CN106712513A - 峰值电流检测电路及功率变换装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种峰值电流检测电路，用于功率变换装置，包括：第一开关、峰值电容以及第二开关串联连接在第一功率开关管和第二功率开关管之间的节点与接地端之间；第三开关连接在峰值电容和输出电容之间；峰值电容两端的电压信号为峰值电压信号；比较器包括第一输入端和第二输入端以及输出端，其中，第一输入端用于接收参考电压，第二输入端与峰值电容连接，输出端用于输出峰值电流检测信号。本发明还提供一种功率变换装置，通过峰值电容以及第一至第三开关的导通与关断来获取电感两端的峰值电压，并将该峰值电压与参考电压通过比较生成电流检测信号，进而反馈给控制电路控制第二功率开关管的导通与关断，对第二功率开关管起到保护作用。

Description

峰值电流检测电路及功率变换装置
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，更具体地，涉及一种峰值电流检测电路及功率变换装置。
背景技术
众所周知，所有的电子设备都需要电源，但不同的电子系统对电源的要求不同，为了发挥各自电子系统的最佳性能，则需要选择合适的电源管理芯片以提供最佳的电源管理方式。而高性能电源管理芯片是高效率电源转换器的重要组成部分。高性能电源管理芯片具有电压反馈控制环路和电流反馈控制环路。电流反馈控制就需要电流检测器检测电感或开关管的电流，然后反馈回控制模块，以产生准确的控制信号。
图1示出了目前功率变换装置(DC-DC变换器，即直流-直流变换器)的主要架构图。如图1所示，功率变换装置包括两个允许流过大电流的功率开关管N1和N2，电感L和输出电容Cout构成，其中，PWM(Plus Width Modulation，脉冲宽度调制)信号控制功率开关管N1和N2的导通与关断。当第一功率开关管N1导通时就是对电感L的充电过程；当第二功率开关管N2导通时就是对电感L放电过程。而转换器系统处理升压、降压还是升降压的工作状态，主要取决于输入电压Vin和输出电压Vout的关系。输入电压Vin和输出电压Vout的压差大小决定着两个功率开关管N1、N2导通的时间长短。
图2为目前功率变换装置中功率开关管的时序信号波形以及电感上的电流信号波形的示意图。如图2所示，设定电感电流(inductor current)从节点sw流向GND为正向电流，电感电流从节点GND流向sw为负向电流。当第一功率开关管N1导通时，第二功率开关管N2断开，电感电流的值增加；当第二功率开关管N2导通时，第一功率开关管N1断开，电感电流的值减小。当电感电流持续减小时，最终电流方向改变，由从输出电压Vout端流向sw变为从节点sw流向输出电压Vout端，电压差(Vsw-Vout)变大，导致第二功率开关管N2的源漏极之间的压差变大。当电流过大，可能会导致第二功率开关管N2烧坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种峰值电流检测电路以及功率变换装置。
根据本发明的一方面，提供一种峰值电流检测电路，所述峰值电流检测电路用于功率变换装置，所述功率变换装置至少包括输入电压端、输出电压端、第一功率开关管、第二功率开关管、电感以及输出电容，所述第一功率开关管和第二功率开关管串联连接在输入电压端和输出电压端之间，所述电感连接在第一功率开关管和第二功率开关管之间的节点与接地端之间，所述输出电容连接在输出电压端和接地端之间，所述峰值电流检测电路包括：
第一开关、峰值电容以及第二开关，串联连接在第一功率开关管和第二功率开关管之间的节点与接地端之间；
第三开关，连接在所述峰值电容和所述输出电容之间；
所述峰值电容两端的电压信号为峰值电压信号；
比较器，包括第一输入端和第二输入端以及输出端，其中，第一输入端用于接收参考电压，第二输入端与所述峰值电容连接，输出端用于输出峰值电流检测信号；
在第一状态下，第一功率开关管导通，第二功率开关管关断；
在第二状态下，第二功率开关管导通，第一功率开关管关断。
优选地，在第一状态下，第一开关关断，第二开关和第三开关导通；
在第二状态下，第一开关导通，第二开关和第三开关关断。
优选地，所述峰值电流检测电路还包括：
参考电压生成电路，用于通过第二功率开关管的镜像电路生成参考电压。
优选地，所述参考电压生成电路包括镜像管、参考电流源、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容，
所述第四开关和第五开关串联连接在电感和接地端之间的节点与镜像管的栅极之间；
第一电容连接在第四开关和第五开关之间的节点与所述第二功率开关管的栅极之间；
第二电容连接在所述镜像管的栅极与接地端之间；
镜像管的源极与接地端连接；
镜像管的漏极与参考电流源连接，并输出参考电压。
优选地，在第一状态下，第四开关关断，第五开关导通，在第二状态下，第五开关关断，第四开关导通，第一状态与第二状态交替使得参考电压生成电路成为第二功率开关管的镜像电路。
优选地，所述参考电流源连接在输入电压端和所述镜像管的漏极之间。
根据本发明的另一方面，提供一种功率变换装置，包括功率变换模块、峰值电流检测电路以及控制电路，
其中，所述功率变换模块包括输入电压端、输出电压端、第一功率开关管、第二功率开关管、电感以及输出电容，所述第一功率开关管和第二功率开关管串联连接在输入电压端和输出电压端之间，所述电感连接在第一功率开关管和第二功率开关管之间的节点与接地端之间，所述输出电容连接在输出电压端和接地端之间；
所述峰值电流检测电路包括：
第一开关、峰值电容以及第二开关，串联连接在第一功率开关管和第二功率开关管之间的节点与接地端之间；
第三开关，连接在所述峰值电容和所述输出电容之间；
所述峰值电容两端的电压信号为峰值电压信号；
比较器，包括第一输入端和第二输入端以及输出端，其中，第一输入端用于接收参考电压，第二输入端与所述峰值电容连接，输出端用于输出峰值电流检测信号；
所述控制电路用于根据所述峰值电流检测信号生成开关控制信号控制第二功率开关管的导通与关断。
优选地，所述峰值电流检测电路还包括：
参考电压生成电路，用于通过第二功率开关管的镜像电路生成参考电压。
优选地，所述参考电压生成电路包括镜像管、参考电流源、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容，
所述第四开关和第五开关串联连接在电感和接地端之间的节点与镜像管的栅极之间；
第一电容连接在第四开关和第五开关之间的节点与所述第二功率开关管的栅极之间；
第二电容连接在所述镜像管的栅极与接地端之间；
镜像管的源极与接地端连接；
镜像管的漏极与参考电流源连接，并输出参考电压。
优选地，在第一状态下，第一功率开关管导通，第二功率开关管关断，第一开关关断，第二开关和第三开关导通，第四开关关断，第五开关导通；
在第二状态下，第二功率开关管导通，第一功率开关管关断，第一开关导通，第二开关和第三开关关断，第五开关关断，第四开关导通。
本发明实施例提供的峰值电流检测电路以及功率变换装置，通过峰值电容以及第一至第三开关的导通与关断来获取电感两端的峰值电压，并将该峰值电压与参考电压通过比较生成电流检测信号，进而反馈给控制电路控制第二功率开关管的导通与关断。本发明通过改变参考电压可以控制负向峰值电流的大小，通过限流对第二功率开关管起到保护作用。所述参考电压还可以由第二功率开关管的镜像电路产生，通过控制参考电流源以及电路镜像倍数控制参考电压的大小。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据现有技术的功率变换装置的电路图；
图2示出了功率变换装置的开关时序和电感电流的波形图；
图3示出了根据本发明实施例提供的功率变换装置的电路图；
图4示出了根据本发明另一实施例提供的功率变换装置的电路图；
图5示出了根据本发明实施例提供的功率变换装置的开关时序和电感电流的波形图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图3示出了根据本发明实施例提供的功率变换装置的电路图。如图3所示，所述功率变换装置包括功率变换模块10、峰值电流检测电路20以及控制电路30。
其中，所述功率变换模块10包括输入电压端Vin、输出电压端Vout、第一功率开关管N1、第二功率开关管N2、电感L以及输出电容Cout，所述第一功率开关管N1和第二功率开关管N2串联连接在输入电压端Vin和输出电压端Vout之间，所述电感L连接在第一功率开关管N1和第二功率开关管N2之间的节点sw与接地端GND之间，所述输出电容Cout连接在输出电压端Vout和接地端GND之间。
在本实施例中，输出电压端Vout一直输出负向电压。如图5所示，在第一功率开关管N1导通时，节点sw处的电压Vsw一直大于输出电压端Vout处的电压；当第二功率开关管N2导通时，节点sw处的电压Vsw与Vout的差值(Vsw-Vout)呈线性增长。
所述峰值电流检测电路20包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、峰值电容C0以及比较器A1。其中，第一开关S1、峰值电容C0以及第二开关S2串联连接在第一功率开关管N1和第二功率开关管N2的节点sw与接地端GND之间；第三开关S3，连接在所述峰值电容C0和所述输出电容Cout之间；所述峰值电容C0两端的电压信号为峰值电压信号。比较器A1，包括第一输入端和第二输入端以及输出端，其中，第一输入端用于接收参考电压Vref，第二输入端与所述峰值电容C0连接，输出端用于输出峰值电流检测信号ilimit。其中，比较器A1的第一输入端为反相输入端，第二输入端为正相输入端。
在第一状态下，第一功率开关管N1导通，第二功率开关管N2关断，第一开关S1关断，第二开关S2和第三开关S3导通；在第二状态下，第二功率开关管N2导通，第一功率开关管N1关断，第一开关S1导通，第二开关S2和第三开关S3关断。
峰值电容C0的第一极板与第一开关S1或第三开关S3连接，第二极板与第二开关S2连接。在第一状态下，第一开关S1关断、第三开关S3导通，峰值电容C0的第一极板电压等于输出电压端的电压Vout，第二开关S2导通，峰值电容C0的第二极板电压等于GND。在第二状态下，第一开关S1导通，第三开关S3关断，峰值电容C0的第一极板电压等于节点sw处的电压Vsw。第二开关S2关断，第二功率开关管N2为低阻态，节点sw的电压变化量通过峰值电容C0输入到比较器的第二输入端，即第二输入端的电压为电感两端的峰值电压信号VL，其中，VL＝Vsw-Vout＝iL·Rdson2，其中，Rdson2为第二功率开关管N2的阻抗。当VL＞Vref时，比较器A1输出峰值电流检测信号ilimit，逻辑状态由0变为1。
所述控制电路30用于根据所述峰值电流检测信号ilimit生成开关控制信号控制第二功率开关管N2的导通与关断。
在本实施例中，当所述峰值电流检测信号ilimit的逻辑状态为0时，控制电路30生成的开关控制信号控制第二功率开关管N2导通；当所述峰值电流检测信号ilimit的逻辑状态为1时，控制电路30生成的开关控制信号控制第二功率开关管N2关断。
本发明实施例提供的峰值电流检测电路以及功率变换装置，通过峰值电容以及第一至第三开关的导通与关断来获取电感两端的峰值电压，并将该峰值电压与参考电压通过比较生成电流检测信号，进而反馈给控制电路控制第二功率开关管的导通与关断。本发明通过改变参考电压可以控制负向峰值电流的大小，通过限流对第二功率开关管起到保护作用。
图4示出了根据本发明另一实施例提供的功率变换装置的电路图。如图4所示，所述功率变换装置包括功率变换模块10、峰值电流检测电路20、控制电路30、以及参考电压生成电路40。
其中，所述功率变换模块10包括输入电压端Vin、输出电压端Vout、第一功率开关管N1、第二功率开关管N2、电感L以及输出电容Cout，所述第一功率开关管N1和第二功率开关管N2串联连接在输入电压端Vin和输出电压端Vout之间，所述电感L连接在第一功率开关管N1和第二功率开关管N2之间的节点sw与接地端GND之间，所述输出电容Cout连接在输出电压端Vout和接地端GND之间。
在本实施例中，输出电压端Vout一直输出负向电压。如图5所示，在第一功率开关管N1导通时，节点sw处的电压Vsw一直大于输出电压端Vout处的电压；当第二功率开关管N2导通时，节点sw处的电压Vsw与Vout的差值(Vsw-Vout)呈线性增长。
所述峰值电流检测电路20包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、峰值电容C0以及比较器A1。其中，第一开关S1、峰值电容C0以及第二开关S2串联连接在第一功率开关管N1和第二功率开关管N2的节点sw与接地端GND之间；第三开关S3，连接在所述峰值电容C0和所述输出电容Cout之间；所述峰值电容C0两端的电压信号为峰值电压信号。比较器A1，包括第一输入端和第二输入端以及输出端，其中，第一输入端用于接收参考电压Vref，第二输入端与所述峰值电容C0连接，输出端用于输出峰值电流检测信号。其中，比较器A1的第一输入端为反相输入端，第二输入端为正相输入端。
在第一状态下，第一功率开关管N1导通，第二功率开关管N2关断，第一开关S1关断，第二开关S2和第三开关S3导通；在第二状态下，第二功率开关管N2导通，第一功率开关管N1关断，第一开关S1导通，第二开关S2和第三开关S3关断。
峰值电容C0的第一极板与第一开关S1或第三开关S3连接，第二极板与第二开关S2连接。在第一状态下，第一开关S1关断、第三开关S3导通，峰值电容C0的第一极板电压等于输出电压端的电压Vout，第二开关S2导通，峰值电容C0的第二极板电压等于GND。在第二状态下，第一开关S1导通，第三开关S3关断，峰值电容C0的第一极板电压等于节点sw处的电压Vsw。第二开关S2关断，第二功率开关管N2为低阻态，节点sw的电压变化量通过峰值电容C0输入到比较器的第二输入端，即第二输入端的电压为电感两端的峰值电压信号VL，其中，VL＝Vsw-Vout＝iL·Rdson2，其中，Rdson2为第二功率开关管N2的阻抗。当VL＞Vref时，比较器A1输出峰值电流检测信号ilimit，逻辑状态由0变为1。
所述控制电路30用于根据所述峰值电流检测信号ilimit生成开关控制信号控制第二功率开关管N2的导通与关断。
在本实施例中，当所述峰值电流检测信号ilimit的逻辑状态为0时，控制电路30生成的开关控制信号控制第二功率开关管N2导通；当所述峰值电流检测信号的逻辑状态ilimit为1时，控制电路30生成的开关控制信号控制第二功率开关管N2关断。
参考电压生成电路40用于通过第二功率开关管N2的镜像电路生成参考电压Vref。
在本实施例中，所述参考电压生成电路40包括镜像管N3、参考电流源Iref、第四开关S4、第五开关S5、第一电容C1和第二电容C2，其中，所述第四开关S4和第五开关S5串联连接在电感L和接地端GND之间的节点sm与镜像管N3的栅极之间；第一电容C1连接在第四开关S4和第五开关S5之间的节点sn与所述第二功率开关管N2的栅极之间；第二电容C2连接在所述镜像管N3的栅极与接地端GND之间；镜像管N3的源极与接地端GND连接；镜像管N3的漏极与参考电流源Iref连接，并输出参考电压Vref。
在第一状态下，第四开关S4关断，第五开关S5导通，在第二状态下，第四开关S4导通，第五开关S5关断，第一状态与第二状态交替使得参考电压生成电路40成为第二功率开关管N2的镜像电路。
第一电容C1的第一极板与第二功率开关管N2的栅极连接，第二基板与第四开关S4和第五开关S5的节点sn连接；第二电容C2的第一极板与镜像管N3的栅极连接，第二极板与接地端GND连接。
在第一状态下，第一电容C1的第一极板电压等于输出电压端的电压Vout，第四开关S4关断，第五开关S5导通，第一电容C1的第二极板电压等于接地端GND。在第二状态下，第四开关S4导通，第五开关S5关断，第一电容C1的第一极板电压等于Vout+Vgs2(其中，Vgs2为第二功率开关管N2的栅源极的电压差)，第一电容C1的第二极板与第二电容C2的第一极板短接，将电荷转移到第二电容C2上。经过第一状态和第二状态的交替几个周期后，镜像管N3栅源极的电压差和第二功率开关管N2的栅源极的电压差相等，即Vgs2＝Vgs3，则该参考电压生成电路40成为第二功率开关管N2的镜像电路。其中，Vref＝K Rdson2·Iref，其中，K为第二功率开关管N2和镜像管N3的电流镜像倍数。
在一个优选地实施例中，所述参考电流源Iref连接在输入电压端Vin和所述镜像管N3的漏极之间。
本发明实施例提供的功率变换装置，通过峰值电容以及第一至第三开关的导通与关断来获取电感两端的峰值电压，并将该峰值电压与参考电压通过比较生成电流检测信号，进而反馈给控制电路控制第二功率开关管的导通与关断，其中，参考电压由第二功率开关管N2的镜像电路产生。本发明通过改变参考电流源以及电路镜像倍数可以控制负向峰值电流的大小，通过限流对第二功率开关管起到保护作用。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种峰值电流检测电路，所述峰值电流检测电路用于功率变换装置，所述功率变换装置至少包括输入电压端、输出电压端、第一功率开关管、第二功率开关管、电感以及输出电容，所述第一功率开关管和第二功率开关管串联连接在输入电压端和输出电压端之间，所述电感连接在第一功率开关管和第二功率开关管之间的节点与接地端之间，所述输出电容连接在输出电压端和接地端之间，所述峰值电流检测电路包括：
第一开关、峰值电容以及第二开关，串联连接在第一功率开关管和第二功率开关管之间的节点与接地端之间；
第三开关，连接在所述峰值电容和所述输出电容之间；
所述峰值电容两端的电压信号为峰值电压信号；
比较器，包括第一输入端和第二输入端以及输出端，其中，第一输入端用于接收参考电压，第二输入端与所述峰值电容连接，输出端用于输出峰值电流检测信号；
其中，在第一状态下，第一功率开关管导通，第二功率开关管关断；在第二状态下，第二功率开关管导通，第一功率开关管关断。
2.根据权利要求1所述的峰值电流检测电路，其中，在第一状态下，第一开关关断，第二开关和第三开关导通；
在第二状态下，第一开关导通，第二开关和第三开关关断。
3.根据权利要求1所述的峰值电流检测电路，其中，还包括：
参考电压生成电路，用于通过第二功率开关管的镜像电路生成参考电压。
4.根据权利要求3所述的峰值电流检测电路，其中，所述参考电压生成电路包括镜像管、参考电流源、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容，
所述第四开关和第五开关串联连接在电感和接地端之间的节点与镜像管的栅极之间；
第一电容连接在第四开关和第五开关之间的节点与所述第二功率开关管的栅极之间；
第二电容连接在所述镜像管的栅极与接地端之间；
镜像管的源极与接地端连接；
镜像管的漏极与参考电流源连接，并输出参考电压。
5.根据权利要求4所述的峰值电流检测电路，其中，在第一状态下，第四开关关断，第五开关导通，在第二状态下，第五开关关断，第四开关导通，第一状态与第二状态交替使得参考电压生成电路成为第二功率开关管的镜像电路。
6.根据权利要求4或5所述的峰值电流检测电路，其中，所述参考电流源连接在输入电压端和所述镜像管的漏极之间。
7.一种功率变换装置，包括功率变换模块、峰值电流检测电路以及控制电路，
其中，所述功率变换模块包括输入电压端、输出电压端、第一功率开关管、第二功率开关管、电感以及输出电容，所述第一功率开关管和第二功率开关管串联连接在输入电压端和输出电压端之间，所述电感连接在第一功率开关管和第二功率开关管之间的节点与接地端之间，所述输出电容连接在输出电压端和接地端之间；
所述峰值电流检测电路包括：
第一开关、峰值电容以及第二开关，串联连接在第一功率开关管和第二功率开关管之间的节点与接地端之间；
第三开关，连接在所述峰值电容和所述输出电容之间；
所述峰值电容两端的电压信号为峰值电压信号；
比较器，包括第一输入端和第二输入端以及输出端，其中，第一输入端用于接收参考电压，第二输入端与所述峰值电容连接，输出端用于输出峰值电流检测信号；
所述控制电路用于根据所述峰值电流检测信号生成开关控制信号控制第二功率开关管的导通与关断。
8.根据权利要求7所述的功率变换装置，其中，所述峰值电流检测电路还包括：
参考电压生成电路，用于通过第二功率开关管的镜像电路生成参考电压。
9.根据权利要求8所述的功率变换装置，其中，所述参考电压生成电路包括镜像管、参考电流源、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容，
所述第四开关和第五开关串联连接在电感和接地端之间的节点与镜像管的栅极之间；
第一电容连接在第四开关和第五开关之间的节点与所述第二功率开关管的栅极之间；
第二电容连接在所述镜像管的栅极与接地端之间；
镜像管的源极与接地端连接；
镜像管的漏极与参考电流源连接，并输出参考电压。
10.根据权利要求9所述的功率变换装置，其中，
在第一状态下，第一功率开关管导通，第二功率开关管关断，第一开关关断，第二开关和第三开关导通，第四开关关断，第五开关导通；
在第二状态下，第二功率开关管导通，第一功率开关管关断，第一开关导通，第二开关和第三开关关断，第五开关关断，第四开关导通。
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