅极和第四MOSFET的栅极连接；

所述第三MOSFET的栅极和漏极连接；

所述第三MOSFET的漏极为所述镜像电流源的电流输入端，所述第四MOSFET的漏极为所述镜像电流源的电流输出端。

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