CN108008180A - 一种开关电源的电流采样电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电源的电流采样电路，包括第一匹配电路、第二匹配电路和功率MOS管电路，所述第一匹配电路与所述功率MOS管电路连接，包括第一功率MOS管和第一电阻，第一电阻与第一功率MOS管漏极等电位连接，所述第一电阻与第二匹配电路等电流连接；第二匹配电路，与第一匹配电路连接，包括第一可调电流镜、温度电压正比例电路和第二可调电流镜，所述温度电压正比例电路通过可调电流镜将温度电压转换成补偿电流，所述第一可调电流镜和第二可调电流镜由第一匹配电路控制以实现电流匹配连接。可应用于基于“控制芯片+片外功率MOS”的架构，其结构简单，适应不同功率MOS，使得采样比例的温漂在可控范围内，保持过流保护的准确性和环路的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电流采样技术领域，特别涉及一种具有温度补偿机制的开关电源电流采样电路。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率MOS管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
随着对输出电流需求的日益增大，开关电源的设计越来越重视高转换效率以减小耗散。转换效率高，耗散小，芯片温度低；转换效率低，耗散大，芯片温度高。设计时必须尽量提高转换效率，减小工作时的芯片温度，从而达到安全工作环境和舒适的设备外壳温度。实现高效率的关键是功率MOS管的导通电阻：导通电阻小，开关电源的效率会高；反之，效率会低。
现在的全集成芯片设计，一般采用“控制器+片上功率MOS”的单芯片电路架构，将功率MOS管集成到芯片内部，体积小。随着所需的导通电阻越来越小，芯片的面积变得越来越大，甚至大到无法放进一般的封装里。所以，在需要导通电阻很小的设计中，一般采用“控制芯片+片外功率MOS”的电路架构。开关电源中，芯片的逻辑实现需要采集功率MOS管的电流信息，用于作为过流保护的信号；如果是电流模的开关电源，还需要电流信号来用于作为电感电流的控制信息来保持环路的稳定。功率MOS管的电流采样电路需要一定的精度，如果精度太差，就会造成过流保护失控，或是环路不稳定。
图1展示了一种传统的基于“控制器+片上功率MOS”架构的功率MOS管电流采样电路。虚线内的元件都是在芯片上。当MOS1导通时，由于负反馈作用运放OP让MN1拉低VA节点，使到VA和SW点的电压相同，又由于MOS1和MSEN，MN1和MN2、MP1和MP2都能做得非常匹配，成固定的比例，所以最后的采样电流ISEN能够和MOS1的电流IMOS1也能成固定的比例。
随着温度的变化和工艺的变化，这些匹配管子的特性朝同一个方向变动，但是最终都是会成较为固定的比例。这个比例温漂较小。“控制器+片外功率MOS管”的设计不能采用上述的电流采样电路。原因有两个：
第一、MOS1外置，MOS1和MSEN的特性不能匹配。
图2展示了一般情况下片外功率MOS的温度特性。可以看出，当温度变化时，R_MOS1随温度的变化曲线一般为线性关系。R25表示在常温的导通电阻，R150是在150度的导通电阻，R150一般为R25的1.5～2.5倍。随着温度的变化，MOS1和MSEN的比例会产生很大的漂移，最终使到采样比例差别很大。
第二、MOS1的导通电阻R25在不同的应用方案里，一般是不同的，而MSEN是固定的，所以同样会影响采样电流的比例。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供可以应用于基于“控制芯片+片外功率MOS”的一种开关电源的电流采样电路。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种开关电源的电流采样电路，包括第一匹配电路、第二匹配电路和功率MOS管电路，
功率MOS管电路，包括第一控制电路、第二控制电路、受控于第一控制电路的第一功率MOS管、受控于第二控制电路的第二功率MOS管、连接在第一功率MOS管上的输入端以及连接在第一功率MOS管与第二功率MOS管之间的输出端；
第一匹配电路，与所述功率MOS管电路连接，包括第一功率MOS管和第一电阻，第一电阻与第一功率MOS管漏极等电位连接，所述第一电阻与第二匹配电路等电流连接；
第二匹配电路，与第一匹配电路连接，包括第一可调电流镜、温度电压正比例电路和第二可调电流镜，所述温度正比例电路通过可调电流镜将温度电压转换成补偿电流，所述第一可调电流镜和第二可调电流镜由第一匹配电路控制以实现电流匹配连接。
由于第二可调电流镜与温度正相关电路连接，因此给采样电路引入了一个温度补偿机制，降低了第一功率MOS管电阻随温度变化给整个电路匹配比例带来的影响。同时使用阻值与温度变化不敏感的第一电阻代替与温度敏感的MOS管，去除了电路中不可控的干扰因素，增加了电路的稳定性。
进一步，所述第一可调电流镜和第二可调电流镜具有相同结构，均有由多路电流源电路构成，还包括数字输入端、漏端、源端和栅端，所述栅端为多路电流源电路的接地共源极，所述源端为多路电流源电路的等电位共栅极，所述漏端为多路电流源漏极并联后的共漏极，电流源电路每一路电流源的漏极和可调电流镜漏端之间均设有由数字输入端控制的功率MOS管。通过使用数字电压对可调电流镜每一路电流源输出的控制，可以实现编程来精密调控整个采样电路的匹配比例。
进一步，所述第二可调电流镜的数字输入端与芯片的寄存器连接。通过寄存器调节第二可调电流镜的电流放大系数，可以在根据实际工作电路更换不同电阻值的第一功率MOS管时，相应的调整各个匹配电路之间的比例，使得采样电路具有更高的自由度和通用性。
进一步，所述温度电压正比例电路包括带隙基准源电路和与其并联的温度电压产生电路，所述温度电压产生电路包括串联的MOS管和第三电阻，第三电阻用于将温度增量转化为电压增量。由于带隙基准源电路具有和温度无关的电压基准，所以保证在发生温度变化时与其并联的温度电压产生电路的电压与环境温度具有稳定的线性关系，而不受电路的影响。
进一步，所述温度电压正比例电路通过电压编码电路连接第一可调电流镜，所述电压编码电路包括多个比较器构成的编码器输入端、编码器和编码器输出端，所述模拟电压信号经过编码器输入端的模数转换，再进入编码器编码，从编码器输出端得到数字电压。通过编码方式减少总线的位数，节省芯片资源，方便芯片内部的布局。
进一步，还包括设置在第一匹配电路和第二匹配电路间的集成运放，所述集成运放的正相输入端与第一电阻低电位一端连接引入负反馈，反相输入端与第一功率MOS管源极连接，所述集成运放输出端与第一可调电流镜和第二可调电流镜的基极连接，用于导通第一可调电流镜和第二可调电流镜。位于第一匹配和第二匹配电路的集成运放起到了缓冲的作用，避免了第一匹配电路和第二匹配电路之间的相互干扰。同时负反馈的存在使得集成运放的输出更加稳定，进而使得第二匹配电路更稳定。
进一步，还包括第三匹配电路，所述第三匹配电路包括由第三MOS管、第四MOS管构成的比例电流源以及设置在所述比例电流源的输出端上的第二电阻，所述第二可调电流镜的漏端与所述比例电流源的基准端连接。通过一个镜像电流源将电流从第二匹配电路传递到第三匹配电路，阻隔了两个匹配电路之间的干扰，使采样电路工作更加稳定。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种开关电源的电流采样电路，可以应用于基于“控制芯片+片外功率MOS”的开关电源电路。其结构简单，可以让应用方案适应不同功率MOS，使得采样比例的温漂在可控的范围内，最终保持过流保护的准确性和环路的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是基于“控制器+片上功率MOS”架构的功率MOS管电流采样电路原理图；
图2是片外功率MOS的温度特性示意图；
图3是基于“控制芯片+片外功率MOS”架构的带温度补偿的功率MOS管电流采样电路；
图4是数字可调电流镜电路原理图；
图5是编码器电路原理图；
图6是温度电压正比例电路。
具体实施方式
参见图1－图6，第一功率MOS管MOS1、第二功率MOS管MOS2、第一可调电流镜MN1、第二可调电流镜MN2、第三MOS管MP1、第四MOS管MP2、检测电阻RSEN、集成运放OP、温度电压VT。
参见图3，图3展示了本发明基于“控制芯片+片外功率MOS”架构的一种开关电源的电流采样电路，虚线框表示“控制芯片”中的电路，第一功率MOS管MOS1和第二功率MOS管MOS2是片外的功率MOS。
驱动MOS1的反相器打开时，驱动MOS2的反相器关断，此时MOS1导通，MOS2关断。电流通过MOS1、电感输出到VOUT。驱动MOS2的反相器打开时，驱动MOS1的反相器关断，此时MOS2导通，MOS1关断。电流通过MOS2、电感输出到VOUT，电容起到滤波的作用。MOS1打开时，本实施例所述电路工作；MOS2关闭时，本实施例所述电路不工作。因为本实施例所述电路的作用是采集MOS1的电流。第一功率MOS管MOS1、第二功率MOS管MOS2、电感、电容和两组反相器电路构成的第一控制电路和第二控制电路是Buck架构的开关电源电路。本实施例虽然只描述电流采样电路在Buck架构的开关电源电路的应用，但是此发明同样适合其他开关电源电路，包括Boost、Buck－Boost等。
进一步，第一匹配电路，与所述功率MOS管电路连接，包括第一功率MOS管和第一电阻，第一电阻与第一功率MOS管漏极等电位连接以实现电流比例的匹配，所述第一电阻与第二匹配电路等电流连接以实现电流在第一匹配电路和第二匹配电路之间的传递；
进一步，第二匹配电路包括结构相同的第一可调电流镜MN1和第二可调电流镜MN2，第一可调电流镜MN1结构如图4所示，还包括包括数字输入端、漏端、源端和栅端，所述栅端为多路电流源电路的接地共源极，所述源端为多路电流源电路的等电位共栅极，所述漏端为多路电流源漏极并联后的共漏极，主电路实质是一个多路电流源电路，并且多路电流源每一路的漏极通过一个由数字信号相应位控制的功率MOS管并联到漏端，漏端的电流等于导通的每一个电流源电流之和，这个相当于一个可以外部调控的电流放大系数。第一可调电流镜MN1数字信号来源是其输出电压与温度正相关的温度电压正比例电路，第二可调电流镜MN2信号来源是芯片的寄存器。因此当需要适应不同电源电路而更换相应阻值的第一功率MOS管MOS1时，就可以通过调整寄存器的值来改变相应的电流放大系数。
进一步，也可以将输出电压与温度呈正比例的温度电压正比例电路的输出端连接在第一可调电流镜MN1的数字输入端，使得温度升高时，随着第一功率MOS管MOS1电阻的升高，将第一可调电流镜MN1的电流放大系数也增大，降低温度对电路间匹配比例的影响。
带隙基准是利用一个与温度成正比的电压与一个与温度成反比的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准。参见图6，所述温度电压正比例电路是利用带隙基准源的PTAT(与绝对温度成正比)电流流过电阻来实现的，既能够复用电路，又由于带隙基准源电路特性，保证了电压VT与温度之间的精确比例关系。将电压VT经过模数转换连接到第一可调电流镜MN1的数字输入端，就可以实现采样电路的温度补偿功能。
对于上述实施例，为了节省总线位数，便于芯片的布局，在温度电压正比例电路的电压VT输出端和第一可调电流镜MN1之间设置一个如图5所示的编码电路，该编码电路包括由多个比较器组成的模数转换电路和连接在模数转换电路输出端的编码器，编码器的输出端连接第一可调电流镜MN1的数字输入端。这样的设计大大简便了芯片内的线路布局，同时也提高了芯片内电路的可靠性和稳定性。
进一步，将第一电阻R高电位一端连接在输入端VIN，第一电阻R低电位一端连接在第一可调电流镜MN1的漏端上，又分别从第一电阻R和第一功率MOS管MOS1的低电位连接在集成运放OP的正反相输入端上，再从集成运放OP的输出端连接到第一可调电流镜MN1和第二可调电流镜MN2的栅端。这样就在集成运放OP的正相输入端引入了负反馈，当进行电流采样时，第一控制电路导通第一功率MOS管MOS1，集成运放OP输入端有信号输入，进而集成运放OP的输出端将第二匹配电路的第一可调电流镜MN1和第二可调电流镜MN2导通。MOS1导通时，SW电压接近电源VIN电压，R、OP、MN1的连接方式形成了一个负反馈电路，使到VA的电压跟随SW的电压。同时对集成运放OP正相输入端使用“虚断”，得到第一电阻R的电流近似等于第一可调电流镜MN1漏端电流，实现了将第一匹配电路的电流传递到第二匹配电路。由于第一可调电流镜MN1与第二可调电流镜MN2的电流放大系数之比为M：N，所以可以通过计算得到采样电流的大小。
进一步，如图3所示，将第二匹配电路的第二可调电流镜MN2的漏端与第三匹配电路第三MOS管MP1的漏极以及第三MOS管MP1和第四MOS管MP2的栅极连接，第三匹配电路实质是一个比例电流源，已知第二可调电流镜漏端电流等于第三MOS管MP1的漏极电流，同时第三MOS管MP1和第四MOS管MP2的电流放大系数之比为L：K，因此可以通过计算得知第四MOS管MP2漏极上的电流。
进一步，在第四MOS管MP2漏极上串联一个用于检测的第二电阻RSEN，通过第二电阻RSEN可以以电压形式对采样电流进行检测。同时可以看出，第三匹配电路起到了一个阻隔干扰的作用，防止第二电阻RSEN的检测端和第二匹配电路之间的相互干扰，保证电路的稳定性。
以下简单描述本发明的工作原理：
在MOS1管导通时，由于负反馈作用，使节点VA的电压等于节点SW的电压，由于第三MOS管MP1和第四MOS管MP2、第一可调电流镜MN1和第二可调电流镜MN2匹配，所以采样电流可由如下公式计算：
故采样比例为：
上述公式中R采用温漂较小的电阻，所以是常量。
由上述分析可知，RMOS1和温度呈线性比例；VT也和温度成线性比例，VT经过模数变换，也是随着温度变大成线性变大的趋势，一定程度上抵消了RMOS1对采样比例的影响。
通过调节N也能够一定程度上抵消了采用不同RMOS1对采样比例的影响。
在图4和图5中的位数理论上可以取任意正整数，通常取4、8、16等，位数越高，精度越高，最后温漂误差越小。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种开关电源的电流采样电路，包括第一匹配电路、第二匹配电路和功率MOS管电路，其特征在于：
功率MOS管电路，包括第一控制电路、第二控制电路、受控于第一控制电路的第一功率MOS管、受控于第二控制电路的第二功率MOS管、连接在第一功率MOS管上的输入端以及连接在第一功率MOS管与第二功率MOS管之间的输出端；
第一匹配电路，与所述功率MOS管电路连接，包括第一功率MOS管和第一电阻，第一电阻与第一功率MOS管漏极等电位连接，所述第一电阻与第二匹配电路等电流连接；
第二匹配电路，与第一匹配电路连接，包括第一可调电流镜、温度电压正比例电路和第二可调电流镜，所述温度正比例电路通过可调电流镜将温度电压转换成补偿电流，所述第一可调电流镜和第二可调电流镜由第一匹配电路控制以实现电流匹配连接。
2.根据权利要求1所述的一种开关电源的电流采样电路，其特征在于：所述第一可调电流镜和第二可调电流镜具有相同结构，均有由多路电流源电路构成，还包括数字输入端、漏端、源端和栅端，所述栅端为多路电流源电路的接地共源极，所述源端为多路电流源电路的等电位共栅极，所述漏端为多路电流源漏极并联后的共漏极，电流源电路每一路电流源的漏极和可调电流镜漏端之间均设有由数字输入端控制的功率MOS管。
3.根据权利要求1所述的一种开关电压的电流采样电路，其特征在于：所述第二可调电流镜的数字输入端与芯片的寄存器连接。
4.根据权利要求1所述的一种开关电源的电流采样电路，其特征在于：所述温度电压正比例电路包括带隙基准源电路和与其并联的温度电压产生电路，所述温度电压产生电路包括串联的MOS管和第三电阻，第三电阻用于将温度增量转化为电压增量。
5.根据权利要求1所述的一种开关电源的电流采样电路，其特征在于：所述温度电压正比例电路通过电压编码电路连接第一可调电流镜，所述电压编码电路包括多个比较器构成的编码器输入端、编码器和编码器输出端，所述模拟电压信号经过编码器输入端的模数转换，再进入编码器编码，从编码器输出端得到数字电压。
6.根据权利要求1所述的一种开关电源的电流采样电路，其特征在于：还包括设置在第一匹配电路和第二匹配电路间的集成运放，所述集成运放的正相输入端与第一电阻低电位一端连接引入负反馈，反相输入端与第一功率MOS管源极连接，所述集成运放输出端与第一可调电流镜和第二可调电流镜的基极连接，用于导通第一可调电流镜和第二可调电流镜。
7.根据权利要求1所述的一种开关电源的电流采样电路，其特征在于：还包括第三匹配电路，所述第三匹配电路包括由第三MOS管、第四MOS管构成的比例电流源以及设置在所述比例电流源的输出端上的第二电阻，所述第二可调电流镜的漏端与所述比例电流源的基准端连接。
8.根据权利要求1所述的一种开关电源的电流采样电路，其特征在于：所述第一控制电路和第二控制电路均由两个串联的MOS管反相器构成。
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