CN105576975A

CN105576975A - 高速跟踪双向电流感测系统

Info

Publication number: CN105576975A
Application number: CN201510720137.9A
Authority: CN
Inventors: K.诺林; A.萨姆布科
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: US20160124455A1; US9798347B2; DE102015116777B4; CN105576975B; DE102015116777A1

Abstract

本发明涉及高速跟踪双向电流感测系统。描述了跟踪电流感测系统，其包括电流源和电流控制器件。电流源替换地和基本上复制流过第一开关的第一电流和流过第二开关的第二电流。电流控制器件配置电流源以在复制第一电流和第二电流之间交替。

Description

高速跟踪双向电流感测系统

技术领域

本公开通常涉及在电子电路中的电流感测技术。

背景技术

跟踪电流感测电路一般提供跟踪电流，并可在应用例如用于服务器的DC-DC转换器和移动计算机应用中使用。常规跟踪电流感测电路常常包括运算放大器，其由于为了稳定性被引入的电容而具有有限转换速率和有限带宽。使用运算放大器导致跟踪电流感测电路具有下限速度，且因此可能不能够以有时被现代技术/系统所要求的速度汇集或获得电流。

发明内容

通常，本公开描述了用于改进跟踪电流感测系统的速度、带宽和稳定性的技术和电路。本文所述的技术和电路中的一些使跟踪电流感测系统能够预偏置半桥的不活动侧的电流，使得当半桥的不活动侧稍后变得活动时，在不活动侧处的电流的水平在操作电流的水平处或附近。以这种方式，预偏置半桥的不活动侧可减小当半桥的一侧被激活时出现的稳定时间的量。

本文所述的技术和电路中的一些可使跟踪电流感测系统能够跟踪正和负电流。例如，使用零电流交叉比较器来检测电流的极性的改变或通过使用被设置成供应可能需要的最大负电流的偏置电流发生器.

本文所述的技术和电路中的一些可使跟踪电流感测电路能够跟踪正和负电流而不考虑半桥的哪一侧是活动的。因此，跟踪电流感测电路可跟踪在半桥的高侧和低侧开关两者中的正和负电流。

在一些示例中，本公开的技术被指向包括电流源和电流控制器件的跟踪电流感测系统。电流源替换地和基本上复制流过第一开关的第一电流和流过第二开关的第二电流。电流控制器件配置电流源以在复制第一电流和第二电流之间交替。

在一些示例中，本公开的技术被指向配置成控制跟踪电流系统的电流源的电流控制器件。跟踪电流感测系统替换地和基本上复制流过第一开关的第一电流和流过第二开关的第二电流。

在一些示例中，本公开的技术被指向包括用于确定是第一开关传导第一电流还是第二开关传导第二电流的器件和用于配置电流源以在确定第二开关不再传导第二电流之后平滑地从复制第二电流转变到复制第一电流的器件的跟踪电流感测系统。跟踪电流感测系统还包括用于配置电流源以在确定第一开关不再传导第一电流之后平滑地从复制第一电流转变到复制第二电流的器件。

在下面的描述和附图中阐述了本公开的一个或多个示例和技术的细节。根据描述和附图以及根据权利要求，本公开的其它特征、目的和优点将是明显的。

附图说明

图1是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的示例跟踪电流感测系统的示意图。

图2是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在图1的跟踪电流系统中的反馈电流的示例行为的时序图。

图3是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在稳定闭环电流感测系统中的运算放大器和比较器的增益-带宽乘积之间的示例差异的曲线图。

图4是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的图1的跟踪电流感测系统的示例实现的示意图。

图5是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在配置成跟踪正电流的示例跟踪电流感测系统中使用的示例电流跟随器的示意图。

图6是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于与半桥一起使用的示例跟踪电流感测系统的示意图。

图7A-7C是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在不同的跟踪电流感测系统中的示例电流的时序图。

图8是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的配置成跟踪在半桥的两侧中流动的正和负电流的替换的示例跟踪电流感测系统的示意图。

图9是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于操作配置成跟踪在半桥的两侧中流动的正和负电流的跟踪电流感测系统的示例过程的流程图。

图10是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的配置成检测在半桥中的电流的零交叉的示例跟踪电流感测系统的示意图。

图11A和11B是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于在示例跟踪电流感测系统中使用的活动电流镜的示意图。

图12是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于操作具有双向感测的跟踪电流感测系统的示例过程的流程图。

附图不一定按比例绘制。相似的参考数字指示相似的特征，虽然在相似的特征之间的变化可存在于各种示例中。

具体实施方式

一些功率系统依赖于基于线性感测放大器（“LSA”）的电流感测系统来执行电流跟踪技术。基于LSA的电流感测系统的一个缺点是，LSA可能在高速功率系统中是不稳定的。也就是说，一些基于LSA的电流感测系统可具有“剩余偏移”（例如总系统在继续其它非感测操作之前需要等待的在执行感测操作之后的时间的量）和/或大的稳定时间。一些功率系统（例如降低电压或“降压”转换器）执行快切换和/或高/低占空比操作，并具有可用于基于LSA的电流感测系统的可用来执行电流感测技术的非常少的时间。相应地，具有剩余偏移和/或大稳定时间的基于LSA的电流感测系统在功率系统已经可用于感测的时间期间可能不稳定和/或结束执行感测操作。即使基于LSA的电流感测系统在可用于执行感测的所分配的时间内确实稳定下来或在可用于执行感测的所分配的时间内执行感测操作，基于LSA的电流感测系统可能由于其它原因（例如当平均电流值被使用时）对于一些功率系统是不充足的。描述了用于改进功率系统（例如DC-DC功率转换器等）中的跟踪电流感测系统的速度的技术和电路。也就是说，本文所述的技术和电路可减少功率系统必须分配到跟踪电流感测系统以执行电流感测操作的时间的总量。在一些示例中，技术和电路可使跟踪电流感测系统能够跟踪正和负电流两者，且在一些示例中，技术和电路可使跟踪电流感测系统能够跟踪正和负电流而不考虑在功率系统内的电流的位置（例如高侧或低侧）。

图1是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的示例跟踪电流系统10的示意图。跟踪电流系统10是非线性系统，其依赖于比较器12来确保功率开关18-0的两个“匹配的”晶体管18-2和18-3同时以相等的电流密度进行传导。

通常，为了使感测晶体管18-3和功率晶体管18-2分别以相同的电流密度传导电流Ifeedback和电流Ipower，比较器12首先比较在匹配的晶体管18-2和18-3上的相应的电压降。基于在晶体管18-2和18-3两端的相应的电压降中的差异，比较器12驱动开关14-1和14-2（在本文被共同称为“开关14”）以改变在晶体管18-3的输出处的负载电流的量（例如与晶体管18-1相关联的负载电流的量）。如下面更详细描述的，比较器12改变在晶体管18-3的输出处的负载电流的量，直到负载电流的量足够充足以使晶体管18-3中的电流密度在晶体管18-1产生电流Ifeedback时匹配在晶体管18-2中的电流密度，同时晶体管18-2传导电流Ipower。

功率开关18-0是半桥的基于晶体管的高侧开关。虽然被示为半桥的高侧开关，但如果功率开关18-0作为半桥的低侧开关操作，则本文所述的原理和技术也可应用于功率开关18-0，。当功率开关18-0被接通时，VIN的电压被施加到系统10的输出（例如切换节点）。

功率开关18-0包括晶体管18-2（例如大功率晶体管）和晶体管18-3（例如作为晶体管18-2的电流镜起作用的较小的感测晶体管）。晶体管18-2和18-3可均是场效应晶体管（“FET”）。在这个示例中，晶体管18-2和18-3的漏极都连接到VIN。在一些示例中，晶体管18-3是晶体管18-2的1/N。晶体管18-2和18-3以相同的栅极信号被控制。当晶体管18-2被接通时，晶体管18-3也被接通。晶体管18-2传导电流Ipower。晶体管18-3传导Ifeedback。

系统10依赖于晶体管18-2来将系统10的输出（例如被标记为“OUT”）耦合到电压源VIN，而系统10依赖于晶体管18-3来执行电流感测技术以便传导Ifeedback（即复制或“跟踪”电流），系统10可从Ifeedback感测与晶体管18-2相关联的电流Ipower的水平。从晶体管18-3出来的Ifeedback的水平可以是从晶体管18-2出来的IPower的水平的1/N（例如只要晶体管18-2和18-3的漏极-源极电压和栅极-源极电压是相同的）。如遍及这个公开使用的，术语“反馈电流”，Ifeedback，跟踪电流和复制电流，都可互换地用于通常描述成比例地镜像从功率晶体管流出的电流的水平的电流。通常，Ifeedback的术语“反馈电流”用于在感测晶体管（例如晶体管18-3）中流动的电流。当电流跟踪系统10已经稳定时，Ifeedback等于Ipower/N。术语“复制电流”或“镜像电流”通常描述作为反馈电流Ifeedback的“复制”或“镜像”的电流。换句话说，如果电流跟踪系统10输出等于Ifeedback的电流（例如类似于图6所示的系统400的输出），则这个输出电流将被称为“镜像电流”。

虽然被示为半桥的高侧开关，开关18-0也可类似地被配置为半桥的低侧开关。开关18-0可用于给耦合到半桥的切换节点（例如在节点OUT处）的负载（例如电感负载）供电。系统10可接通和关断晶体管18-0的晶体管18-2以控制在节点OUT处的电压（或在一些示例中，电流）。例如，系统10可依赖于开关晶体管18-2的控制来在节点OUT处产生PWM输出信号。在系统10依赖于栅极信号（例如从接收自控制器的脉冲宽度调制信号导出的，为了简单的目的，未在图1中描绘该控制器）以使晶体管18-2接通和关断，系统10可同时将晶体管18-3驱动到与晶体管18-2相同的操作状态（例如接通或关断）中以传导Ifeedback。系统10可依赖于Ifeedback来感测或以其它方式确定从晶体管18-2出来的电流Ipower的量。

在基于LSA的跟踪电流系统中，其它系统的LSA可通过镜像晶体管例如晶体管18-3来拉电流以使在镜像晶体管两端的电压与在对应的功率晶体管例如晶体管18-2两端的电压降匹配，以创建比从功率晶体管出来的电流的量小（例如是1/N）的从镜像晶体管出来的镜像电流。然而，在将穿过镜像晶体管的电流的水平升高到适当的水平时可能有相当大的延迟。因此，具有LSA的其它系统可具有剩余偏移或不充足的稳定时间中的至少一个，因而有积分/平均误差。

与基于LAS的跟踪电流系统不同，系统10是非线性的并包括比较器12以驱动开关14，控制可变电流发生器16-1和16-2（在本文被共同称为“电流发生器16”）并给电容器20充电和放电以改变与晶体管18-1相关联的负载电流的量和正由晶体管18-1汇集的电流的量。跟踪电流系统10可具有更低的稳定时间，并因此比其它跟踪电流感测系统更快地跟踪电流（即在更少的时间量内）。

例如，跟踪电流系统10包括布置成平行于晶体管18-1（在本文也被称为“晶体管M1”）的电容器20。晶体管18-1可以是金属氧化物半导体场效应晶体管（“MOSFET”）晶体管，例如N型MOSFET。晶体管18-1配置成与基于LSA的跟踪电流系统的运算放大器的输出级类似地操作。然而如本文所述，跟踪电流系统10不包括运算放大器，但更确切地，跟踪电流系统10替代地依赖于比较器12来驱动开关14，以便控制电容器20的充电和放电，以便调节与晶体管18-1相关联的负载电流的量并调节跟踪电流系统10的反馈电流Ifeedback。也就是说，比较器12可控制开关14-1以使来自电流发生器16-1的电流行进到电容器20。比较器12可控制开关14-2以使电流远离电容器20行进并汇集在电流发生器16-2处。

电流发生器16-1连接到高参考电压VIN_3。电流发生器16-2连接到低参考电压22。低参考电压22在图1中被示为地电压，其在系统10的示例中在与晶体管18-1的源极相同的电位处。在其它示例中，低参考电压可以在与晶体管18-1的源极不同的电位处。以这种方式，通过控制开关14，比较器12可控制电流发生器16以使电容器20充电和放电，使得在电容器20两端的电压停留在高供电电压VIN_3和低电压供电22的范围内。

电流发生器16可直接连接到晶体管18-1的控制管脚。晶体管18-1汇集在与系统10的电流操作点一致的电流水平处的电流。换句话说，在跟踪电流系统10中的跟踪电流Ifeedback可在晶体管18-1所需要的电流操作点周围振荡以汇集期望水平的跟踪电流。在跟踪电流系统10中的跟踪电流Ifeedback可由于与使电容器20充电和放电所需要的时间的量相关联的滞后或延迟而振荡。然而，在跟踪电流Ifeedback中的振荡的量对于一些应用可以是可忽略的，只要振荡相对于跟踪电流系统10正跟踪的电流（例如Ipower）的频率和量值具有更高的频率和更低的幅度。

如图1所示，比较器12的一个输入（例如正“+”管脚）耦合到晶体管18-3的源极，而比较器12的另一输入（例如负“-”管脚）耦合到晶体管18-2的源极。当在比较器12的+管脚处的电压高于在-管脚处的电压时，比较器12可通过使开关14-1（“S”）切换到接通或以其它方式在“导通状态”中操作以传导从电流发生器16-1行进的电流并进一步通过使开关14-2（“S^-”）切换到断开或以其它方式在“断开状态”中操作以禁止电流行进到电流发生器16-2来对电容器20充电。以这种方式使电容器20充电可使汇集到晶体管18-1内的电流的量增加。以这种方式，晶体管18-1像用于产生从晶体管18-3拉出的反馈或跟踪电流的电流源一样行动。

当在比较器12的+管脚处的电压低于在-管脚处的电压时，比较器12可通过使开关14-1切换到断开并进一步使开关14-2切换到接通来使电容器20放电。以这种方式，电流发生器16-2可从电容器20汲取电流以使电容器20放电并减小晶体管18-1的电流汇集能力。在下面讨论的图2中示出跟踪电流Ifeedback的一个示例行为。比较器12在控制开关14时可具有小磁滞和/或延迟。

相应地，系统10可使感测晶体管18-3和功率晶体管18-2通过依赖于比较器12分别以相同的电流密度传导电流Ifeedback和电流Ipower。比较器12比较在匹配晶体管18-2和18-3两端的电压降，并基于该比较，驱动开关14-1和14-2以便改变在晶体管18-3的输出处的负载电流的量，直到负载电流的量足够充足以使晶体管18-3的电流密度与晶体管18-2的电流密度匹配为止。

可根据跟踪电流系统10的期望动态和/或速度能力来选择由电流发生器16操纵的电流的水平。例如，如果电流发生器16可操纵更大数量的电流，则电容器20可被更快地充电和放电并使跟踪电流系统10更快地操作。在一些示例中，跟踪电流系统10的参数被选择成使得在晶体管中的被测量的电流不比在晶体管18-1中的电流斜升得更快。此外，也可对电流从晶体管18-2和18-3的TON循环的开始到结束上升得多么快放置限制。

如遍及本公开使用的，晶体管的TON循环通常被限定为当晶体管接通时的时间的周期（通过它的传导沟道传导电流或以其它方式在导通状态中操作），而不是表示当晶体管断开时的时间的晶体管的TOFF循环（不通过它的传导沟道传导或以其它方式在断开状态中操作）。例如，晶体管18-2和18-3的TON表示当晶体管18-2和18-3接通或以其它方式在导通状态中操作而不是断开或以其它方式在断开状态中操作时的时间的周期。参考半桥配置，半桥的术语TON循环通常用于描述当半桥的高侧开关接通或以其它方式在导通状态中操作且半桥的低侧开关断开或以其它方式在断开状态中操作时的时间的周期。进一步参考半桥配置，半桥的术语TOFF循环通常用于描述当半桥的高侧开关断开或以其它方式在断开状态中操作且半桥的低侧开关接通或以其它方式在导通状态中操作时的时间的周期。

在一些示例中，一个或多个电流发生器16可被选择成能够产生大电流，使得使电容器20充电和放电在适合于跟踪电流系统10所应用于的应用的确定的时间周期内。因此，可为使能在跟踪电流中的特定速度的实现的质量选择跟踪电流系统10的各种部件。

图2是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在图1的跟踪电流系统10中的跟踪电流Ifeedback的示例行为的时序图40。时序图40示出在时间周期TON上由线42表示的系统10的跟踪电流（Ifeedback）的示例真实行为。线44示出Ifeedback的理想输出电流（Ipower/N）。在TON上，电容器20使用由线46表示的电流（“Icap”）被充电和放电。

线42示出纹波、振荡或尖峰脉冲，其可能是由于几个因素，包括比较器12的速度、比较器12的跨导、用于使电容器20充电/放电的电流（“I”）和电容器20本身的值。在一些示例中，选择这些参数，以便减小或最小化在线42中示出的Ifeedback的纹波、振荡或尖峰脉冲的量。在一个示例中，第一锯齿的周期可以是大约2.5毫微秒（“ns”）。在一些示例中，当减小纹波、振荡或尖峰脉冲的量时，使各种折衷被平衡。例如，虽然使比较器12变得更快可导致更短的反应时间和因此纹波的更高的振荡频率以及还有纹波的更低幅度，但使比较器12变得更快也可导致持续的最大跟踪速度和跟踪斜率。反之，虽然降低电流源16的充电电流可导致纹波的更低的振荡频率以及还有纹波的更低幅度，但降低电流源16的充电电流也可导致最大跟踪速度或跟踪斜率被减小。此外，虽然增加电容器20的尺寸可导致纹波的更低振荡频率以及还有纹波的更低幅度，但增加电容器20的尺寸也可导致最大跟踪速度或跟踪斜率的减小。

在理想Ifeedback线44上的点Iini表示起始电流水平（“Iini”），而在线44上的点Ifin表示末尾电流水平（“Ifin”）。为了尽可能快地达到起始电流水平Iini，跟踪电流系统10包括可变电流发生器16-1。可变电流发生器16-1可遵循根据跟踪电流系统10的期望参数而设置的规则，例如使用电容器12的正和负转变来改变电流。在图2的示例中，当比较器12的第二正转变出现时，使用线46表示的电流Icap减小。

图3是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在稳定闭环电流感测系统中的运算放大器和比较器的增益-带宽乘积之间的示例差异的曲线图60。也就是说，曲线图60比较可用于跟踪比较器62的电流和增益-带宽乘积的运算放大器66的增益-带宽乘积。

常规跟踪电流感测电路可使用运算放大器来以线性方式控制电流源16，其由于为了稳定性而引入的电容器而具有有限转换速率（例如在遍及电路的任何点处的信号的最大可能改变速率）和有限带宽。由于这些限制，常规跟踪电流感测电路不能够以足够的速度（例如以大于1兆赫兹（“MHz”），以低于15%的占空比）汇集或获得电流，该速度有时在应用例如服务器和笔记本计算机（例如膝上型计算机和其它移动计算装置）的现代DC-DC转换器（诸如例如降压转换器）中被请求。不以足够的速度汇集或获得电流可在跟踪电流中引入系统偏移。在一些情形中，跟踪电流不达到跟踪条件，因为TON太短。一个或多个电容器被包括在运算放大器内以使闭环稳定。一个或多个电容器必须被充电和放电，这可引入时间滞后。

与其它线性类型系统例如依赖于运算放大器（在本文也被称为“op-amps”）的基于LSA的跟踪电流系统不同，本文所述的非线性系统例如系统10依赖于一个或多个比较器来控制电流流进和流出一个或多个电流发生器，电流发生器给用于加速电流跟踪过程的电容器充电和放电。本公开的非线性系统包括比包括运算放大器的电流感测系统快的比较器，因为它不包括稳定电容器。本文所述的示例器件中的一些可以是常规基于LSA的跟踪电流系统的10到20倍快。

图是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的图1的跟踪电流感测系统10的示例实现的示意图。系统80是包括可减少在上面关于图1和2所述的跟踪电流Ifeedback中的纹波、振荡或尖峰脉冲的相关联的量和稳定时间的可选特征的跟踪电流感测系统10的实现。

在图1的电流感测系统10和图4的系统80之间的一些差异使得系统80包括计数器82，图1的可变电流发生器16已经用电流发生器84-1和84-2取代。两个附加的“升压”电流发生器84-3和84-4以及一些附加的数字逻辑也被添加到系统80。

在系统80的操作中，开关14-1开始在关断或断开状态中操作，且开关14-2、14-3和14-4开始在接通或导通状态中操作。当负载耦合到节点OUT且晶体管18-2被接通时，电流Ipower开始流过晶体管18-2。因为比较器12的+管脚耦合到晶体管18-3的源极且比较器12的-管脚耦合到晶体管18-2的源极，当电流Ipower开始流过晶体管18-2时，比较器12的+管脚可以在比比较器12的负管脚高的电位处，因为与正加载节点OUT的负载电流不同，没有加载晶体管18-3的负载电流，这导致比较器输出变高。

当比较器12的输出变高时，开关14-1转变成在接通或导通状态中操作，且开关14-2关断或断开。电容器20将开始从电流发生器84-1和电流发生器84-3被充电，且晶体管18-1的栅极-源极电压将增加。当晶体管18-1的栅极-源极电压达到栅极阈值电压水平时，晶体管18-1的漏极电流将开始流动。漏极电流将增加，只要在晶体管18-1处的栅极-源极电压增加（例如在电容器20被充电时）。如果在晶体管18-1处的栅极-源极电压变得太大，则漏极电流1可以变得大于期望的（例如超过最大漏极电流水平），并可使在比较器12的+管脚处的电压下降到比较器12的-管脚的电压水平之下。当在比较器12的+管脚处的电压水平降低到比较器12的-管脚的电压水平之下时，比较器12可将它的输出从高改变到低。响应于比较器12的输出变低，开关14-1可关断或断开，且开关14-2可接通或导通，以及电容器20可开始使用从电容器20汲取到电流发生器84-2和电流发生器84-4的电流来放电。

系统80可继续操作，其中电容器20以这种方式充电和放电，使得跟踪电流Ifeedback可在理想电流值处或大致在理想电流值周围振荡（例如，如在图2的线44中所示的）。计数器82可对比较器12的正转变的数量计数（例如，比较器12的输出从低输出（其中电容器20被放电）转变到高输出（其中电容器20被充电）多少次）。在图2所示的点50处，升压电流发生器84-3和84-4的一个或多个开关（例如开关14-3和14-4）将断开。

图4示出当开关14-3接通或导通时，来自电流源84-1和84-3的相应电流I1的和等于I1+I1=I2。换句话说，电流发生器84-1和84-3都贡献总电流I2的I1。当开关14-3断开时，发生器84-3提供零电流，且来自电流发生器84-1的电流保持I1，使得与I2相关联的电流等于I1。类似地，图4示出当开关14-4接通时，来自电流源84-2和84-4的相应电流I1的和等于I1+I1=I2。换句话说，电流发生器84-2和84-4都贡献总电流I2的I1。当开关14-4断开时，发生器84-4提供零电流，且来自电流发生器84-2的电流是I1=I2。

以这种方式，稳定速度可当I1+I1=I2时在开始/启动中加倍，且晶体管18-1可快得多地达到理想漏极电流。然而，因为当I1+I1=I2时充电电流I2可以是高的，由于在比较器12的速度/传播延迟中的限制，与充电电流相关联的纹波可以是大的。为了减小纹波并增加跟踪电流Ifeedback的准确度使得跟踪电流更接近地对应于晶体管18-1的理想电流，升压电流发生器84-3和84-4的充电升压电流被移除，使得充电电流从2*I1下降到I1。

为了防止电流发生器84-1和84-2在未被使用时进入三极管区（也被称为欧姆区），未连接到电容器20的电流发生器84-1或84-2连接到在电容器20两端的电压的“电压复制”（例如，其可使用缓冲器来实现）。这允许未使用的电流发生器84-1或84-2重新连接到电容器20，而不引入否则将由于在以前未使用的电流发生器84-1或84-2的输出和电容器20之间的不同电压而被引入的额外电荷。

在一些示例中，在系统80的操作开始时使用更高的充电电流（例如2*I1）以便给电容器20充电。例如，可只在TON开始时使用升压电流发生器84-3和84-4以给电容器20充电和放电。升压电流发生器84-3和84-4可被以这样的方式连接，以便使I2从TON的启动大致等于10微安（“μA”），直到比较器12的第二正转变为止。电容器20可具有六百五十毫微微法（“fF”）的值，并可在比较器12的第二正转变之后当I2等于五μA时被充电和放电。

在开关的TOFF阶段期间，电流感测电路可保持栅极偏置，断开所有开关14，并使电容器20在其当前值处被充电。为了减小下一个TON阶段的稳定时间，可使用升压电流发生器84-3和84-4，直到比较器12的输出的第二正转变为止。即使晶体管18-1在TOFF阶段期间是导通的，晶体管18-1也可在三极管区中操作，其中在晶体管18-1的漏极和源极端子两端的电压小于饱和电压（例如VDS<VDS_SAT）。注意，如将稍后在图4的描述中变得明显的，可流到晶体管18-1的最大电流是IMAX_NEGATIVE。

因此，系统80的跟踪电流Ifeedback可在某个值（例如晶体管18-1的理想电流）周围振荡，且不需要是稳定的以作为用于一些应用的足够的跟踪电流系统执行。此外，比较器12不需要“被加盖”以使它慢下来，像对于LSA型跟踪电流系统所需要的一样。与其它LSA型跟踪电流系统比较，比较器12可“无盖地”操作的事实可导致系统80的带宽的增加。此外，在比较器12无盖的情况下，系统80可能能够保持在更高的带宽处的放大和增益更宽的带宽，并是总体更快的。

系统80配置成跟踪正和负电流两者。如在本文使用的，离开晶体管或从晶体管出来行进的电流表示“正电流”，而进入或行进到晶体管中的电流表示“负电流”。例如，在图4中使用指向远离或离开晶体管18-2的源极端子的方向箭头示出电流IPOWER，且因此Ipower表示正电流。跟踪电流Ifeedback被示为离开晶体管18-3的源极端子且也是正的而不是负的电流。参考半桥配置，其中节点OUT表示在高侧开关和低侧开关之间的切换节点，正电流指的是从半桥的任一开关离开进入切换节点，以及从切换节点离开并进入负载的电流。负电流指的是从负载离开，进入切换节点，以及从切换节点离开并进入任一开关的电流。

为了能够跟踪流过晶体管18-2的正和负电流两者，系统80将电流偏移IMAX_NEGATIVE添加到晶体管18-3的源极节点和比较器12的正“+”输入。电流偏移IMAX_NEGATIVE的引入用于使系统80与LSA型跟踪电流系统的A类运算放大器的输出级类似地起作用。例如，当零电流流过晶体管18-2时，比较器12配置成确保零电流流过晶体管18-3，这导致18-1汇集等于IMAX_NEGATIVE的电流量。当正电流流过晶体管18-2时，晶体管18-1汇集大于IMAX_NEGATIVE的电流量，这导致流过晶体管18-3的正跟踪电流Ifeedback。相反，当负电流流过晶体管18-2时，晶体管18-1汇集小于IMAX_NEGATIVE的电流量，这导致流过晶体管18-3的负跟踪电流Ifeedback。

图5是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的配置成预偏置跟踪电流感测系统的低侧复制电流发生器/源的示例预偏置电路100的示意图。例如，图5示出使用图1的系统10的部分或图4的系统80的部分的示例（应用）电流跟随器。在图5的示例中，来自图4的晶体管M1与图5的晶体管M1相同。因此，为了描述的容易，下面在图4的系统80的上下文中描述图5的系统100。电流ISENSE_LS_COPY跟随电流ISENSE_HS_COPY。跟随器在跟踪电流感测系统中用于获得或输出在图4的晶体管18-2中流动的跟踪电流的电流复制，作为在OUTCURRENT_SENSE（即管脚120）处的ISENSE_HS_COPY。

图5的下面的描述用于提供对在图6中所示的类似的预偏置电路和技术的简要介绍。因此，参考在图6所示的半桥配置的输出管脚（例如切换节点）处示出的方向箭头来描述对电流流动的方向的任何提及。正电流指的是在从半桥的高侧和低侧开关行进到切换节点并到负载的方向上流动的电流。负电流指的是在从负载行进到切换节点并到半桥的高侧和低侧开关的方向上流动的电流。

预偏置电路100降低电流跟踪感测系统的速度要求，因为虽然电流跟踪感测系统的一侧（例如高侧）可以是导通的，但预偏置电路100可维持断开的一侧（例如低侧）的偏置。因此，当前断开的电流跟踪电路一返回到导通就可“准备工作”，并可具有对应于在当前导通的电流跟踪电路中存在的条件的初始操作条件（例如操作偏置）。相应地，在电感负载耦合到半桥且负载电流从被提供自高侧和被提供自低侧交替的情况下，电路100可减小感测环路的速度要求，同时提供从感测在高侧中的电流到感测在低侧中的电流的无缝移交，且反之亦然。

预偏置电路100配置成耦合到在点A处的高侧（“HS”）电流感测电路的感测FET的源极端子（例如电流输出），并耦合到在点B处的低侧（“LS”）电流感测电路的感测FET的源极端子（例如电流输出）。在这个示例中，在晶体管M2中流动的电流被拷贝到晶体管108-1和108-2。晶体管108-3是导通的，但没有电流流过它，因为它的负载（例如低侧感测FET）在高侧FET导通时是断开的。在一些示例中，当系统100包括一个或多个IMAX_NEGATIVE电流发生器（未在图5中示出，但关于附加的附图例如图4被描述）时，晶体管108-3可供应IMAX_NEGATIVE的最大电流。

预偏置电路100包括将在低侧复制电流发生器/源中的电流（ISENSE_LS_copy）维持在与在高侧复制电流发生器/源（ISENSE_HS_copy）中的电流大致相同的电流水平处的比较器102。比较器102的输出驱动控制电流发生器112-1和112-2的开关110-1和110-2。预偏置电路100还包括三个晶体管108-1、108-2和108-3（被共同地称为“晶体管108”）和电容器104-1和104-2。预偏置电路100还包括晶体管M2和晶体管M1。晶体管108、M1和M2中的一个或多个可以是MOSFET。

使用运算放大器和电流镜来跟踪由电感负载加载的在半桥中的正电流的一些电流跟踪系统具有防止它们操纵从导通的高侧开关和断开的低侧开关到断开的高侧开关和导通的低侧开关的移交的有限速度，且反之亦然。运算放大器具有有限的切换速率。此外，在具有由于被引入以稳定闭合环路的电容而导致的它们的有限带宽的情况下，运算放大器不能够以有时由系统请求的速度汇集或获得电流。这个问题在最好情况下引入在跟踪电流中的系统偏移，或在最坏情况下不及时达到跟踪条件，因为时间太短。

相反，使用本文所述的电路例如预偏置电路100的系统能够跟踪在半桥的高侧开关和低侧开关两者中流动的正和负电流，从高侧开关导通和低侧开关断开到高侧开关断开和低侧开关导通（且反之亦然）的移交，并提供比例电流作为输出。由于在高侧开关和低侧开关之间的切换导致的稳定时间几乎减小到零。虽然上面关于图4所述的升压技术可加速在高侧和低侧之间的移交，关于图5所述的预偏置技术可以更有效。这些预偏置技术也可改进非线性系统以及依赖于线性感测放大器的系统两者的性能。

当半桥耦合到电感负载时，且为了最小化在接通或“重新启动”（例如从在断开状态中操作到在导通状态中操作的转变）期间达到半桥的低侧功率晶体管的操作电流所需要的稳定时间，预偏置电路100可以将电流源108-3预偏置到准备获得流过高侧功率晶体管（例如在导通状态中操作的功率晶体管）的传导沟道的相同的电流量。换句话说，当半桥的低侧功率和感测晶体管关断时，电流源108-3可维持对应于在高侧功率晶体管中流动的操作电流的栅极源件电压偏置。这使电流源108-3能够在低侧功率和感测晶体管重新启动时准备提供将被低侧感测晶体管需要的正确的操作电流。

根据图6的描述，预偏置电路100的某些益处是明显的。简言之，预偏置电路100可减小半桥的跟踪电流感测的稳定时间（例如跟踪电流感测在它稳定到穿过功率开关的传导沟道的负载电流之前花费的时间的量），同时这样的半桥给电感负载供电。特别是，预偏置电路100当从断开状态转变到导通状态时可使与关断的功率开关的感测FET相关联的电流源能够维持预偏置和“待机”准备并等待汇集或获得如它将由功率晶体管所需要的电流，当功率开关返回被接通时使有在感测FET和功率开关之间的电压降中的很少的差异。

图6是示出包括在切换节点410（OUT）处耦合到低侧开关430的高侧开关402的半桥电路的电流感测系统400的示意图。跟踪电流感测系统400根据在本公开中所述的一种或多种技术配置成跟踪在高侧开关402和低侧开关430两者中流动的正和负电流。跟踪电流感测系统400能够在没有中断的情况下跟踪正和负电流。跟踪电流感测系统400的各种示例可包括在本文关于其它示例电路诸如例如图5的预偏置电路100所述的方面或特征。

如遍及本公开描述的，对于依赖于高侧功率晶体管和高侧感测晶体管以及低侧功率晶体管和低侧感测晶体管的示例电流跟踪系统，应理解，这些电流跟踪系统可使用单片或分开的晶体管解决方案。例如，在系统使用高侧功率晶体管和高侧感测晶体管的实例中，系统可使用单个高侧单片晶体管部件或两个分开的的高侧晶体管部件来执行高侧功率晶体管和高侧感测晶体管功能。

在系统使用低侧功率晶体管和低侧感测晶体管的实例中，系统可使用单个低侧单片晶体管部件或两个分开的的低侧晶体管部件来执行低侧功率晶体管和低侧感测晶体管功能。换句话说，图6所示的高侧开关402（包括功率晶体管136-1和感测晶体管136-2）可包括单个高侧单片晶体管部件或两个分开的的高侧晶体管部件。图6所示的低侧开关430、功率晶体管136-3和感测晶体管136-4可包括单个低侧单片晶体管部件或两个分开的的低侧晶体管部件。

此外，晶体管136-1和136-2和晶体管136-3和136-4可包括单个高侧和低侧单片晶体管部件或两个到四个分开的的高侧和低侧晶体管部件之一。事实上，对于本文所述的功率开关中的任何功率开关（即功率开关18-0、402、430等），功率开关的功率晶体管和功率开关的感测晶体管可以连同它们相应的跟踪电流感测系统一起单片地被集成到单个管芯（例如单片硅）上。换种方式说，系统10、80、100、400等中的每一个均可在单片硅上形成。

跟踪电流感测系统400包括高侧开关402，其包括具有耦合到高侧比较器140-1的源极的功率FET136-1和感测FET136-2。低侧开关430包括耦合到比较器140-2的功率FET136-4和感测FET136-4。切换节点410（OUTHALF_BRIDGE）是电感负载可连接到的半桥的输出。跟踪电流感测系统400包括电流源420-1到420-7（在本文被共同地称为“电流源420”）。

跟踪电流感测系统400还包括晶体管M1到M5，其中一些可充当电流镜，如上所述。电流镜502是系统400的第一电流镜并耦合在高侧开关402和辅助比较器406之间。第一电流镜502包括两个晶体管M1和M2。同样，电流镜504是系统400的第二电流镜并耦合在低侧开关430和辅助比较器406之间。第二电流镜504包括三个晶体管M3、M4和M5。跟踪电流感测系统400还包括两个缓冲器404-1和404-2（在本文被共同地称为“缓冲器404”）。

跟踪电流感测系统400还包括比较器140-1、140-2和406而不是运算放大器（即跨导）以控制电流镜502和504的输出。比较器140-1、140-2和406使跟踪电流感测系统400能够使用由在跟踪电流感测系统400中的其它部件提供的最大速度，因为没有必须被充电和放电的带宽限制稳定电容器。比较器140-1、140-2和406的输出驱动开关414和一批开关432的栅极，其控制给电容器413-1和413-2充电或放电的电流源420-2、420-3、420-5和420-6，所述电容器413-1和413-2通过缓冲器404连接到在电流镜502和504中的晶体管M1-M5的栅极（基极）。所控制的电流源420-2、420-3、420-5和420-6的电流输出能力和电容器413-1和413-2的电容特性可被选择成履行跟踪电流感测系统400的速度要求。比较器140-2的输出控制耦合到电流源420-5和420-6的开关432-1到432-4（在本文被共同地称为“开关432”）。比较器140-1的输出控制耦合到电流源420-2和420-3的开关414-1到414-4（在本文被共同地称为“开关414”）。

缓冲器402-2耦合在电容器413-2和晶体管M3、M4和M5的栅极以及系统400的其它部件之间。缓冲器404-1耦合在电容器413-1和晶体管M1和M2的栅极以及系统400的其它部件之间。

跟踪电流感测系统400还包括两个多路复用器（“MUX”）440-1和440-2（在本文被共同地称为“MUX440”）之间。MUX440-1接收脉冲宽度调制（PWM）信号和比较器140-1和406的输出作为输入。MUX440-1将这些信号复用在一起以控制开关414。类似地，MUX440-2接收同一PWM信号和比较器140-2和406的输出作为输入。MUX440-2将这些信号复用在一起以控制开关432。因此，PWM数字信号驱动MUX440，以便将比较器140-1和140-2或辅助比较器406连接到开关414和432。

在操作中，当高侧开关402接通时，低侧开关430关断。当PWM高时，高侧开关402接通且负载电流在功率FET136-1中流动，且所以比较器140-1的输出驱动开关414。例如，比较器140-1驱动控制M1和M2的开关414，且辅助比较器406驱动开关432，以便控制M3、M4和M5。辅助比较器406和M3、M4和M5作为电流跟随器工作。在这个时间期间，低侧开关430关断且因此没有电流在低侧开关430的功率FET136-3或感测FET136-4中流动。

当PWM低时，低侧开关430接通且高侧开关402关断。电流在功率FET136-3中流动，且所以比较器140-2的输出驱动开关432。例如，比较器140-2驱动开关432以便控制M3、M4和M5，且辅助比较器406驱动开关414以便控制M1和M2。辅助比较器406及M1和M2作为电流跟随器工作。在这个时间期间，高侧开关402关断且因此没有电流在高侧开关402的功率FET136-1或感测FET136-2中流动。

跟踪电路感测系统400能够在没有任何中断的情况下跟踪正和负电流。这个功能由获得最大负电流IMAX_NEGATIVE_CURRENT的电流发生器420-1和420-4保证。跟踪电流感测系统400可跟踪在开关402或430处的电流，即使切换频率高和/或流过开关402和430的负载电流的电流纹波非常高，因为它基于非线性电路并使用预偏置电路。当半桥在来自高侧开关402和低侧开关430的输出电流之间转变时，稳定时间由于预偏置电路而减小。

比较器406配置成维持在Vref的阈值差水平内的Vfeedback。例如，比较器406可维持Vfeedback大致与Vref相同。这暗示从晶体管M3出来的电流ISENSE_HS_COPY大致匹配进入晶体管M2内的电流ISENSE_LS_COPY。

跟踪电流感测系统400可如下执行。M1晶体管汇集电流IM1=IMAX_NEGATIVE+Ifeedback。晶体管M1可以只汇集正电流，且因此上面的表达式只有在IM1保持是正的时候才是真的。这意味着系统具有功能限制以跟踪负负载电流（例如流入半桥输出端410内的电流）。而理论上无限高的正电流可被跟踪（例如从半桥输出端410流出的电流）。

如辅助比较器406工作以具有VFEEDBACK=Vref，这意味着IM1/M=IM2=IM3=IM4，且因此以具有流出或流入的电流I_(〖OUT〗_(CURRENT_SENSE))=Ifeedback/M，由电流源420-1和420-4添加的偏移电流IMAX_NEGATIVE_CURRENT必须最后由电流源420-7减去。对于正和负负载电流两者，I_(〖OUT〗_(CURRENT_SENSE))电流可以是：

I_(〖OUT〗_(CURRENT_SENSE))=I_M1/M-I_(MAX_(NEGATIVE_CURRENT))/M=(I_(MAX_(NEGATIVE_CURRENT))+I_feedback)/M-I_(MAX_NEGATIVE_CURRENT)/M=(I_feedback)/M。

跟踪电流感测系统400的低侧开关430直接供应I_(〖OUT〗_(CURRENT_SENSE))。如上所述，对于正电流和对于负电流两者，I_(OUT_(CURRENT_SENSE))=(I_feedback)/M。在一些示例中，低侧开关430的所需要的准确度高于高侧开关402的所需要的准确度。在TOFF期间，在低侧开关430接通的同时，辅助比较器406驱动控制电流镜502的开关414以便跟随在低侧开关430中流动的电流。

比较器406驱动连接到关断的半桥的部分的跟踪电流发生器，并所以将当前不用于提供反馈信号的电流镜502或504的偏置维持在用于提供反馈信号的其它电流镜502或504的相同偏置处。以这种方式，在从低侧开关430到高侧开关402和反过来的切换操作之后的振荡和稳定时间被减少。

图7A-7C是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在不同的跟踪电流感测系统中的示例电流的时序图。图7A示出可在使用线性放大器且不包括预偏置电路例如图5的预偏置电路100的跟踪电流感测系统中产生的系统偏移。曲线160示出在跟踪电流感测系统中的理想化跟踪电流，而曲线162示出在跟踪电流感测系统中的实际跟踪电流。如图7A所示，在曲线160中的理想化电流和在曲线162中的实际电流之间有系统偏移。

图7B示出如何可以在使用线性放大器且不包括预偏置电路例如图5的预偏置电路100的跟踪电流感测系统中不达到跟踪条件。曲线160示出在跟踪电流感测系统中的理想化跟踪电流。曲线166示出在跟踪电流感测系统中的实际跟踪电流。在图7B的示例中，被示为曲线166的实际跟踪电流不达到跟踪条件，因为在TON和TOFF之间的时间太短。

图7C示出时序图170，其示出在使用比较器并具有预偏置的跟踪电流感测系统例如图6的跟踪电流感测系统400中的跟踪电流的示例行为。时序图170示出在时间周期TON和TOFF上，与由曲线174表示的跟踪电流Ifeedback的示例真实世界（即较不理想）行为比较，由曲线172表示的跟踪电流Ifeedback的理想行为。在这个示例中，在TON期间，图6的高侧晶体管402接通且图6的低侧晶体管430关断。在TOFF期间，与之相反是真的，且低侧晶体管430接通而高侧晶体管402关断。在这个示例中，输入到MUX440-1和MUX440-2的PWM信号在TON期间高而在TOFF期间低。

曲线174示出可由于若干因素而大致的纹波、振荡或尖峰脉冲，该若干因素包括比较器140-1、140-2和406的速度和跨导以及用于给电容器充电的电流。在一些示例中，选择这些参数，以便减小或最小化在曲线174中示出的Ifeedback的纹波、振荡或尖峰脉冲的量。在一些示例中，当减少纹波、振荡或尖峰脉冲的量时，各种折衷被平衡。在一个示例中，第一锯齿的周期可以大致为5毫微秒（“ns”）。

在TON和TOFF之间的每个转变期间可以有稳定时间。在TON期间，低侧镜跟随在高侧镜中流动的电流。低侧镜可供应输出电流。在TOFF期间，高侧镜可跟随在低侧镜中流动的电流。低侧镜供应输出电流。在这个示例中，低侧电容器已经被充电，使得低侧镜具有在高侧镜中流动的大致相同的电流，同时PWM是高的（例如低侧镜被预偏置）。当低侧比较器140-2开始驱动低侧镜时，在低侧镜中流动的电流具有正确的值。每当PWM从高变到低（例如在从TON到TOFF的转变中）时，这个功能去除或减小稳定时间。当半桥由电感负载加载时。

用于跟踪电流感测系统400的对应于图7C的所示时序图的示例参数可如下。PWM的频率是1兆赫兹（“MHz”），其具有10%占空比。TON大致是100毫微秒（“ns”），而TOFF大致是900ns。在另一示例中，PWM的频率是2MHz，TON大致是50毫微秒（“ns”）而TOFF大致是450ns。这些参数可以更高或更低，取决于半桥跟踪电流感测系统400和半桥被使用于的任何其它系统的要求。

图8是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的配置成跟踪在半桥的两侧中流动的正和负电流的示例跟踪电流感测系统500的示意图。类似于图6的跟踪电流感测系统400，跟踪电流感测系统500可跟踪正和负电流两者。跟踪电流感测系统500可以在没有任何中断的情况下跟踪在电流方向上的改变。

跟踪电流感测系统500是包括高侧开关402和低侧开关430的半桥。高侧开关402包括高侧功率晶体管136-1和高侧感测晶体管136-2。类似地，低侧开关430包括低侧功率晶体管136-3和低侧感测晶体管136-4。辅助比较器406耦合在高侧开关402和低侧开关430之间。辅助比较器406配置成在高侧开关402是活动的同时驱动第二电流镜504，而在低侧开关430是活动的同时驱动第一电流镜502。也就是说，辅助比较器406配置成通过由辅助比较器406驱动的电流源508-1和508-2中的至少一个且在高侧开关402是不活动的同时预偏置第一电容510-1，使得在高侧电流镜502中的电流水平在活动的低侧开关430中的电流的阈值操作水平内。也就是说，辅助比较器406工作以预偏置作为用于开关402的感测电路的一部分的电流镜502，同时它是不活动的。此外，辅助比较器406在低侧开关430是不活动的同时通过由辅助比较器406驱动的电流源508-3和508-4中的至少一个来预偏置第二电容510-2，使得当高侧开关402是活动的时，在低侧电流镜504中的电流水平在高侧感测晶体管136-2中的操作电流的阈值操作水平内。

例如，辅助比较器406工作以预偏置电容510-1和在M2和M1中流动的电流。如果栅极源极电压是使得在M1中的电流可高于IMAX_NEGATIVE_CURRENT，则它将进入三极管区中，如果M1是MOS器件（如果它是双极结晶体管，则M1将饱和）。流入的电流将等于IMAX_NEGATIVE_CURRENT，但VGS将被设置，以便它一将被请求（例如TOFF转变到TON）就汇集正确的电流。另一方面，如果可在M1中流动的电流低于IMAX_NEGATIVE_CURRENT，则器件M1将规定电流流动和IMAX_NEGATIVE_CURRENT将进入三极管区内。

跟踪电流感测系统500的一个示例操作如下。在高侧开关402是活动的（例如功率晶体管136-1和感测晶体管136-2是活动的）的同时，M2包括在M1中的电流的拷贝。比较器406工作以给在第二电流镜504中的晶体管的栅极电压充电和放电，第二电流镜504包括M3、M4和M5。当M2汇集比M3供应的更多的电流时，辅助比较器406的反馈电压低于Vref。增加电容器510-2中的电荷增加了在M3、M4和M5的源极和栅极之间的电压降。也就是说，比较器406工作以使在M3中的电流跟随在M2中的电流（在M1中的电流的拷贝）。M3是镜且M4包括在M3中的电流的拷贝。连接到高侧感测FET136-2的偏移电流Imax_negative_current是从电流感测输出412减去的固定参考电流（按比例缩放M倍，Imax_negative_current/M）。以这种方式，从电流感测412流出的电流确切地是在高侧感测FET136-2中流动的电流的拷贝，且如果负载电流是正的或负，则独立地是在OUTHALF_BRIDGE（桥410的输出）中流动的电流的拷贝。

在一些示例中，被输入到比较器406的参考电压Vref是固定的。在其它示例中，参考电压是可被设置成连同502镜像比一起补偿在高侧开关402的相应电流比N1和低侧开关430的相应电流比N2之间的电流比中的任何差异的可变参考电压。例如，高侧开关402的相应电流比N1对应于在功率晶体管136-1的电流水平和感测晶体管136-2的电流水平之间的比。低侧开关430的相应电流比N2对应于在功率晶体管136-3的电流水平和感测晶体管136-4的电流水平之间的比。在一些示例中，参考电压（例如M2-M1比）可被设置成补偿在高侧开关402和低侧开关430的相应电流比N1和N2之间的任何差异。

如在图8中示出的，跟踪电流感测系统500包括耦合到比较器406的电阻器网络520。电阻器网络520包括配置成调整耦合到比较器406的输入的参考电压的可变电阻器522。电阻器网络520可用于减小在TON阶段期间在输出412OUTCUREENT_SENSE处的三角形电流波形的量值。因为在这个阶段期间从管脚OUTCURRENT_SENSE412流出的电流是由于用辅助比较器406制成的电流跟随器，存在增加三角形振荡的尺寸的一些延迟。这个延迟也是由于存于在节点VFEEDBACK590中的低通滤波器。为了增加这个滤波器的截止频率，电阻器网络520被包括，因为它的阻抗比晶体管M2和M3低得多。因此，三角形波的尺寸被减小。

跟踪电流感测系统500可修整在高侧开关402的电流比和低侧开关430的电流比之间的差异，使得当低侧开关430停止操作和高侧开关402开始操作时，高侧开关402和低侧开关430具有大致相同的电流值，且反之亦然。为了修整在高侧开关402的感测FET136-2和功率FET136-1之间的镜像比，在晶体管M1和M2之间的镜像比可通过改变晶体管M1或M2之一的尺寸或“宽度”来修整。以这种方式，高侧开关402和镜像比和低侧晶体管430的镜像比可被修整为匹配。为了修整任何可能的剩余偏移或由在晶体管M1和M2之间的镜像比的改变创建的偏移，可改变参考电压VREF。跟踪电流感测系统500也可以这种方式调整修整以校正由于温度和/或在功率FET136-1和136-3中流动的电流导致的任何差异。跟踪电流感测系统500提供实际解决方案，因为调整可被做出以补偿在镜像比中的差异。电阻器网络520也可改进跟踪电流感测系统500的性能。

在一些示例中，跟踪电流感测系统500是依赖于高侧开关402和低侧开关430的操作来在节点410处产生功率放大的PWM信号的DC-DC转换器的部分。DC-DC转换器的控制器可经由驱动器电路向高侧开关402和低侧开关430的相应栅极提供栅极信号。跟踪电流感测系统500包括耦合到第二电流镜504的电流感测输出412，第二电流镜504配置成提供指示在半桥输出节点410中的电流的输出电流OUTCURRENT_SENSE。也就是说，电流跟踪感测系统500可用于跟踪它耦合到的DC-DC转换器的负载/电感器电流。

图9是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于操作配置成跟踪在半桥的两侧中流动的正和负电流的跟踪电流感测系统的示例过程560的流程图。示例过程560可用于操作在本公开中示出的器件和技术，例如跟踪电流感测系统400和500。

过程560包括操作包括高侧开关和低侧开关的半桥（562）。例如，跟踪电流感测系统400可依赖于高侧开关402和低侧开关430来在输出节点410处产生功率放大的PWM信号。

过程560还包括通过比较器来控制耦合到高侧开关的第一电流镜和耦合到低侧开关的第二电流镜（564）。例如，比较器406可产生驱动电流镜504的输出，同时高侧开关402接通而低侧开关430关断。可替换地，比较器406可驱动电流镜502，同时低侧开关430接通而高侧开关402关断。

图10是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的配置成检测在半桥中的电流的零交叉的示例跟踪电流感测系统300的示意图。跟踪电流感测系统300配置成跟踪在半桥电路的高侧开关132和低侧开关134两者中流动的正和负电流，并提供在半桥处的电流的根据方向的比例输出电流，例如正电流流动或负电流流动。

跟踪电流感测系统300可跟踪电流，即使半桥驱动器的切换频率非常高或在非常短的TON或TOFF时间的情况下操作，因为它基于非线性电路和预偏置电路。当电流方向改变时且当半桥从操作高侧开关132导通切换到操作低侧开关导通时稳定时间被减少，且反之亦然。

跟踪电流感测系统300包括两个功率开关（高侧开关132和低侧开关134）以及两个主电流镜（用于跟踪正电流的电流镜302和用于跟踪负电流的电流镜304）。跟踪电流感测系统300包括驱动一些开关的三个比较器，这些开关控制使用电流源的两个电容器的充电和放电。跟踪电流感测系统300包括高侧比较器140-1、低侧比较器140-2和零交叉比较器306。用于跟踪正电流的主电流镜302包括五个晶体管MP1到MP5。类似地，用于跟踪负电流的主电流镜304包括五个晶体管MN1到MN5。

跟踪电流感测系统300的示例操作如下。当低侧开关134接通（信号“GL”高）时，低侧比较器140-2根据零交叉比较器306控制主电流镜之一。如果电流方向是正的，则MN5将作为二极管被连接以确保负主电流镜304在睡眠状态中被预偏置。在这个示例中的活动电流镜，正主电流镜302可补偿负主电流镜304正加到三个求和节点的偏移。一个求和节点包括MN1和MP1，并在低侧开关134中连接到感测晶体管136-4。第二求和节点包括MN2和MP2，并连接到复制电流Iout_replica，其可以是跟踪电流感测系统的输出，以及第三求和节点包括MN4和MP4，并连接到零电流交叉比较器的输入。类似地，同样的情况将对负电流方向发生：MP5将作为二极管被连接且MN5将不再被连接，以及负主电流镜304将被低侧比较器140-2活动地控制。晶体管MP4和MN4充当电流MP1和MN1的镜。

零交叉比较器306测量在从这两个主电流镜302和304中的每一个连接到一个电流源晶体管的求和节点上的电压。在图10的示例中，零交叉比较器306连接到MN4和MP4。当在切换节点390处的负载电流接近零并最终改变方向时，在MN4和MP4之间的求和节点的电压电位改变。当电流方向从正改变到负时，零交叉比较器306检测改变并将控制从正主电流镜302指引到负主电流镜304。类似地，当电流方向从负改变到正时，零交叉比较器306检测改变并将控制从负主电流镜304指引到正主电流镜302。

当半桥从操作低侧开关134导通切换到改为操作高侧开关132导通或反过来时，电流传感器当在电感负载中的负载电流方向相同时使用同一主电流源来跟踪穿过低侧开关134的电流以及穿过高侧开关132的电流。根据哪个开关（高侧开关132或低侧开关134）正被感测，只有控制比较器140-1或140-2被改变。当前不活动的跟踪电流感测系统300的任何一个主电流镜被预偏置并将固定的基本/偏移电流递送到在电流镜302和304之间的三个求和节点和在高侧电流镜308和310之间的第四求和节点。因此，一旦零交叉比较器306检测到零电流交叉，不活动的主电流镜就准备在具有减少的稳定时间的情况下执行。

如果电流改变在耦合到节点390的负载中的方向，则第二互补主电流源被激活且第一电流源被停放在一种睡眠模式中。再次，同一主电流源用于高侧开关132和低侧开关134两者。这两个主电流源的输出在感测晶体管136-4和136-2、电流复制输出和零电流交叉比较器输入处都被求和。在一个主电流源是活动的同时，另一个在一种睡眠模式中。在这个睡眠模式期间，电流源被偏置以递送小基本/偏移电流。这个基本/偏移电流确保电流源激活将是快的，以便最小化在这两个电流源之间移交处的振荡/振铃。这个偏移电流将由活动电流源补偿，且因此它将不影响复制电流的静态准确度。因为在这两个主电流源之间的移交在零负载电流周围完成，且第二主电流源被预偏置并将电流递送到感测晶体管和复制输出电流，在零交叉比较器306中的任何磁滞可被操纵且有益于最小化触发。

当从低侧开关134到高侧开关134的移交完成时，GL信号变低，后面是GH信号变高。为了用于从低侧开关134到高侧开关132的平滑移交，使用同一主电流镜，只有电流镜的控制从低侧比较器140-2改变到高侧比较器140-1。用于偏置感测FET136-2的源极的求和节点具有来自负主电流镜304和正主电流镜302的电流的镜像。跟踪电流感测系统300还包括两个附加的电流镜，正电流308的高侧电流镜和负电流310的高侧电流镜。正电流308的高侧电流镜包括晶体管MN6和MN7。负电流310的高侧电流镜包括晶体管MP6和MP7。电流镜MN6和MN7以及MP6和MP7在图10中被描绘为经典电流镜。这些电流镜可具有一些带宽限制。在一些示例中，本文所述的附加技术和电路例如图11A和11B的电路可应用于加速电流镜。因为这些附加的高侧电流镜308和310是活动的，即使当低侧开关134接通且同一主电流镜被使用，在低侧开关134和高侧开关132之间的任何移交和反过来可以是平滑的。

当低侧开关134和高侧开关132都关断（即当晶体管136断开）且电流是零时，主电流镜302和304可通过连接MN5和MP5作为二极管而被置于“睡眠”模式中。这可在跟踪电流感测系统300再次变得活动时使能快速启动。

被控制的电流源和电容器尺寸的值可由设计者选择以履行系统的速度要求。在一些示例中，在本文对正和负电流跟踪描述的技术和电路可与线性电流跟踪系统一起使用。此外，本文所述的任何器件和电路可组合地被使用。

总之，在图6的电流感测系统400和图10的电流感测系统300之间的一个差异是，电流感测系统400是A类电流感测系统且因此使用负电流的简单偏移电流发生器，其被设置成供应可能需要的最大负电流。所以当正电流被需要时，系统需要供应用于偏移电流发生器的补偿电流加上表示被需要/感测的正电流的电流。电流感测系统300是AB类电流感测系统，且它根据所感测的电流的方向而供应负电流或正电流，其中在每个方向上只有小电流偏移来使在正和负电流方向之间的移交平滑。为了完成此，电流感测系统300需要用来检测电流的极性何时改变的能力。

图11A和11B是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于在示例跟踪电流感测系统中使用的活动电流镜1308和1310的示意图。为了描述的容易，在图10的系统300的上下文内描述图11A和11B。

图10的电流镜308和310是经典电流镜。这些电流镜可具有有限的带宽且不足够快以跟踪流过感测FET136-2和136-4的电流改变。活动电流镜1308和1310可用于克服经典电流镜308和310的缺点。

12A和12B的1308和1310的活动电流镜分别包括电路1322和1320。图10的电流镜308可以用电流镜1308取代，而图10的电流镜310可以用电流镜1310取代。在图11A和11B中示出的晶体管MP3、MP6、MP7、MN3、MN6和MN7与在图10中示出的晶体管MP3、MP6、MP7、MN3、MN6和MN7一致。虽然未示出，活动电流镜1308和1310也可包括类似于图8的电阻器网络520的电阻器网络，其耦合到在图11A和11B中示出的相应的比较器中的每一个的输入。

当电压Vref是稳定的时，电路1322的比较器驱动电路1322的开关，以便使流过晶体管MN7的电流在与流过MP3的电流的水平相同的水平处。类似地，当电压Vref是稳定的时，电路1320的比较器驱动电路1320的开关，以便使流过晶体管MP7的电流在与流过MN3的电流的水平相同的水平处。以这种方式，活动电流镜1308和1310可用于克服经典电流镜308和310的缺点，因为它们可足够快以跟踪流过感测FET136-2和136-4的电流的改变。

可在广泛的一批应用中使用本文所述的示例。这样的应用可包括例如DC-DC转换器，其可包括降压转换器例如桌上型或服务器中央处理单元（“CPU”）核心电压（“Vcore”）和非Vcore降压转换器、单相负载点（“POL”）应用、多相POL应用和高功率密度电压调节器模块（“VRM”）。此外，可在笔记本计算机中CPU或图形处理单元（“GPU”）调节、桌上型图形卡、双数据速率（“DDR”）存储器或图形存储器中使用本文所述的示例中的一些。此外，可在使用半桥或全桥的任何应用中使用本文所述的器件和技术。

图12是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于操作具有双向感测的跟踪电流感测系统的示例过程360的流程图。示例过程360可用于操作在本公开中示出的器件和技术，例如跟踪电流感测系统300。

过程360包括操作具有高侧开关和低侧开关的半桥（362）。例如，跟踪电流感测系统300是半桥并包括高侧开关132和低侧开关134。过程360还包括通过零电流交叉比较器检测在正电流的主电流镜和负电流的主电流镜之间的节点处的半桥中的电流的零交叉，其中正电流的主电流镜和负电流的主电流镜中的一个是活动电流镜，而一个是不活动电流镜（364）。例如，零电流交叉比较器306检测在正电流的主电流镜302和负电流的主电流镜304之间的跟踪电流感测系统300中的电流的零交叉。

过程360还包括响应于检测到电流的零交叉，将活动的电流镜切换为不活动的而将不活动的电流镜切换为活动的（366）。在电流是负的同时，负电流的主电流镜304是活动的，而正电流的主电流镜302是不活动的。类似地，在电流是正的同时，正电流的主电流镜302是活动的，而负电流的主电流镜304是不活动的。例如，响应于零电流交叉比较器306检测到从负电流到正电流的电流的零交叉，跟踪电流感测系统300激活正电流的主电流镜302且解激活负电流的主电流镜304。类似地，响应于零电流交叉比较器306检测到从正电流到负电流的电流的零交叉，跟踪电流感测系统300激活负电流的主电流镜304且解激活正电流的主电流镜302。

在另一示例中，过程360包括在半桥的输出处检测正电流或负电流（例如电流是正的还是负的）。在一些示例中，如果半桥的高侧开关和半桥的低侧开关两者都被关断，则响应于确定高侧开关和低侧开关两者都关断，逻辑可将正电流的主电流镜302和负电流的主电流镜304都置于睡眠状态中。在其它示例中，如果高侧开关132或低侧开关134接通且电流为零，则电流跟踪系统300可在正电流镜302是活动的或负电流镜304是不活动的之间来回切换。

条款1．跟踪电流感测系统包括：电流源，其替换地和基本上复制流过第一开关的第一电流和流过第二开关的第二电流；以及电流控制器件，其配置电流源以在复制第一电流和第二电流之间交替。

条款2．条款1的跟踪电流感测系统，其中电流控制器件配置电流源以在复制第一电流和第二电流之间平滑地转变。

条款3．条款2的跟踪电流感测系统，其中电流控制器件配置电流源以通过至少减小与由电流源产生的复制电流相关联的相应的振荡的量来在复制第一电流和第二电流之间平滑地转变。

条款4．条款2-3中的任一项的跟踪电流感测系统，其中电流控制器件配置电流源以通过至少减小与由电流源产生的复制电流相关联的稳定时间来在复制第一电流和第二电流之间平滑地转变。

条款5．条款1-4中的任一项的跟踪电流感测系统，其中电流控制器件配置成检测第一电流的相应电流方向和第二电流的相应电流方向并替换地配置电流源以复制在第一电流的相应电流方向上的第一电流并配置电流源以复制在第二电流的相应电流方向上的第二电流。

条款6．条款5的跟踪电流感测系统，其中第一电流的相应电流方向是正向的或反向的，以及第二电流的相应电流方向是正向的或反向的。

条款7．条款1-6中的任一项的跟踪电流感测系统，其中第一开关是半桥的高侧开关，而第二开关是半桥的低侧开关。

条款8．条款7的跟踪电流感测系统，其中半桥与向电感负载输出功率的切换模式功率转换器相关联。

条款9．条款1-8中的任一项的跟踪电流感测系统，其中电流控制器件配置电流源以至少部分地基于限定第一开关和第二开关中的每一个的相应切换状态的栅极控制信号在复制第一电流和第二电流之间交替。

条款10．条款1-10中的任一项的跟踪电流感测系统，其中电流控制器件配置电流源以至少部分地基于限定与第一开关和第二开关两者都相关联的同时断开状态的三态控制信号制止复制第一电流和第二电流。

条款11．一种电流控制器件，其配置成：控制跟踪电流系统的电流源，其替换地和基本上复制流过第一开关的第一电流和流过第二开关的第二电流。

条款12．条款11的电流控制器件，其中电流控制器件还配置成控制电流源，使得电流源通过至少减小与由电流源产生的复制电流相关联的相应的振荡的量来在复制第一电流和第二电流之间平滑地转变。

条款13．条款11-12中的任一项的电流控制器件，其中电流控制器件还配置成控制电流源，使得电流源通过至少减少与由电流源产生的复制电流相关联的稳定时间来在复制第一电流和第二电流之间平滑地转变。

条款14．条款11-13中的任一项的电流控制器件，其中控制器件还配置成控制电流源以至少部分地基于限定第一开关和第二开关中的每一个的相应切换状态的栅极控制信号替换地和基本上复制第一电流或第二电流。

条款15．条款11-14中的任一项的电流控制器件，其中控制器件还配置成控制电流源以至少部分地基于限定与第一开关和第二开关两者都相关联的同时断开状态的三态控制信号制止复制第一电流和第二电流。

条款16．条款11-15中的任一项的电流控制器件，其中电流控制器件还配置成检测第一电流的相应电流方向和第二电流的相应电流方向并控制电流源以替换地和基本上复制在第一电流的相应电流方向上的第一电流和在第二电流的相应电流方向上的第二电流。

条款17．条款16的电流控制器件，其中第一电流的相应电流方向是正向的或反向的，以及第二电流的相应电流方向是正向的或反向的。

条款18．条款11-17中的任一项的电流控制器件，其中第一开关是半桥的高侧开关，而第二开关是半桥的低侧开关。

条款19．条款18的电流控制器件，其中半桥与向电感负载输出功率的切换模式功率转换器相关联。

20．一种跟踪电流感测系统，包括：用于确定是第一开关正传导第一电流还是第二开关正传导第二电流的装置；用于配置电流源以在确定第二开关不再传导第二电流之后平滑地从复制第二电流转变到复制第一电流的装置；以及用于配置电流源以在确定第一开关不再传导第一电流之后平滑地从复制第一电流转变到复制第二电流的装置。

已经描述了各种示例和技术。本文所述的示例的方面或特征可与在另一示例中描述的任何其它方面或特征组合。这些所述示例和其它示例在下面的权利要求的范围内。

Claims

1.一种跟踪电流感测系统，包括：

电流源，其替换地和基本上复制流过第一开关的第一电流和流过第二开关的第二电流；以及

电流控制器件，其配置所述电流源以在复制所述第一电流和所述第二电流之间交替。

2.如权利要求1所述的跟踪电流感测系统，其中所述电流控制器件配置所述电流源以在复制所述第一电流和所述第二电流之间平滑地转变。

3.如权利要求2所述的跟踪电流感测系统，其中所述电流控制器件配置所述电流源以通过至少减小与由所述电流源产生的复制电流相关联的相应的振荡的量来在复制所述第一电流和所述第二电流之间平滑地转变。

4.如权利要求2所述的跟踪电流感测系统，其中所述电流控制器件配置所述电流源以通过至少减少与由所述电流源产生的复制电流相关联的稳定时间来在复制所述第一电流和所述第二电流之间平滑地转变。

5.如权利要求1所述的跟踪电流感测系统，其中所述电流控制器件配置成检测所述第一电流的相应电流方向和所述第二电流的相应电流方向并替换地配置所述电流源以复制在所述第一电流的所述相应电流方向上的所述第一电流并配置所述电流源以复制在所述第二电流的所述相应电流方向上的所述第二电流。

6.如权利要求5所述的跟踪电流感测系统，其中所述第一电流的所述相应电流方向是正向的或反向的，以及所述第二电流的所述相应电流方向是正向的或反向的。

7.如权利要求1所述的跟踪电流感测系统，其中所述第一开关是半桥的高侧开关，而所述第二开关是所述半桥的低侧开关。

8.如权利要求7所述的跟踪电流感测系统，其中所述半桥与向电感负载输出功率的切换模式功率转换器相关联。

9.如权利要求1所述的跟踪电流感测系统，其中所述电流控制器件配置所述电流源以至少部分地基于限定所述第一开关和第二开关中的每一个的相应切换状态的栅极控制信号在复制所述第一电流和所述第二电流之间交替。

10.如权利要求1所述的跟踪电流感测系统，其中所述电流控制器件配置所述电流源以至少部分地基于限定与所述第一开关和第二开关两者都相关联的同时断开状态的三态控制信号制止复制所述第一电流和所述第二电流。

11.一种电流控制器件，配置成：

控制跟踪电流系统的电流源，其替换地和基本上复制流过第一开关的第一电流和流过第二开关的第二电流。

12.如权利要求11所述的电流控制器件，其中所述电流控制器件还配置成控制所述电流源，使得所述电流源通过至少减少与由所述电流源产生的复制电流相关联的相应的振荡的量来在复制所述第一电流和所述第二电流之间平滑地转变。

13.如权利要求11所述的电流控制器件，其中所述电流控制器件还配置成控制所述电流源，使得所述电流源通过至少减少与由所述电流源产生的复制电流相关联的稳定时间来在复制所述第一电流和所述第二电流之间平滑地转变。

14.如权利要求11所述的电流控制器件，其中所述控制器件配置成控制所述电流源以至少部分地基于限定所述第一开关和第二开关中的每一个的相应切换状态的栅极控制信号替换地和基本上复制所述第一电流或所述第二电流。

15.如权利要求11所述的电流控制器件，其中所述控制器件还配置成控制所述电流源以至少部分地基于限定与所述第一开关和第二开关两者都相关联的同时断开状态的三态控制信号制止复制所述第一电流和所述第二电流。

16.如权利要求11所述的电流控制器件，其中所述电流控制器件还配置成检测所述第一电流的相应电流方向和所述第二电流的相应电流方向并控制所述电流源以替换地和基本上复制在所述第一电流的所述相应电流方向上的所述第一电流和在所述第二电流的所述相应电流方向上的所述第二电流。

17.如权利要求16所述的电流控制器件，其中所述第一电流的所述相应电流方向是正向的或反向的，以及所述第二电流的所述相应电流方向是正向的或反向的。

18.如权利要求11所述的电流控制器件，其中所述第一开关是半桥的高侧开关，而所述第二开关是所述半桥的低侧开关。

19.如权利要求18所述的电流控制器件，其中所述半桥与向电感负载输出功率的切换模式功率转换器相关联。

20.一种跟踪电流感测系统，包括：

用于确定是第一开关正传导第一电流还是第二开关正传导第二电流的装置；

用于配置电流源以在确定所述第二开关不再传导所述第二电流之后平滑地从复制所述第二电流转变到复制所述第一电流的装置；以及

用于配置所述电流源以在确定所述第一开关不再传导所述第一电流之后平滑地从复制所述第一电流转变到复制所述第二电流的装置。