CN105182055B - 用于直流-直流变换器的电流检测电路 - Google Patents

用于直流-直流变换器的电流检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于直流‑直流变换器的电流检测电路,其包括:电压‑电流转换模块,其具有两个输入端,其中一个输入端连接到所述直流‑直流变换器的高端开关管和低端开关管之间的节点以接收第一电压信号,另一个输入端连接到参考电压端以接收第二电压信号,所述电压‑电流转换模块将所述第一和第二电压信号分别转换为第一和第二电流信号并输出;以及电流比较模块,其连接到所述电压‑电流转换模块的输出端以接收所述第一和第二电流信号,比较所述第一和第二电流信号的大小并输出比较结果。其不需要额外的采样电阻就可以实现输出电流的检测,并且在输出大电流时能够保持低功耗。

Description

用于直流-直流变换器的电流检测电路
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电流检测电路,特别涉及一种用于直流-直流变换器的电流检测 电路。
背景技术
[0002] 直流-直流变换器10用于对电子设备提供电源,是电子电路中不可缺少的一种电 源变换器。如图1所示,其利用电感Lo与电容Co的储能特性,周期性的把输入电源能量传输 到输出,而自身只消耗极小一部分功耗。
[0003] 通常直流-直流变换器使用无源器件(例如电阻)作为反馈部件,通过设置不同的 反馈系数来维持输出电压的稳定,通过电流检测电路检测输出电流来达到控制电流的目 的。
[0004] 直流-直流变换器10的基本结构如图1所示,其包括一对电源开关(即高端开关管 QH和低端开关管QL)以及逻辑和驱动模块13。其中,逻辑和驱动模块13对振荡器14相互出的 时钟脉冲CLK进行脉冲宽度调制,产生调制后的控制脉冲HS和LS,分别控制和驱动两个电源 开关QH和QL,从而调节加载到负载RL上的输出电压Vo。此外,直流-直流变换器10还包括误 差放大器18、补偿电路17、误差放大器输出钳位电路16、电流采样电路11、电流比较器12、以 及其他采样和控制电路15。这些电路的实现方式多种多样,图1只是其实现方案的一个示 例。
[0005] 在直流-直流变换器中,电流的采样和检测是一个关键模块,其性能好坏影响着整 个变换器系统的控制精度以及效率,如果电流检测偏差较大,甚至可能造成系统紊乱。
[0006] 目前已有的电流检测方法分为两大类,一类是使用电阻器采样电流,其缺点是对 电阻阻值要求苛刻,不易实现,且采样信号容易受到干扰;另一类是使用高速运放采样电 流,缺点是设计复杂,开销大。
发明内容
[0007]为此,本发明提供了一种用于直流-直流变换器的电流检测电路,其使用很小的开 销即可实现高速高精度的电流检测功能。其包括:电压-电流转换模块,其具有两个输入端, 其中一个输入端连接到所述直流-直流变换器的高端开关管和低端开关管之间的节点以接 收第一电压信号,另一个输入端连接到参考电压端以接收第二电压信号,所述电压-电流转 换模块将所述第一和第二电压信号分别转换为第一和第二电流信号并输出;以及电流比较 模块,其连接到所述电压-电流转换模块的输出端以接收所述第一和第二电流信号,比较所 述第一和第二电流信号的大小并输出比较结果。
[0008]进一步地,还包括使能模块,其控制所述电压-电流转换模块和电流比较模块的使 能和关闭。还包括开关动作检测模块和校准模块,所述开关动作检测模块用于检测所述高 端开关管和低端开关管的开关动作,并且在每次开关动作结束后输出时间窗口信号;所述 校准模块接收到所述时间窗口信号时启动,判断所述比较结果的偏差并根据所述偏差调整 所述电流比较模块的偏移。
[0009]优选地,所述判断所述比较结果的偏差并根据所述偏差调整所述电流比较模块的 偏移具体为:根据所述比较结果的输出时间和所述高端开关管和低端开关管的实际开关动 作的时间来判断所述偏差,若所述比较结果的输出时间早于所述实际开关动作的时间,则 调整所述偏移以使得所述比较结果的输出时间推迟;若所述比较结果的输出时间晚于所述 实际开关动作的时间,则调整所述偏移以使得所述比较结果的输出时间提前。
[0010]本发明的用于直流-直流变换器的电流检测电路,具备自校准功能,使用很少的元 器件就能够精确地检测输出电流;并且,即使工艺波动很大,温度波动很大,也能精确检测 电流。与现有的电流检测方案比较,优势明显。
附图说明
[0011]图1为现有技术的直流-直流变换器及其电流检测电路的结构示意图;
[0012]图2为本发明的用于直流-直流变换器的电流检测电路的结构示意图;
[0013]图3为本发明的用于直流-直流变换器的电流检测电路的一个实施例的结构示意 图;
[00M]图4为本发明的用于直流-直流变换器的电流检测电路的另一个实施例的结构示 意图;
[0015]图5为图2中的电压-电流转换模块的另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和具体实施方式对本发明的用于直流-直流变换器的电流检测电路 作进一步的详细描述,但不作为对本发明的限定。
[0017]如图2所示,为本发明的用于直流-直流变换器的电流检测电路的结构示意图。本 发明的用于直流-直流变换器的电流检测电路包括电压-电流转换模块011和电流比较模块 012。
[0018]其中,电压-电流转换模块011具有两个输入端,其中一个输入端连接到直流-直流 变换器的高端开关管HS和低端开关管HS之间的节点SW以接收第一电压信号Vsw,另一个输 入端连接到参考电压端以接收第二电压信号Vref。电压-电流转换模块011将第一和第二电 压信号Vsw、Vref分别转换为第一和第二电流信号Isw、Iref并输出。
[0019]电流比较模块012连接到电压-电流转换模块011的输出端以接收第一和第二电流 信号Isw、Iref,比较第一和第二电流信号lsw、lref的大小,并输出比较结果p〇。例如,当第 一电流信号Isw小于第二电流信号Iref时输出第一比较结果,g卩p〇为正值,当第一电流信号 Isw等于第二电流信号Iref时输出第二比较结果,g卩p〇为零值,当第一电流信号Isw大于第 二电流信号Iref时输出第三比较结果,g卩P〇为负值。
[0020]为了对该电流检测电路增加自校准功能,如图2所示,本发明的用于直流-直流变 换器的电流检测电路还包括开关动作检测模块013和校准模块014。其中,开关动作检测模 块013用于检测高端开关管HS和低端开关管LS的开关动作,并且在每次开关动作结束后输 出时间窗口信号Vw,例如,开关动作结束后输出具有一定时长的高电平,其他时候输出低电 平;校准模块014接收到时间窗口信号Vw时启动,例如,当Vw信号为高电平时启动,判断比较 结果Po的偏差,并根据判断出来的偏差调整电流比较模块012的偏移。
[0021] 具体地,校准模块014根据比较结果P〇的输出时间、以及高端开关管HS和低端开关 管LS的实际开关动作的时间,来判断比较结果P〇的偏差:若比较结果P〇的输出时间早于实 际开关动作的时间,则调整电流比较模块〇 12的偏移以使得比较结果P〇的输出时间推迟;若 比较结果P〇的输出时间晚于实际开关动作的时间,则调整电流比较模块〇 12的偏移以使得 比较结果P〇的输出时间提前。此为一次校准过程。经过多次开关管动作之后的校准,会使得 电流检测点稳定保持在目标值,从而使得该电流检测电路具备自校准功能。
[0022] 由于电流检测是发生在整个系统运行中的某一段时间内的,即并不是全部时间都 需要进行电流检测;并且,在不进行检测的时间段内,SW节点的电压不确定,有可能造成比 较结果Po出错,因此,本发明的电流检测电路需要配合适合的时序电路才能得到正确的结 果。
[0023] 如图3、4所示,本发明的用于直流-直流变换器的电流检测电路还包括一个使能模 块010,在需要检测的时间段内使能电流检测电路,在不需要检测的时间段内确保电流检测 电路关闭。
[0024]如图3所示,为本发明的用于直流-直流变换器的电流检测电路的一个实施例的结 构示意图。在该实施例中,第二电压信号Vref (即参考电压)端接GND,则本发明的电流检测 电路可以用作过零检测电路。
[0025] 其中,使能信号en的电平的高低由系统中的逻辑电路控制,当需要对目标位置进 行电流检测时,系统中的逻辑电路就要给出高电平的使能信号en,从而电流检测电路工作; 当不需要进行电流检测时,逻辑电路控制使能信号en为低电平,从而电流检测电路不工作。 [0026]当使能信号en输入高电平时,X节点为高电平,Y节点为低电平;节点SW和GND的电 压经过电压电流转换模块011转换为电流后输入电流比较模块012;电流比较模块012对输 入的两个电流信号进行比较。电流比较模块012输出的比较结果Po的初始值为0,Po变为高 电平表示检测结束或比较结束。
[0027] Vref为参考电压,其会影响电流检测的检测点。检测点是由vref、电压-电流转换 模块的转换比例来共同确定的。通过分别设置Vref和Vsw的电压电流转换比例,可以任意设 计需要的检测点。节点SW的电压的大小实际上代表了输出功率管中电流的大小,例如,节点 SW的电压的变化范围为-0 • 7V〜-0 • 2V,其中-0 • 7V可能对应的输出电流为1A,-0 • 2V可能对 应的输出电流是0.2A。若经过电压-电流转换模块〇 11之后的电流的范围被设计为1 〇uA〜 100uA对应节点Sff的-0.7V〜-0.2V的电压,那么转换比例就是-0.7V〜-0.2V的电压转换成 10uA〜100uA电流的跨导值,为ISOuA/V。转换之后的电流可以认为l〇uA对应输出大电流的 200mA,100uA对应输出大电流的1A。设置电压-电流转换比例就是设计上述跨导值的大小, 从而可以改变同样一个参考电压Vref输入值情况下对应的电流检测点。
[0028]由于节点SW的电压包含了输出电流的信息,因此,本发明的电流检测电路中的电 压-电流转换模块011,可以利用输出功率管本身的寄生电阻来进行电流采样,从而省去了 现有电流检电路中的采样电阻,可以节省芯片面积;并且,输出大电流(被检测电流)不会 流过额外的采样点组,因此不会造成额外的功率消耗。
[0029]但可以理解的是,本发明的电流检测电路中的电压—电流转换模块011还可以采用 其他形式,例如图5中的电压-电流转换电路。以及,本发明中的开关动作检测模块013中的 电压比较器和电流比较模块014,均可以是任何已知的电压和电流比较器。
[0030] 在本实施例中,节点SW的电压Vsw为负值表示电流从GND流向SW节点,电压Vsw为零 表示流过开关管HS和LS的电流为零,电压Vsw为正值时表示电流从SW节点流向GND,并且,电 压Vs w的绝对值与电流的大小成正比。
[0031]当电流比较模块012输出比较结果P〇即比较结束之后,系统控制使能信号en变为 低电平。为了在比较结束后让该电流检测电路的自校准功能开始运行,需要根据比较结果 P〇的改变来启动校准模块014。
[0032]在本实施例中,校准模块014并不是根据比较结果Po的电平翻转来启动的,因为校 准模块014需要知道检测结果Po是电流偏大还是偏小,因此,直接将能够反映检测结果P〇的 偏差方向的信号作为反馈信号反馈给使能模块010;使能模块010从而改变节点X、Y的电平, 进而控制校准模块014。
[0033]因为检测结果Po变高以后,系统认为比较结束,会发生状态改变,在检测结果P〇偏 小的情况下,系统状态转变意味着节点SW的电平会发生大信号改变;如果检测结果电流偏 大,节点SW的电平不会发生大的变化。因此,只需要检测节点SW的电平有没有大的变化就可 以得到检测结果Po是电流偏大还是偏小了。参考图3,开关动作检测模块013的输出反馈到 使能模块010,其输出可以反映出本次的检测结果Po是电流偏大还是偏小。
[0034]当开关管HS、LS有开关动作后,开关动作检测模块013会产生一个时间窗口信号。 在该时间窗口信号的持续时间内,校准模块014启动开始工作。时间窗口信号的产生可以通 过RC延迟电路来实现,时间窗口的大小(即持续时间长度)与校准精度、校准速度均相关,需 要根据校准电路的具体实现来确定。如图3所示的实施例中,时间窗口的大小由电容器C以 及校准步长来确定,可通过仿真来确定其具体值,例如,时间窗口的大小可以为30ns左右。 [0035]具体地,校准模块014根据比较结果Po来调整电流比较模块012的偏移的过程为: 如果检测的结果是电流偏大,则节点X、Y的电平都会变低,使得节点Z的电平上升,存储在电 容器C中的电荷就会释放一部分,电流比较模块014的偏移减小一些,从而改变检测点使得 检测电流的翻转点向小的方向移动;如果检测的结果是电流偏小,则节点X的电平会变高, 使得节点Z的电平降低,电容器C会被充入一些电荷,电流比较模块014的偏移增大一些,从 而改变检测点使得检测电流的翻转点向大的方向移动。
[0036]时间窗口信号结束之后,节点X的电平变高,节点Y的电平变低,节点Z的电压不再 增减,电容器C中的电荷也被存储起来,一次自校准过程就完成了。在每次开关管的开关动 作之后都会校准一遍,最终检测电流的翻转点就会固定在目标值处。
[0037]如图4所示,为本发明的另一个实施例的电路结构示意图。在该实施例中,将GND信 号换成另外的参考电压,就可以检测输出电流是否达到相应的参考电流。例如,将图3中的 GND端接入某一电压值的电压信号;或者如图4所示,向GND端口输入一个直流电流,就可作 为过流检测电路使用。其工作原理与图3所示的实施例相同,此处不另赘述。
[0038]以上具体实施方式仅为本发明的示例性实施方式,不能用于限定本发明,本发明 的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内,对本 发明做出各种修改或等同替换,这些修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于直流-直流变换器的电流检测电路,其特征在于,包括: 电压-电流转换t吴块,其具有两个输入端,其中一个输入端连接到所述直流—直流变换 器的高端开关管和低端开关管之间的节点以接收第一电压信号,另一个输入端连接到参考 电压端以接收第二电压信号,所述电压-电流转换模块将所述第一和第二电压信号分别转 换为第一和第二电流信号并输出;以及 电流比较模块,其连接到所述电压-电流转换模块的输出端以接收所述第一和第二电 流信号,比较所述第一和第二电流信号的大小并输出比较结果; 还包括开关动作检测模块和校准模块, 所述开关动作检测模块用于检测所述高端开关管和低端开关管的开关动作,并且在每 次开关动作结束后输出时间窗口信号; 所述校准模块接收到所述时间窗口信号时启动,判断所述比较结果的偏差并根据所述 偏差调整所述电流比较模块的偏移。
2. 根据权利要求1所述的用于直流-直流变换器的电流检测电路,其特征在于, 所述电流比较模块在所述第一电流信号小于所述第二电流信号时输出第一比较结果, 在所述第一电流信号等于所述第二电流信号时输出第二比较结果,在所述第一电流信号大 于所述第二电流信号时输出第三比较结果; 所述电流检测电路还包括使能模块,其控制所述电压-电流转换模块和电流比较模块 的使能和关闭。
3. 根据权利要求1所述的用于直流-直流变换器的电流检测电路,其特征在于,所述判 断所述比较结果的偏差并根据所述偏差调整所述电流比较模块的偏移具体为: 根据所述比较结果的输出时间和所述高端开关管和低端开关管的实际开关动作的时 间来判断所述偏差,若所述比较结果的输出时间早于所述实际开关动作的时间,则调整所 述偏移以使得所述比较结果的输出时间推迟;若所述比较结果的输出时间晚于所述实际开 关动作的时间,则调整所述偏移以使得所述比较结果的输出时间提前。
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