CN103970170A - 一种恒流环路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流环路，包括：误差放大器，其一端与电流检测元件的一端连接；另外一端通过基准产生元件与电流检测元件的另一端连接；电源，一端接地，另一端与金属氧化层半导体场效晶体管的源极或漏极连接；所述金属氧化层半导体场效晶体管的漏极或源极与所述电流检测元件的另一端连接。本发明通过直接使用误差放大器直接构成闭环负反馈环路，整个环路只有一级EA增益级；降低了整体环路的失调电压以及偏置电流，从而使恒流电流有更高的精度；同时简化了环路结构，降低了实现成本。

Description

一种恒流环路

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别是涉及应用于电源管理或者电流检测领域的恒流环路。

背景技术

如图1所示，目前的高精度恒流环路或者电流检测电路的实现方式是：通过运算放大器以及R1、R2、R3、R4构成闭环负反馈（其中R1=R3；R2=R4），采样电流检测元件Rsense两端的压降并放大，输出在Vout端。

闭环增益为：

$A_{\mathrm{closed}}=\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{sense}}}=\frac{R2}{R1}(R1=R3;R2=R4);$

通过这样的方式，可以将Rsense两端的差分信号转化为单端信号，输出给下一级误差放大或者进行AD转换。

采用该技术方案，构成恒流环路还至少需要一级误差放大器，以提供恒流环路的主要增益；这样多级增益的实现方式不仅不利于降低系统失调、提高检测精度，而且需要电路面积与功耗的开销。

一些其他的实现方式也是都是需要先通过闭环应用的放大器放大，再与参考基准进行比较放大或模数转换采样，同样存在上述缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种恒流环路，用以解决现有技术中构成恒流环路至少需要一级误差放大器造成的不利于降低系统失调、提高检测精度的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种恒流环路，包括：

误差放大器，其一端与电流检测元件的一端连接；另外一端通过基准产生元件与电流检测元件的另一端连接；

电源，一端接地，另一端与金属氧化层半导体场效晶体管的源极或漏极连接；所述金属氧化层半导体场效晶体管的漏极或源极与所述电流检测元件的另一端连接。

进一步，所述恒流环路还包括：

参考基准电流生成电路，连接在所述误差放大器与基准产生元件之间，用于生成参考基准电流。

进一步，所述参考基准电流生成电路包括：

第二误差放大器，其一个输入端输入带隙基准电压VBG，另一输入端与第二金属氧化层半导体场效晶体管的源极或漏极连接，输出端与所述第二金属氧化层半导体场效晶体管的栅极连接；所述第二金属氧化层半导体场效晶体管的漏极或源极与所述基准产生元件一端连接，所述第二金属氧化层半导体场效晶体管的源极或漏极连接基准产生元件之后接地。

进一步，Iref=VBG/Rref2；其中，Iref为基准产生元件两端的电流。

进一步，所述电流检测元件为电阻Rsense。

进一步，Isense=Iref×Rref/Rsense，Isense为电阻Rsense两端的电流，Iref为基准产生元件两端的电流。

进一步，所述恒流环路还包括：

电平转换与驱动电路，其一端与所述金属氧化层半导体场效晶体管的栅极连接，另一端与所述误差放大器的输出端连接；用于对误差放大器的输出进行电平转换和驱动。

进一步，所述恒流环路还包括：

校准电路，连接在所述误差放大器与基准产生元件之间，用于校准Rref两端的电压，修正恒流电流。

进一步，所述校准电路包括若干个电流源，若干个电流源通过串联和/或并联连接。

进一步，所述恒流环路还包括：

电池，一端连接在所述误差放大器与电流检测元件之间，另一端接地。

本发明有益效果如下：

本发明通过直接使用误差放大器构成闭环负反馈环路，整个环路只有一级EA增益级；降低了整体环路的失调电压与偏置电流，从而使恒流电流有更高的精度；同时简化了环路结构，降低了实现成本。

附图说明

图1是现有中实现高精度恒流环路或者电流检测电路的电路原理图；

图2是本发明实施例中一种恒流环路的电路原理图；

图3是本发明实施例中参考电流的生成电路原理图；

图4是本发明实施例中加入电流校准的电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，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，并不限定本发明。

如图2所示，本发明实施例涉及一种恒流环路，包括：

误差放大器，其一端与电流检测元件的一端连接；另外一端通过基准产生元件与电流检测元件的另一端连接；电流检测元件为电阻Rsense，或由其他元件实现的等效电阻；Rsense电流检测元件用来将电流转换成元件两端的电压。使用电流检测元件产生采样电压后作为电路输入；基准产生元件可以是电阻Rref，也可以用MOS管等效实现；

电源，一端接地，另一端与金属氧化层半导体场效晶体管（MOS管）的源极或漏极连接；金属氧化层半导体场效晶体管的漏极或源级与电流检测元件的另一端连接；具体为：MOS管为N型时，MOS的漏级与电源连接，MOS的源级与电流检测元件的另一端连接；MOS管为P型时，MOS的源级与电源连接MOS的漏级与电流检测元件的另一端连接。

Rref直接通过基准电流产生参考基准提供给误差放大器构成恒流环路，整个环路只需要一个误差放大器。仅使用一个误差放大器OPAMP用来组成电流检测或负反馈控制环路。电路工作时，由于误差放大器的作用，NODE1与NODE2电位相等，整个环路只有一级EA增益级；Rsense两端点的电压和Rref两端的电压相等。则有：Isense=Iref×Rref/Rsense;Iref为参考基准量。通过调整Rref的值，即可得到不同的恒流电流Isense；

恒流环路还包括：参考基准电流生成电路，连接在误差放大器与基准产生元件之间，用于生成参考基准电流。参考基准电流生成电路如图3所示，包括：

第二误差放大器，其一个输入端输入带隙基准电压VBG，另一输入端与第二金属氧化层半导体场效晶体管的源极或漏极连接，输出端与第二金属氧化层半导体场效晶体管的栅极连接；第二金属氧化层半导体场效晶体管的漏极或源级与基准产生元件一端连接，第二金属氧化层半导体场效晶体管的源极或漏极连接基准产生元件之后接地。具体为：第二金属氧化层半导体场效晶体管为N型时，第二金属氧化层半导体场效晶体管的漏极连接第二误差放大器的输入端；栅极连接第二误差放大器的输出端；源级与基准产生元件一端连接；漏极连接基准产生元件之后接地。第二金属氧化层半导体场效晶体管为P型时，第二金属氧化层半导体场效晶体管的源极连接第二误差放大器的输入端；栅极连接第二误差放大器的输出端；漏极与基准产生元件一端连接；源极连接基准产生元件之后接地。

参考基准电流生成电路使用禁带电压除以相关电阻的方式来生成参考基准电流。如图3所示，可以得到与基准电压相关的基准电流Iref，再通过相同温度系数的匹配基准产生元件还原成基准电压，可以得到最终没有温度系数的横流电流Isense，由于运放的作用，Iref=VBG/Rref2。

恒流环路还包括：电平转换与驱动电路，一端与金属氧化层半导体场效晶体管的栅极连接，另一端与误差放大器的输出端连接；用于对误差放大器的输出进行电平转换和驱动。电平转换与驱动电路用来直接驱动功率管MOSFET的栅极，这样整个恒流环路仅有一级增益级，降低了整体环路的offset，从而使恒流电流Isense有更高的精度。同时简化了环路结构，降低了实现成本。

校准电路，连接在误差放大器与基准产生元件之间，用于校准Rref两端的电压，修正恒流电流。在Node2节点处，流入和流出一个小的与Iref相关的电流，修正Rref两端的电压，可以达到修正恒流电流的目的。校准电路包括若干个电流源，若干个电流源通过串并联连接。如图4所示，校准电路包括0.5uA、1uA、2uA、4uA和8uA的电流源各两个，其中，规格相同的电流源串联，形成电流源组，然后再将各个电流源组并联在一起，将每个电流源组的两个电流源之间的节点连接在一起，并与误差放大器连接。通过流过一个小的电流实现Rsense电流的校准。如图4所示，是通过在图4中的R1上流过电流，来得到一个可控的偏置电压；通过数字逻辑控制图4左边电流镜的开启和关断，来得到运放反向端R1上不同的压降，以得到一个可控的偏置电压。

电池，一端连接在误差放大器与电流检测元件之间，另一端接地。

在金属氧化层半导体场效晶体管的栅极一端，还可以与恒压环路控制电路连接。

本发明技术方案用来构成使用电流检测元件的恒流环路，适用于需要电流精度较高的充电器、恒流环路等情况；主要应用于移动产品的充电器芯片（Charger IC）或电源管理芯片（PMIC）中。

由上述实施例可以看出，本发明通过直接使用误差放大器直接构成闭环负反馈环路，整个环路只有一级EA增益级；降低了整体环路的失调电压与偏置电流，从而使恒流电流有更高的精度；同时简化了环路结构，降低了实现成本。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种恒流环路，其特征在于，包括：

误差放大器，其一端与电流检测元件的一端连接；另外一端通过基准产生元件与电流检测元件的另一端连接；

电源，一端接地，另一端与金属氧化层半导体场效晶体管的源极或漏极连接；所述金属氧化层半导体场效晶体管的漏极或源极与所述电流检测元件的另一端连接。

2.如权利要求1所述的恒流环路，其特征在于，所述恒流环路还包括：

参考基准电流生成电路，连接在所述误差放大器与基准产生元件之间，用于生成参考基准电流。

3.如权利要求2所述的恒流环路，其特征在于，所述参考基准电流生成电路包括：

第二误差放大器，其一个输入端输入带隙基准电压VBG，另一输入端与第二金属氧化层半导体场效晶体管的源极或漏极连接，输出端与所述第二金属氧化层半导体场效晶体管的栅极连接；所述第二金属氧化层半导体场效晶体管的漏极或源极与所述基准产生元件一端连接，所述第二金属氧化层半导体场效晶体管的源极或漏极连接基准产生元件之后接地。

4.如权利要求3所述的恒流环路，其特征在于，Iref=VBG/Rref2；其中，Iref为基准产生元件两端的电流。

5.如权利要求4所述的恒流环路，其特征在于，所述电流检测元件为电阻Rsense。

6.如权利要求5所述的恒流环路，其特征在于，Isense=Iref×Rref/Rsense，Isense为电阻Rsense两端的电流，Iref为基准产生元件两端的电流。

7.如权利要求1至6中任一项所述的恒流环路，其特征在于，所述恒流环路还包括：

电平转换与驱动电路，其一端与所述金属氧化层半导体场效晶体管的栅极连接，另一端与所述误差放大器的输出端连接；用于对误差放大器的输出进行电平转换和驱动。

8.如权利要求1至6中任一项所述的恒流环路，其特征在于，所述恒流环路还包括：

校准电路，连接在所述误差放大器与基准产生元件之间，用于校准Rref两端的电压，修正恒流电流。

9.如权利要求8所述的恒流环路，其特征在于，所述校准电路包括若干个电流源，若干个电流源通过串联和/或并联连接。

10.如权利要求1至6中任一项所述的恒流环路，其特征在于，所述恒流环路还包括：

电池，一端连接在所述误差放大器与电流检测元件之间，另一端接地。