CN107561343B - 一种开关电路的电流检测电路、电流检测方法及开关电路 - Google Patents

一种开关电路的电流检测电路、电流检测方法及开关电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关电路的电流检测电路、电流检测方法及开关电路。开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，第一开关管和第二开关管串联，第一开关管和第二开关管的公共端为第一节点，第三开关管和第四开关管串联，第三开关管和第四开关管的公共端为第二节点，电感连接于第一节点和第二节点之间，第一开关管电流检测电路和第二开关管电流检测电路分别与第一开关管、第三开关管并联，第一开关管电流检测电路和第二开关管电流检测电路的输出电流分别表征第一开关管的电流和第三开关管的电流，并连接到电流运算电路的输入端。

Description

一种开关电路的电流检测电路、电流检测方法及开关电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种开关电路的电流检测电路、电流检测方法及开关电路。
背景技术
四开关管Buck-Boost升降压电路拓扑结构如图1所示。该电路包含Q01、Q02、Q03、Q04四个功率开关管、储能电感L、以及输入端电容C01，输出端电容C02。开关管Q01和开关管Q02串联，开关管Q01和开关管Q02的公共端为第一节点SW1，开关管Q01连接到输入端，开关管Q02连接到地，输入端通过电容C01连接到地，开关管Q03和开关管Q04串联，开关管Q03和开关管Q04的公共端为第二节点SW2，开关管Q03连接到输出端，开关管Q04连接到地，输出端通过电容C02连接到地，电感L连接于第一节点SW1和第二节点SW2之间。
当输入电压VIN比输出电压VO大一定值时，此电路工作在Buck降压模式，开关管Q01、Q02工作在高频开关状态，开关管Q03管常导通，开关管Q04管常关闭；当输入电压VIN比输出电压VO小一定值时，此电路工作在Boost升压模式，开关管Q03，开关管Q04工作在高频开关状态，开关管Q01管常导通，开关管Q02管常关闭；当VIN与VO接近时，此电路工作在Buck-Boost升降压模式，开关管Q01、Q02、Q03、Q04均处于高频开关状态。
现有方案在四开关电路的输入端和输出端分别接入采样电阻R01和R02，采样电阻的两端分别连接到电压转电流电路101的两个输入端，电压转电流电路101通过检测采样电阻R01上的电压得到采样电流i1，电压转电流电路101通过检测采样电阻R02上的电压得到采样电流i2。该方法需要两个采样电阻，增加了系统成本，且由于流过功率MOS的电流也流过采样电阻，因此采样电阻上的功耗大，降低了系统效率；外部采样电阻的匹配性差，导致电流采样误差，影响系统控制精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关管电路的电流检测电路、电流检测方法及开关电路，用以解决现有技术中电流检测功耗大、精度差的问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种，包括：一种开关电路的电流检测电路，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和所述第二开关管串联，所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于所述第一节点和所述第二节点之间，其特征在于，所述电流检测电路包括第一开关管电流检测电路、第二开关管电流检测电路和电流运算电路，
所述第一开关管电流检测电路和所述第二开关管电流检测电路分别与所述第一开关管、所述第三开关管并联，所述第一开关管电流检测电路和所述第二开关管电流检测电路的输出电流分别表征所述第一开关管的电流和所述第三开关管的电流，并连接到所述电流运算电路的输入端。
作为可选，所述电流运算电路的输出表征开关电路电感电流。
作为可选，所述电流运算电路接收两个输入电流，其输出电流的值等于所述两个输入电流中较大的值。
作为可选，所述第一开关管电流检测电路的输出乘以第一比值为第一电流，所述第二开关管电流检测电路的输出乘以第二比值为第二电流，所述电流运算电路的输出电流的值等于所述第一电流和所述第二电流中较大的值。
作为可选，所述电流运算电路的的第一比值和第二比值是动态变化的，当所述开关电路工作在Buck模式下时，则所述第一比值小于所述第二比值；当所述开关电路工作在Boost模式下时，则所述第一比值大于所述第二比值；当所述开关电路工作在Buck-Boost模式下时，则所述第一比值等于所述第二比值。
作为可选，所述开关管电流检测电路通过检测开关管的两端电压来检测开关管电流。
作为可选，所述开关管电流检测电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电流源和运放，
所述第一MOS管的第一端与所述开关管的源极相连接，所述第一MOS管的第二端经过所述第一电流源连接到参考地，所述第一MOS管和所述电流源的公共端连接到所述运放的第一输入端；所述第二MOS管的第一端连接到所述开关管的漏极，所述第二MOS管的第二端连接到所述第三MOS管的第一端，所述第三MOS管的第二端连接到参考地，所述第二MOS管和所述第三MOS管的公共端连接到所述运放的第二输入端；所述第一MOS管和所述第二MOS管的控制端相连接；所述运放的输出端连接到所述第三MOS管和所述第四MOS管的控制端；所述第四MOS管的第二端连接到参考地，所述第四MOS管的第一端为所述开关管电流检测电路的输出端。
作为可选，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管都为NMOS，所述第一端为漏极，所述第二端为源极，所述控制端为栅极。
作为可选，所述电流运算电路包括分别和每个输入电流对应的输入电流反馈环路，输入电流最大的所述输入电流反馈环路控制输出电流，其余所述输入电流反馈环路被抑制，使得输出电流由最大的输入电流决定。
作为可选，所述电流运算电路包括第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管，所述第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管的第一端连接到参考电源，所述第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管的控制端相连，所述第五MOS管和所述第六MOS管的第二端分别所述电流运算电路的两个输入端，所述第七MOS管的第二端为所述电流运算电路的输出端。
作为可选，第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管都为PMOS，所述第一端为源极，所述第二端为漏极，所述控制端为栅极。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种开关电路的电流检测方法，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和所述第二开关管串联，所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于所述第一节点和所述第二节点之间，其特征在于，所述电流检测方法包括以下步骤：
分别检测所述第一开关管电流和所述第三开关管的电流，并将所述第一开关管检测的电流和所述第三开关管检测的电流中较大的电流作为输出电流，表征开关电路的电感电流。
本发明的又一技术解决方案是，提供一种开关电路。
采用本发明的电路结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：不需要外接采样电阻，降低了系统成本，并且降低了系统功耗，提高系统效率。由于不需要接入采样电阻，电路的匹配性增加，电流检测的精度高，系统控制精准。根据输入电流的大小，电流运算电路的输出平滑地切换，从而消除了开关过程对电流检测的干扰。
附图说明
图1为现有技术的四开关管Buck-Boost升降压电路；
图2为现有技术的四开关管Buck-Boost升降压电路的电流检测电路；
图3为本发明的四开关管Buck-Boost升降压电路的电流检测电路；
图4为开关管电流检测电路一个实施例的电路原理图；
图5为电流运算电路一个实施例的电路原理图；
图6为电流运算电路另一个实施例的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图3所示，本发明提供一种开关电路的电流检测电路200，所述开关电路包括第一开关管Q01、第二开关管Q02、第三开关管Q03、第四开关管Q04及电感L，所述第一开关管Q01和所述第二开关管Q02串联，所述第一开关管Q01和所述第二开关管Q02的公共端为第一节点SW1，所述第一开关管Q01连接到输入端Vin，所述第二开关管Q02连接到地，所述第三开关管Q03和所述第四开关管Q04串联，所述第三开关管Q03和所述第四开关管Q04的公共端为第二节点SW2，所述第三开关管Q03连接到输出端Vout，所述第四开关管Q04连接到地，所述电感L连接于所述第一节点SW1和所述第二节点SW2之间，所述电流检测电路200包括第一开关管电流检测电路201、第二开关管电流检测电路201和电流运算电路203，所述第一开关管电流检测电路201和所述第二开关管电流检测电路201分别与所述第一开关管Q01、所述第三开关管Q03并联，所述第一开关管电流检测电路201和所述第二开关管电流检测电路201的输出电流分别表征所述第一开关管Q01的电流和所述第三开关管Q03的电流，并连接到所述电流运算电路203的输入端。
本发明不需要外接采样电阻，降低了系统成本，并且降低了系统功耗，提高系统效率。由于不需要接入采样电阻，电路的匹配性增加，电流检测的精度高，系统控制精准。
在一个实施例中，所述电流运算电路203的输出表征开关电路电感电流。
在一个实施例中，所述电流运算电路203接收两个输入电流，其输出电流的值等于所述两个输入电流中较大的值。
在一个实施例中，所述第一开关管电流检测电路201的输出乘以第一比值为第一电流，所述第二开关管电流检测电路201的输出乘以第二比值为第二电流，所述电流运算电路203的输出电流的值等于所述第一电流和所述第二电流中较大的值。可以采用电流镜的方式来实现第一开关管电流检测电路的输出乘以第一比值得到第一电流和第二开关管电流检测电路的输出乘以第二比值为第二电流。
所述电流运算电路203的第一比值和第二比值是动态变化的，当所述开关电路203工作在Buck模式下时，第三开关管Q03常导通，第三开关管Q03的电流等于电感电流，所述第一比值小于所述第二比值，电流运算电路203的输出电流表征第三开关管Q03上的电流；当所述开关电路工作在Boost模式下时，第一开关管Q01常导通，所述第一比值大于所述第二比值；电流运算电路203的输出电流表征第一开关管Q01上的电流；当所述开关电路工作在Buck-Boost模式下时，则所述第一比值等于所述第二比值。通过在Buck和Boost模式下第一比值和第二比值大小不同的设置，使得开关电路在不同的模式切换的情况下，电流运算电路203的输出切换存在滞回，从而提高系统的稳定性。
在一个实施例中，所述开关管电流检测电路201通过检测开关管的两端电压来检测开关管电流。
请参考图4所示，在一个实施例中，所述开关管电流检测电路201包括第一MOS管Q11、第二MOS管Q12、第三MOS管Q13、第四MOS管Q14、第一电流源I11和运放U11，所述第一MOS管Q11的第一端与所述开关管的源极相连接，所述第一MOS管Q11的第二端经过所述第一电流源I11连接到参考地，所述第一MOS管Q11和所述电流源I11的公共端连接到所述运放U11的第一输入端；所述第二MOS管Q12的第一端连接到所述开关管的漏极，所述第二MOS管Q12的第二端连接到所述第三MOS管Q13的第一端，所述第三MOS管Q13的第二端连接到参考地，所述第二MOS管Q12和所述第三MOS管Q13的公共端连接到所述运放U11的第二输入端；所述第一MOS管Q11和所述第二MOS管Q12的控制端连接到电压V10；所述运放U11的输出端连接到所述第三MOS管Q13和所述第四MOS管Q14的控制端；所述第四MOS管的第二端连接到参考地，所述第四MOS管的第一端为所述开关管电流检测电路201的输出端。运放U11的第一输入端为负输入端，第二输入端为正输入端。电压V10可以接BST电压或者上管(Q01或Q03)的栅极，其中BST电压为上管驱动电路的供电端电压。
在一个实施例中，第一MOS管Q11、第二MOS管Q12、第三MOS管Q13和第四MOS管Q14都为NMOS，所述第一端为漏极，所述第二端为源极，所述控制端为栅极。
第一MOS管Q11和第二MOS管Q12的导通阻抗为开关管的k倍，运放U11通过调节第三MOS管Q13的栅极电压，从而调节第三MOS管Q13的电流，使得第一MOS管Q21和第二MOS管Q12的源极电压相等，由于电流源I11的电流大小为i11，则第三MOS管Q13和第四MOS管的电流为i/k+i11，其中i为开关管的电流。
在一个实施例中，所述电流运算电路203包括分别和每个输入电流对应的输入电流反馈环路，输入电流最大的所述输入电流反馈环路控制输出电流，其余所述输入电流反馈环路被抑制，使得输出电流由最大的输入电流决定。根据输入电流的大小，电流运算电路203的输出平滑地切换，从而消除了开关过程对电流检测的干扰。
请参考图5所示，在一个实施例中，所述电流运算电路203包括第五MOS管Q35、第六MOS管Q36和第七MOS管Q37，所述第五MOS管Q35、第六MOS管Q36和第七MOS管Q37的第一端连接到参考电源VD，所述第五MOS管Q35、第六MOS管Q36和第七MOS管Q37的控制端相连，所述第五MOS管Q35和所述第六MOS管Q36的第二端分别为所述电流运算电路203的两个输入端，其输入电流分别为i1和i2，所述第七MOS管Q37的第二端为所述电流运算电路203的输出端，其输出电流为i3。输出电流i3等于输入电流i1和i2中较大的值。
在一个实施例中，第五MOS管Q35、第六MOS管Q36和第七MOS管Q37都为PMOS，所述第一端为源极，所述第二端为漏极，所述控制端为栅极。
为了给第五MOS管Q35和第六MOS管Q36的栅极提供偏置，第五MOS管Q35和第六MOS管Q36的栅极通过电阻R30连接到参考电源VD。PMOS Q38的源极连接到第五MOS管Q35的栅极，Q38的栅极连接到第五MOS管Q35的漏极，Q38的漏极连接到参考地。PMOS Q39的源极连接到第六MOS管Q36的栅极，Q39的栅极连接到第六MOS管Q36的漏极，Q39的漏极连接到参考地。
在另一个实施例中，电流运算电路203包括电阻R40、R41、R42，运放U40、U41，NMOSQ40、Q41，和由PMOS Q42和Q43组成的电流镜，输入电流i1通过电阻R40连接到参考地，其公共端连接到运放U40的正输入端，运放U40的输出连接到NMOS Q40的栅极，Q40的源极通过电阻R42连接到参考地，运放U40的负输入端连接到Q40的源极，Q40的漏极连接到电流镜的输入端。输入电流i2通过电阻R41连接到参考地，其公共端连接到运放U41的正输入端，运放U41的输出连接到NMOS Q41的栅极，Q41的源极连接到电阻R42，运放U41的负输入端连接到Q41的源极，Q41的漏极连接到电流镜的输入端，电流镜的输出端即为电流运算电路203的输出端。其中，电阻R40等于电阻R41。以电流i1大于电流i2为例说明，电阻R40上电压大于电阻R41上电压，电阻R42上电压跟随电阻R40上的电压，NMOS Q40导通，由于运放U41的负输入端电压大于正输入端电压，NMOS Q41关断，因此电流镜的输入电流为流过Q40的电流，电流镜的输出电流表征输入电流i1。
本发明提供一种开关电路的电流检测方法，所述开关电路包括第一开关管Q01、第二开关管Q02、第三开关管Q03、第四开关管Q04及电感L，所述第一开关管Q01和所述第二开关管Q02串联，所述第一开关管Q01和所述第二开关管Q02的公共端为第一节点SW1，所述第一开关管Q01连接到输入端Vin，所述第二开关管Q02连接到地，所述第三开关管Q03和所述第四开关管Q04串联，所述第三开关管Q03和所述第四开关管Q04的公共端为第二节点SW2，所述第三开关管Q03连接到输出端Vout，所述第四开关管Q04连接到地，所述电感L连接于所述第一节点SW1和所述第二节点SW2之间，所述电流检测方法包括以下步骤：
分别检测所述第一开关管电流和所述第三开关管的电流，并将所述第一开关管检测的电流和所述第三开关管检测的电流中较大的电流作为输出电流，表征开关电路的电感电流。
本发明还提供一种开关电路。
除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种开关电路的电流检测电路，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和所述第二开关管串联，所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于所述第一节点和所述第二节点之间，其特征在于，所述电流检测电路包括第一开关管电流检测电路、第二开关管电流检测电路和电流运算电路，
所述第一开关管电流检测电路和所述第二开关管电流检测电路分别与所述第一开关管、所述第三开关管并联，所述第一开关管电流检测电路和所述第二开关管电流检测电路的输出电流分别表征所述第一开关管的电流和所述第三开关管的电流，并连接到所述电流运算电路的输入端；所述电流运算电路的输出表征开关电路电感电流。
2.根据权利要求1所述的开关电路的电流检测电路，其特征在于：所述电流运算电路的输出电流的值等于所述两个输入电流中较大的值。
3.根据权利要求1所述的开关电路的电流检测电路，其特征在于：所述第一开关管电流检测电路的输出乘以第一比值为第一电流，所述第二开关管电流检测电路的输出乘以第二比值为第二电流，所述电流运算电路的输出电流的值等于所述第一电流和所述第二电流中较大的值。
4.根据权利要求3所述的开关电路的电流检测电路，其特征在于：所述电流运算电路的的第一比值和第二比值是动态变化的，当所述开关电路工作在Buck模式下时，则所述第一比值小于所述第二比值；当所述开关电路工作在Boost模式下时，则所述第一比值大于所述第二比值；当所述开关电路工作在Buck-Boost模式下时，则所述第一比值等于所述第二比值。
5.根据权利要求1所述的开关电路的电流检测电路，其特征在于：所述开关管电流检测电路通过检测开关管的两端电压来检测开关管电流。
6.根据权利要求5所述的开关电路的电流检测电路，其特征在于：所述开关管电流检测电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电流源和运放，
所述第一MOS管的第一端与所述开关管的源极相连接，所述第一MOS管的第二端经过所述第一电流源连接到参考地，所述第一MOS管和所述电流源的公共端连接到所述运放的第一输入端；所述第二MOS管的第一端连接到所述开关管的漏极，所述第二MOS管的第二端连接到所述第三MOS管的第一端，所述第三MOS管的第二端连接到参考地，所述第二MOS管和所述第三MOS管的公共端连接到所述运放的第二输入端；所述第一MOS管和所述第二MOS管的控制端相连接；所述运放的输出端连接到所述第三MOS管和所述第四MOS管的控制端；所述第四MOS管的第二端连接到参考地，所述第四MOS管的第一端为所述开关管电流检测电路的输出端。
7.根据权利要求6所述的开关电路的电流检测电路，其特征在于：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管都为NMOS，所述第一端为漏极，所述第二端为源极，所述控制端为栅极。
8.根据权利要求2所述的开关电路的电流检测电路，其特征在于：所述电流运算电路包括分别和每个输入电流对应的输入电流反馈环路，输入电流最大的所述输入电流反馈环路控制输出电流，其余所述输入电流反馈环路被抑制，使得输出电流由最大的输入电流决定。
9.根据权利要求8所述的开关电路的电流检测电路，其特征在于：所述电流运算电路包括第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管，所述第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管的第一端连接到参考电源，所述第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管的控制端相连，所述第五MOS管和所述第六MOS管的第二端分别为所述电流运算电路的两个输入端，所述第七MOS管的第二端为所述电流运算电路的输出端。
10.根据权利要求6所述的开关电路的电流检测电路，其特征在于：第五MOS管、第六MOS管和第七MOS管都为PMOS，所述第一端为源极，所述第二端为漏极，所述控制端为栅极。
11.一种开关电路的电流检测方法，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和所述第二开关管串联，所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于所述第一节点和所述第二节点之间，其特征在于，所述电流检测方法包括以下步骤：
分别检测所述第一开关管电流和所述第三开关管的电流，并将所述第一开关管检测的电流和所述第三开关管检测的电流中较大的电流作为输出电流，表征开关电路的电感电流。
12.一种开关电路，其特征在于：包括如权利要求1～10任意一项所述开关电路的电流检测电路。
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