CN107064613A - 一种开关电源电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种开关电源电流检测电路,所述检测电路包括:检测电阻,所述检测电阻的第一端连接电压提供单元,第二端通过储能单元连接开关电源电路;开关选择单元,用于连接检测电阻至比较放大单元;比较放大单元,所述比较放大单元的输出端连接开关管的第一端;开关管,所述开关管的第二端连接比较放大单元的反相输入端,所述开关管的第三端连接控制单元;控制单元,用于获得检测电流值;反馈单元,所述反馈单元连接开关管的第三端,构成比较放大单元的负反馈。本发明的电流检测电路和方法不受制造工艺的影响,通过数字校准的方法,消除了运放、MOS管等非理想因素在比较放大单元输入端引起的电压,使检测电路近似工作在理想状态,检测精度高。

Description

一种开关电源电流检测电路
技术领域
本发明实施例涉及开关电源技术领域,特别是涉及一种开关电源电流检测电路。
背景技术
在开关电源设计中,电流检测电路的设计至关重要,为了能够保证开关电源输出稳定电压及进行过载保护,通常通过电流检测电路采集电流之后反馈到开关电源控制电路中进而实现电路的闭环控制。
目前采用MOSFET作为电流检测手段已得到越来越广泛的应用,MOSFET作为多子器件,在其导通时具有电阻特性,检测功率管压降法就是通过检测MOSFET导通电阻上的电压,达到检测电流的目的。
检测功率管压降法的电路实现如图1所示,在功率管两端并联一个电流放大器,当检测到放大器发生翻转时,则得到功率管两端电压。当已知功率管在线性区的等效电阻时,通过检测功率管的漏源电压VDS从而得到功率管上的电流。
当功率管工作在线性区时,其漏源电压很小,等效电阻的计算公式可近似用公式(1)表示。
其中μ为沟道电子的迁移率,COX为单位面积栅电容,VT为功率管的阈值电压,VGS为栅源电压,W、L分别为沟道的宽度和长度。
由上式可知,RDS受μ、COX、VT的影响较大,即MOSFET的导通电阻受到制造工艺的影响大,而目前功率管的制造工艺还无法避免上述参数的偏差,因此采用此种方法的电流检测电路检测精度低。
发明内容
本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种检测精度高的开关电源电流检测电路。
为解决上述技术问题,本发明实施例采用的一个技术方案是:提供了一种开关电源电流检测电路,所述检测电路包括:
检测电阻,所述检测电阻的第一端连接电压提供单元,第二端通过储能单元连接开关电源电路;
开关选择单元,用于在所述开关选择单元处于第一选择状态时连接检测电阻的第一端至比较放大单元的同相输入端和连接检测电阻的第二端至比较放大单元的反相输入端,以及在所述开关选择单元处于第二选择状态时连接检测电阻的第一端至比较放大单元的反相输入端和连接检测电阻的第二端至比较放大单元的同相输入端;
比较放大单元,所述比较放大单元的输出端连接开关管的第一端,用于根据同相输入电压和反相输入电压输出高电平或者低电平;
开关管,所述开关管的第二端连接比较放大单元的反相输入端,所述开关管的第三端连接控制单元;
控制单元,用于在开关电源电路关闭时检测开关管第三端电压值U1和在开关电源电路开启时检测开关管第三端电压值U2,以及,
根据上述U2和U1的差、开关管第三端电压值对检测电阻两端电压值的放大倍数f和检测电阻的阻值获得检测电流值;
反馈单元,所述反馈单元连接开关管的第三端,构成比较放大单元的负反馈。
可选的,所述开关选择单元包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;
所述第一开关连接检测电阻的第一端至比较放大单元的反相输入端;
所述第二开关连接检测电阻的第一端至比较放大单元的同相输入端;
所述第三开关连接检测电阻的第二端至比较放大单元的反相输入 端;
所述第四开关连接检测电阻的第二端至比较放大单元的同相输入端。
可选的,所述检测电路还包括第一阻抗和第二阻抗,所述第一阻抗连接在所述检测电阻的第一端和开关选择单元之间,所述第二阻抗连接在所述检测电阻的第二端和开关选择单元之间。
可选的,所述开关选择单元处于第一选择状态时,第二开关和第三开关处于导通状态,第一开关和第四开关处于截止状态;
所述开关选择单元处于第二选择状态时,第一开关和第四开关处于导通状态,第二开关和第三开关处于截止状态。
可选的,所述控制单元包括采样检测电路、模数转换器和微控制器,所述采样检测电路的一端连接开关管的第三端,用于检测开关管第三端的电压,所述采样检测电路的另一端通过模数转换器连接微控制器,所述微控制器的另一端也连接开关管的第三端。
可选的,所述开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管,所述开关管的第一端为场效应晶体管的基极,所述开关管的第二端为场效应晶体管的源极,所述开关管的第三端为场效应晶体管的漏极。
可选的,所述比较放大单元为运算放大器。
可选的,所述电压提供单元包括电压源,所述电压源的一端连接检测电阻,另一端接地。
可选的,所述储能单元包括电感,所述反馈单元包括反馈电阻,所述反馈电阻的一端连接开关管的第三端,另一端接地。
第二方面,本发明实施例提供了一种电源,所述电源包括开关电源电路和上述的检测电路。
第三方面,本发明实施例提供了一种电源适配器,所述电源适配器包括开关电源电路和上述的检测电路。
本发明实施例的有益效果是:本发明的电流检测电路和方法不受制造工艺的影响,通过数字校准的方法,消除了运放、MOS管等非理想因素在比较放大单元输入端引起的电压,使检测电路近似工作在理想状 态,检测精度高。
附图说明
图1是现有技术中开关电源电流检测电路的结构示意图;
图2是本发明开关电源电流检测电路的一个实施例的结构示意图;
图3是本发明开关电源电流检测电路的一个实施例的结构示意图;
图4是本发明开关电源电流检测电路的一个实施例的结构示意图;
图5是本发明开关电源电流检测电路的一个实施例的结构示意图;
图6是本发明开关电源电流检测电路的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,电流作为其重要参数,能够保证其变换电压稳定输出或快速调节,尤其关系到过载保护,因而常常要设置电流反馈回路,通过电流检测电路采集电流信息而后反馈到开关电源控制电路而实现了电路的闭环控制,所以电流检测的准确性对开关电源性能有着重要的影响。开关电源电路的充电回路一般由电感、检测电阻、充电开关串联而成,可以通过检测检测电阻两端的电压来检测流过检测电阻的电流即充电回路的电流,继而获得开关电源检测电流。
如图2所示,本发明实施例提供了一种开关电源电流检测电路,可以通过检测A点电压来计算检测电阻100两端电压,进而得到流过检测电阻100的电流的大小。由于比较放大单元、开关管等的非理想因素,电压的检测存在较大误差。如果将这些非理想因素等效为检测电路输入端的offset(失调误差),而如何消除这些offset成为高精度检测电压 的关键点。
对于一个理想的检测电路而言,当流过检测电阻的电流为0时,C、D两端电压相等,流过A点的电流也为0,输出A端电压也为0。而由于非理想因素,A端的电压并不为零,因此在实际检测中,如果能去除offset在A端引起的电压,即可抵消offset的影响。
如图2所示,所述检测电路包括:
检测电阻100,检测电阻100的第一端连接电压提供单元200,第二端通过储能单元300外接开关电源电路400;
开关选择单元500,开关选择单元500接在检测电阻100的两端,所述开关选择单元500可以包括多个开关,通过控制各个开关的开和关使开关选择单元500处于第一选择状态和第二选择状态。在第一选择状态时,开关选择单元500连接检测电阻100的第一端至比较放大单元600的同相输入端和连接检测电阻100的第二端至比较放大单元600的反相输入端,在第二选择状态时,连接检测电阻100的第一端至比较放大单元600的反相输入端和连接检测电阻100的第二端至比较放大单元600的同相输入端;
比较放大单元600,比较放大单元600的输出端连接开关管700的第一端,用于根据同相输入电压和反相输入电压输出高电平或者低电平;
开关管700,开关管700的第二端连接比较放大单元600的反相输入端,开关管700的第三端连接控制单元900;
反馈单元800,反馈单元800连接开关管700的第三端,构成比较放大单元600的负反馈;
控制单元900,用于检测检测电流值,在开关电源电路关闭时,检测开关管第三端电压值U1(即A点电压值),在开关电源电路开启时,检测开关管第三端电压值U2(即A点电压值)。根据上述U2和U1的差、开关管第三端电压值对检测电阻两端电压值的放大倍数f和检测电阻的阻值(假设阻值为R)获得检测电流值(U2-U1)/(f*R)。其中,开关管第三端电压值对检测电阻两端电压值的放大倍数f可以根据反馈单元800、比较放大单元确定。
需要说明的是,本发明实施例用于检测开关电源检测电流的大小,开关电源电路400和储能单元300作为外接的电路不包含在本发明的开关电源电流检测电路内。
本发明实施例的电流检测电路不受制造工艺的影响,通过数字校准的方法,在开关电源电路关闭时,检测开关管第三端电压值U1(即A点电压值),在开关电源电路开启时,检测开关管第三端电压值U2(即A点电压值),根据上述U2和U1的差获得检测电流值,消除了非理想因素在比较放大单元输入端引起的电压,使检测电路近似工作在理想状态,检测精度高。
其中,可选的,所述开关管可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管(即MOS管),所述开关管的第一端为场效应晶体管的栅极,所述开关管的第二端为场效应晶体管的源极,所述开关管的第三端为场效应晶体管的漏极。所述开关管还可以为双极型晶体管(即三极管),图2以开关管为场效应晶体管为例进行说明。
当所述开关管为双极型晶体管时,所述开关管的第一端为双极型晶体管的基极,所述开关管的第二端为双极型晶体管的发射极,所述开关管的第三端为双极型晶体管的集电极。
可选的,如图3所示,所述比较放大单元可以为运算放大器。可选的,所述电压提供单元可以包括电压源DC,所述电压源DC的一端连接检测电阻R3,另一端接地。所述储能单元为电感L1,所述反馈单元包括反馈电阻R4,所述反馈电阻R4的一端连接开关管的第三端,另一端接地。
可选的,在所述检测电路的其他实施例中,所述检测电路还包括第一阻抗和第二阻抗,所述第一阻抗连接在所述检测电阻的第一端和开关选择单元之间,所述第二阻抗连接在所述检测电阻的第二端和开关选择单元之间。如图4所示,所述第一阻抗可以为电阻R1,所述第二阻抗可以为电阻R2。
在检测电阻和运算放大器之间连接电阻R1和电阻R2,可以避免在工作中通过检测电阻的电流存在较大的尖峰信号,影响电路的采样精 度。
可选的,如图5所示,在所述检测电路的其他实施例中,所述开关选择单元包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4;
所述第一开关S1连接检测电阻R3的第一端至运算放大器的反相输入端;
所述第二开关S2连接检测电阻R3的第一端至运算放大器的同相输入端;
所述第三开关S3连接检测电阻R3的第二端至运算放大器的反相输入端;
所述第四开关S4连接检测电阻R3的第二端至运算放大器的同相输入端。
当关闭第二开关和第三开关、打开第一开关和第四开关时,电阻R1连接运算放大器的同相输入端、电阻R2连接运算放大器的反相输入端,开关选择单元处于第一选择状态;
当关闭第一开关和第四开关、打开第二开关和第三开关时,电阻R1连接运算放大器的反相输入端、电阻R2连接运算放大器的同相输入端,开关选择单元处于第二选择状态。
可选的,在所述检测电路的其他实施例中,所述控制单元包括采样检测电路801、模数转换器803和微控制器802,所述采样检测电路801用于采集开关管第三端的电压,模数转换器803用于将采样检测电路采集的模拟电压值转换成数字值,微控制器802用于计算检测电流。
对于理想电路而言,当流过R3电流为0时,C、D两端电压相等,流过R1的电流也为0,通过MOS管流到反馈电阻R4两端的电流也为0,输出A端电压为0。而由于运放、MOS管的非理想因素以及电阻间的不匹配,当流过R3电流为0时,A端的电压并不为零。假设存在一个输入等效offset为ΔV,其它器件均为理想型的,设电压源DC输出电压为a。输入等效offsetΔV有可能为正也有可能为负,可以通过开关选择单元检测ΔV的正负。
当接上DC电压源、关闭开关电源后,检测电阻R3两端电压即输入 电压为0,则R3上流过电流为0,将S2、S3关闭,S1、S4打开,则D点接入运算放大器的正相输入端,C点接入运算放大器的反相输入端,如果能够检测到A点有输出电压a,则说明运算放大器正相输入端大于反向输入端,则D点电压大于C点电压。其中,D点电压为a-ΔV,C点电压为a,则说明ΔV﹤0。否则,如果检测到A点电压为0则说明ΔV﹥0。
在实际检测中,如果ΔV﹤0,则将S2、S3关闭,S1、S4打开,如果ΔV﹥0,则将S1、S4关闭,S2、S3打开。
下面以offset为负,即ΔV﹤0为例说明如何去除offset在A端引起的电压。将S2、S3关闭,S1、S4打开,首先接上DC电压源、关闭开关电源。R3两端电压即输入电压为0,则R3上流过电流为0,此时通过采样检测电路801检测得到A点的电压,并通过模数转换器803转换后得到A点电压的逻辑值,记为U2。然后打开开关电源,此时有电流流过R3,检测此时经过采样检测电路801及模数转换器803转换的A点的电压值U2,通过微控制器802将电压值U2与电压值U1进行相减即得到实际的对输入电压(即R3两端的电压)进行放大后的电压。该电压对检测电阻两端电压值的放大倍数f可以根据反馈电阻R4、电阻R1、R2的阻值以及运算放大器确定。则经过数字校准后检测到R3实际的电流值为:(U2-U1)/(f*R)。
如果offset为正,则将S1、S4关闭,S2、S3打开,进行上述同样的处理,即关闭开关电源和打开开关电源,分别检测A点电压并进行计算,在此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种电源,所述电源包括开关电源电路和上述的检测电路,例如上述图2-图6所示的开关电源电流检测电路。本申请实施例的电源以多种形式存在,包括但不限于各种移动电源以及DC-DC开关电源。
本发明实施例还提供了一种电源适配器,所述电源适配器包括开关电源电路和上述的检测电路,例如上述图2-图6所示的开关电源电流检测电路。本申请实施例的电源适配器以多种形式存在,包括但不限于各 种电子产品的电源适配器,例如手机、电脑等电器的充电电源。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;在本申请的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本申请的不同方面的许多其它变化,为了简明,它们没有在细节中提供;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种开关电源电流检测电路,其特征在于,包括:
检测电阻,所述检测电阻的第一端连接电压提供单元,第二端通过储能单元连接开关电源电路;
开关选择单元,用于在所述开关选择单元处于第一选择状态时连接检测电阻的第一端至比较放大单元的同相输入端和连接检测电阻的第二端至比较放大单元的反相输入端,以及在所述开关选择单元处于第二选择状态时连接检测电阻的第一端至比较放大单元的反相输入端和连接检测电阻的第二端至比较放大单元的同相输入端;
比较放大单元,所述比较放大单元的输出端连接开关管的第一端,用于根据同相输入电压和反相输入电压输出高电平或者低电平;
开关管,所述开关管的第二端连接比较放大单元的反相输入端,所述开关管的第三端连接控制单元;
控制单元,用于在开关电源电路关闭时检测开关管第三端电压值U1和在开关电源电路开启时检测开关管第三端电压值U2,以及,
根据U2和U1的差、开关管第三端电压值对检测电阻两端电压值的放大倍数和检测电阻的阻值获得检测电流值;
反馈单元,所述反馈单元连接开关管的第三端,构成比较放大单元的负反馈。
2.根据权利要求1所述的检测电路,其特征在于,所述开关选择单元包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关;
所述第一开关连接检测电阻的第一端至比较放大单元的反相输入端;
所述第二开关连接检测电阻的第一端至比较放大单元的同相输入端;
所述第三开关连接检测电阻的第二端至比较放大单元的反相输入端;
所述第四开关连接检测电阻的第二端至比较放大单元的同相输入端。
3.根据权利要求1所述的检测电路,其特征在于,所述检测电路还包括第一阻抗和第二阻抗,所述第一阻抗连接在所述检测电阻的第一端和开关选择单元之间,所述第二阻抗连接在所述检测电阻的第二端和开关选择单元之间。
4.根据权利要求2的任意一项所述的检测电路,其特征在于,所述开关选择单元处于第一选择状态时,第二开关和第三开关处于导通状态,第一开关和第四开关处于截止状态;
所述开关选择单元处于第二选择状态时,第一开关和第四开关处于导通状态,第二开关和第三开关处于截止状态。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的检测电路,其特征在于,所述控制单元包括采样检测电路、模数转换器和微控制器,所述采样检测电路的一端连接开关管的第三端,用于检测开关管第三端的电压,所述采样检测电路的另一端通过模数转换器连接微控制器,所述微控制器的另一端也连接开关管的第三端。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的检测电路,其特征在于,所述开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管,所述开关管的第一端为场效应晶体管的栅极,所述开关管的第二端为场效应晶体管的源极,所述开关管的第三端为场效应晶体管的漏极。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的检测电路,其特征在于,所述比较放大单元为运算放大器。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的检测电路,其特征在于,所述电压提供单元包括电压源,所述电压源的一端连接检测电阻,另一端接地。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的检测电路,其特征在于,
所述储能单元包括电感,所述反馈单元包括反馈电阻,所述反馈电阻的一端连接开关管的第三端,另一端接地。
10.一种电源,其特征在于,所述电源包括开关电源电路和权利要求1-9所述的检测电路。
11.一种电源适配器,其特征在于,所述电源适配器包括开关电源电路和权利要求1-9所述的检测电路。
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