CN105092937A - 一种全周期电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种全周期电流检测电路。一种全周期电流检测电路,包括电感电流上升模式电流检测电路和电感电流下降模式电流检测电路。本发明公开的一种全周期电流检测电路具有以下有益效果：1、全周期电流检测电路采用电路复用的方式，结构简单，电路规模小，功耗低；2、电感电流上升检测模式利用功率MOS管的自身沟道电阻作为采样电阻，消除了外加采样电阻带来的功率损耗；3、电感电流下降检测模式采用电流镜检测方法对电感电流进行采样，采样电流为电感电流等比例缩小4000倍后的值，有利于降低采样电路的功耗。

Description

一种全周期电流检测电路

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种全周期电流检测电路。

背景技术

DC-DC转换器是一种把直流输入电压转变成有效输出固定直流电压的电压转换器，因其具有效率高，体积小，输出纹波小的优点，而被广泛应用于各种便携式移动终端。

为了提高DC-DC转换器的动态响应，人们提出了电流模控制方式，常见的主要有：峰值电流模、平均电流模和迟滞电流模三种控制方式。迟滞电流模控制方式具有好的环路稳定性，更快的动态响应，因此常用于高精度DC-DC转换器中。然而迟滞电流模控制方式需要对电感电流进行全周期检测，如何高效，准确的检测电感电流，对高精度DC-DC转换器的设计至关重要。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于设计一种简单、高效、准确的全周期电流检测电路，从而解决迟滞电流模DC-DC转换器中电流检测的问题。

技术方案：一种全周期电流检测电路,包括电感电流上升模式电流检测电路和电感电流下降模式电流检测电路，

电感电流上升模式电流检测电路包括电感L，NMOS功率管M1，NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、NMOS管Mn7、PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C，

电感L的一端接输入电压Vin，另一端接NMOS功率管M1的漏极，NMOS功率管M1的源极接地，NMOS功率管M1的栅极接控制信号NPG01；

NMOS管Mn3的栅极与NMOS管Mn3的漏极短接，NMOS管Mn4的栅极与NMOS管Mn4的漏极短接，NMOS管Mn3的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极、PMOS管Mp3的漏极相连，NMOS管Mn4的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极、PMOS管Mp3的漏极相连，PMOS管Mp3的源极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp3的栅极接偏置电压bias1；

NMOS管Mn1的源极、NMOS管Mn3的源极接地，NMOS管Mn2的源极、NMOS管Mn4的源极接NMOS功率管M1的漏极；PMOS管Mp1的栅极和PMOS管Mp1的漏极短接，PMOS管Mp1的栅极分别与PMOS管Mp2的栅极、NMOS管Mn1的漏极相连，PMOS管Mp1的源极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接输出电压Vout；

NMOS管Mn2的漏极与PMOS管Mp2的漏极短接，NMOS管Mn2的漏极分别与NMOS管Mn7的栅极、电容C的一端相连，电容C的另一端接地，PMOS管Mp2的源极接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接输出电压Vout；

PMOS管Mp4的漏极与NMOS管Mn7的漏极短接作为电流检测的输出，NMOS管Mn7的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地，PMOS管Mp4的源极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp4的栅极接偏置电压bias2，

电感电流下降模式电流检测电路，包括电感L、NMOS同步整流功率管M2、NMOS采样管Ms2、NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、NMOS管Mn7、PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C，

电感L的一端接输入电压Vin，电感L的另一端分别接NMOS同步整流功率管M2的漏极、NMOS采样管Ms2的漏极，NMOS管Mn2的源极接输出电压Vout，NMOS同步整流管M2的栅极接控制信号NPG02，NMOS采样管Ms2的源极分别与电阻R3的一端、PMOS管Mp2源极相连，NMOS采样管Ms2的栅极接控制信号NPG02，电阻R3的另一端接输出电压Vout；

NMOS管Mn3的栅极和NMOS管Mn3的漏极短接，NMOS管Mn4的栅极和NMOS管Mn4的漏极短接，NMOS管Mn4的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极和PMOS管Mp3的漏极相连，NMOS管Mn3的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极和PMOS管Mp3的漏极相连，，PMOS管Mp3的源极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp3的栅极接偏置电压bias1；

NMOS管Mn1的源极、NMOS管Mn2的源极、NMOS管Mn3的源极、NMOS管Mn4的源极均接地；

PMOS管Mp1的栅极和PMOS管Mp1的漏极短接，PMOS管Mp1的栅极分别与PMOS管Mp2的栅极、NMOS管Mn1的漏极相连，PMOS管Mp1的源极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接输出电压Vout；

NMOS管Mn2的漏极与PMOS管Mp2的漏极短接，NMOS管Mn2的漏极与NMOS管Mn7的栅极和电容C的一端相连，电容C的另一端接地；

PMOS管Mp4的漏极与NMOS管Mn7的漏极短接作为电流检测的输出，NMOS管Mn7的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地，PMOS管Mp4的源极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp4的栅极接偏置电压bias2。

作为本发明中一种全周期电流检测电路的一种优选方案：所述电感电流上升模式电流检测电路采用NMOS功率管M1的寄生沟道电阻对电感电流进行采样。

作为本发明中一种全周期电流检测电路的一种优选方案：所述电感电流下降模式电流检测电路采用电流镜检测方法对电感电流进行采样。

作为本发明中一种全周期电流检测电路的一种优选方案：电感电流下降模式电流检测电路中,NMOS采样管Ms2与NMOS同步整流功率管M2的源极与SW端相连，NMOS采样管Ms2的漏端接电阻R3，NMOS同步整流管M2的漏端和电阻R3的另一端都接输出电压Vout；其中NMOS采样管Ms2与NMOS同步整流功率管M2的宽长比为1:4000。

作为本发明中一种全周期电流检测电路的一种优选方案：当进行电感电流上升检测时，NMOS管Mn2的源极接SW端，此时运放的两输入分别为Mn1的源极和Mn2的源极；当进行电感电流下降检测时，NMOS管Mn2的源极接地，此时运放的两输入为电阻R3的两端。

进一步地，R4和Mp4为电流源负载，R5为源极负反馈电阻。

实现本发明的设计了一种新的全周期电流检测电路结构，所述电流检测采用电路复用的方式，减小了电路规模，降低了整体功耗。整个电路包括电感电流上升检测模式和电感电流下降检测模式，输出连接了一个两级运算放大器。其中电感电流上升检测模式采用功率管寄生沟道电阻对电感电流进行采样，电感电流下降检测模式采用电流镜检测方法对电感电流进行采样。第一级运放为共栅极运算放大器结构，第二级采用电流源负载的共源极放大器结构。

有益效果：本发明公开的一种全周期电流检测电路具有以下有益效果：

1、全周期电流检测电路采用电路复用的方式，结构简单，电路规模小，功耗低；

2、电感电流上升检测模式利用功率MOS管的自身沟道电阻作为采样电阻，消除了外加采样电阻带来的功率损耗；

3、电感电流下降检测模式采用电流镜检测方法对电感电流进行采样，采样电流为电感电流等比例缩小4000倍后的值，有利于降低采样电路的功耗。

附图说明

图1为本发明公开的一种全周期电流检测电路在DC-DC转换器中的应用；

图2为本发明公开的一种全周期电流检测电路的电路图；

图3a为本发明电感电流上升检测模式下的电路简化；

图3b为图3a中P处的详细电路图；

图4a为本发明电感电流下降检测模式下的电路简化；

图4b为图4a中Q处的详细电路图；

图5为本发明电感电流上升检测模式下的电路仿真；

图6为本发明电感电流下降检测模式下的电路仿真；

图7为本发明全周期电流检测电路仿真。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

如图1～4所示，一种全周期电流检测电路,包括电感电流上升模式电流检测电路和电感电流下降模式电流检测电路，

电感电流上升模式电流检测电路包括电感L，NMOS功率管M1，NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、NMOS管Mn7、PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C，

电感L的一端接输入电压Vin，另一端接NMOS功率管M1的漏极，NMOS功率管M1的源极接地，NMOS功率管M1的栅极接控制信号NPG01；

NMOS管Mn3的栅极与NMOS管Mn3的漏极短接，NMOS管Mn4的栅极与NMOS管Mn4的漏极短接，NMOS管Mn3的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极、PMOS管Mp3的漏极相连，NMOS管Mn4的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极、PMOS管Mp3的漏极相连，PMOS管Mp3的源极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp3的栅极接偏置电压bias1；

NMOS管Mn1的源极、NMOS管Mn3的源极接地，NMOS管Mn2的源极、NMOS管Mn4的源极接NMOS功率管M1的漏极；PMOS管Mp1的栅极和PMOS管Mp1的漏极短接，PMOS管Mp1的栅极分别与PMOS管Mp2的栅极、NMOS管Mn1的漏极相连，PMOS管Mp1的源极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接输出电压Vout；

NMOS管Mn2的漏极与PMOS管Mp2的漏极短接，NMOS管Mn2的漏极分别与NMOS管Mn7的栅极、电容C的一端相连，电容C的另一端接地，PMOS管Mp2的源极接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接输出电压Vout；

PMOS管Mp4的漏极与NMOS管Mn7的漏极短接作为电流检测的输出，NMOS管Mn7的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地，PMOS管Mp4的源极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp4的栅极接偏置电压bias2，

电感电流下降模式电流检测电路，包括电感L、NMOS同步整流功率管M2、NMOS采样管Ms2、NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、NMOS管Mn7、PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp4、电阻R1、电阻R2、电阻R3(此模式下R3为采样电阻)、电阻R4、电阻R5和电容C，

电感L的一端接输入电压Vin，电感L的另一端分别接NMOS同步整流功率管M2的漏极、NMOS采样管Ms2的漏极，NMOS管Mn2的源极接输出电压Vout，NMOS同步整流管M2的栅极接控制信号NPG02，NMOS采样管Ms2的源极分别与电阻R3的一端、PMOS管Mp2源极相连，NMOS采样管Ms2的栅极接控制信号NPG02，电阻R3的另一端接输出电压Vout；

NMOS管Mn3的栅极和NMOS管Mn3的漏极短接，NMOS管Mn4的栅极和NMOS管Mn4的漏极短接，NMOS管Mn4的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极和PMOS管Mp3的漏极相连，NMOS管Mn3的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极和PMOS管Mp3的漏极相连，，PMOS管Mp3的源极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp3的栅极接偏置电压bias1；

NMOS管Mn1的源极、NMOS管Mn2的源极、NMOS管Mn3的源极、NMOS管Mn4的源极均接地；

PMOS管Mp1的栅极和PMOS管Mp1的漏极短接，PMOS管Mp1的栅极分别与PMOS管Mp2的栅极、NMOS管Mn1的漏极相连，PMOS管Mp1的源极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接输出电压Vout；

NMOS管Mn2的漏极与PMOS管Mp2的漏极短接，NMOS管Mn2的漏极与NMOS管Mn7的栅极和电容C的一端相连，电容C的另一端接地；

PMOS管Mp4的漏极与NMOS管Mn7的漏极短接作为电流检测的输出，NMOS管Mn7的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地，PMOS管Mp4的源极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp4的栅极接偏置电压bias2。

进一步地，电感电流上升模式电流检测电路采用NMOS功率管M1的寄生沟道电阻对电感电流进行采样。

进一步地，电感电流下降模式电流检测电路采用电流镜检测方法对电感电流进行采样。

进一步地，电感电流下降模式电流检测电路中,NMOS采样管Ms2与NMOS同步整流功率管M2的源极与SW端相连，NMOS采样管Ms2的漏端接电阻R3，NMOS同步整流管M2的漏端和电阻R3的另一端都接输出电压Vout；其中NMOS采样管Ms2与NMOS同步整流功率管M2的宽长比为1:4000。

进一步地，当进行电感电流上升检测时，NMOS管Mn2的源极接SW端，此时运放的两输入分别为Mn1的源极和Mn2的源极；当进行电感电流下降检测时，NMOS管Mn2的源极接地，此时运放的两输入为电阻R3的两端。

进一步地，R4和Mp4为电流源负载，R5为源极负反馈电阻。

参照图1，本发明全周期电流检测电路在DC-DC转换器中的应用实例。

参照图2，本发明的全周期电流检测电路包括：电感电流上升阶段采样电路、电感电流下降阶段采样电路、复用的共栅极运算放大器和输出共源极运算放大器。其中：

电感电流上升阶段采样电路参照图3a和图3b：M1为大尺寸NMOS功率管；NMOS管Mn1、Mn2，PMOS管Mp1、Mp2和电阻R2、R3构成共栅极运算放大器，正负输入端分别接Mn2和Mn1的源极；Mp3和R1为共栅极运放产生偏置电流，Mn3和Mn4将偏置电流镜像为共栅极运放提供偏置。

电感电流下降阶段采样电路参照图4a和图4b：M2为NMOS同步整流功率管，Ms2为镜像电流采样管，R3为采样电阻；NMOS管Mn1、Mn2，PMOS管Mp1、Mp2和电阻R1构成共栅极运算放大器，正负输入端分别R2和Mp2的源极；Mp3和R1为共栅极运放产生偏置电流，Mn3和Mn4将偏置电流镜像做为共栅极运放的电流镜负载。

输出共源极运算放大器参照图2，Mp4和R4为第二级运放的电流源负载，Mn7为第二级共源极运放的输入管，R5为源级负反馈电阻。

参照图2，本发明全电流检测电路工作原理如下：

当NPG01为高电平时，由于NPG01和NPG02为两相高电平非交叠时钟，此时NPG02为低电平，，NMOS功率管M1打开，电感电流上升。Mn6关断，Mn5打开，Mn2和Mn4的源极接SW信号，Mn1和Mn3的源极接地，电路简化后如图3a所示。

当NPG02为高电平时，此时NPG01为低电平，M2打开，电感电流下降。Mn7和Mn6打开，Mn5关断，Mn1-Mn4的源极均接地，电路简化后如图4a所示.

参照图3a和图3b，本发明电感电流上升阶段采样电路工作原理如下：

当NPG01跳变为高，，NMOS功率管M1打开，电感电流上升；通过，NMOS功率管M1的寄生沟道电阻作用得到电压Vsw：

其中Ron为，NMOS功率管M1寄生沟道电阻。由于，NMOS功率管M1处于深线性区，所以寄生沟道电阻值基本不变，因此电压Vsw随电感电流IL线性上升。最后通过两级运放将Vsw线性放大。

参照图4，本发明的电感电流下降阶段采样电路工作原理如下：

当NPG02跳变为高，M2和NMOS采样管Ms2打开，电感电流为输出负载供电，电流下降；NMOS采样管Ms2镜像电感电流，通过电阻R3，将采样电流转化为采样电压Vs。

电感电流下降模式电流检测电路采用电流镜检测方法对电感电流进行采样。实现方法如图4所示，其中NMOS同步整流功率管M2、NMOS采样管Ms2和电阻R3构成电流镜采样电路,由于NMOS同步整流功率管M2、NMOS采样管Ms2的漏极和栅极分别短接，因此流过NMOS采样管Ms2的电流按1:4000的比例镜像流过NMOS同步整流功率管M2的电流，再通过电阻R3将电流转换成电压Vsen。

为了降低采样电路的功耗，采样电流和采样电阻的取值都很小，因此采样电压也很小，最后通过两级运放将采样电压线性放大。

本发明低压运算放大器的主要仿真结果如下：

参照图5给出了电感电流上升阶段电流采样的仿真结果，可以看出，处于深线性区的，NMOS功率管M1的沟道电阻约为0.2Ω，Vsen为电流检测的输出。

参照图6给出了电感电流下降阶段电流采样的仿真结果，可以看出，采样电流以1:4000的比例很好的镜像出了电感电流，再通过采样电阻转换成采样电压，然后经两级运放得到电流检测输出Vsen。

参照图7为全周期电流检测电路的主要输出波形，可以看出，电感电流IL被很好的转换为采样输出电压Vsen。

通过以上的设计和仿真结果测试，实现了全周期电流检测的特性。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种全周期电流检测电路,其特征在于，包括电感电流上升模式电流检测电路和电感电流下降模式电流检测电路，

电感电流上升模式电流检测电路包括电感L，NMOS功率管M1，NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、NMOS管Mn7、PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C，

电感L的一端接输入电压Vin，另一端接NMOS功率管M1的漏极，NMOS功率管M1的源极接地，NMOS功率管M1的栅极接控制信号NPG01；NMOS管Mn3的栅极与NMOS管Mn3的漏极短接，NMOS管Mn4的栅极与NMOS管Mn4的漏极短接，NMOS管Mn3的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极、PMOS管Mp3的漏极相连，NMOS管Mn4的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极、PMOS管Mp3的漏极相连，PMOS管Mp3的源极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp3的栅极接偏置电压bias1；NMOS管Mn1的源极、NMOS管Mn3的源极接地，NMOS管Mn2的源极、NMOS管Mn4的源极接NMOS功率管M1的漏极；PMOS管Mp1的栅极和PMOS管Mp1的漏极短接，PMOS管Mp1的栅极分别与PMOS管Mp2的栅极、NMOS管Mn1的漏极相连，PMOS管Mp1的源极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接输出电压Vout；NMOS管Mn2的漏极与PMOS管Mp2的漏极短接，NMOS管Mn2的漏极分别与NMOS管Mn7的栅极、电容C的一端相连，电容C的另一端接地，PMOS管Mp2的源极接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接输出电压Vout；PMOS管Mp4的漏极与NMOS管Mn7的漏极短接作为电流检测的输出，NMOS管Mn7的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地，PMOS管Mp4的源极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp4的栅极接偏置电压bias2；

电感电流下降模式电流检测电路，包括电感L、NMOS同步整流功率管M2、NMOS采样管Ms2、NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、NMOS管Mn7、PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C，

电感L的一端接输入电压Vin，电感L的另一端分别接NMOS同步整流功率管M2的漏极、NMOS采样管Ms2的漏极，NMOS管Mn2的源极接输出电压Vout，NMOS同步整流管M2的栅极接控制信号NPG02，NMOS采样管Ms2的源极分别与电阻R3的一端、PMOS管Mp2源极相连，NMOS采样管Ms2的栅极接控制信号NPG02，电阻R3的另一端接输出电压Vout；NMOS管Mn3的栅极和NMOS管Mn3的漏极短接，NMOS管Mn4的栅极和NMOS管Mn4的漏极短接，NMOS管Mn4的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极和PMOS管Mp3的漏极相连，NMOS管Mn3的栅极分别与NMOS管Mn1的栅极、NMOS管Mn2的栅极和PMOS管Mp3的漏极相连，，PMOS管Mp3的源极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp3的栅极接偏置电压bias1；NMOS管Mn1的源极、NMOS管Mn2的源极、NMOS管Mn3的源极、NMOS管Mn4的源极均接地；PMOS管Mp1的栅极和PMOS管Mp1的漏极短接，PMOS管Mp1的栅极分别与PMOS管Mp2的栅极、NMOS管Mn1的漏极相连，PMOS管Mp1的源极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接输出电压Vout；NMOS管Mn2的漏极与PMOS管Mp2的漏极短接，NMOS管Mn2的漏极与NMOS管Mn7的栅极和电容C的一端相连，电容C的另一端接地；PMOS管Mp4的漏极与NMOS管Mn7的漏极短接作为电流检测的输出，NMOS管Mn7的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地，PMOS管Mp4的源极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接输出电压Vout，PMOS管Mp4的栅极接偏置电压bias2。

2.根据权利要求1所述的一种全周期电流检测电路,其特征在于，所述电感电流上升模式电流检测电路采用NMOS功率管M1的寄生沟道电阻对电感电流进行采样。

3.根据权利要求1所述的一种全周期电流检测电路,其特征在于，电感电流下降模式电流检测电路中,NMOS采样管Ms2与NMOS同步整流功率管M2的源极与SW端相连，NMOS采样管Ms2的漏端接电阻R3，NMOS同步整流管M2的漏端和电阻R3的另一端都接输出电压Vout；其中NMOS采样管Ms2与NMOS同步整流功率管M2的宽长比为1:4000。

4.根据权利要求1所述的一种全周期电流检测电路,其特征在于，当进行电感电流上升检测时，NMOS管Mn2的源极接SW端，此时运放的两输入分别为Mn1的源极和Mn2的源极；当进行电感电流下降检测时，NMOS管Mn2的源极接地，此时运放的两输入为电阻R3的两端。

5.根据权利要求4所述的一种全周期电流检测电路,其特征在于，R4和Mp4为电流源负载，R5为源极负反馈电阻。