CN103604974B - 电流模式dc/dc转换器用低功耗电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流模式DC/DC转换器用低功耗电流检测电路，包括由电感L、PMOS晶体管P1、电阻R、电容C组成的电源支路和由电流源Ib、PNP晶体管B1、PNP晶体管B2、PNP晶体管B5、PNP晶体管B6、NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N5、电阻Rsense组成的电流检测支路，所述的电容C和电阻R并联，并联后的一端接地，另一端与所述的PMOS管P1的源端相连，所述的PMOS管P1的漏端与所述的电感L的一端相连，所述的电感L的另一端与输入Vin相连，所述PMOS管P1的漏端的输出电流为IL。本发明电路结构简单，利用了三极晶体管的低导通电阻和MOS晶体管的快速开关控制，不需要采用运放反馈结构来保证传感MOS管对功率MOS管的精密复制。

Description

电流模式DC/DC转换器用低功耗电流检测电路
技术领域
本发明涉及一种电流模式DC/DC转换器用低功耗电流检测电路。
背景技术
电池供电的便携式电子产品不断向低电压、低功耗、大电流方向发展，对开关电源芯片的低功耗要求更加苛刻，芯片的功耗在很大程度上决定电池的使用寿命，因此有必要降低开关电源中各个功能模块的功耗，以提高便携式设备的待机时间。
电流检测电路是开关电源中最重要的功能模块之一，它能实时检测负载开路，短路及过流状态，从而实现芯片保护和功耗节省，设计具有低功耗的电流检测电路，能降低整个控制环路的功耗，降低芯片的静态功耗，从而提高电池的使用寿命，目前存在许多电流检测技术，包括利用串联电阻、功率管的导通电阻、并联检测管以及对电感的电流积分等方法检测，但是这些方法存在功耗较大、精度较低，难于控制等特点
发明内容
为了克服现有的电流检测电路结构复杂、元器件数目较多、功耗较大等的不足，本发明提供一种电路结构简单的电流模式DC/DC转换器用低功耗电流检测电路。
本发明采用的技术方案是：
电流模式DC/DC转换器用低功耗电流检测电路，其特征在于：包括由电感L、PMOS晶体管P1、电阻R、电容C组成的电源支路和由电流源Ib、PNP晶体管B1、PNP晶体管B2、PNP晶体管B5、PNP晶体管B6、NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N5、电阻Rsense组成的电流检测支路，
所述的电容C和电阻R并联，并联后的一端接地，另一端与所述的PMOS管P1的源端相连，所述的PMOS管P1的漏端与所述的电感L的一端相连，所述的电感L的另一端与输入Vin相连，所述PMOS管P1的漏端的输出电流为IL；
所述的电流源Ib的一端接地，另一端与所述的PNP晶体管B1的集电极相连，所述的PNP晶体管B1的基极与所述的PNP晶体管B2的基极相连，所述的PNP晶体管B1、B2的发射极并联，且并联后与所述的输入Vin相连，所述的PNP晶体管B2的集电极与所述NMOS管N1的漏端相连，所述的NMOS管N1的源端与所述的NMOS管N2的漏端相连，所述的NMOS管N2的源端接地，所述的NMOS管N1、N2和N5的栅极相连，并与控制电压VQ相连，所述的NMOS管N5的源端接地，所述的NMOS管N5的漏端与所述的PNP晶体管B5的集电极相连，所述的PNP晶体管B5和B6的基极相连，所述的PNP晶体管B5和B6的发射极并联，且并联后与所述的输入Vin相连，所述的PNP晶体管B6的集电极与所述的电阻Rsense的一端相连，所述的电阻Rsense的另一端接地，所述的电阻Rsense流过电流为Isense，所述的电阻Rsense未接地的一端的输出电压为Vsense。
进一步，所述的电流检测电路还包括电压跟随电路，所述的电压跟随电路包括PNP晶体管B3、PNP晶体管B4、NPN晶体管B7、NPN晶体管B8和NMOS管N3、NMOS管N4，所述的PNP晶体管B2、B3、B4的基极相连，所述的PNP晶体管B3、B4的发射极并联，且并联后与所述的输入Vin相连；所述的NPN晶体管B7的基极与集电极相连，所述的NPN晶体管B7的集电极与所述的PNP晶体管B3的集电极相连，所述的NPN晶体管B7的发射极与所述的NMOS管N3的漏端相连；所述的NMOS管N3的漏端与所述的NMOS管N1的漏端相连，且端点电压为VA；所述的NMOS管N3的栅极与所述的NMOS管N4的栅极相连，并与控制电压相连；所述的NMOS管N3、N4的源端并联，且接地；所述的NMOS管N4的漏端与所述的NPN晶体管B8的发射极相连，所述的NPN晶体管B8的发射极与所述的NMOS管N5的漏端相连，且端点电压为VB；所述的NPN晶体管B8的基极与所述的NPN晶体管B7的基极相连，所述的NPN晶体管B8集电极分别与所述的PNP晶体管B5的基极、所述的PNP晶体管B4的集电极相连。
进一步，所述的NMOS管N2是功率MOS管，所述的NMOS管N5是传感MOS管，所述的NMOS管N2的宽长比是所述的NMOS管N5的500～2000倍。
本发明的技术构思为：利用电流镜结构来准确检测电流模式开关电源的输出电流，采用PNP和NPN晶体管构成的电压跟随电路来保证功率MOS管和检测MOS管的源漏电压相等，无需复杂的运放反馈电路（如图1所示），降低电流检测电路功耗和提高工作速度。电流检测电路主要由NMOS管N1，N2，NMOS管N5，PNP晶体管B1、B2、B5、B6和电阻Rsense组成。NMOS管N2为功率MOS管，流经电源输出大电流IL，NMOS管N5为传感MOS管，NMOS管N2和NMOS管N5栅相连，构成镜像电流源结构，功率管N2的宽长比是传感管N5的K倍（K=500～2000），则流经传感管N5的为小电流Isense，该电流通过PNP晶体管B5、B6的镜像结构输出，则电阻Rsense上的电压降Vsense反映了检测得到的传感电流的大小，根据Vsense输出电压的大小来判断开关电源输出电流是否有短路或过流等情况。
为了获得准确的镜像传感电流，功率管N2和传感管N5的源漏电压必须相等，否则会有较大的误差。在功率管N2和传感管N5的漏端和负载PNP晶体管B3、B4之间加了由NPN晶体管B7、B8组成的电压跟随电路，确保端点电压VA=VB。该电压跟随电路结构简单，不需要采用复杂的运放反馈回路，可以极大的降低整体电流检测电路的功耗。
另外电流检测电路是采用周期性控制的，通过PMOS管P1、NMOS管N1、N3和N4实现：
1、当控制电压VQ为高电平时，PMOS管P1截止，NMOS管N1导通，NMOS管N3和N4截止，电路工作在电源电流检测状态。
2、当控制电压VQ为低电平时，PMOS管P1导通，NMOS管N1截止，NMOS管N3和N4导通，电流检测电路与电源电路断开。
本发明的有益效果体现在：电路结构简单，利用了三极晶体管的低导通电阻和MOS晶体管的快速开关控制，不需要采用运放反馈结构来保证传感MOS管对功率MOS管的精密复制；可以在导通和断开两种工作状态下工作；降低了开关电源控制环路的静态功耗，提高电池的使用寿命。
附图说明
图1是低功耗电流检测电路。
图2是电流检测电路导通工作原理图。
图3是电流检测电路断开工作原理图。
具体实施方式
参照图1，电流模式DC/DC转换器用低功耗电流检测电路，其特征在于：包括由电感L、PMOS晶体管P1、电阻R、电容C组成的电源支路和由电流源Ib、PNP晶体管B1、PNP晶体管B2、PNP晶体管B5、PNP晶体管B6、NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N5、电阻Rsense组成的电流检测支路，
所述的电容C和电阻R并联，并联后的一端接地，另一端与所述的PMOS管P1的源端相连，所述的PMOS管P1的漏端与所述的电感L的一端相连，所述的电感L的另一端与输入Vin相连，所述PMOS管P1的漏端的输出电流为IL；
所述的电流源Ib的一端接地，另一端与所述的PNP晶体管B1的集电极相连，所述的PNP晶体管B1的基极与所述的PNP晶体管B2的基极相连，所述的PNP晶体管B1、B2的发射极并联，且并联后与所述的输入Vin相连，所述的PNP晶体管B2的集电极与所述NMOS管N1的漏端相连，所述的NMOS管N1的源端与所述的NMOS管N2的漏端相连，所述的NMOS管N2的源端接地，所述的NMOS管N1、N2和N5的栅极相连，并与控制电压VQ相连，所述的NMOS管N5的源端接地，所述的NMOS管N5的漏端与所述的PNP晶体管B5的集电极相连，所述的PNP晶体管B5和B6的基极相连，所述的PNP晶体管B5和B6的发射极并联，且并联后与所述的输入Vin相连，所述的PNP晶体管B6的集电极与所述的电阻Rsense的一端相连，所述的电阻Rsense的另一端接地，所述的电阻Rsense流过电流为Isense，所述的电阻Rsense未接地的一端的输出电压为Vsense。
进一步，所述的电流检测电路还包括电压跟随电路，所述的电压跟随电路包括PNP晶体管B3、PNP晶体管B4、NPN晶体管B7、NPN晶体管B8和NMOS管N3、NMOS管N4，所述的PNP晶体管B2、B3、B4的基极相连，所述的PNP晶体管B3、B4的发射极并联，且并联后与所述的输入Vin相连；所述的NPN晶体管B7的基极与集电极相连，所述的NPN晶体管B7的集电极与所述的PNP晶体管B3的集电极相连，所述的NPN晶体管B7的发射极与所述的NMOS管N3的漏端相连；所述的NMOS管N3的漏端与所述的NMOS管N1的漏端相连，且端点电压为VA；所述的NMOS管N3的栅极与所述的NMOS管N4的栅极相连，并与控制电压相连；所述的NMOS管N3、N4的源端并联，且接地；所述的NMOS管N4的漏端与所述的NPN晶体管B8的发射极相连，所述的NPN晶体管B8的发射极与所述的NMOS管N5的漏端相连，且端点电压为VB；所述的NPN晶体管B8的基极与所述的NPN晶体管B7的基极相连，所述的NPN晶体管B8集电极分别与所述的PNP晶体管B5的基极、所述的PNP晶体管B4的集电极相连。
进一步，所述的NMOS管N2是功率MOS管，所述的NMOS管N5是传感MOS管，所述的NMOS管N2的宽长比是所述的NMOS管N5的500～2000倍。
图2所示为电流检测电路导通工作原理图。当需要检测开关电源的输出电流状态时，控制电压VQ设置成高电平，此时PMOS管P1截止，NMOS管N3、N4截止，NMOS管N1导通，开关电源输出电流IL流入功率管N2中，由PNP晶体管B3、B4和NPN晶体管B7、B8构成的电压跟随器保证了端点电压VA=VB，此处所述NMOS管N1是一个开关控制MOS管，流过小电流Ib，其导通电阻相对于所述功率管N2很小，所述NMOS管N1上的源漏电压降可忽略，因此可认为所述功率管N2和传感管N5的源漏电压相等，流过所述传感管N5的源漏电流是所述开关电源输出电流IL的精确复制，所述传感电流经过PNP晶体管B5、B6形成的电流镜结构传送到输出端，形成Isense，则电阻Rsense上的压降Vsense大小代表了开关电流IL的大小。
图3所示为实施例1电流检测电路断开工作原理图。当控制电压VQ设置成低电平时，PMOS管P1导通，NMOS管N1、N2、N5截止，开关电源电流输出供电，与电流检测电路断开，此时电流检测电路中各支路的工作电流由电流源Ib提供，电阻Rsense上输出的电压降为Vsense=Ib*Rsense，由于电流源Ib很小，电流检测电路与开关电源断开后消耗的静态电流很小。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.电流模式DC/DC转换器用低功耗电流检测电路，其特征在于：包括由电感L、PMOS晶体管P1、电阻R、电容C组成的电流模式DC/DC转换器等效电源支路和由电流源Ib、PNP晶体管B1、PNP晶体管B2、PNP晶体管B5、PNP晶体管B6、NMOS管N1、NMOS管N2、NMOS管N5、电阻Rsense组成的电流检测支路，
所述的电容C和电阻R并联，并联后的一端接地，另一端与所述的PMOS管P1的源端相连，所述的PMOS管P1的漏端连接于NMOS管N1的源端和NMOS管N2的漏端之间，所述的PMOS管P1的漏端与所述的电感L的一端相连，所述的电感L的另一端与输入Vin相连，所述的电感L中流过的电流模式DC/DC的输出电流为IL；
所述的电流源Ib的一端接地，另一端与所述的PNP晶体管B1的集电极相连，所述的PNP晶体管B1的基极与所述的PNP晶体管B2的基极相连，所述的PNP晶体管B1、B2的发射极并联，且并联后与输入Vin相连，所述的PNP晶体管B2的集电极与所述NMOS管N1的漏端相连，所述的NMOS管N1的源端与所述的NMOS管N2的漏端相连，所述的NMOS管N2的源端接地，所述的NMOS管N1、N2和N5的栅极相连，并与控制电压VQ相连，所述的NMOS管N5的源端接地，所述的NMOS管N5的漏端与所述的PNP晶体管B5的集电极相连，所述的PNP晶体管B5和B6的基极相连，所述的PNP晶体管B5和B6的发射极并联，且并联后与所述的输入Vin相连，所述的PNP晶体管B6的集电极与所述的电阻Rsense的一端相连，所述的电阻Rsense的另一端接地，所述的电阻Rsense流过电流为Isense，所述的电阻Rsense未接地的一端的输出电压为Vsense；
所述的电流检测电路包括电压跟随电路，所述的电压跟随电路包括PNP晶体管B3、PNP晶体管B4、NPN晶体管B7、NPN晶体管B8和NMOS管N3、NMOS管N4，所述的PNP晶体管B2、B3、B4的基极相连，所述的PNP晶体管B3、B4的发射极并联，且并联后与所述的输入Vin相连；所述的NPN晶体管B7的基极与集电极相连，所述的NPN晶体管B7的集电极与所述的PNP晶体管B3的集电极相连，所述的NPN晶体管B7的发射极与所述的NMOS管N3的漏端相连；所述的NMOS管N3的漏端与所述的NMOS管N1的漏端相连，且端点电压为VA；所述的NMOS管N3的栅极与所述的NMOS管N4的栅极相连，并与控制电压相连；所述的NMOS管N3、N4的源端并联，且接地；所述的NMOS管N4的漏端与所述的NPN晶体管B8的发射极相连，所述的NPN晶体管B8的发射极与所述的NMOS管N5的漏端相连，且端点电压为VB；所述的NPN晶体管B8的基极与所述的NPN晶体管B7的基极相连，所述的NPN晶体管B8集电极分别与所述的PNP晶体管B5的基极、所述的PNP晶体管B4的集电极相连。
2.如权利要求1所述的电流模式DC/DC转换器用低功耗电流检测电路，其特征在于：所述的NMOS管N2是功率MOS管，所述的NMOS管N5是传感MOS管，所述的NMOS管N2的宽长比是所述的NMOS管N5的500～2000倍。
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