CN102426284A

CN102426284A - 适用于高频降压型电压转换器的无损电感电流检测电路

Info

Publication number: CN102426284A
Application number: CN2011102648547A
Authority: CN
Inventors: 吕旦竹; 虞佳乐; 洪志良
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2012-04-25

Abstract

本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种用于高频降压型电压转换器的无损电感电流检测电路。所述降压型电压转换器电路由功率级和控制级电路组成；所述无损电感电流检测电路包括：一个四输入运算放大器OP，4个分压电阻R_f1、R_f2、R_f3、R_f4，和三对R_c和C_c组成的积分元件，用于检测电感L中流过的电流。该电路通过对开关降压型转换器中电感两端的电压进行积分，得到相应的电感电流信息，从而实现对电感电流的无损检测。相比于传统的电流检测电路，本发明实现了高频降压型电压转换器中的无附加功耗，低成本的电感电流检测，使得传统的电流控制方法在高开关频率的应用成为可能。

Description

适用于高频降压型电压转换器的无损电感电流检测电路

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种用于高频降压型电压转换器的无损电感电流检测电路。

技术背景

在当今消费类电子市场中，电池供电的便携式设备诸如智能手机、平板电脑、MP3等在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。由于集成电路工艺随着摩尔定律不断发展，为了较小功耗密度等问题，MOS管的驱动电压也随之不断下降。然而供电电源的电池电压却没有随之下降，因此作为将高电压转换为低电压的降压型电压转换器在便携式装置中成为了应用最为广泛的电源转换器。而由于提高开关频率，在同样的输出纹波下，开关电源转换器中所需要使用的电感和电容减小，从而大大减小了芯片的面积和成本。因此高频降压型直流转换器已经成为了一种设计趋势，并具有广阔的应用前景。

对于高频降压型电压转换器的控制器，则要求其有稳定的响应、更大的带宽和更快的速度。传统的电流模式脉冲宽度调制（PWM）方式由于其相应速度快，稳定性好，开关频率固定，没有EMI问题等优势一直以来都受到设计者的青睐。但是这种控制方法运用于高频降压型电压转换器时，由于开关频率的提高，对于其中必须的电感电流检测就变得越发困难，对于运算放大器等元件的性能要求也越来越高，直接导致了电流检测成本与功耗的增加，使得该控制方法在高频降压型电压转换器中的应用受到了限制。

本发明针对应用于高频降压型电压转换器中的无损电感电流检测电路，通过对降压型电压转换器中电感两端的电压进行积分，得到相应的电感电流信号，从而实现对于电感电流的无损检测。由于采用了积分的方法，对于电流检测所需的运算放大器带宽要求降低，并且没有附加功耗，因此使得传统的电流模式脉冲宽度调制方式在高频降压型电压转换器中的广泛应用成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本，无功耗损失的适用于高频降压型电压转换器的无损电感电流检测电路。

本发明所述降压型电压转换器电路由功率级和控制级电路组成。其中功率级由功率管PMOS、NMOS和滤波电感L、滤波电容C、负载电阻R_o组成；控制级由无损电感电流检测电路，误差放大器，补偿电路，锯齿波发生器，补偿电路等模块组成。控制级电路通过将无损电感电流检测电路检测得电感电流IL与基准电压VREF与输出反馈电压VFB之间的差值经误差放大器放大后的差值ERROR这两个信号经过补偿电路形成COM信号，并将其与固定频率的锯齿波比较，得到占空比DUTY信号，最后通过驱动电路产生非重叠的驱动信号分别控制功率管PMOS和NMOS的导通与关断，从而实现对于降压型电压转换器的固定频率脉冲宽度调制。当DUTY信号为低电平时，PMOS管导通而NMOS管关断时，电感左端与电源相连接，电源通过电感对输出电容充电，电感电流上升，输出电压上升。当锯齿波信号SAW高于补偿信号COM时，比较器输出触发控制DUTY信号为高电平，NMOS管导通而PMOS管关断时，电感左端直接连地，输出电容通过电感放电，电感电流下降，输出电压下降。而当锯齿波信号经过一个周期后再次低于于补偿信号COM时，比较器输出触发控制DUTY信号为低电平，再次开启PMOS而关断NMOS。而无损电感电流检测电路的作用是检测电感电流的值，与输出电压与基准的误差相结合进行补偿，对补偿信号COM进行调节，从而使得系统稳定工作于锯齿波所在的频率。

本发明提供的无损电感电流检测电路，包括：一个四输入运算放大器OP，4个分压电阻R_f1、R_f2、R_f3、R_f4，和三对积分元件R_c和C_c组成的积分元件，用于检测电感L中流过的电流。其中一个四输入运算放大器OP的一对正负输入端对电感两端信号VLX与VOUT经分压电阻Rf1、Rf2、Rf3、Rf4分压后的信号进行积分，积分常数为R_cC_c；四输入运算放大器的另一对正负输出端通过反馈使得输出电压的直流电平与输入电压直流电压V_c相等。由于电感两端电压是电感电流的微分，因此对于电感两端电压的积分可以得到电感电流的波形，解决了传统的电流检测方式中附带额外的功耗损失和运算放大器带宽要求较高的问题。从而实现了一种应用于高开关频率电流信号的低成本，无功耗损失的电流检测电路。

本发明电路可以应用于诸如手机、平板电脑、MP3等电池供电的便携式设备中。

附图说明

以下附图描述了本发明的实施例，这些附图和实施例提供了本发明的实例并且它们是非限制性的和非穷尽的。

图1是电流模式脉冲宽度调制方式控制的高频降压型电压转换器的电路结构。

图2是本发明设计的无损电感电流检测电路图。

图3是无损电感电流检测电路的电压传递函数与实际电感电流信号传递函数两者波特图的比较。

图4是无损电感电流检测电路功能的仿真结果验证。

具体实施方式

以下根据附图及设计实例对本发明进行进一步详细说明。

本发明设计的是一种应用于高频降压型电压转换器的无损电感电流检测电路。该电路的典型应用结构如图1所示。高频降压型直流电压转换器由功率级和控制级电路组成。其中功率级由功率管PMOS、NMOS和滤波电感L、滤波电容C、负载电阻R_o组成；控制级由无损电感电流检测电路，误差放大器，补偿电路，锯齿波发生器，补偿电路等模块组成。控制级电路通过将无损电感电流检测电路检测得电感电流IL与基准电压VREF与输出反馈电压VFB之间的差值经误差放大器放大后的差值ERROR这两个信号经过补偿电路形成COM信号，并将其与固定频率的锯齿波比较，得到占空比DUTY信号，最后通过驱动电路产生非重叠的驱动信号分别控制功率管PMOS和NMOS的导通与关断，从而实现对于降压型电压转换器的固定频率脉冲宽度调制。当DUTY信号为低电平时，PMOS管导通而NMOS管关断时，电感左端与电源相连接，电源通过电感对输出电容充电，电感电流上升，输出电压上升。当锯齿波信号SAW高于补偿信号COM时，比较器输出触发控制DUTY信号为高电平，NMOS管导通而PMOS管关断时，电感左端直接连地，输出电容通过电感放电，电感电流下降，输出电压下降。而当锯齿波信号经过一个周期后再次低于于补偿信号COM时，比较器输出触发控制DUTY信号为低电平，再次开启PMOS而关断NMOS。而无损电感电流检测电路的作用是检测电感电流的值，与输出电压与基准的误差相结合进行补偿，对补偿信号COM进行调节，从而使得系统稳定工作于锯齿波所在的频率。

图2是无损电感电流检测电路详细的结构图。无损电感电流检测电路由一个四输入运算放大器，分压电阻R_f1、R_f2、R_f3、R_f4和三对积分元件（R_c和C_c）组成，用于检测电感L中流过的电流。其中一个四输入运算放大器的一对正负输入端对电感两端信号VLX与VOUT经分压电阻R_f1、R_f2、R_f3、R_f4分压后的信号进行积分，积分常数为R_cC_c。而四输入运算放大器的另一对正负输出端则通过反馈使得输出电压的直流电平与输入电压直流电压Vc相等。由与电感两端电压与电感电流的关系式可以得到：

Figure 2011102648547100002DEST_PATH_IMAGE002

其中V为电感两端电压，L为电感值，i为电感电流。可见可以通过对电感两端的电压的积分来检测电感电流。

图3是无损电感电流检测电路的输入输出传递函数与实际电感电流信号传递函数两者波特图的比较。下面分析一下无损电感电流检测电路的输入输出传递函数。图2电路结构中的四输入运算放大器在负反馈的情况下其四个输入in1+、in1-、in2+、in2-应满足如下关系：

Figure 2011102648547100002DEST_PATH_IMAGE004

当分压电阻R_f1、R_f2、R_f3、R_f4满足如下关系：

Figure 2011102648547100002DEST_PATH_IMAGE006

并且分压电阻阻值远远小于R_c，可以得到积分输出电压V_s相对于输入信号的频域传递函数：

Figure 2011102648547100002DEST_PATH_IMAGE008

其中Vc为直流参考电压，为电路的直流输出工作点。由于电感电流为两段电压差的积分，因此可以表示为：

Figure 2011102648547100002DEST_PATH_IMAGE010

因此无损电感电流检测电路的输出电压V_s频域传递函数可以简化为：

Figure 2011102648547100002DEST_PATH_IMAGE012

其中前一项为输出电压的交流分量，后一项为输出电压的直流分量。在高频处，即开关频率附近，由于sR_cC_c>>1，输出电压V_s频域传递函数可以进一步简化为：

Figure 2011102648547100002DEST_PATH_IMAGE014

可以看到在高频时Vs与电感电流的交流分量i_L(s)成正比，从而实现精确检测电感电流的目的。取R_f1=R_f2=R_f3=R_f4=50KΩ，R_c=500KΩ，C_c=1pF，将无损电感电流检测电路的输出检测信号与实际电流信号两者的波特图进行比较，如图3所示。可以看出两者在大于5MHz的高频处仅相差一个常数倍数，而没有相位差。因此本发明可以精确地检测电感电流的交流分量。

图4为无损电感电流检测电路在10MHz开关频率的降压型电压转换器中的应用后的电路稳态仿真结果。可以看到检测信号与实际电感电流信号波形相同，且没有延时，因此本设计所产生的检测信号可以精确表示电感电流。

Claims

1.一种适用于高频降压型电压转换器的无损电感电流检测电路，所述降压型电压转换器电路由功率级和控制级电路组成；其中功率级由功率管PMOS、NMOS和滤波电感L、滤波电容C、负载电阻R_o组成；控制级由无损电感电流检测电路，误差放大器，补偿电路，锯齿波发生器，补偿电路等模块组成；其特征在于所述无损电感电流检测电路包括：一个四输入运算放大器OP，4个分压电阻R_f1、R_f2、R_f3、R_f4，和三对R_c和C_c组成的积分元件，用于检测电感L中流过的电流；其中一个四输入运算放大器OP的一对正负输入端对电感两端信号VLX与VOUT经4个分压电阻R_f1、R_f2、R_f3、R_f4分压后的信号进行积分，积分常数为R_cC_c；四输入运算放大器OP的另一对正负输出端通过反馈使输出电压的直流电平与输入电压直流电压Vc相等；根据电感L两端电压是电感电流的微分的原理，对于电感L两端电压的积分，得到电感电流的波形。