CN105044434B - 一种电流检测电路、功率开关芯片及开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明适用于集成电路领域，提供了一种功率开关的电流检测电路、功率开关芯片及开关电源，该电路包括：电平转移单元，用于根据基准实现电平转移，并从接地端提取采样信号；阈值稳压单元，用于根据控制开启信号生成比较电压，并保持比较电压稳定；电流检测单元，用于将采样信号与比较电压比较，生成检测结果；前沿消隐单元，用于根据前沿消隐控制信号生成控制关闭信号以控制功率开关关断。本发明通过接地引脚获取电流检测的采样信号，从而使功率开关芯片节省了传统的CS管脚，可以使用TO252、TO92等三个管脚的封装体，从而提高了芯片的封装灵活性，加强了芯片的散热，提高了电源系统的效率以及寿命，并且系统的可靠性也得到了提升。

Description

一种电流检测电路、功率开关芯片及开关电源

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种电流检测电路、功率开关芯片及开关电源。

背景技术

随着集成电路的飞速发展，功率开关芯片以及开关电源被应用到各个领域。图1为传统的基于BUCK拓扑的开关电源应用方案，其中VDD为功率开关芯片的供电管脚，GND为功率开关芯片的接地管脚，DRAIN为功率开关芯片内部集成的功率开关MOS管的漏极管脚，CS为功率开关芯片的电流检测管脚连接芯片内部集成的功率开关MOS管的源极，芯片内部集成的功率开关MOS的栅极接收接控制器输出的控制信号，VIN和VOUT分别为开关电源系统的输入和输出端。

可以看出，传统方案中的功率开关芯片需要至少四个管脚的封装，因此无法采用散热效果优秀而且性价比高的TO252或TO92工艺的封装，芯片封装的灵活性和可靠性都大大地降低了。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电流检测电路，旨在解决现有功率开关芯片需要至少四个管脚的封装，灵活性和可靠性差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种电流检测电路，与控制单元和基准单元连接，所述电路包括：

电平转移单元，用于根据基准电压和基准电流实现电平转移，并从接地端提取采样信号，所述电平转移单元的输入端为所述电路的电源端与供电电压连接，所述电平转移单元的电压驱动端与所述基准单元的基准电压输出端连接，所述电平转移单元的第一、第二输出端分别与所述基准单元的第一、第二基准电流输出端连接；

阈值稳压单元，用于根据控制开启信号生成比较电压，并避免功率开关开启时供电电压波动影响比较电压稳定，所述阈值稳压单元的输入端与所述电平转移单元的第一输出端连接，所述阈值稳压单元的控制端与所述控制单元的开启输出端连接；

电流检测单元，用于将所述采样信号与所述比较电压比较，生成检测结果，所述电流检测单元的检测端与所述电平转移单元的第二输出端连接，所述电流检测单元的参考端与所述阈值稳压单元的输出端连接；

前沿消隐单元，用于根据前沿消隐控制信号生成控制关闭信号以控制功率开关关断，并屏蔽由于功率开关开启瞬间产生的电压尖峰对电路逻辑的干扰，所述前沿消隐单元的输入端与所述电流检测单元的输出端连接，所述前沿消隐单元的输出端为所述电路的输出端直接或间接与功率开关的控制端连接，所述前沿消隐单元的控制端与所述控制单元的消隐输出端连接；

所述基准电压和所述基准电流由所述基准单元提供；

所述控制开启信号和所述前沿消隐控制信号由所述控制单元提供。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种采样上述功率开关的电流检测电路的功率开关芯片，所述芯片具有三个封装引脚，分别为电源引脚、接地引脚和功率开关的漏极引脚，所述芯片内部还包括：

基准单元、控制单元、触发器、栅极驱动单元和功率开关；

所述功率开关的电流检测电路的电源端与所述芯片的电源引脚连接，所述功率开关的电流检测电路的输出端与所述触发器的第二输入端(S)连接，所述触发器的第一输入端(R)与所述控制单元的开启输出端连接，所述触发器的输出端与所述栅极驱动单元的输入端连接，所述栅极驱动单元的输出端与所述功率开关的控制端连接，所述功率开关的输入端与所述芯片的功率开关的漏极引脚连接，所述功率开关的输出端与所述芯片的接地引脚连接。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种采用上述功率开关芯片的开关电源，所述开关电源还包括：

电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、二极管D1和电感L1；

所述二极管D1的阴极为所述开关电源的一输入端同时与所述电容C2的一端和所述电阻R2的一端连接，所述二极管D1的阳极同时与所述电感L1的一端和所述功率开关芯片的功率开关漏极引脚连接，所述功率开关芯片的电源引脚与所述电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端为所述开关电源的另一输入端与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端与所述功率开关芯片的接地引脚同时接地，所述电感L1的另一端同时与所述电容C2的另一端和所述电阻R2的另一端连接，所述电阻R2的两端为所述开关电源的两输出端。

本发明实施例通过接地引脚获取电流检测的采样信号，从而使功率开关芯片节省了传统的CS管脚，可以使用TO252、TO92等三个管脚的封装体，从而提高了芯片的封装灵活性，加强了芯片的散热，提高了电源系统的效率以及寿命，并且系统的可靠性也得到了提升。

附图说明

图1为传统的基于BUCK拓扑的开关电源应用原理图；

图2为本发明实施例提供的功率开关的电流检测电路的结构图；

图3为本发明实施例提供的功率开关的电流检测电路的示例电路结构图；

图4为本发明实施例提供的功率开关的电流检测电路的信号波形图；

图5为本发明实施例提供的功率开关芯片的结构图；

图6为本发明实施例提供的开关电源的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例通过接地引脚获取电流检测的采样信号，从而使功率开关芯片节省了传统的CS管脚，可以使用TO252、TO92等三个管脚的封装体，从而提高了芯片的封装灵活性，加强了芯片的散热，提高了电源系统的效率以及寿命，并且系统的可靠性也得到了提升。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

图2示出了本发明实施例提供的功率开关的电流检测电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该功率开关的电流检测电路1可以应用于任何功率开关电路中，该功率开关的电流检测电路1与外部控制单元2和基准单元3连接，包括：

电平转移单元11，用于根据基准电压Vr和基准电流I1、I2实现电平转移，并从接地端提取采样信号，电平转移单元11的输入端为功率开关的电流检测电路1的电源端与供电电压VDD连接，电平转移单元11的电压驱动端与基准单元3的基准电压输出端连接，电平转移单元11的第一、第二输出端分别与基准单元3的第一、第二基准电流输出端连接；

阈值稳压单元12，用于根据控制开启信号T1生成比较电压，并避免功率开关开启时供电电压VDD波动影响比较电压稳定，阈值稳压单元12的输入端与电平转移单元11的第一输出端连接，阈值稳压单元12的控制端与控制单元2的开启输出端连接；

电流检测单元13，用于将采样信号与比较电压比较，生成检测结果，电流检测单元13的检测端与电平转移单元11的第二输出端连接，电流检测单元13的参考端与阈值稳压单元12的输出端连接；

前沿消隐单元14，用于根据前沿消隐控制信号LEB生成控制关闭信号T2以控制功率开关关断，并屏蔽由于功率开关开启瞬间产生的电压尖峰对电路逻辑的干扰，前沿消隐单元14的输入端与电流检测单元13的输出端连接，前沿消隐单元14的输出端为功率开关的电流检测电路1的输出端直接或间接与功率开关的控制端连接，前沿消隐单元14的控制端与控制单元2的消隐输出端连接；

在本发明实施例中，基准电压Vr和基准电流I1、I2由基准单元3提供。控制开启信号T1和前沿消隐控制信号LEB由控制单元2提供。

在本发明实施例中，基准单元3为功率开关的电流检测电路1提供一路基准电压Vr和两路基准电流I1、I2，电平转移单元11由基准电流I1、I2为M1和M2提供偏置电流，电平转移单元11的输出端通过电流基准电流I1、I2接地，从接地端提取采样信号，其中，T1为功率开关的开启控制信号，当功率MOS开启的过程中通过信号T1控制阈值稳压单元12保持输出稳定，避免了功率开关开启时供电电压VDD波动从而影响比较器COMP的比较电压阈值。电流检测单元13将采样信号与比较电压比较，生成检测结果。LEB为前沿消隐屏蔽信号，用来屏蔽由于功率开关开启瞬间在电流检测电阻R1上产生的电压尖峰，进而避免功率开关由于此尖峰的干扰而误关断。T2为控制单元2产生的功率开关关闭信号，当该信号为高电平时，功率开关关闭。前沿消隐单元14根据前沿消隐控制信号LEB生成控制关闭信号T2以控制功率开关关断，功率开关的开启动作不由功率开关的电流检测电路1控制。

本发明实施例通过接地端获取电流检测的采样信号，从而使功率开关芯片节省了传统的CS管脚，可以使用TO252、TO92等三个管脚的封装体，从而提高了芯片的封装灵活性，加强了芯片的散热，提高了电源系统的效率以及寿命，并且系统的可靠性也得到了提升。

图3示出了本发明实施例提供的功率开关的电流检测电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该电平转移单元11包括：

第一开关管M1和第二开关管M2；

第一开关管M1的输入端为电平转移单元11的输入端与第二开关管M2的输入端连接，第一开关管M1的控制端为电平转移单元11的电压驱动端，第一开关管M1的输出端为电平转移单元11的第一输出端，第二开关管M2的控制端与第二开关管M2的输入端连接，第二开关管M2的输出端为电平转移单元11的第二输出端。

作为本发明一优选实施例，第一开关管M1和第二开关管M2均可以采用N型MOS管实现，其中N型MOS管的漏极为第一开关管M1、第二开关管M2的输入端，N型MOS管的源极为第一开关管M1、第二开关管M2的输出端，N型MOS管的栅极为第一开关管M1、第二开关管M2的控制端。

作为本发明一实施例，阈值稳压单元12包括：

可控开关S1和电容C1；

可控开关S1的控制端为阈值稳压单元12的控制端，可控开关S1的一导通端为阈值稳压单元12的输入端，可控开关S1的另一导通端为阈值稳压单元12的输出端通过电容C1接地。

电流检测单元13为比较器COMP，比较器COMP的正向输入端为电流检测单元13的检测端，比较器COMP的反向输入端为电流检测单元13的参考端，比较器COMP的输出端为电流检测单元13的输出端。

前沿消隐单元14包括：

反相器NOT和与门AND；

反相器NOT的输入端为前沿消隐单元14的输入端，反相器NOT的输出端与与门AND的第二输入端连接，与门AND的第一输入端为前沿消隐单元14的控制端，与门AND的输出端为前沿消隐单元14的输出端。

在本发明实施例中，基准单元3为功率开关的电流检测电路1提供一路基准电压Vr和两路基准电流I1、I2，N型MOS管M1和M2作为电平转移电路由基准电流I1、I2为M1和M2提供偏置电流，N型MOS管M1和M2分别通过基准电流I1、I2接地，从接地端提取采样信号，对于N型MOS管M2，VCS＝VDD-VGS_M2，对于N型MOS管M1，Vr2＝Vr1-VGS_M1。

T1为功率开关的开启控制信号，当功率MOS开启的过程中通过信号T1控制可控开关S1的闭合，将基准电压Vr2的值保持在采样电容C1中，避免了功率开关开启时供电电压VDD波动从而影响比较器COMP的比较电压阈值，LEB为前沿消隐屏蔽信号，用来屏蔽由于功率开关开启瞬间在电流检测电阻R1上产生的电压尖峰，进而避免功率开关由于此尖峰的干扰而误关断。T2为控制单元2产生的功率开关关闭信号，当该信号为高电平时，功率开关关闭，功率开关的开启动作不由功率开关的电流检测电路1控制。

图4示出了功率开关的电流检测电路1在工作过程中所有关键点的波形，结合图6，当检流电阻R1流过功率开关MOS流出的电流时，功率开关芯片10接地引脚GND的电压相对于电源引脚VDD旁路电容C1的下极板电位被抬高一个I·R1的电位，那么相对于功率开关芯片10的电源引脚VDD电位就相当于下降了一个I·R1的电位，因此电源引脚VDD电压在时域中的变化曲线呈现倒三角的波形，其中每次功率开关开启瞬间都会有一个电流尖峰流过电阻R1，表现在图中VCS的一个倒三角型的尖刺，该尖刺会引起本电路的误翻转，所以需要一个LEB信号来屏蔽该尖刺对电路逻辑输出的影响。当VDD信号下降到了预先存储在采样电容C1中的基准电压后，功率开关的电流检测电路1会产生一个高电平的脉冲来关闭功率MOS开关。

本发明实施例通过接地端获取电流检测的采样信号，从而使功率开关芯片节省了传统的CS管脚，可以使用TO252、TO92等三个管脚的封装体，从而提高了芯片的封装灵活性，加强了芯片的散热，提高了电源系统的效率以及寿命，并且系统的可靠性也得到了提升。

图5示出了本发明实施例提供的功率开关芯片的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该功率开关芯片10可以应用于任何开关电源中，该功率开关芯片10具有三个封装引脚，分别为电源引脚VDD、接地引脚GND和功率开关漏极引脚DRAIN，功率开关芯片10内部结构包括：

功率开关的电流检测电路1、控制单元2、基准单元3、触发器4、栅极驱动单元5和功率开关MOS；

其中，功率开关的电流检测电路1为上述实施例所描述的电流检测电路；

功率开关的电流检测电路1的电源端与功率开关芯片10的电源引脚VDD连接，基准单元3的基准电压输出端与功率开关的电流检测电路1的电压驱动端连接，基准单元3的第一、第二基准电流输出端分别与功率开关的电流检测电路1中电平转移单元11的第一、第二输出端连接，为功率开关的电流检测电路1提供基准电压Vr和基准电流I1、I2，控制单元2的开启输出端与功率开关的电流检测电路1中阈值稳压单元12的控制端连接，为功率开关的电流检测电路1提供开启控制信号T1，控制单元2的消隐输出端与功率开关的电流检测电路1中前沿消隐单元14的控制端连接，功率开关的电流检测电路1的输出端与触发器4的第二输入端(S)连接，触发器4的第一输入端(R)与控制单元2的开启输出端连接，触发器4的输出端与栅极驱动单元5的输入端连接，栅极驱动单元5的输出端与功率开关MOS的控制端连接，功率开关MOS的输入端与芯片的功率开关漏极引脚DRAIN连接，功率开关MOS的输出端与芯片的接地引脚GND连接。

优选地，触发器4为RS触发器。

作为本发明一优选实施例，由于功率开关芯片10具有三个引脚，因此可以但不限定采用TO252或TO92工艺的封装。

在本发明实施例中，通过一个RS触发器和控制单元2生成的功率开关开启控制信号，控制功率开关MOS的开启与关闭，从而完成对开关电源系统的控制。

以上仅为本发明一具体实施方式，此外本发明提供的功率开关的电流检测电路1还可以应用于反激拓扑的功率开关芯片中。

本发明实施例通过接地引脚获取电流检测的采样信号，从而使功率开关芯片节省了传统的CS管脚，可以使用TO252、TO92等三个管脚的封装体，从而提高了芯片的封装灵活性，加强了芯片的散热，提高了电源系统的效率以及寿命，并且系统的可靠性也得到了提升。

图6示出了本发明实施例提供的开关电源的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该开关电源包括：

功率开关芯片10，以及电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、二极管D1和电感L1；

二极管D1的阴极为开关电源的一输入端VIN同时与电容C2的一端和电阻R2的一端连接，二极管D1的阳极同时与电感L1的一端和功率开关芯片10的功率开关漏极引脚DRAIN连接，功率开关芯片10的电源引脚VDD与电容C1的一端连接，电容C1的另一端为开关电源的另一输入端VIN与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与功率开关芯片10的接地引脚GND同时接地，电感L1的另一端同时与电容C2的另一端和电阻R2的另一端连接，电阻R2的两端为开关电源的两输出端VOUT。

在本发明实施例中，功率开关芯片10只需要VDD、DRAIN和GND三个引脚即可正常工作，其中电阻R1为开关电源的电流检测电阻，当流过电阻R1中的电流在电阻R1上产生的电压压降达到芯片内部的基准电压时，控制单元2生成关闭信号关闭功率开关MOS。

本发明实施例通过接地引脚获取电流检测的采样信号，从而使功率开关芯片节省了传统的CS管脚，可以使用TO252、TO92等三个管脚的封装体，从而提高了芯片的封装灵活性，加强了芯片的散热，提高了电源系统的效率以及寿命，并且系统的可靠性也得到了提升。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率开关的电流检测电路，与控制单元和基准单元连接，其特征在于，所述电路包括：

电平转移单元，用于根据基准电压和基准电流实现电平转移，并从接地端提取采样信号，所述电平转移单元的输入端为所述电路的电源端与供电电压连接，所述电平转移单元的电压驱动端与所述基准单元的基准电压输出端连接，所述电平转移单元的第一、第二输出端分别与所述基准单元的第一、第二基准电流输出端连接；

阈值稳压单元，用于根据控制开启信号生成比较电压，并避免功率开关开启时供电电压波动影响比较电压稳定，所述阈值稳压单元的输入端与所述电平转移单元的第一输出端连接，所述阈值稳压单元的控制端与所述控制单元的开启输出端连接；

电流检测单元，用于将所述采样信号与所述比较电压比较，生成检测结果，所述电流检测单元的检测端与所述电平转移单元的第二输出端连接，所述电流检测单元的参考端与所述阈值稳压单元的输出端连接；

前沿消隐单元，用于根据前沿消隐控制信号生成控制关闭信号以控制功率开关关断，并屏蔽由于功率开关开启瞬间产生的电压尖峰对电路逻辑的干扰，所述前沿消隐单元的输入端与所述电流检测单元的输出端连接，所述前沿消隐单元的输出端为所述电路的输出端直接或间接与功率开关的控制端连接，所述前沿消隐单元的控制端与所述控制单元的消隐输出端连接；

所述基准电压和所述基准电流由所述基准单元提供；

所述控制开启信号和所述前沿消隐控制信号由所述控制单元提供。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电平转移单元包括：

第一开关管和第二开关管；

所述第一开关管的输入端为所述电平转移单元的输入端与第二开关管的输入端连接，所述第一开关管的控制端为所述电平转移单元的电压驱动端，所述第一开关管的输出端为所述电平转移单元的第一输出端，所述第二开关管的控制端与所述第二开关管的输入端连接，所述第二开关管的输出端为所述电平转移单元的第二输出端。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为N型MOS管，所述N型MOS管的漏极为所述第一、第二开关管的输入端，所述N型MOS管的源极为所述第一、第二开关管的输出端，所述N型MOS管的栅极为所述第一、第二开关管的控制端。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述阈值稳压单元包括：

可控开关和电容C1；

所述可控开关的控制端为所述阈值稳压单元的控制端，所述可控开关的一导通端为所述阈值稳压单元的输入端，所述可控开关的另一导通端为所述阈值稳压单元的输出端通过所述电容C1接地。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电流检测单元为比较器，所述比较器的正向输入端为所述电流检测单元的检测端，所述比较器的反向输入端为所述电流检测单元的参考端，所述比较器的输出端为所述电流检测单元的输出端。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述前沿消隐单元包括：

反相器和与门；

所述反相器的输入端为所述前沿消隐单元的输入端，所述反相器的输出端与所述与门的第二输入端连接，所述与门的第一输入端为所述前沿消隐单元的控制端，所述与门的输出端为所述前沿消隐单元的输出端。

7.一种功率开关芯片，其特征在于，所述芯片具有三个封装引脚，分别为电源引脚、接地引脚和功率开关的漏极引脚，所述芯片内部包括如权利要求1至6任一项所述的功率开关的电流检测电路，所述芯片内部还包括：

基准单元、控制单元、触发器、栅极驱动单元和功率开关；

所述功率开关的电流检测电路的电源端与所述芯片的电源引脚连接，所述功率开关的电流检测电路的输出端与所述触发器的第二输入端(S)连接，所述触发器的第一输入端(R)与所述控制单元的开启输出端连接，所述触发器的输出端与所述栅极驱动单元的输入端连接，所述栅极驱动单元的输出端与所述功率开关的控制端连接，所述功率开关的输入端与所述芯片的功率开关的漏极引脚连接，所述功率开关的输出端与所述芯片的接地引脚连接。

8.如权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述芯片采用TO252或TO92工艺的封装。

9.如权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述触发器为RS触发器。

10.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括如权利要求7至9任一项所述的功率开关芯片，所述开关电源还包括：

电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、二极管D1和电感L1；

所述二极管D1的阴极为所述开关电源的一输入端同时与所述电容C2的一端和所述电阻R2的一端连接，所述二极管D1的阳极同时与所述电感L1的一端和所述功率开关芯片的功率开关的漏极引脚连接，所述功率开关芯片的电源引脚与所述电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端为所述开关电源的另一输入端与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端与所述功率开关芯片的接地引脚同时接地，所述电感L1的另一端同时与所述电容C2的另一端和所述电阻R2的另一端连接，所述电阻R2的两端为所述开关电源的两输出端。