CN106291062A - 一种高精度电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种高精度电流检测电路，包括：输入电路10、偏置电路20，电压转电流核心电路30和输出电路40。电流偏置电路20为电压转电流核心电路30供电。本发明的实例可应用在开关电源芯片中。在开关电源芯片工作后，通过检测开关管漏端的电位而实现对电感电流的检测，再将漏端的电位转化为电流，该电流与斜坡补偿电流叠加实现开关电源芯片的电流环控制模式。该电压转为电流的转化电路结构新颖，电压与电流之间具有很好的线性关系，抗干扰性强且具有节约功耗的特点。

Description

一种高精度电流检测电路

技术领域

本发明可应用到工业控制和许多传感器的读出电路和开关电源技术等相关领域，尤其在开关电源技术领域。

背景技术

如今，可移动电子设备已广泛应用到生活和工业领域之中，开关电源芯片作为电子设备技术发展的前提已成为整个集成电路研究的热点。大多数可移动电子设备需要电池对其进行可靠地供电，峰值电流模式的开关电源芯片具有负载响应快，环路稳定性高，因此可大大的提高系统的可靠性。

同时在其它的一些电路中，比如电流模逻辑混合信号系统中，电压电流转换电路是很重要的接口电路，是整个电流模逻辑电路的设计关键，该电路通常需要提供较宽的线性范围以及较高的线性度。

在工业控制和许多传感器的应用电路中,摸拟信号输出时,一般是以电压输出。在以电压方式长距离传输模拟信号时,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减,信号接收端的输入电阻越低,电压衰减越大。为了避免信号在传输过程中的衰减,只有增加信号接收端的输入电阻,但信号接收端输入电阻的增加,使传输线路抗干扰性能降低,易受外界干扰,信号传输不稳定,这样在长距离传输模拟信号时,不能用电压输出方式,而把电压输出转换成电流输出。另外许多常规工业仪表中,以电流方式配接也要求输出端将电压输出转换成电流输出。V/I转换器就是把电压输出信号转换成电流输出信号,有利于信号长距离传输。V/I转换器可由晶体管等多种器件组成。

因此研究高精度、高线性度、低功耗的电压转电流电路很有意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度电流检测电路，可使开关电源芯片工作更稳定，功耗更低。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种高精度电流检测电路，其特征在于，输入电路(10)，所述输入电路(10)包括输入信号以及开关管。偏置电路(20)，所述电流偏置电路(10)就是基本的电流镜结构。电压转电流核心电路(30)，所述电压转电流核心电路(30)包括一个非对称运放和反馈回路两部分。输出电路(40)，所述输出电路(40)包括PM4和PM5两条电流支路。

本发明的一个实例中，输入电路(10)包括第一场效应管NM1，其中：所述第一场效应管NM1的漏极连接到输入电压信号Vs，第一场效应管NM1的栅极外接控制信号SW，和其漏极连接成二极管形式，第一场效应管NM1的源极和第一电阻和第二电阻的一端相连；

本发明的一个实例中，偏置电路(20)包括第二场效应管PM1，其中：所述第二场效应管PM1的源极连接到所述供电电源VDD，第二场效应管PM1的栅极和漏极相连并连接到参考电流Iref。

本发明的一个实例中，电压转电流核心电路(30)包括第三场效应管PM2、第四场效应管PM3、第五场效应管NM2、第一双极性晶体管BJT1、第二双极性晶体管BJT2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，其中：所述的第三场效应管PM2的源极连接到所述供电电源VDD，第三场效应管PM2的栅极与第二场效应管PM1的源极和漏极以及第四场效应管PM3的栅极相连，第三场效应管PM2的漏极与第一双极性晶体管BJT1的集电极以及第五场效应管的栅极相连；所述的第四场效应管PM3的源极连接到所述供电电源VDD，第四场效应管PM3的栅极与第二场效应管PM1的源极和漏极以及第三场效应管PM3的栅极相连，第四场效应管PM3的漏极与第二双极性晶体管BJT2的集电极相连；所述的第五场效应管NM2的源极与第二双极性晶体管BJT2的发射集以及第三电阻R3的一端相连，第五场效应管NM2的栅极与第三场效应管PM2的漏极以及第一双极性晶体管BJT1的集电极相连，第五场效应管NM2的漏极与第六、第八场效应管的漏极相连；所述的第一双极性晶体管BJT1的集电极与第三场效应管PM2的漏极以及第五场效应管的栅极相连，第一双极性晶体管BJT1的基极与第二双极性晶体管BJT2的基极以及集电极相连，第一双极性晶体管BJT1的发射集与第一电阻的一端相连；所述的第二双极性晶体管BJT2的集电极与基极相接并连到第四场效应管PM3的漏极，第二双极性晶体管BJT2的发射集与第三电阻以及第四场效应管NM5的源极相连；所述的第一电阻R1一端与第一双极性晶体管BJT1的发射集连接，第一电阻R1另一端与第一场效应管NM1的源极以及第二电阻的一端相连；所述的第二电阻R2一端与第一场效应管NM1的源极以及第一电阻R1一端相连，第二电阻R2另一端接地；所述的第三电阻R3一端与第五场效应管NM2的源极以及第二双极性晶体管BJT2的发射集相连，第三电阻R3另一端接地；

本发明的一个实例中，输出电路(40)包括第六场效应管PM4、第七场效应管PM5、第八场效应管NM3,其中：所述的第六场效应管PM4的源极连接到所述供电电源VDD，第六场效应管PM4的漏极与栅极相接并与第七场效应管PM5的栅极以及第五场效应管NM2的漏极、第八场效应管NM3漏极相连；所述的第七场效应管PM5的源极连接到所述供电电源VDD，第七场效应管PM5的栅极与第六场效应管PM4的漏极和栅极、第五场效应管NM2的漏极以及第八场效应管NM3漏极相连，第七场效应管PM5的漏极是电流Io的输出端；所述的第八场效应管NM3的漏极与五场效应管NM2的漏极、第六场效应管PM4的漏极和栅极以及第七场效应管PM5的栅极相连，第八场效应管NM3的栅极外接偏置电压nbias，第八场效应管NM3的源极接地。

本发明的实例中，当模块电路开始工作时，电路节点1处的电位发生变化，导致双极性晶体管BJT1的发射集电位发生变化，由于两个BJT所在支路电流相等，故双极性晶体管BJT2的发射集电位的变化与双极性晶体管BJT1的变化相同，导致场效应管NM2支路电流发生变化，最终导致输出电流Io变化。通过电阻之间的匹配，使输出电流Io和输入电压具有较好的线性关系。

附图说明

图1是本发明一种高精度电流检测电路示意图。

图2是本发明一个具体实施例的应用示意图

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的一种高精度电流检测电路。

图1为本发明一个实施例的一种高精度电流检测电路。

如图1所示，本发明一些实施例中，一种高精度电流检测电路包括输入电路(10)，偏置电路(20)，电压转电流核心电路(30)，输出电路(40)。

本发明的一个实例中，输入电路(10)包括第一场效应管NM1，其中：所述第一场效应管NM1的漏极连接到输入电压信号Vs，第一场效应管NM1的栅极外接控制信号SW，和其漏极连接成二极管形式，第一场效应管NM1的源极和第一电阻和第二电阻的一端相连；

本发明的一个实例中，偏置电路(20)包括第二场效应管PM1，其中：所述第二场效应管PM1的源极连接到所述供电电源VDD，第二场效应管PM1的栅极和漏极相连并连接到参考电流Iref。

本发明的一个实例中，电压转电流核心电路(30)包括第三场效应管PM2、第四场效应管PM3、第五场效应管NM2、第一双极性晶体管BJT1、第二双极性晶体管BJT2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，其中：所述的第三场效应管PM2的源极连接到所述供电电源VDD，第三场效应管PM2的栅极与第二场效应管PM1的源极和漏极以及第四场效应管PM3的栅极相连，第三场效应管PM2的漏极与第一双极性晶体管BJT1的集电极以及第五场效应管的栅极相连；所述的第四场效应管PM3的源极连接到所述供电电源VDD，第四场效应管PM3的栅极与第二场效应管PM1的源极和漏极以及第三场效应管PM3的栅极相连，第四场效应管PM3的漏极与第二双极性晶体管BJT2的集电极相连；所述的第五场效应管NM2的源极与第二双极性晶体管BJT2的发射集以及第三电阻R3的一端相连，第五场效应管NM2的栅极与第三场效应管PM2的漏极以及第一双极性晶体管BJT1的集电极相连，第五场效应管NM2的漏极与第六、第八场效应管的漏极相连；所述的第一双极性晶体管BJT1的集电极与第三场效应管PM2的漏极以及第五场效应管的栅极相连，第一双极性晶体管BJT1的基极与第二双极性晶体管BJT2的基极以及集电极相连，第一双极性晶体管BJT1的发射集与第一电阻的一端相连；所述的第二双极性晶体管BJT2的集电极与基极相接并连到第四场效应管PM3的漏极，第二双极性晶体管BJT2的发射集与第三电阻以及第四场效应管NM5的源极相连；所述的第一电阻R1一端与第一双极性晶体管BJT1的发射集连接，第一电阻R1另一端与第一场效应管NM1的源极以及第二电阻的一端相连；所述的第二电阻R2一端与第一场效应管NM1的源极以及第一电阻R1一端相连，第二电阻R2另一端接地；所述的第三电阻R3一端与第五场效应管NM2的源极以及第二双极性晶体管BJT2的发射集相连，第三电阻R3另一端接地；

本发明的一个实例中，输出电路(40)包括第六场效应管PM4、第七场效应管PM5、第八场效应管NM3,其中：所述的第六场效应管PM4的源极连接到所述供电电源VDD，第六场效应管PM4的漏极与栅极相接并与第七场效应管PM5的栅极以及第五场效应管NM2的漏极、第八场效应管NM3漏极相连；所述的第七场效应管PM5的源极连接到所述供电电源VDD，第七场效应管PM5的栅极与第六场效应管PM4的漏极和栅极、第五场效应管NM2的漏极以及第八场效应管NM3漏极相连，第七场效应管PM5的漏极是电流Io的输出端；所述的第八场效应管NM3的漏极与五场效应管NM2的漏极、第六场效应管PM4的漏极和栅极以及第七场效应管PM5的栅极相连，第八场效应管NM3的栅极外接偏置电压nbias，第八场效应管NM3的源极接地。

下面简要说明本发明实施例的电路的工作原理。

例如，图1所示的实施例中，当芯片开始工作时，参考电流Iref流经第二场效应管PM1，第三场效应管PM2和第四场效应管PM3镜像第一场效应管PM1的电流，且两个晶体管的镜像比例相同。在第一场效应管NM1开关打开后，当电路节点1的电位变化△Vs,双极性晶体管BJT1的发射集的电位也跟着变化为△Vs，由于双极性晶体管BJT1和BJT2所在支路电流相等，故二者的发射集电位变化也相同，即双极性晶体管BJT2的电位也改变△Vs，故电阻R3上的电流也改变，此电流改变的大小为：

${\mathrm{\ΔI}}_{R2}=\frac{\mathrm{\Δ}Vs}{R3}---\left(1\right)$

电阻R3上电流的改变只能由反馈元件第五场效应管NM2支路电流提供，故NM2支路电流与电阻R3上支路电路改变相同。NM2支路电流的改变是由第六场效应管PM4提供，故第六场效应管PM4漏极电流也作相同的改变。输出电流Io镜像第六场效应管PM4的电流，所以输出电流的改变为：

$\mathrm{\Δ}Io={\mathrm{\ΔI}}_{R2}=\frac{\mathrm{\Δ}Vs}{R3}---\left(2\right)$

图2时本发明的一个具体实施应用，其检测的具体工作原理如下：

当输入电流为I_in变化为△I_in时，则流入检测电路的变化电流△I_i为：

${\mathrm{\ΔI}}_i={\mathrm{\ΔI}}_{in}\frac{R_t}{R_t+R2}---\left(3\right)$

则检测电路输入的电压变化为：

${\mathrm{\ΔV}}_s={\mathrm{\ΔI}}_{in}\frac{R_t}{R_t+R2}{R}_2---\left(4\right)$

根据(2)可以得到输出电流的变化为：

${\mathrm{\ΔI}}_o={\mathrm{\ΔI}}_{in}\frac{R_t}{R_t+R2}\×\frac{R_2}{R_3}---\left(5\right)$

所以检测电路实现高精度与这些电阻的阻值匹配密切相关，而且电路中R1、R2和R3的比例关系也会影响电路的精确度。

本电路有以下三个优点：

第一，在实际开关电源芯片中，我们不需要一直对输入电压Vs采样，故通过第一场效应管NM1的控制，在需要采样时，采集Vs电压值，可以达到节省功耗目的。第二，输入电压Vs在电路变化时，分别通过电阻R1、R2、R3的作用可使双极性晶体管发射集电位变化相同，在版图中电阻R1、R2、R3具有很好的匹配关系，可以提高转变精度。第三，在电路中采用反馈的方式，保证输出电流的变化与输入电压的变化具有很好的线性关系。可见本发明的实施例具有精度高、线性度好以及可以节约功耗的功能。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (7)

1.一种高精度电流检测电路，其特征在于，包括：

输入电路（10），所述输入电路（10）包括输入信号以及开关管；

偏置电路（20），所述电流偏置电路（10）就是基本的电流镜结构；

电压转电流核心电路（30），所述电压转电流核心电路（30）包括一个非对称运放和反馈回路两部分；

输出电路（40），所述输出电路（40）包括PM4和PM5两条电流支路。

2.根据权利1所述的一种高精度电流检测电路，其特征在于，输入电路（10）包括第一场效应管NM1，其中：

所述第一场效应管NM1的漏极连接到输入电压信号Vs，第一场效应管NM1的栅极外接控制信号SW，和其漏极连接成二极管形式，第一场效应管NM1的源极和第一电阻和第二电阻的一端相连。

3.根据权利1所述的一种高精度电流检测电路，其特征在于，所述偏置电路（20）包括第二场效应管PM1，其中：

所述第二场效应管PM1的源极连接到所述供电电源VDD，第二场效应管PM1的栅极和漏极相连并连接到参考电流Iref。

4.根据权利1所述的一种高精度电流检测电路, 其特征在于，所述电压转电流核心电路（30）包括第三场效应管PM2、第四场效应管PM3、第五场效应管NM2、第一双极性晶体管BJT1、第二双极性晶体管BJT2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，其中：

所述的第三场效应管PM2的源极连接到所述供电电源VDD，第三场效应管PM2的栅极与第二场效应管PM1的源极和漏极以及第四场效应管PM3的栅极相连，第三场效应管PM2的漏极与第一双极性晶体管BJT1的集电极以及第五场效应管的栅极相连；

所述的第四场效应管PM3的源极连接到所述供电电源VDD，第四场效应管PM3的栅极与第二场效应管PM1的源极和漏极以及第三场效应管PM3的栅极相连，第四场效应管PM3的漏极与第二双极性晶体管BJT2的集电极相连；

所述的第五场效应管NM2的源极与第二双极性晶体管BJT2的发射集以及第三电阻R3的一端相连，第五场效应管NM2的栅极与第三场效应管PM2的漏极以及第一双极性晶体管BJT1的集电极相连，第五场效应管NM2的漏极与第六、第八场效应管的漏极相连；

所述的第一双极性晶体管BJT1的集电极与第三场效应管PM2的漏极以及第五场效应管的栅极相连，第一双极性晶体管BJT1的基极与第二双极性晶体管BJT2的基极以及集电极相连，第一双极性晶体管BJT1的发射集与第一电阻的一端相连；

所述的第二双极性晶体管BJT2的集电极与基极相接并连到第四场效应管PM3的漏极，第二双极性晶体管BJT2的发射集与第三电阻以及第四场效应管NM5的源极相连；

所述的第一电阻R1一端与第一双极性晶体管BJT1的发射集连接，第一电阻R1另一端与第一场效应管NM1的源极以及第二电阻的一端相连；

所述的第二电阻R2一端与第一场效应管NM1的源极以及第一电阻R1一端相连，第二电阻R2另一端接地；

所述的第三电阻R3一端与第五场效应管NM2的源极以及第二双极性晶体管BJT2的发射集相连，第三电阻R3另一端接地。

5.根据权利4所述的一种高精度电流检测电路，其特征在于，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的阻值具有严格的对应关系而且在版图上具有良好的匹配关系。

6.根据权利1所述的一种高精度电流检测电路，特征在于，所述输出电路（40）包括第六场效应管PM4、第七场效应管PM5、第八场效应管NM3,其中：

所述的第六场效应管PM4的源极连接到所述供电电源VDD，第六场效应管PM4的漏极与栅极相接并与第七场效应管PM5的栅极以及第五场效应管NM2的漏极、第八场效应管NM3漏极相连；

所述的第七场效应管PM5的源极连接到所述供电电源VDD，第七场效应管PM5的栅极与第六场效应管PM4的漏极和栅极、第五场效应管NM2的漏极以及第八场效应管NM3漏极相连，第七场效应管PM5的漏极是电流Io的输出端；

所述的第八场效应管NM3的漏极与五场效应管NM2的漏极、第六场效应管PM4的漏极和栅极以及第七场效应管PM5的栅极相连，第八场效应管NM3的栅极外接偏置电压nbias，第八场效应管NM3的源极接地。

7.根据权利2所述的一种高精度电流检测电路，其特征在于，第一场效应管NM1是高压管，高压管漏极能够承受几十伏的高压。