CN104638953A - 一种电流检测电路及其控制回路 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种电流检测电路及其控制回路。它主要是解决传统的电流检测电路成本高、电流信号检测精度低、损耗大，动态稳定性差，不能连续稳流输出的问题。本发明包括电源转换电路和功率转换级电路，其特征是：功率转换级电路中的电感L与二极管D1串联，其串联节点接主开关S1的一个输入点D，主开关S1的另一个输入点F与驱动控制管S2和电阻R2串联电路串接，主开关S1的控制端点E与辅助电源电路连接，驱动控制管S2和电阻R2串联电路的串联节点接控制电路(16)的U端，控制电路的H端与驱动控制管S2的控制端连接，控制电路的D端与主开关S1的输入点D连接。本发明的电路简单，易于集成；功耗低，稳定性好；检测精度高；保证连续稳流输出。

Description

一种电流检测电路及其控制回路
 技术领域
本发明涉及一种电流检测电路，具体的是涉及一种电流检测电路及其控制回路和电源转换电路。
背景技术
开关电源由于在体积、重量、效率和可靠性等多方面的优势，目前在计算机、通信、家用电器、雷达、空间技术等众多领域中已基本上取代了传统的线性稳压电源。就其电路拓扑结构可以分为电流模式控制和电压模式控制。电流模式控制具有动态反应快，补偿电路简单，增益带宽高，输出电压小，易于均流等优点，因而得到越来越广泛的应用。电流检测电路是在电流路径上配置电流检测电阻，利用电流检测电阻的两端电压之差来检测流过所述电流检测电阻的电流。在这种电路中，希望尽可能减少电流检测电阻的电阻值，从而尽量减小这里的压降；另一方面，当电流检测电阻上的压降变小时，难以检测该压降，特别是要检测微小电流时，必须检测非常小的电压差，电流检测变得很困难。电流模式的控制需要准确、高效地检测功率管上电流值，故电流检测电路的实现成为电流模式控制开关电源设计的一个重要问题。传统的电流检测电路，成本高、电流信号检测精度不高、损耗大，特别是当功率管上流过大电流时，该损耗是很大的，因此严重影响了芯片的效率。
松下电器产业株式会社申请的发明专利《电流检测电路》， 使用静电电容和二极管，在功率晶体管的漏极电压上升时，保护用MOSFET的栅极电压上升。箝压电路将保护用MOSFET的栅极电压固定在规定的箝压电压。电压控制电路使检测晶体管的漏极电压与保持用MOSFET的源极电压实质一致。检测电路对检测晶体管的漏极电流进行检测。上海北京大学微电子研究院申请的发明专利《电流检测电路》，公开了一种电流检测电路，与传统电流检测电路相比，特征在 比较器，在分压电阻两端并联了两个电阻。采用这种方法，可以很大范围降低比较器输入端电压。从低压电流检测到低电压电流检测均将适用。此电路结构不仅适用于由分离元件构成的电路中，也适用于芯片中的电流检测。对于低压工艺的芯片，采用该技术可以检测高压电路中的电流。但是，上述电流检测电路仍然存在如下缺点：1）类似电路复杂，成本高，不易于集成；2）功率损耗大，发热特别快，影响整个电路的稳定性；3）检测微小电流时，精度不高，甚至难以检测到；4）动态稳定性比较差，导致稳定性不好控制，不能连续稳流输出。 
发明内容
本发明的目的是针对上述不足而提出的电路 简单 ，易于集成，检测精度高，功率损耗低，温度特性好，动态稳定性好的电流检测电路及其控制回路 。
本发明的技术解决方案是：电流检测电路及其控制回路包括电源转换电路和功率转换级电路，其特征是：功率转换级电路 中的电感L 与二极管D1串联，其串联节点接主开关S1的一个输入点D ，主开关S1的另一个输入点 F 与驱动控制管S2 和电阻R2串联电路串接，主开关S1的控制端点E 与辅助电源电路 连接，驱动控制管S2 和电阻R2串联电路的串联节点接控制电路(16)的U端，控制电路 的H端与驱动控制管S2的控制端 连接，控制电路 的D 端与主开关S1的输入点D 连接。 
本发明的技术解决方案中 所述的控制电路 包括峰谷检测电路 、同步电流检测电路 和驱动控制电路，同步电流检测电路 的输出端与控制电路 上的H端之间串接有误差放大器Err-amp、控制器 U1和驱动控制电路  串联电路，峰谷检测电路 并接在控制电路 的D 端和H端 之间。
本发明的技术解决方案中所述的同 步 电流检测电路 包括采样保持电路 、上升沿检测电路 、下降沿检测电路 、时序控制电路 、同步检测电路 以及低通滤波器，采样保持电路 的第一端S11与端口U相连，第二端S12与时序控制电路 的第一端S41相连，第三端S13与同步检测电路 的第一端S51相连，上升沿检测电路 的第一端S21与 端口D 相连，第二端S22与时序控制电路 的第二端S42相连，下降沿检测电路 的第一端S31与端口 D 相连，第二端S32与时序控制电路 的第三端S43相连，时序控制电路 的第四端S44与同步检测电路 的第二端S52相连，同步检测电路 的第三端S53与低通滤波器 的第一端S61相连，低通滤波器 的第二端S62与误差放大器Err-amp的输入端相连。
本发明的技术解决方案 中所述的采样保持电路包括N沟道场效应管N1、反相器INV1、电容C3、放大器A1、电阻R3、R4，N沟道场效应管N1的漏极连接于端口U节点 ，N沟道场效应管N1的栅极与反相器INV1的输入端相连，源极通过电容C3接地，反相器INV1的输入端与一控制端CTL相连，放大器A1的同相输入端与N沟道场效应管N1的源极相连，反相输入端通过电阻R3接地，输出端通过电阻R4与反相输入端相连 。 
本发明的技术解决方案中所述的上升沿检测电路 包括放大器A2、电阻R5及R6，电阻R5的一端连接于端口D节点 ，另一端通过电阻R6接地，放大器A2的同相输入端连接于电阻R5与R6 的串联节点，反相输入端与一基准电压端VREF2相连 。 
本发明的技术解决方案中所述的 下降沿检测电路 包括放大器A3、反相器INV2、N沟道场效应管N2、电容C4、钳位齐纳管Z1-Z4，电阻R7及R8，电阻R7的一端连接于端口D节点 ，另一端通过电阻R8接地，电容C4的一端连接于电阻R7与R8串联 节点，另一端与放大器A3的同相输入端相连，放大器A3的反相输入端与一基准电压端VREF1相连，输出端与反相器INV2的输入端相连，N沟道场效应管N2的栅极及漏极均与放大器A3的同相输入端相连，源极接地，钳位齐纳管Z1的阴极连接于电阻R7与R8串联 节点，阳极依次通过钳位齐纳管Z2-Z4接地。 .  
本发明的技术解决方案中所述的时序控制电路 包括D触发器DF1及DF2，D触发器DF1的时钟信号端CK与下降沿检测电路 中的反相器INV2的输出端相连，复位端R与采样保持电路 中的反相器INV1的输出端相连，信号输入端D与一电源VDD相连，输出端Q与D触发器DF2的复位端R相连，反相输出端QB悬置，D触发器DF2的时钟信号端CK与上升沿检测电路 中的放大器A2的输出端相连，信号输入端D与 电源VDD相连，输出端Q悬置。 
本发明的技术解决方案中所述的同步检测电路  包括反相器INV3、N沟道场效应管N3、N4，反相器INV3的输入端与时序控制电路 中的D触发器DF2的反相输出端QB相连，输出端与N沟道场效应管N3的栅极相连，N沟道场效应管N3的漏极与采样保持电路 中的放大器A1的输出端相连，源极与N沟道场效应管N4的漏极相连，N沟道场效应管N4的栅极与反相器INV3的输入端相连，源极接地。  
本发明的技术解决方案中所述的低通滤波器 包括电阻R9及电容C5，电阻R9的一端与同步检测电路 中的N沟道场效应管N4的漏极相连，另一端通过电容C5接地，同时 与误差放大器的输入端相连 。
本发明的技术解决方案中所述的 下降沿检测电路 包括放大器A3、反相器INV2、二极管D3 、电容C4、钳位齐纳管Z1-Z4，电阻R7及R8，电阻R7的一端连接于端口D节点 ，另一端通过电阻R8接地，电容C4的一端连接于电阻R7与R8串联 节点，另一端与放大器A3的同相输入端相连，放大器A3的反相输入端与一基准电压端VREF1相连，输出端与反相器INV2的输入端相连，二极管D3 的阳极与放大器A3的同相输入端相连，阴极接地，钳位齐纳管Z1的阴极连接于电阻R7与R8串联 节点，阳极依次通过钳位齐纳管Z2-Z4接地。 .  
   本发明 1 ）电路简单，减少了器件，易于集成，降低了成本；2）降低了功率损耗，减少了发热量，提高了整个电路的稳定性；3）提高了检测精度，尤其是微小电流的检测；4）提高了动态稳定性，保证连续稳流输出。
附图说明
图1是本发明的电原理图。
图2是图1中控制电路的电原理图。
图3是图2中电流检测回路的第一种实施方式的电原理图。
图4是图2中电流检测回路的第二种实施方式的电原理图。
具体实施方式
如图1 所示，本发明的电源转换电路 通过滤波电路12和整流电路13 滤除交流电中的杂讯，并进行AC-DC转换 为本发明提供工作电源；通过功率转换级电路14调整电源转换电路的功率因数，并调整输出电流的平均值与其内部设定的预定值相同，从而实现恒流输出控制；功率转换级电路14包括电容C1、电感 L、二极管D1、电容C2、主开关S1、驱动控制管S2、 电阻R2、控制电路16及辅助电源电路17；电感 L与二极管D1串联，电感L可以是电感或开关变压器，电感 L与二极管D1的串联节点接主开关S1的一个输入点D ，主开关S1的另一个输入点F 与驱动控制管S2 和电阻R2串联电路串接，主开关S1的 控制端点E 与辅助电源电路17连接，辅助电源电路17用于提供辅助电源；控制电路16上设有三个端口D、U、H，驱动控制管S2 和电阻R2的串联节点接控制电路16的U端，控制电路16的H端与驱动控制管S2的控制端 连接，控制电路16的D 端与主开关S1的输入点 D 连接；控制电路16用于对输出到直流负载15的输出电流进行检测，并调整输出至直流负载15的电流的平均值与其内部设定的预定值相同，实现恒流输出控制。
工作原理：主开关S1 的输入控制端点E 在加电后将被钳位在固定电平，主开关S1的开关主要受驱动控制管S2的控制；在主开关S1导通期间，电感L的电流上升；当主开关S1关断时，由于主开关S1和二级管D1的寄生电容影响，主开关S1的上输入端点D 电压从0逐渐上升（“0”电压关断），当D点电位上升到超过直流负载15的 K点电位时，二级管D1导通， 电感L的电流经过二级管D1输出到直流负载15，电感L的电流从峰值开始下降；当电感L的电流下降到0时，由于二极管D1和主开关S1的寄生电容与电感L的谐振作用，主开关S1的上输入 端点D 电位开始下降；经过一段时间，主开关S1上输入 端点 D 电压会出现峰谷值；由控制电路16中的峰谷检测电路161 控制单功率转换级电路14的导通时机，通过检测主开关S1 输入 端点D端电压，当电压出现峰谷值时，将检测到的结果送到控制电路16中的驱动控制电路163，由 驱动控制电路163及驱动控制管S2驱动主开关S1在这一时刻导通，实现“0” 电压导通，因此具有低开关损耗。电路工作过程中，主开关S1的导通时间增加，电感L的工作电流及输出负载15的电流增加；主开关S1的导通时间减少，电感L的工作电流及输出负载15的电流减少。控制电路16和单功率转换级电路14通过 三个端口连接，控制电路16的端口D、U 是控制电路16的两个输入端，控制电路16根据该两个输入端的信息在端口H产生一个控制信号，用于控制驱动控制管S2，从而控制整个单功率转换级电路14的工作。
如图2 所示，控制电路16包括峰谷检测电路161、同步电流检测电路162和驱动控制电路163，同步电流检测电路 162 的输出端与控制电路 16 上的H端之间串接有误差放大器Err-amp、控制器 U1和驱动控制电路 163 串联电路，峰谷检测电路 161 并接在控制电路 16 的D 端和H端 之间；同步电流检测电路162包括采样保持电路1、上升沿检测电路2、下降沿检测电路3、时序控制电路4、同步检测电路5以及低通滤波器6；采样保持电路1的第一端S11与端口U相连，第二端S12与时序控制电路4的第一端S41相连，第三端S13与同步检测电路5的第一端S51相连；上升沿检测电路2的第一端S21与 端口D 相连，第二端S22与时序控制电路4的第二端S42相连；下降沿检测电路3的第一端S31与端口 D 相连，第二端S32与时序控制电路4的第三端S43相连；时序控制电路4的第四端S44与同步检测电路5的第二端S52相连；同步检测电路5的第三端S53与低通滤波器6的第一端S61相连；低通滤波器6的第二端S62与误差放大器Err-amp的输入端相连；控制电路16通过电流检测电路162检测采样电阻R2上的电流，对该电流信号进行处理 来获得输出到直流负载15的电流平均值信息，输入到驱动控制电路163 与预设值比较以决定增加或减少主开关S1的导通时间，最终使输出电流与设定值相同；无论直流负载15或者输入电压是否有波动，驱动控制电路163可以动态调整主开关S1的开关时间来获得期望的直流负载15的输出电流。
如图3 所示，图3 为本发明的一个较佳实施例，电流检测电路162中的采样保持电路1包括N沟道场效应管N1、反相器INV1、电容C3、放大器A1、电阻R3、R4；N沟道场效应管N1的漏极连接于端口U节点 ，N沟道场效应管N1的栅极与反相器INV1的输入端相连，源极通过电容C3接地；反相器INV1的输入端与一控制端CTL相连；放大器A1的同相输入端与N沟道场效应管N1的源极相连，反相输入端通过电阻R3接地，输出端通过电阻R4与反相输入端相连；电流采样保持电路1在主开关S1导通时间内处于采样状态，电流采样保持电路1输出一个与输入电流信号成比例的信号，在主开关S1关断后进入保持状态。上升沿检测电路2包括放大器A2、电阻R5及R6；电阻R5的一端连接于端口D节点，另一端通过电阻R6接地；放大器A2的同相输入端连接于电阻R5与R6 的串联节点，反相输入端与一基准电压端VREF2相连；上升沿检测电路2检测到主开关S1上端点D电压上升到一定值后，上升沿检测电路2触发锁存电路，控制同步检测电路5工作，将来自电流采样保持电路1的信号输出到低通滤波器6。下降沿检测电路3包括放大器A3、反相器INV2、N沟道场效应管N2、电容C4、钳位齐纳管Z1-Z4，电阻R7及R8；电阻R7的一端连接于端口D节点，另一端通过电阻R8接地；电容C4的一端连接于电阻R7与R8串联 节点，另一端与放大器A3的同相输入端相连；放大器A3的反相输入端与一基准电压端VREF1相连，输出端与反相器INV2的输入端相连；N沟道场效应管N2的栅极及漏极均与放大器A3的同相输入端相连，源极接地；钳位齐纳管Z1的阴极连接于电阻R7与R8串联 节点，阳极依次通过钳位齐纳管Z2-Z4接地；当下降沿检测电路3检测到主开关S1上端电压下降沿后，解锁锁存器，关断同步检测电路5，使低通滤波器6输入信号为“0”。时序控制电路4包括D触发器DF1及DF2；D触发器DF1的时钟信号端CK与下降沿检测电路3中的反相器INV2的输出端相连，复位端R与采样保持电路1中的反相器INV1的输出端相连，信号输入端D与一电源VDD相连，输出端Q与D触发器DF2的复位端R相连，反相输出端QB悬置；D触发器DF2的时钟信号端CK与上升沿检测电路2中的放大器A2的输出端相连，信号输入端D与 电源VDD相连，输出端Q悬置。同步检测电路5包括反相器INV3、N沟道场效应管N3、N4；反相器INV3的输入端与时序控制电路4中的D触发器DF2的反相输出端QB相连，输出端与N沟道场效应管N3的栅极相连；N沟道场效应管N3的漏极与采样保持电路1中的放大器A1的输出端相连，源极与N沟道场效应管N4的漏极相连；N沟道场效应管N4的栅极与反相器INV3的输入端相连，源极接地。低通滤波器6包括电阻R9及电容C5；电阻R9的一端与同步检测电路5中的N沟道场效应管N4的漏极相连，另一端通过电容C5接地，还与误差放大器的输入端相连，低通滤波器6对输入信号进行滤波后，输出一个正比于直流负载15输出电流平均值的信号。
如图4 所示，图4 为本发明的另一较佳实施例，电流检测电路162中的下降沿检测电路3中的N沟道场效应管N2 由二极管D3替换；二极管D3的阳极与放大器A3的同相输入端相连，阴极接地。

Claims (10)

1.一种电流检测电路及其控制回路，包括电源转换电路和功率转换级电路 （14），其特征是：功率转换级电路（14）中的电感L 与二极管D1串联，其串联节点接主开关S1的一个输入点D ，主开关S1的另一个输入点 F 与驱动控制管S2 和电阻R2串联电路串接，主开关S1的控制端点E 与辅助电源电路(17)连接，驱动控制管S2 和电阻R2串联电路的串联节点接控制电路(16)的U端，控制电路(16)的H端与驱动控制管S2的控制端 连接，控制电路（16）的D 端与主开关S1的输入点D 连接。
2.根据权利要求1所述的一种电流检测电路及其控制回路，其特征是：所述的控制电路(16) 包括峰谷检测电路（161）、同步电流检测电路（162）和驱动控制电路(163)，同步电流检测电路（162）的输出端与控制电路(16)上的H端之间串接有误差放大器Err-amp、控制器 U1和驱动控制电路(163) 串联电路，峰谷检测电路（161）并接在控制电路(16)的D 端和H端 之间。
3.根据权利要求2所述的一种电流检测电路及其控制回路，其特征是：所述的同 步 电流检测电路(162)包括采样保持电路（1）、上升沿检测电路（2）、下降沿检测电路（3）、时序控制电路(4)、同步检测电路 (5)以及低通滤波器(6)，  
采样保持电路（1）的第一端S11与端口U相连，第二端S12与时序控制电路（4）的第一端S41相连，第三端S13与同步检测电路（5）的第一端S51相连，上升沿检测电路(2)的第一端S21与 端口D 相连，第二端S22与时序控制电路(4)的第二端S42相连，下降沿检测电路(3)的第一端S31与端口 D 相连，第二端S32与时序控制电路(4)的第三端S43相连，时序控制电路(4)的第四端S44与同步检测电路(5)的第二端S52相连，同步检测电路(5)的第三端S53与低通滤波器(6)的第一端S61相连，低通滤波器(6)的第二端S62与误差放大器Err_amp的输入端相连。
4.根据权利要求3所述的一种电流检测电路及其控制回路，其特征是：所述的采样保持电路（1）包括N沟道场效应管N1、反相器INV1、电容C3、放大器A1、电阻R3、R4，N沟道场效应管N1的漏极连接于端口U节点 ，N沟道场效应管N1的栅极与反相器INV1的输入端相连，源极通过电容C3接地，反相器INV1的输入端与一控制端CTL相连，放大器A1的同相输入端与N沟道场效应管N1的源极相连，反相输入端通过电阻R3接地，输出端通过电阻R4与反相输入端相连 。
5.根据权利要求3所述的一种电流检测电路及其控制回路，其特征是：所述的上升沿检测电路（2）包括放大器A2、电阻R5及R6，电阻R5的一端连接于端口D节点 ，另一端通过电阻R6接地，放大器A2的同相输入端连接于电阻R5与R6 的串联节点，反相输入端与一基准电压端VREF2相连 。
6.根据权利要求3所述的一种电流检测电路及其控制回路，其特征是：所述的下降沿检测电路(3)包括放大器A3、反相器INV2、N沟道场效应管N2、电容C4、钳位齐纳管Z1-Z4，电阻R7及R8，电阻R7的一端连接于端口D节点 ，另一端通过电阻R8接地，电容C4的一端连接于电阻R7与R8串联 节点，另一端与放大器A3的同相输入端相连，放大器A3的反相输入端与一基准电压端VREF1相连，输出端与反相器INV2的输入端相连，N沟道场效应管N2的栅极及漏极均与放大器A3的同相输入端相连，源极接地，钳位齐纳管Z1的阴极连接于电阻R7与R8串联 节点，阳极依次通过钳位齐纳管Z2-Z4接地。
7.根据权利要求3所述的一种电流检测电路及其控制回路，其特征是：所述的时序控制电路(4) 包括D触发器DF1及DF2，D触发器DF1的时钟信号端CK与下降沿检测电路(3)中的反相器INV2的输出端相连，复位端R与采样保持电路(1)中的反相器INV1的输出端相连，信号输入端D与一电源VDD相连，输出端Q与D触发器DF2的复位端R相连，反相输出端QB悬置，D触发器DF2的时钟信号端CK与上升沿检测电路(2)中的放大器A2的输出端相连，信号输入端D与 电源VDD相连，输出端Q悬置。
8.根据权利要求3所述的一种电流检测电路及其控制回路，其特征是：所述的同步检测电路 (5)包括反相器INV3、N沟道场效应管N3、N4，反相器INV3的输入端与时序控制电路(4)中的D触发器DF2的反相输出端QB相连，输出端与N沟道场效应管N3的栅极相连，N沟道场效应管N3的漏极与采样保持电路(1)中的放大器A1的输出端相连，源极与N沟道场效应管N4的漏极相连，N沟道场效应管N4的栅极与反相器INV3的输入端相连，源极接地。
9.根据权利要求3所述的一种电流检测电路及其控制回路，其特征是：所述的低通滤波器(6) 包括电阻R9及电容C5，电阻R9的一端与同步检测电路(5)中的N沟道场效应管N4的漏极相连，另一端通过电容C5接地，同时 与误差放大器的输入端相连 。
10.根据权利要求3或6所述的一种电流检测电路及其控制回路，其特征是：所述的 下降沿检测电路（3）包括放大器A3、反相器INV2、二极管D3 、电容C4、钳位齐纳管Z1-Z4，电阻R7及R8，电阻R7的一端连接于端口D节点 ，另一端通过电阻R8接地，电容C4的一端连接于电阻R7与R8串联 节点，另一端与放大器A3的同相输入端相连，放大器A3的反相输入端与一基准电压端VREF1相连，输出端与反相器INV2的输入端相连，二极管D3 的阳极与放大器A3的同相输入端相连，阴极接地，钳位齐纳管Z1的阴极连接于电阻R7与R8串联 节点，阳极依次通过钳位齐纳管Z2-Z4接地。
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