CN104597310A - 开关变换器及其电流模拟电路以及电流检测电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种应用于开关变换器的电流检测电路，该开关变换器包括第一开关和第二开关；电流感应电路感应流过第二开关的第二开关电流生成实时电流感应信号；电流模拟电路根据电流感应信号生成第一电流，并根据第一电流生成第二电流，根据第一电流和第二电流生成电流模拟信号；在第一阶段，电流检测信号与电流模拟信号成比例，在第二阶段，电流检测信号与电流感应信号成比例。

Description

开关变换器及其电流模拟电路以及电流检测电路和方法
技术领域
本发明主要涉及电子电路，更具体地说，本发明主要涉及开关变换器及其电流模拟电路以及电流检测电路和方法。
背景技术
开关变换器因效率高，电流带载能力大等优点而广泛应用于将输入电压转换成输出电压以给负载供电的场合。开关变换器包括至少一个功率开关，通过控制该功率开关的打开和关断得到输出电压。开关变换器包括降压变换器、升压变换器以及反激式变换器等。
在开关变换器中，通常需要对其输出级的电流进行检测。如短路状态发生时，如果流过功率开关或者其它元件的电流大于其所能承受的最大电流限值，功率开关或者其它元件就会损坏。因此，需要对开关变换器中的电流进行检测从而进行短路保护。
图1示出了一种现有的具有电感电流检测功能的降压变换器。降压变换器包括：上侧开关11，下侧开关12，电感13和输出电容14。开关变换器通过并联耦接于电感两端的电阻15和电容16来检测电感电流，其中，RI是电感的寄生电阻。由于寄生电阻RI的不确定性，这种检测方法精确度不高，且电容16的容值随着温度的变化而变化，这也会导致检测电压VS的变化，影响检测精确度。
因此，需要更好的电流检测电路，可以解决前面描述的一个问题或者多个问题。
发明内容
本发明一实施例提出了一种用于检测开关变换器中电流的电流检测电路，其中，开关变换器包括第一开关和第二开关，当PWM(PulseWidth Modulation,脉冲宽度调制)信号处于第一状态时，所述电流等于流过第一开关的第一开关电流，当PWM信号处于与第一状态不同的第二状态时，所述电流等于流过第二开关的第二开关电流，电流检测电路包括电流感应电路和电流模拟电路，电流感应电路耦接至第二开关以接收第二开关电流，并生成表征第二开关电流的电流感应信号；电流模拟电路，具有输入端和输出端，输入端接收电流感应信号，输出端根据电流感应信号输出电流模拟信号；其中，电流检测电路提供表征开关变换器中所述电流的电流检测信号，在第一阶段，电流检测信号与电流模拟信号成既定比例，在第二阶段，电流检测信号与电流感应信号成既定比例，其中，电流检测信号与电流感应信号的比例关系和电流检测信号与电流模拟信号的比例关系相同。
本发明一实施例提出了一种开关变换器，具有电流，开关变换器包括第一开关和第二开关，当PWM信号处于第一状态时，所述电流等于流过第一开关的第一开关电流，当PWM信号处于与第一状态不同的第二状态时，所述电流等于流过第二开关的第二开关电流，以及如前所述的用于检测开关变换器中电流的电流检测电路。
本发明一实施例提出了一种用于模拟开关变换器中电感电流并根据电流感应信号生成电流模拟信号的电流模拟电路，其中，开关变换器包括第一开关，第二开关和耦接于第一开关和第二开关的电感，当PWM信号处于第一状态时，流过电感的电感电流等于流过第一开关的第一开关电流，当PWM信号处于第二状态时，流过电感的电感电流等于流过第二开关的第二开关电流，其中电流感应信号表征第二开关电流，电流模拟电路包括：转换电路，具有输入端和输出端，其中，输入端接收电流感应信号，输出端提供与电流感应信号的斜率成比例的第一电流；信号产生电路，根据第一电流生成第二电流；以及开关网络，当PWM信号处于第一状态时，第二电流对电容充电，电流模拟信号增加，当PWM信号处于第二状态时，第一电流对电容放电，电流模拟信号减小。
本发明一实施例提出了一种开关变换器的电感电流检测方法，包括：感应流过开关变换器中开关的电流得到电流感应信号；根据电流感应信号的斜率生成第一电流；根据第一电流生成第二电流；根据第一电流和第二电流生成电流模拟信号；在第一阶段采用电流模拟信号来检测电感电流，在第二阶段采用电流感应信号来检测电感电流，其中，第一阶段和第二阶段是互补的。
根据本发明一实施例，电流模拟信号在上侧开关和下侧开关打开和关断转换时是无须修正的，连续的，因此可以精确的模拟流过电感的电流。根据本发明的实施例提供了一种可以精确表征开关变换器电流的电流检测电路。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述。这些附图仅用于示例。附图通常仅示出实施例中系统或电路的部分特征。
图1示出了现有的电感电流检测电路的降压变换器。
图2给出了现有技术下一种降压变换器中电感电流检测方法的波形示意图。
图3给出了采用本发明一实施例的检测流过开关变换器300中电感34的电感电流的电流检测电路31。
图4给出了根据本发明一实施例的电流检测电路31。
图5给出了根据本发明一实施例的电流感应电路35和采样保持电路53的电路原理图。
图6给出了根据本发明一实施例的电流模拟电路36的电路原理图。
图7给出了依据本发明一实施例的结合图5-6所示电路的信号波形示意图。
图8给出根据本发明一实施例的开关变换器中检测电感电流的方法800的流程图。
图9给出了采用本发明一实施例的结合图5-6所示信号仿真得到的波形图。
图10给出了采用本发明一实施例的结合图5-6所示信号仿真得到的在负载向上跳变时的波形。
贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应该注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其它实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一个实施例或者示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特征组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的，应该理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图2给出了现有技术下一种降压变换器中电感电流检测方法的波形示意图。当PWM信号处于逻辑高状态时，上侧开关打开，流过电感的电流IL增加。此时，表征电感电流的电流感应信号CS等于由并联耦接于上侧开关的第一电流感应电路所感应到的上侧电流信号HS。当PWM信号处于逻辑低状态时，下侧开关打开，流过电感的电流IL减小。此时，电流感应信号CS等于由耦接于下侧开关的第二电流感应电路感应到的下侧电流信号LS。这种电流检测方法需要两个电流感应电路和其它一些外围元件。同时，上侧电流信号HS和下侧电流信号LS与实际的电感电流IL不匹配，都需要修正。此外，信号HS和LS在上侧开关和下侧开关开关转变时都是非连续的、波动的，进一步降低了检测的准确性。
图3给出了采用本发明一实施例的检测流过开关变换器300中电感34的电感电流的电流检测电路31。开关变换器300包括：开关电路30和电流检测电路31。开关电路30包括：第一开关32，第二开关33，电感34以及输出电容37。在本实施例中，开关电路30采用降压变换器。具体的说，第一开关32为上侧开关或者称为主开关，其耦接于输入节点IN和开关节点SW之间，第二开关33为下侧开关，其耦接于开关节点SW和参考地GND之间。电感34耦接于开关节点SW和输出节点OUT之间；输出电容37耦接于输出节点OUT和参考地GND之间，提供输出电压。在本发明一实施例中，第一开关32和第二开关33都采用晶体管，比如说，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
第一开关32由PWM信号控制，第二开关33由信号xPWM控制，信号xPWM与PWM信号是互补关系，或者说信号xPWM是PWM信号的非信号。因此，当PWM信号处于第一状态，比如说逻辑高状态，信号xPWM就处于逻辑低状态，第一开关32打开，第二开关33关闭，电流从输入节点IN流过第一开关32然后到电感34。这段时间内，流过电感34的电感电流IL等于流过第一开关32的第一开关电流I1，流过第二开关33的第二开关电流I2为0，流过电感的电流IL不断增加。当PWM信号处于第二状态，比如说逻辑低状态，信号xPWM就处于逻辑高状态，第一开关32关闭，第二开关33打开，电流流过参考地GND到第二开关33，然后到电感34。这段时间内，电感电流IL等于第二开关电流I2，第一开关电流I1为0，流过电感的电流IL不断减小。在本发明一实施例中，第二开关33采用非同步二极管。
电流检测电路31有输入端311和输出端312，其输入端311耦接至第二开关33，其输出端312输出电流检测信号CD。电流检测电路31包括电流感应电路35和电流模拟电路36，电流感应电路35感应第二开关电流I2；当第二开关电流I2的感应信号不适合表征电感电流IL时，电流模拟电路36模拟电感电流IL。电流感应电路35有输入端和输出端，输入端耦接于第二开关33，输出端输出电流感应信号CS。在本发明一实施例中，电流感应信号CS是电压信号，该电压信号与第二开关电流I2成比例关系。电流感应电路35可以采用任何合适形式的电流感应电路。
电流模拟电路36有输入端和输出端，输入端接收电流感应信号CS，输出端输出电流模拟信号CE。电流模拟电路36包括第一电流源361和第二电流源362，第一电流源361具有第一电流Ioff，第二电流源362具有第二电流Ion。在一实施例中，第一电流源361应使得第一电流Ioff与电流感应信号CS的斜率成比例。在另一实施例中，第一电流Ioff决定第二电流Ion，它们之间满足关系式：Ion＝Ioff×(Toff/Ton)，其中Toff表示PWM信号处于第二状态(例如，逻辑低)的时间，Ton表示PWM信号处于第一状态(例如，逻辑高)的时间。用D表示PWM信号的占空比，上述关系式还可以表示成Ion＝Ioff×(1-D)/D。在本发明一实施例中，电流模拟信号CE可通过在PWM信号处于第一状态时第二电流源362对电容充电，在PWM信号处于第二状态时第一电流源361对电容放电来生成。在本发明一实施例中，电流感应电路35的输出端和电流模拟电路36的输出端耦接在一起，在不同阶段，选择开关选取电流感应信号CS或者电流模拟信号CE耦接到电流检测电路31的输出端。
在第一阶段，电流检测信号CD与电流模拟信号CE成既定比例关系。在第二阶段，电流检测信号CD与电流感应信号CS成上述相同的既定比例关系。在本发明一实施例中，第二阶段时间定义为可以用电流感应信号CS表征电感电流IL的时间，第一阶段是一个周期内除去第二阶段的剩余阶段。在本发明一实施例中，第二阶段的时间包括第二开关打开的时间。在本发明一实施例中，第二阶段的时间包括PWM信号处于第二状态的时间的一部分或者第二开关处于打开状态的时间的一部分，而第一阶段时间包括PWM信号处于第一状态的时间和PWM信号从第一状态跳到第二状态初始时的一段时间。在本发明一实施例中，电流检测信号CD和电流感应信号CS或电流模拟信号CE之间的既定比例系数等于1，电流检测信号CD等于电流感应信号CS或者是电流模拟信号CE。
依据本发明的一些实施例，在第一阶段，感应流过开关的电流得到电流感应信号，在第二阶段，根据电流感应信号对电感电流进行模拟。
开关变换器300还可以包括控制器，其根据电流检测信号CD和/或输出电压产生PWM信号以控制第一开关32和第二开关33的打开和关断。在本发明一实施例中，当表征电感电流IL的电流检测信号CD增加时，PWM信号的占空比会增加。在本发明一实施例中，当电流检测信号CD高于阈值时，第一开关32和第二开关33关断。为了简洁清晰，附图中没有示出所述控制器，这不应视为违背本发明的精神。
在本发明一实施例中，开关电路采用升压变换器。相应地，第一开关包括升压变换器的上侧开关，第二开关包括升压变换器的下侧开关。
图4给出了根据本发明一实施例的电流检测电路31。电流检测电路31包括：电流感应电路35，电流模拟电路36，选择开关41，电容49，跨导放大器46以及电阻47。
电流感应电路35包括：第一输入端351，第二输入端352以及输出端353。其中，第一输入端351耦接于第二开关33的第一端和开关节点SW，第二输入端352耦接于第二开关33的第二端，输出端353通过选择开关41耦接到跨导放大器46。电流感应电路35感应流过第二开关33的第二开关电流，生成电流感应信号CS。在本发明一实施例中，电流感应信号CS与第二开关电流成比例关系。当第二开关33打开时，流过第二开关33的第二开关电流等于电感电流，因此，这期间内的电流感应信号CS与电感电流成比例关系。
信号SH1控制选择开关41选择电流感应信号CS或者是电流模拟信号CE，并据此生成电流检测信号CD。在第一阶段，信号SH1处于第一逻辑状态，选择开关41将电流模拟信号CE传输到跨导放大器46的输入端。此时，电流检测信号CD由电流模拟信号CE决定。在第二阶段，信号SH1处于第二逻辑状态，选择开关41将电流感应电路35的输出端353耦接到跨导放大器46。此时，电流检测信号CD由电流感应信号CS决定。
电流模拟电路36具有输入端361和输出端362，其中，输入端361耦接到电流感应电路35的输出端353以接收电流感应信号CS，输出端362输出电流模拟信号CE。在本发明一实施例中，电流感应信号CS和电流模拟信号CE分别是相对于参考地的正电压和负电压的差分电压信号，电容49可以采用两个电容。
电流模拟电路36包括：转换电路44，信号产生电路45，多个电流镜481和482以及开关网络42。转换电路44有输入端和输出端，输入端接收电流感应信号CS，输出端提供第一电流Ioff到第一电流源361。在本发明一实施例中，第一电流Ioff与电流感应信号CS的斜率成比例，用来表征电流感应信号CS的斜率。转换电路44输出第一电流Ioff到第一电流源361。
信号产生电路45包括具有第二电流Ion的第二电流源362，其中，第二电流Ion是根据第一电流Ioff生成的。在本发明一实施例中，第二电流Ion与第一电流Ioff之间满足关系式Ion＝Ioff×(Toff/Ton)，其中Toff表示电感电流不断减小的时间，Ton表示电感电流不断增加的时间。
电流镜481对第一电流源361进行镜像，镜像出至少一个第一电流Ioff；电流镜482对第二电流源362进行镜像，镜像出至少一个第二电流Ion。
开关网路42包括多个开关。当PWM信号处于第一状态，比如说逻辑高状态，第二电流Ion对电容49进行充电，相应地，电流模拟信号CE增加。当PWM信号处于第二状态，比如说逻辑低状态，此时信号xPWM就是逻辑高状态，第一电流Ioff对电容49进行放电以使电流模拟信号CE减小。
跨导放大器46有输入端，输入端通过选择开关41耦接到电流模拟电路36的输出端362接收电流模拟信号CE或者耦接到电流感应电路的输出端353接收电流感应信号CS。当信号SH1处于第一逻辑状态时，跨导放大器46接收电流模拟信号CE，并根据电流模拟信号CE输出与其成一定比例关系的电流信号，当信号SH1处于第二逻辑状态时，跨导放大器46接收电流感应信号CS，并根据电流感应信号CS输出与其成一定比例关系的电流信号。
电容49的第一端耦接到跨导放大器46的输入端，第二端耦接到参考地GND。在本发明一实施例中，当信号SH1处于第一逻辑状态时，选择开关41与电流感应电路35的输出端353断开，第二电流Ion对电容49进行充电或者第一电流Ioff对电容49进行放电以形成电流模拟信号CE。当信号SH1处于第二逻辑状态时，选择开关41连接电流感应电路35的输出端353到跨导放大器46的输入端。跨导放大器46输入端的电压等于电流感应信号CS。在本发明另一个实施例中，选择开关的控制端耦接信号SH1，第一端耦接于跨导放大器46的输入端，信号SH1处于第一逻辑状态时第二端耦接到电流模拟电路36的输出端，当信号SH1处于第二逻辑状态时第二端耦接到电流感应电路35的输出端。
电阻47具有第一端和第二端，第一端耦接于跨导放大器46的输出端，第二端耦接于参考地GND。跨导放大器46输出的电流信号在电阻47的第一端转换成电压信号，该电压信号形成电流检测信号CD。
在选择开关41耦接电流模拟信号CE到跨导放大器46的第一阶段，电流检测信号CD与电流模拟信号CE成一定的比例，其中，电流模拟信号CE与第一电流Ioff或者第二电流Ion按既定比例关系变化。在选择开关41耦接电流感应信号CS到跨导放大器46的第二阶段，电流检测信号CD与电流感应信号CS成既定比例关系。其中，电流检测信号CD与电流感应信号CS之间的比例关系同电流检测信号CD与电流模拟信号CE之间的比例关系相同。所述既定比例系数取决于跨导放大器46和电阻47的参数。在本发明一实施例中，跨导放大器46的跨导增益为gm，电阻47的阻值为R，则既定比例系数就是gm×R。
在另一发明实施例中，可以省略跨导放大器46和电阻47。在第一阶段，电流检测信号CD等于电流模拟信号CE，在第二阶段，电流检测信号CD等于电流感应信号CS。这种情况下，既定比例系数等于1。
在另一发明实施例中，电流检测电路不包括选择开关41，电流模拟信号CE还可以进一步用于电路控制，比如说直接控制PWM信号。在本发明一实施例中，电流模拟电路是以独立电子封装的形式存在的。在一发明实施例，电流模拟电路还包括跨导放大器46和电阻47，用来生成电流模拟信号，该电流模拟信号可以进一步用于电路控制，比如说直接生成PWM信号。
图5给出了根据本发明一实施例的电流感应电路35和采样保持电路53的电路原理图。电流感应电路35输出差分形式的电流感应信号。电流感应电路35的第一输入端351耦接于第二开关33的的第一端和开关节点SW，第二输入端352耦接于第二开关33的第二端和参考地GND，第三输入端354耦接信号xPWM，第一输出端355输出正电流感应信号Vcs+，第二输出端356输出负电流感应信号Vcs-。所述电流感应信号Vcs是正电流感应信号(Vcs+)和负电流感应信号(Vcs-)之间的差值，关系式如Vcs＝(Vcs+)-(Vcs-)所示。
电流感应电路35包括感应晶体管模块51和感应放大器52。感应晶体管模块51包括第一感应开关511和第二感应开关512。在本发明一实施例中，感应晶体管模块51与第二开关33制作在同一个半导体衬底上。感应晶体管模块51的第一端耦接于第二开关33的第一端和开关节点SW，其第二端耦接于第二开关33的第二端和参考地GND，其第三端耦接于第二开关33的控制端以接收控制信号xPWM，其第四端和第五端耦接于感应放大器52。下侧开关33包括N个并联的晶体管，N是一个整数，第一感应开关511和第二感应开关512各自包括一个晶体管。相应地，第一感应开关511的导通电阻或者第二感应开关512的导通电阻是第二开关33的导通电阻的N倍。第一感应开关511的第一端耦接于开关节点SW，其第二端耦接于感应放大器52的输入端，其控制端耦接信号xPWM。第二感应开关512的第一端耦接到参考地GND，其控制端耦接于电压源VCC，其第二端耦接于感应放大器52的第二输入端。电感电流IL由开关节点SW处的电压和开关33的导通电阻决定。因此，通过感应开关节点SW处的电压，匹配第二开关33与感应晶体管模块51中的导通电阻，可以感应电感电流IL。
感应放大器52有第一输入端，第二输入端，第一输出端和第二输出端，其第一输入端和第二输入端耦接于感应流过第二开关33的电流的感应晶体管模块51，其第一输出端得到正电流感应电压信号Vcs+，其第二输出端得到负电流感应电压信号Vcs-，其中，电流感应信号是第一输出端感应电压信号Vcs+和第二输出端感应电压信号Vcs-之间的差分电压。感应放大器52包括：电压控制模块521，两个电流镜522和523，两个电阻524和525以及两个电压跟随器526和527。感应放大器52输出电流感应信号CS，Vcs＝(Vcs+)-(Vcs-)＝IL×k，其中k为由N和R决定的固定值，R是电阻524和525的阻值。
采样保持电路53包括：第一电容531，第二电容532，第一选择开关533和第二选择开关534。第一电容531有两端，其第二端耦接到参考地GND。第二电容532有两端，其第二端耦接到参考地GND。第一选择开关533有第一端，第二端和控制端，其第一端耦接于电流感应电路35的第一输出端355，其第二端耦接到第一电容531的第一端，其控制端耦接控制信号SH1。第二选择开关534有第一端，第二端和控制端，其第一端耦接到电流感应电路35的第二输出端356，其第二端耦接到第二电容532的第一端，其控制端耦接控制信号SH1。
当信号SH1处于第一逻辑状态时，比如说逻辑低状态，第一选择开关533和第二选择开关534关断，电流感应电路35的第一输出端355与第一电容531断开，电流感应电路35的第二输出端356与第二电容532断开，第一电容531的第一端电压和第二电容532的第一端电压之间的差值提供电流模拟信号。此时，电流检测信号由电流模拟信号决定。
当信号SH1处于第二逻辑状态，比如说逻辑高状态，第一选择开关533和第二选择开关534打开，第一电容531的第一端处的电压和第二电容532的第一端处的电压之间的电压差值提供电流感应信号，该电流感应信号是差分电压形式,Vcs＝(Vcs+)-(Vcs-)。此时，表征电感电流的电流检测信号由电流感应信号决定。
图6给出了根据本发明一实施例的电流模拟电路36的电路原理图。在所示实施例中，电流感应信号和电流模拟信号都是差分信号，电压Vcs+和电压Vcs-之间的差分电压为电流感应信号。电流模拟电路36有第一输入端363，第二输入端364，第一输出端365和第二输出端366。其中，输入端363和364接收差分电流感应信号，输出端365和366输出差分电流模拟信号。
电流模拟电路36包括：转换电路44，信号产生电路45，用于形成多个电流源601-608的多个电流镜以及开关网络42。电流模拟电路36与采样保持电路53共享第一电容531和第二电容532。转换电路44的第一输入端耦接于电流模拟电路36的第一输入端363，接收正电流感应电压信号Vcs+，转换电路44的第二输入端耦接于电流模拟电路36的第二输入端364，接收负电流感应电压信号Vcs-，电流感应信号即为Vcs＝(Vcs+)-(Vcs-)。转换电路44将电流感应信号转换成第一电流Ioff,形成电流源68。电容67和信号SH2控制的开关实现对第一电流Ioff的采样和保持，并形成第一电流源601。多个电流镜对第一电流Ioff进行镜像，形成多个具有第一电流Ioff的第一电流源602-604。
信号产生电路45根据第一电流Ioff生成并调整第二电流Ion并形成第二电流源66。多个电流镜对第二电流Ion进行镜像，形成多个第二电流源605-608。信号产生电路45包括：放大器65，第一电容631，第二电容632，第三电容633，第一开关621，第二开关622，第三开关623，第四开关624，第五开关625，第一晶体管64，第二晶体管66，第三晶体管605。其中，第一电容631耦接于放大器65的同相输入端和参考地GND之间，第二电容632耦接于放大器65的反相输入端和参考地GND之间。第三电容633耦接于第五开关625和参考地GND之间。第一开关621耦接于电容631两端。第二开关622耦接于电容632两端。第三开关623耦接于第一电流源601和电容631之间。第四开关624耦接于第三晶体管605和电容632之间。第五开关625耦接于放大器65的输出端和晶体管64的控制端之间。第一晶体管64的第一端耦接到参考地GND，其第二端耦接于第二晶体管66，其控制端耦接于第五开关625。第二晶体管66和第三晶体管605形成电流镜以镜像电流Ion。开关621-625分别由信号RS1,RS2,HOLD1,HOLD2和SH3控制。第一电容631和第二电容632的电容值相同。信号产生电路45根据第一电流Ioff生成并调整第二电流Ion。图7将对信号产生电路45的功能进行详细描述。在一实施例中，放大器65包括跨导放大器。在一实施例中，放大器65可以替换为比较器。
开关网络42包括多个开关611-614，其中开关611和612耦接于第二电流源606和608，并由控制降压变换器的上侧开关的PWM信号控制。开关613和614耦接于第一电流源603和604上，由信号xPWM控制，信号xPWM是PWM信号的非信号。开关611和614的公共点耦接于电流模拟电路36的第一输出端365，同时耦接于采样保持电路53的第一电容531。开关612和613的公共点耦接于电流模拟电路36的第二输出端366，同时耦接于采样保持电路53的第二电容532。当控制信号SH1处于第一逻辑状态，比如说逻辑低状态，第一选择开关533和第二选择开关534都处于关断状态，此时若PWM信号处于逻辑高状态，则第二电流Ion对第一电容531进行充电且对第二电容532进行放电；若PWM信号处于逻辑低状态，第一电流Ioff对第二电容532进行充电且对第一电容531进行放电。第一电容531的第一端电压V2+和第二电容532的第一端电压V2-的差值用于提供电流模拟信号，其值等于Vce＝(V2+)-(V2-)。
跨导放大器46有第一输入端，第二输入端和输出端，第一输入端耦接到第一电容531的第一端和电流模拟电路36的第一输出端365，其第二输入端耦接到第二电容532的第一端和电流模拟电路36的第二输出端366，其输出端耦接到电阻47并输出电流检测信号CD。在信号SH1关断开关533和534的第一阶段，电流检测信号CD由电流模拟信号决定，在信号SH1打开开关533和534的第二阶段，电流检测信号CD由电流感应信号决定。
图7给出了依据本发明一实施例的结合图5-6所示电路的信号波形示意图。在时刻t1，PWM信号跳变至逻辑高的第一状态，开关611和612打开，开关613和614关断。在时刻t1，信号SH1跳变至逻辑低，开关533和534关断以使第一电容531和第二电容532保持电流感应信号CS。第二电流Ion开始对第一电容531充电且对第二电容532放电，电流模拟信号Vce＝(V2+)-(V2-)开始增加。在时刻t1，信号SH2跳变至逻辑低以保持表征电流感应信号斜率的第一电流Ioff。在t1时刻，信号SH3跳变至逻辑高，开关625打开。信号HOLD1和HOLD2都处于逻辑高，开关623和624关断，相应的斜坡打开电压AS-on和斜坡关断电压AS-off被保持。此时，如果斜坡关断电压AS-off小于斜坡打开电压AS-on，晶体管64的控制端电压减小，第二电流Ion减小。如果斜坡关断电压AS-off大于斜坡打开电压AS-on，晶体管64的控制端电压增加，相应地，第二电流Ion增加。在很短的时间内，第二电流Ion增加或者减小直至斜坡打开电压AS-on和斜坡关断电压AS-off相等。一小段时间后，在时刻t2，开关625关断，表征下一周期的斜坡打开电压AS-on斜率的第二电流Ion被保持。在本发明一实施例中，t1-t2的时间大概有10-20ns。
从时刻t1到t4，开关611和612打开，开关613和614关断，第二电流源606以第二电流Ion对第一电容531进行充电，第二电流源608以第二电流Ion对第二电容532放电。相应地，等于电压V2+和电压V2-之间差值的电流模拟信号会增加。
在时刻t2，信号SH3跳变到逻辑低以关断开关625，信号RS1和RS2跳变到逻辑高以打开开关621和622,斜坡打开电压AS-on和斜坡关断电压AS-off重置为0。在时刻t2，信号HOLD1和HOLD2跳变至逻辑低以打开开关623和624。其中，信号HOLD1可以在PWM信号跳变为逻辑低之前的任何时间跳到逻辑低，信号HOLD2可以在RS2跳到逻辑低之前的任何时间内跳到逻辑低。
在时刻t3，信号RS2跳到逻辑低状态以关断开关622。此时，开关624打开，第二电流源605的第二电流Ion开始对电容632充电，相应的斜坡打开电压AS-on开始增加。斜坡打开电压AS-on增加直到时刻t5，信号HOLD2跳到逻辑高以关断开关624，斜坡打开电压AS-on保持在固定值，t3-t5的时间等于PWM信号处于逻辑高状态的时间，也就是斜坡打开电压AS-on增加的时间等于PWM信号处于逻辑高状态的时间。也就是t3-t5的时间等于t1-t4的时间。在t5到t8的这段时间，斜坡打开电压AS-on保持为固定值(Ion×Ton)/C，其中Ton为t3到t5的时间，C为电容632的容值。
在时刻t4，PWM信号跳变到逻辑低状态的第二状态，开关613和614打开，开关611和612关断。第一电流源603的第一电流Ioff开始对第二电容532进行充电，第一电流源604的第一电流Ioff开始对第一电容531进行放电，电流模拟信号减小。在时刻t4，信号RS1跳变到逻辑低以关断开关621，第一电流Ioff开始对电容631进行充电，斜坡关断电压AS-off开始增加。斜坡关断电压AS-off一直增加直到时刻t8，此时PWM信号再次跳到逻辑高状态，意味着斜坡关断电压AS-off增加的时间等于PWM信号处于逻辑低状态的时间。在时刻t8，斜坡关断电压AS-off保持在(Ioff×Toff)/C，此处Toff的时间是从t4到t8的时间，C是电容631的电容值。信号产生电路45的目的是控制斜坡关断电压AS-off等于斜坡打开电压AS-on，它们之间满足关系式(Ion×Ton)/C＝(Ioff×Toff)/C，因此Ion可以用关系式Ion＝Ioff×Toff/Ton计算。因为Toff等于PWM信号处于逻辑低状态的时间，Ton等于PWM信号处于逻辑高状态的时间，因此，可以得到关系式Ion＝Ioff×Toff/Ton＝Ioff×(1-D)/D，此处，D表示PWM信号的占空比，这样，电流模拟信号可以精确地匹配实际的电感电流。
在时刻t6，信号SH1跳变到逻辑高状态，开关533和534打开，电流感应电路的输出电压信号Vcs+和Vcs-耦接到电流检测电路的输出端。同时，电流模拟电路36的输出端365和366提供的第一电流Ioff被电流感应电路35中电压跟随器526和527吸收。电流检测信号CD开始由Vcs+和Vcs-之间的电压差表示的电流感应信号决定。时刻t6应在电流感应信号CS可以精确地表征电感电流时选取。
在时刻t7，信号SH2跳到逻辑高，以电压Vcs+和Vcs-表征的电流感应信号调节第一电流源601-604的第一电流Ioff。时刻t7应在电流感应信号已经高精确地表征电感电流一段时间时选取。
在时刻t8，PWM信号再次跳变到逻辑高状态，斜坡关断电压AS-off保持在(Ioff×Toff)/C，重复时刻t1的控制，新的控制周期开始。
在t1-t6这第一阶段，信号SH1处于逻辑低状态，电流检测信号CD由电流模拟信号CE决定。在t6-t8这第二阶段，信号SH1处于逻辑高状态，电流检测信号CD由电流感应信号CS决定。在一些特定的发明实施例中，在第一阶段，电流检测信号CD等于电流模拟信号CE，在第二阶段，电流检测信号CD等于电流感应信号CS。这样，第二阶段包括PWM信号处于逻辑低状态且第二开关(降压变换器的下侧开关)打开的时间的一部分，第一阶段包括PWM信号处于逻辑高状态的时间以及PWM信号处于逻辑低状态的初始时的一段时间。因此，PWM信号从逻辑高状态跳变到逻辑低状态这一时间段的电流感应信号的修正不会出现在电流检测信号中，这样电流检测信号的精确性更高，且PWM信号高低跳变过渡十分平滑。
应该知晓，逻辑信号的高状态和低状态是可以互换的，且其产生相同的控制作用。
图8给出根据本发明一实施例的开关变换器中检测电感电流的方法800的流程图。开关变换器包括第一开关，第二开关以及耦接于第一开关和第二开关的电感。当PWM信号处于第一状态，比如说逻辑高状态，第一开关打开，流过第一开关的电流等于流过电感的电感电流。当PWM信号处于第二状态，比如说是逻辑低状态，第二开关打开，流过第二开关的电流等于电感电流。方法800包括步骤S801：感应流过开关的开关电流，比如说通过电流感应电路感应流过开关SL的电流，得到电流感应信号Vcs。方法800包括步骤S802：根据电流感应信号Vcs的斜率生成第一电流Ioff。方法800包括步骤S803：根据第一电流Ioff生成第二电流Ion。在本发明一实施例中，第二电流Ion根据关系式Ion＝Ioff(1-D)/D得到，其中D表示PWM信号的占空比。方法800包括步骤S804：根据第一电流Ioff和第二电流Ion生成电流模拟信号。在本发明一实施例中，PWM信号处于第一状态时对电容充电，PWM信号处于第二状态时对电容放电生成电流模拟信号Vce。方法800还包括步骤S805：在第一阶段，根据电流模拟信号来检测电感电流，在第二阶段，根据电流感应信号来检测电感电流。在本发明一实施例中，第一阶段与第二阶段互补。在另一实施例中，不是所有的电流检测信号都是我们需要的，第一阶段和第二阶段是非连续的。在本发明一实施例中，第二阶段是PWM信号处于逻辑低状态的时间的一部分，即开关SL打开的时间的一部分，第一阶段是第二阶段的互补阶段。
方法800还包括通过电流感应信号和电流模拟信号生成电压信号，通过跨导放大器将该电压信号转换成电流信号，将该电流信号转换成可以表征电感电流的电流检测信号。在一实施例中，所述电压信号在第一阶段等于电流模拟信号，在第二阶段等于电流感应信号。
该方法可以模拟PWM信号处于第一状态的全部时间内和PWM信号处于第二状态初始时部分时间内的电感电流。根据电流模拟信号生成的电流检测信号既不需要信号修正，也不受开关跳变的影响，可以高精确地表征真实的电感电流。
图9给出了采用本发明一实施例的结合图5-6所示信号仿真得到的波形图。从该波形图中可以看到，包括电流模拟信号CE的电流检测信号CD可以精确的匹配电感电流IL。
图10给出了采用本发明一实施例的结合图5-6所示信号仿真得到的在负载向上跳变时的波形。从该波形中可以看到，当负载向上跳变时，电流检测信号CD可以很好的匹配电感电流IL。
上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其它可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其它变化和修改并不超出本发明的精神和权利要求限定的保护范围。

Claims (19)

1.一种用于检测开关变换器中电流的电流检测电路，其中，开关变换器包括第一开关和第二开关，当PWM信号处于第一状态时，所述电流等于流过第一开关的第一开关电流，当PWM信号处于与第一状态不同的第二状态时，所述电流等于流过第二开关的第二开关电流，电流检测电路包括：
电流感应电路，耦接至第二开关以接收第二开关电流，并生成表征第二开关电流的电流感应信号；以及
电流模拟电路，具有输入端和输出端，输入端接收电流感应信号，输出端根据电流感应信号输出电流模拟信号；
其中，电流检测电路提供表征开关变换器中所述电流的电流检测信号，在第一阶段，电流检测信号与电流模拟信号成既定比例，在第二阶段，电流检测信号与电流感应信号成既定比例，其中，电流检测信号与电流感应信号的比例关系和电流检测信号与电流模拟信号的比例关系相同。
2.如权利要求1所述的电流检测电路，其中，第二阶段包括第二开关打开的时间的一部分，第二阶段与第一阶段互补。
3.如权利要求1所述的电流检测电路，其中，电流模拟电路根据电流感应信号生成第一电流且根据第一电流生成第二电流，并且根据第一电流和第二电流生成电流模拟信号。
4.如权利要求1所述的电流检测电路，其中，电流模拟电路包括：
转换电路，具有输入端和输出端，输入端接收电流感应信号，输出端提供第一电流，其中，第一电流与电流感应信号的斜率成比例；
信号产生电路，根据第一电流生成第二电流；以及
开关网络，当PWM信号处于第一状态时，第二电流对电容充电，电流模拟信号增加，当PWM信号处于第二状态时，第一电流对电容放电，电流模拟信号减小。
5.如权利要求4所述的电流检测电路，其中信号产生电路根据关系式Ion＝Ioff×(1-D)/D生成第二电流，其中Ion表示第二电流，Ioff表示第一电流，D表示PWM信号的占空比。
6.如权利要求4所述的电流检测电路，其中信号产生电路包括：
放大器或比较器，具有第一输入端，第二输入端和输出端；
第一电容，耦接于放大器或比较器的第一输入端和参考地之间；
第二电容，耦接于放大器或比较器的第二输入端和参考地之间；
第一开关，并联耦接于第一电容的两端；
第二开关，并联耦接于第二电容的两端；
第三开关，耦接于具有第一电流的第一电流源和第一电容之间；
第四开关，具有第一端和第二端，第一端耦接至第二电容，第四开关打开的时间等于PWM信号处于第一状态的时间；
第五开关，具有第一端，第二端和控制端，其中，第一端耦接至放大器或比较器的输出端；
第一晶体管，具有第一端，第二端和控制端，其中，控制端耦接到第五开关的第二端，第二电流生成于第一晶体管的第一端和第二端之间，第五开关打开时，第二电流是可调的；
第二晶体管，串联耦接于第一晶体管；以及
第三晶体管，耦接于第四开关的第二端，其中，第三晶体管与第二晶体管形成电流镜。
7.如权利要求1所述的电流检测电路，其中开关变换器采用降压变换器，第一开关包括降压变换器的上侧开关，第二开关包括降压变换器的下侧开关。
8.如权利要求1所述的电流检测电路，其中，当PWM信号处于第一状态时，第一开关打开，第二开关关断，当PWM信号处于第二状态时，第二开关打开，第一开关关断。
9.如权利要求1所述的电流检测电路，还包括：
选择开关，具有两端，第一端耦接于电流感应电路的输出端；
跨导放大器，具有输入端和输出端，输入端耦接于电流模拟电路的输出端和选择开关的第二端，输出端提供电流信号；以及
电阻，具有第一端和第二端，第一端耦接于跨导放大器的输出端以提供电流检测信号，第二端耦接于参考地。
10.如权利要求1所述的电流检测电路，其中电流感应电路有第一输出端和第二输出端，电流模拟电路有第一输入端和第二输入端，电流检测电路还包括：
第一电容，具有第一端和第二端，第二端耦接于参考地；
第二电容，具有第一端和第二端，第二端耦接于参考地；
第一选择开关，具有第一端，第二端和控制端，第一端耦接到电流感应电路的第一输出端，第二端耦接于第一电容的第一端和电流模拟电路的第一输入端，控制端耦接于控制信号；以及
第二选择开关，具有第一端，第二端和控制端，第一端耦接于电流感应电路的第二输出端，第二端耦接于第二电容的第一端和电流模拟电路的第二输入端，控制端耦接于控制信号；其中
当控制信号处于第一逻辑状态时，第一选择开关和第二选择开关打开，第一电容第一端和第二电容第一端之间的电压差用于生成电流感应信号；
当控制信号处于第二逻辑状态时，第一选择开关和第二选择开关关断，第一电容第一端和第二电容第一端之间的电压差用来提供电流模拟信号，当PWM信号处于第一状态时，第二电流对第一电容进行充电且对第二电容进行放电，当PWM信号处于第二状态时，第一电流对第二电容进行充电且对第一电容进行放电。
11.如权利要求10所述的电流检测电路，还包括：
跨导放大器，具有第一输入端，第二输入端和输出端，第一输入端耦接于第一电容的第一端，第二输入端耦接到第二电容的第一端，跨导放大器将第一电容的第一端和第二电容的第一端之间的电压差转换成电流信号；以及
电阻，具有第一端和第二端，第一端耦接于跨导放大器的输出端，第二端耦接到参考地，其中，第一端输出电流检测信号。
12.如权利要求1所述的电流检测电路，其中的电流感应电路包括：
感应晶体管模块，具有第一端、第二端、第三端和第四端，第一端耦接于第二开关的第一端，第二端耦接于第二开关的第二端，第三端耦接于第二开关的控制端，其中，感应晶体管模块和第二开关集成在同一个半导体衬底上；以及
感应放大器，耦接于感应晶体管模块的第四端，提供电流感应信号。
13.一种开关变换器，具有电流，开关变换器包括：
第一开关和第二开关，当PWM信号处于第一状态时，所述电流等于流过第一开关的第一开关电流，当PWM信号处于与第一状态不同的第二状态时，所述电流等于流过第二开关的第二开关电流；以及
如权利要求1到12中任一权利要求所述的用于检测开关变换器中电流的电流检测电路。
14.一种用于模拟开关变换器中电感电流并根据电流感应信号生成电流模拟信号的电流模拟电路，其中，开关变换器包括第一开关，第二开关和耦接于第一开关和第二开关的电感，当PWM信号处于第一状态时，流过电感的电感电流等于流过第一开关的第一开关电流，当PWM信号处于第二状态时，流过电感的电感电流等于流过第二开关的第二开关电流，其中电流感应信号表征第二开关电流，电流模拟电路包括：
转换电路，具有输入端和输出端，其中，输入端接收电流感应信号，输出端提供与电流感应信号的斜率成比例的第一电流；
信号产生电路，根据第一电流生成第二电流；以及
开关网络，当PWM信号处于第一状态时，第二电流对电容充电，电流模拟信号增加，当PWM信号处于第二状态时，第一电流对电容放电，电流模拟信号减小。
15.如权利要求14所述的电流模拟电路，其中信号产生电路根据关系式Ion＝Ioff×(1-D)/D产生第二电流，其中Ion表示第二电流，Ioff表示第一电流，D表示PWM信号的占空比。
16.如权利要求14中的电流模拟电路，其中信号产生电路包括：
放大器或比较器，具有第一输入端，第二输入端和输出端；
第一电容，耦接于放大器或比较器的第一输入端和参考地之间；
第二电容，耦接于放大器或比较器的第二输入端和参考地之间；
第一开关，并联耦接于第一电容的两端；
第二开关，并联耦接于第二电容的两端；
第三开关，耦接于具有第一电流的第一电流源和第一电容之间；
第四开关，具有第一端和第二端，其中，第一端耦接于第二电容，第四开关打开的时间等于PWM信号处于第一状态的时间；
第五开关，具有第一端，第二端和控制端，其中，第一端耦接至放大器或比较器的输出端；
第一晶体管，具有第一端，第二端和控制端，其中，控制端耦接于第五开关的第二端，第二电流产生于第一晶体管的第一端和第二端之间，第五开关打开时，第二电流是可调的；
第二晶体管，串联耦接于第一晶体管；以及
第三晶体管，耦接于第四开关的第二端，其中，第三晶体管与第二晶体管形成电流镜。
17.一种开关变换器的电感电流检测方法，包括：
感应流过开关变换器中开关的电流得到电流感应信号；
根据电流感应信号的斜率生成第一电流；
根据第一电流生成第二电流；
根据第一电流和第二电流生成电流模拟信号；
在第一阶段采用电流模拟信号来检测电感电流，在第二阶段采用电流感应信号来检测电感电流，其中，第一阶段和第二阶段是互补的。
18.如权利要求17所述的电感电流检测方法，第一电流和第二电流之间满足关系式：Ion＝Ioff×(1-D)/D，其中Ion表示第二电流，Ioff表示第一电流，D是开关变换器中控制主开关的PWM信号的占空比。
19.如权利要求17所述的电感电流检测方法，电流模拟信号生成的步骤包括利用第一电流对电容进行充电，相继利用第二电流对电容进行放电。
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