CN104020339A

CN104020339A - 一种可编程电流检测电路

Info

Publication number: CN104020339A
Application number: CN201410290228.9A
Authority: CN
Inventors: 周泽坤; 孙亚东; 石跃; 董渊; 赵倬毅; 王卓; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2034-06-25
Also published as: CN104020339B

Abstract

本发明涉及电子电路技术领域，具体的说是涉及一种可编程电流检测电路。本发明的可编程电流检测电路，包括采样电阻、电流检测单元和比较器；其中，电流检测单元的电源端接电源VIN，其第一输入端通过采样电阻后接第二输入端，其第一输出端接比较器的正向输入端，第二输出端接比较器的负相输入端；比较器的输出端为可编程电流检测电路的输出端。本发明的有益效果为，适用于宽输入电源电压下；可应用于大功率BUCK变换器的电流检测，检测精度高，速度快，而且电路架构简洁，避免了额外模块的需求。本发明尤其适用于可编程电流检测电路。

Description

一种可编程电流检测电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体的说是涉及一种可编程电流检测电路。

背景技术

随着便携式数码产品的快速发展，开关电源芯片得到广泛的应用。市场在推动开关电源芯片技术发展的同时，也对开关电源芯片的性能提出了更高要求。电压模式开关电源芯片基本上已经被淘汰，取而代之的则是电流模式的开关电源芯片。这主要是由于电流模式的开关电源芯片与电压模式相比，有补偿网络简单、瞬态响应快、易于电流保护等优点。而电流模式的开关电源芯片与电压模式相比，增加了一个重要的电路模块－电流检测电路。此外，电流检测电路在各种系统中均起到重要的作用，譬如系统中的过流保护、负载状态判定等功能均离不开对电流检测的需求。

电流检测电路是电源管理中的非常重要的模块。目前比较常用的电流检测方法有功率管R_DS检测、并联电流镜检测和串联电阻检测。传统的电流检测电路通常需要将电流采样的信号在电路内部再次转换成相对芯片地电位的信号后，再与芯片内部的参考信号进行对比，从而判断系统电流的状态。因此通常需要额外的转换模块、内部参考信号产生模块、及独立的信号比较模块，增加了系统的复杂程度及功耗。因此传统的电流检测电路精度较低，速度慢，且可调性差。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述传统电流检测电路存在的问题，提出一种检测精度高、速度快的可编程电流检测电路。

本发明的技术方案是，一种可编程电流检测电路，包括采样电阻、电流检测单元和比较器；其中，电流检测单元的电源端接电源VIN，其第一输入端通过采样电阻后接第二输入端，其第一输出端接比较器的正向输入端，第二输出端接比较器的负相输入端；比较器的输出端为可编程电流检测电路的输出端；

所述电流检测单元由NPN型三极管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6，电阻R1、R2、R3、R4、R5，N型耐压MOS管NLD1、NLD2、NLD3，P型耐压MOS管PLD1、PLD2、PLD3，第一可编程电流源，第二可编程电流源构成；其中，NLD1的漏极通过R1接电源VIN，其栅极与NLD2的栅极接外部偏置电压VC1，其源极接Q1的集电极；Q1的基极为电流检测单元的第二输入端，其发射极接第一可编程电流源的正极，其发射极还通过R3后接MN1的漏极；第一可编程电流源的负极接地VSS；MN1的栅极与MN5、MN6的栅极互连，其源极接地VSS；NLD2的漏极通过R2接电源VIN，其源极接Q2的集电极；Q2的基极为电流检测单元的第一输入端，其发射极通过R4接MN1的漏极，其发射极接第二可编程电流源的正极；第二可编程电流源的负极接地VSS；Q3的集电极接电源VIN，其基极接NLD2的漏极，其发射极接PLD1的源极；PLD1的栅极与PLD2的栅极和PLD3的栅极互连；PLD1的漏极为电流检测单元的第一输出端V1，接MN2的漏极，通过R5接MN3的漏极和MN4的栅漏极；MN2的栅极和漏极互连，其栅极接MN3的栅极，其源极接地VSS；Q4集电极接电源VIN，其基极接NLD1的漏极，其发射极接PLD2的源极；PLD2的源极为电流检测单元的第二输出端V2，接MN3的漏极；MN3的源极接地VSS；MN4的栅极和漏极互连，其源极接MN2和MN3的栅极；Q5的集电极接电源VIN，其基极与集电极互连，其发射极通过R6接PLD3的源极；PLD3的栅极与漏极互连，其漏极接NLD3的漏极；NLD3的栅极接外部低压电源VCC，其源极接MN5的漏极；MN5的源极接地VSS；MN6的漏极和栅极互连，其漏极接偏置电流Ibias，其源极接地VSS。

具体的，所述第一可编程电流源和第二可编程电流源的结构相同；其中，第一可编程电流源由偏置电流I0、M0和多个级联的编程子单元构成；每个编程子单元由2个NMOS管构成，其中一个为编程信号NMOS管，另一个为控制信号NMOS管；M0的漏极和栅极互连，其漏极接偏置电流I0，其栅极与所有控制信号NMOS管的栅极互连，其源极接与所有控制信号NMOS管的源极互连；编程信号NMOS管的漏极接编码芯片，其栅极接编码信号，其源极接控制信号NMOS管的漏极。

本发明的有益效果为，适用于宽输入电源电压下；可应用于大功率BUCK变换器的电流检测，检测精度高，速度快，而且电路架构简洁，避免了额外模块的需求。另外，由于采用了可编程的电流源，实现了良好的可调性；电路匹配性好，并且可以减小失调，有效节省了芯片面积，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的可编程高速电流检测电路结构示意图；

图2为本发明的带有可编程电流源的电流检测单元电路结构示意图；

图3为本发明的可编程电流源电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述

本发明提供的一种可编程电流检测电路，其详细技术方案如图1所示，包括电流检测单元和比较器，其中采样电阻两端电压接电流检测单元的输入端，内置的可编程电流源提供两股可编程的电流，电流检测单元的输出接比较器输入端，比较器的输出端即为可编程电流检测电路的最终输出。其中，比较器用于对输出的波形进行进一步的整形，可以根据实际需要选择相应的比较器电路。

由于采用了可编程电流源，通过编码选择两路电流，从而可以设定不同的电流检测状态，适用于多种情况下的电流检测；并且具有高匹配，低失调性，也减小了版图面积。此外，该电流检测单元无需外的参考点产生模块、转换模块，及独立的信号比较模块，其在一个电路模块中实现了常规电流检测模块所需的所有功能，极大地简化了电路实现难度，降低了系统功耗。

如图2所示，为本发明的带有可编程电流源的电流检测单元电路结构示意图，包括NPN管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5；NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6；电阻单元R1、R2、R3、R4、R5、R6；LDNMOS耐压管NLD1、NLD2、NLD3；LDPMOS耐压管PLD1、PLD2、PLD3以及第一可编程电流源1、第二可编程电流源2。

其中，NPN管Q5、电阻R6、耐压管PLD3、NLD3、以及NMOS管MN5、MN6构成偏置电路；通过钳位的方式实现耐压管PLD1、PLD2和PLD3管的栅极电压相等，从而决定输出级的静态偏置电流；另外，可以有效防止NPN管Q3、Q4的VCE过高，导致NPN管损坏。耐压管NLD3栅极外接合适的偏置电压可以保证NMOS管MN5不被击穿。NPN管Q1、Q2，耐压管NLD1、NLD2，电阻R1、R2、R3、R4，NMOS管MN1，以及第一可编程电流源1、第二可编程电流源2构成电流检测单元的核心部分，其可以同时实现信号采集、电流检测信息判定及比较的功能。输入对管使用的是三级管，跨导较大，保证了电流检测电路的速度和精度。另外，耐压管NLD1、NLD2可以保护NPN管Q1、Q2不被击穿，并且耐压管栅极外接合适的偏置电压保证NPN管工作在放大区；通过对可编程的电流源进行编码选择两股电流，从而控制电流比较器的翻转点。可以设定第一可编程电流源1电流为MI₀，第二可编程电流源2电流为NI₀，R3＝R4＝R，R1＝R2，镜像电流源即流过MN1的电流设定为I_B；则电流比较器达到翻转点时，流过NPN管Q1的电流等于流过NPN管Q2的电流，设为I，流过电阻R3、R4的电流分别设为I₃、I₄，于是有：

I = \frac{I_{B}}{2} + \frac{(M + N) I_{0}}{2}, I_{3} = \frac{I_{B}}{2} - \frac{(M - N) I_{0}}{2}, I_{4} = \frac{I_{B}}{2} + \frac{(M - N) I_{0}}{2} .

其中，M、N为常数，可以根据需要通过可编程的电流源来设定；

从而可得：

Vp-Vn＝I₄R-I₃R＝(I₁-I₂)R＝(M-N)I₀R；其中，Vp为电流检测单元的第一输入端的电压，Vn为电流检测单元的第二输入端的电压；

于是可得采样电流I_sense为：

I_{sense} = \frac{Vp - Vn}{R_{sense}} = \frac{(M - N) I_{0} R}{R_{sense}},

其中R_sense为采样电阻的阻值；

由上推导可知，通过可编程的电流源设定N、M值，就可以检测出不同的电流。极大的增加了电路的适用性，并且对称的电路结构增加了电路的匹配性，减小了失调。

另外，NPN管Q3、Q4，耐压管PLD1、PLD2，电阻R5，NMOS管MN2、MN3、MN4构成了电流检测单元的输出级。耐压管PLD1、PLD2作为共源共栅管；NMOS管MN4以及电阻R5构成输出级的钳位电路，将输出电压V2钳到2V_gs，防止MN3管漏源电压过高而被毁坏；此结构限制了比较器输出的变化摆幅，每次比较不需要升到电源或地电位去，只要输出的变化幅度达到后面比较器可以分辨的大小即可，从而提升了电路比较速度。

如图3所示，为本发明的可编程电流源电路结构示意图，包括NMOS管M0、M11、M12、M13、MN、M21、M22、M23、M2N和偏置电流I₀。M11、M12、M13、MN的栅极与M0管的栅漏极连接在一起，偏置电流从M0的漏极流入；M0、M11、M12、M13、MN的源极共同接地；M21、M22、M23、M2N的源极对应接M11、M12、M13、MN的漏极，M21、M22、M23、M2N的漏极接在一起。M21、M22、M23、M2N的栅极分别接编码信号Q1、Q2、Q3、Qn。M0、M11、M12、M13、MN管的宽长比设置为1:2:4:8:2ⁿ。M21、M22、M23、M2N管作为开关管，这样就可以通过编码设定开关管的开启与关断，选择I₀到(2ⁿ-1)I₀之间整数倍于I₀的电流。

综上所述，本发明可应用于大功率宽输入电压DCDC变换器的电流检测中，通过采用对称的电路结构，增加了电路的匹配性，减小了失调。在本发明的设计中，通过采用BJT技术以及输出级钳位加速电路，极大的提高了电路的速度，使其能适用于高速电流检测电路中。与传统的电流比较器相比，本发明通过一个电路就可以同时实现信号采集、电流检测信息判定及比较的功能。另外，还提出一种可编程的电流源，大大提高了电路的可调性和适用性，同时也缩减了版图面积，降低了成本。

Claims

1.一种可编程电流检测电路，包括采样电阻、电流检测单元和比较器；其中，电流检测单元的电源端接电源VIN，其第一输入端通过采样电阻后接第二输入端，其第一输出端接比较器的正向输入端，第二输出端接比较器的负相输入端；比较器的输出端为可编程电流检测电路的输出端；

所述电流检测单元由NPN型三极管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6，电阻R1、R2、R3、R4、R5，N型耐压MOS管NLD1、NLD2、NLD3，P型耐压MOS管PLD1、PLD2、PLD3，第一可编程电流源，第二可编程电流源构成；其中，NLD1的漏极通过R1接电源VIN，其栅极与NLD2的栅极接外部偏置电压VC1，其源极接Q1的集电极；Q1的基极为电流检测单元的第二输入端，其发射极接第一可编程电流源的正极，其发射极还通过R3后接MN1的漏极；第一可编程电流源的负极接地VSS；MN1的栅极与MN5、MN6的栅极互连，其源极接地VSS；NLD2的漏极通过R2接电源VIN，其源极接Q2的集电极；Q2的基极为电流检测单元的第一输入端，其发射极通过R4接MN1的漏极，其发射极接第二可编程电流源的正极；第二可编程电流源的负极接地VSS；Q3的集电极接电源VIN，其基极接NLD2的漏极，其发射极接PLD1的源极；PLD1的栅极与PLD2的栅极和PLD3的栅极互连；PLD1的漏极为电流检测单元的第一输出端，接MN2的漏极，还通过R5接MN3的漏极和MN4的栅漏极；MN2的栅极和漏极互连，其栅极接MN3的栅极，其源极接地VSS；Q4集电极接电源VIN，其基极接NLD1的漏极，其发射极接PLD2的源极；PLD2的源极为电流检测单元的第二输出端，接MN3的漏极；MN3的源极接地VSS；MN4的栅极和漏极互连，其源极接MN2和MN3的栅极；Q5的集电极接电源VIN，其基极与集电极互连，其发射极通过R6接PLD3的源极；PLD3的栅极与漏极互连，其漏极接NLD3的漏极；NLD3的栅极接外部低压电源VCC，其源极接MN5的漏极；MN5的源极接地VSS；MN6的漏极和栅极互连，其漏极接偏置电流Ibias，其源极接地VSS。

2.根据权利要求1所述的一种可编程电流检测电路，其特征在于，所述第一可编程电流源和第二可编程电流源的结构相同；其中，第一可编程电流源由偏置电流I0、M0和多个级联的编程子单元构成；每个编程子单元由2个NMOS管构成，其中一个为编程信号NMOS管，另一个为控制信号NMOS管；M0的漏极和栅极互连，其漏极接偏置电流I0，其栅极与所有控制信号NMOS管的栅极互连，其源极接与所有控制信号NMOS管的源极互连；编程信号NMOS管的漏极接编码芯片，其栅极接编码信号，其源极接控制信号NMOS管的漏极。