CN108152758B - 一种电流检测电路、检测方法及开关电路 - Google Patents

一种电流检测电路、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源的电流检测电路、检测方法及开关电路，电感电流平均值检测电路对功率开关管或整流管导通时的电流取平均值，该平均值表征电感电流的平均值，所述第一开关管的控制端和第一端分别与待检测的所述功率开关管或所述整流管的控制端和第一端连接，所述第一开关管的第二端为第一节点，在待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，调整所述第一节点电压等于所述开关节点电压的平均值，所述第一开关管的电流表征所述电感电流平均值。本发明的电流检测电路不需要采样电阻即可检测电流，减少外围电路成本，提高开关电源系统效率。

Description

一种电流检测电路、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，具体涉及一种电流检测电路、检测方法及开关电路。
背景技术
在开关电源中，现有技术通过串联采样电阻，通过检测采样电阻上的电压得到电流。参考图1所示，在BUCK降压电路中，输出端负载和输出电流采样电阻R串联，通过检测电阻R两端的电压来检测输出电流。但采样电阻会增加外围电路成本，增加输出损耗，降低系统效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电源的电流检测电路、检测方法及开关电路，用以解决现有技术中电流采样电阻成本高，效率低下的问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种开关电源的电流检测电路，所述开关电源包括驱动电路和开关功率电路，所述开关功率电路包括功率开关管和整流管，所述功率开关管和整流管的公共点为开关节点，包括电感电流平均值检测电路，所述电感电流平均值检测电路对所述功率开关管或所述整流管导通时的电流取平均值，该平均值表征所述电感电流的平均值，所述电感电流平均值检测电路包括第一开关管，
所述第一开关管的控制端和第一端分别与待检测的所述功率开关管或所述整流管的控制端和第一端连接，所述第一开关管的第二端为第一节点，在待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，调整所述第一节点电压等于所述开关节点电压的平均值，所述第一开关管的电流表征所述电感电流平均值。
作为可选，所述电感电流平均值检测电路还包括第二开关管和控制模块，所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端相连，所述第二开关管的控制端连接到所述控制模块的输出端，所述控制模块在待检测的所述功率开关管导通时，通过调整其输出电压从而控制所述第一节点的电压等于所述开关节点的电压的平均值。
作为可选，所述电感电流平均值检测电路还包括镜像开关管，所述镜像开关管和所述第二开关管形成镜像电路，并将所述第一开关管的电流进行镜像，镜像得到的电流作为所述电感电流平均值检测电路的输出电流。
作为可选，所述控制模块包括第一运放和第一电容，
所述第一运放的输出通过所述第一电容连接到参考地或参考电源，待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，所述第一运放的第一端和第二端分别接收开关节点和第一节点的电压，待检测的所述功率开关管或所述整流管关断时，所述第一运放的输出端电压保持不变，所述第一运放的输出为所述控制模块的输出。
作为可选，当所述开关电源为BUCK降压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输出电流；当所述开关电源为BOOST升压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输入电流。
作为可选，还包括比例模块，
所述比例模块接收所述电感电流平均值检测电路的输出，乘以输入比例得到表征所述开关电源的输入电流；或者乘以输出比例，得到表征所述开关电源的输出电流，
所述输入比例为为输入功率管导通时间除以开关周期，所述输出比例为输出功率管导通时间除以开关周期，
所述开关电源的输入端经过所述输入功率管连接到所述电感或/且所述开关电源的输出端经过所述输出功率管连接到所述电感。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种开关电源的电流检测方法，所述开关电源包括驱动电路和开关功率电路，所述开关功率电路包括功率开关管和整流管，所述功率开关管和整流管的公共点为开关节点，对所述功率开关管或所述整流管导通时的电流取平均值，该平均值表征所述电感电流的平均值，第一开关管的控制端和第一端分别与待检测的所述功率开关管或所述整流管的控制端和第一端连接，所述第一开关管的第二端为第一节点，在待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，调整所述第一节点电压等于所述开关节点电压的平均值，所述第一开关管的电流表征所述电感电流平均值。
作为可选，所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端相连，在待检测的所述功率开关管导通时，通过调整第二开关管的控制端电压从而控制所述第一节点的电压等于所述开关节点的电压的平均值。
作为可选，镜像电路将所述第一开关管的电流进行镜像，镜像得到的电流作为所述电感电流平均值检测电路的输出电流。
作为可选，当所述开关电源为BUCK降压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输出电流；当所述开关电源为BOOST升压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输入电流。
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：不需要采样电阻即可检测电流，减少外围电路成本，提高开关电源系统效率。
附图说明
图1为现有技术中BUCK降压电路电流检测方法；
图2(a)为本发明电流检测电路的一种实施方式；
图2(b)为本发明电流检测电路的另一种实施方式；
图3(a)为本发明控制模块的一种实施方式；
图3(b)为本发明控制模块的另一种实施方式；
图4为四开关BUCK-BOOST电路的电路原理图；
图5为本发明比例模块的一种实施方式。
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。
本发明提供一种开关电源的电流检测电路，所述开关电源包括驱动电路200和开关功率电路100，所述开关功率电路100包括功率开关管和整流管，所述功率开关管和整流管的公共点为开关节点SW，包括电感电流平均值检测电路300，所述电感电流平均值检测电路300对所述功率开关管或所述整流管导通时的电流取平均值，该平均值表征所述电感电流的平均值，所述电感电流平均值检测电路包括第一开关管，所述第一开关管的控制端和第一端分别与待检测的所述功率开关管或所述整流管的控制端和第一端连接，所述第一开关管的第二端为第一节点Vsense，在待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，调整所述第一节点Vsense电压等于所述开关节点SW电压的平均值，所述第一开关管的电流表征所述电感电流平均值。
所述电感电流平均值检测电路还包括第二开关管和控制模块，所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端相连，所述第二开关管的控制端连接到所述控制模块310的输出端，所述控制模块310在待检测的所述功率开关管导通时，通过调整其输出电压从而控制所述第一节点Vsense的电压等于所述开关节点SW的电压的平均值。
参考图2(a)所示，给出了待检测的功率开关管为NMOS M00，并且为上管时，电感电流平均值检测电路300的一种实施方式。NMOS M31为第一开关管，NMOS M32为第二开关管。M00的栅极为功率开关管的栅极，M00的漏极为第一端，M00的源极为第二端。NMOS M31的栅极为第一开关管的控制端，NMOS M31的漏极为第一开关管的第一端，NMOS M31的源极为第一开关管的第二端。NMOS M32的栅极为第二开关管的控制端，NMOS M32的漏极为第二开关管的第一端，NMOS M32的源极为第二开关管的第二端，连接到参考地。驱动电路200包括上管驱动电路，上管驱动电路接收上管开关信号TON，产生上管驱动信号VG。M00接收上管驱动信号VG。控制模块310接收M00的开关信号TON，开关节点SW的电压信号，以及第一节点Vsense的电压信号，在M00导通时，通过调整其输出电压Vb1从而控制所述第一节点Vsense的电压等于所述开关节点SW的电压的平均值，M31或M32的电流表征所述电感电流平均值。
参考图2(b)所示，给出了待检测的功率开关管为NMOS M01，并且为下管时，电感电流平均值检测电路300的一种实施方式。NMOS M34为第一开关管，PMOS M35为第二开关管。M01的栅极为功率开关管的栅极，M01的源极为第一端，M01的漏极为第二端。NMOS M34的栅极为第一开关管的控制端，NMOS M34的源极为第一开关管的第一端，NMOS M34的漏极为第一开关管的第二端。PMOS M35的栅极为第二开关管的控制端，PMOS M35的漏极为第二开关管的第一端，PMOS M35的源极为第二开关管的第二端，连接到参考电源VD。驱动电路200包括下管驱动电路，下管驱动电路接收下管开关信号BON，产生上管驱动信号VG。M01接收下管驱动信号VG。控制模块310接收M01的开关信号BON，开关节点SW的电压信号，以及第一节点Vsense的电压信号，在M01导通时，通过调整其输出电压Vb2从而控制所述第一节点Vsense的电压等于所述开关节点SW的电压的平均值，M34或M35的电流表征所述电感电流平均值。
所述电感电流平均值检测电路300还包括镜像开关管，所述镜像开关管和所述第二开关管形成镜像电路，并将所述第一开关管的电流进行镜像，镜像得到的电流作为所述电感电流平均值检测电路300的输出电流。
参考图2(a)所示，NMOS M33为镜像开关管，和NMOS M32形成镜像电路，M33上的电流为所述电感电流平均值检测电路300的输出电流。参考图2(b)所示，PMOS M36为镜像开关管，和PMOS M35形成镜像电路，M36上的电流为所述电感电流平均值检测电路300的输出电流。
所述控制模块310包括第一运放和第一电容，所述第一运放的输出通过所述第一电容连接到参考地或参考电源，待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，所述第一运放的第一端和第二端分别接收开关节点和第一节点的电压，待检测的所述功率开关管或所述整流管关断时，所述第一运放的输出端电压保持不变，所述第一运放的输出为所述控制模块的输出。
参考图3(a)所示，提供了图2(a)中的控制模块310的一种实施例。电容C311的另一端连接到参考地。以上管导通信号TON为高，上管导通；TON为低，上管关断来进行说明。SW经过开关K311连接到运放311的正输入端，Vsense经过开关K313连接到运放311的负输入端，参考地分别通过开关K312和开关K314连接到运放311的正输入端和负输入端。当TON为高时，开关K311和开关K313导通，开关K312和开关K314关断，运放311对SW和Vsense进行运算放大；当TON为低时，开关K311和开关K313关断，开关K312和开关K314导通，运放311的输出Vb1保持不变。在该实施例中，通过使运放311的两个输入端都接地使得输出保持，还可以有其他的输出保持方式，比如在运放的输出和电容直接加入开关，需要输出保持的时候，将开关关断，使得运放的输出不对电容电压产生影响。
参考图3(b)所示，提供了图2(b)中的控制模块310的一种实施例。电容C313的另一端连接到参考电源VDD。以下管导通信号BON为高，下管导通；BON为低，下管关断来进行说明。SW经过开关K316连接到运放312的负输入端，Vsense经过开关K318连接到运放312的正输入端，参考地分别通过开关K317和开关K319连接到运放312的正输入端和负输入端。当BON为高时，开关K316和开关K318导通，开关K317和开关K319关断，运放312对SW和Vsense进行运算放大；当BON为低时，开关K316和开关K318关断，开关K317和开关K319导通，运放312的输出Vb2保持不变。
当所述开关电源为BUCK降压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输出电流；当所述开关电源为BOOST升压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输入电流。
开关电源的电流检测电路还包括比例模块，所述比例模块接收所述电感电流平均值检测电路的输出，乘以输入比例得到表征所述开关电源的输入电流；或者乘以输出比例，得到表征所述开关电源的输出电流，所述输入比例为为输入功率管导通时间除以开关周期，所述输出比例为输出功率管导通时间除以开关周期，所述开关电源的输入端经过所述输入功率管连接到所述电感或/且所述开关电源的输出端经过所述输出功率管连接到所述电感。
当所述开关电源为BOOST升压电路或为BUCK-BOOST升降压电路时，整流管为输出功率管，所述输出比例为整流管导通时间除以开关周期。
当所述开关电源为BUCK降压电路时，功率开关管为输入功率管，所述输入比例为功率开关管导通时间除以开关周期。
参考图4所示，为四开关BUCK-BOOST升降压电路的电路原理图。输入Vin经过输入功率开关管M03连接到电感L的第一端，电感L的第二端经过输出功率开关管M05连接到输出Vo，电感L的第一端经过M04连接到参考地，第二端经过M06连接到参考地。输入比例为功率开关管M03的导通时间除以开关周期；输出比例为功率开关管M05的导通时间除以开关周期。
参考图5所示，为比例模块400的一个实施例。电感电流平均值检测电路300的输出电流Isense经过开关K410连接到开关K420的第一端，并且经过电容C410连接到参考地，开关K420的另一端连接到NMOS M410的栅极，并且通过电容C420连接到参考地，M410的漏极连接到电容C410，M410的源极连接到参考地，M420的栅极连接到M410的栅极，M420的源极连接到参考地，M420的电流即为比例模块400的输出电流。
以比例模块400的比例为整流管导通信号除以开关周期Ts为例进行说明，当整流管导通时，开关K410导通；当整流管关断时，开关K410关断。M410漏极接收电容C410的电压V410。当开关K420在一个周期Ts中短暂导通，电容C410对电容C420短暂放电，C420保持其第一端电压V420在一个开关周期近似不变，V420控制M410和M420导通。在一个开关周期Ts内，流经M410的电流由Isense产生，相当于把整流管导通时间内的Isense电流转化为一个开关周期Ts内的电流。M420和M410形成镜像电路，M420将M410上的电流进行镜像输出。
在该实施例中，比例为整流管导通时间除以开关周期，开关K410由整流管导通信号控制。当比例为其他方案时，开关K410的控制信号也相应需要修改。例如，比例为BUCK-BOOST四开关电路中输入功率管导通时间除以开关周期，开关K410由输入功率管导通信号控制。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种开关电源的电流检测方法，所述开关电源包括驱动电路和开关功率电路，所述开关功率电路包括功率开关管和整流管，所述功率开关管和整流管的公共点为开关节点，对所述功率开关管或所述整流管导通时的电流取平均值，该平均值表征所述电感电流的平均值，第一开关管的控制端和第一端分别与待检测的所述功率开关管或所述整流管的控制端和第一端连接，所述第一开关管的第二端为第一节点，在待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，调整所述第一节点电压等于所述开关节点电压的平均值，所述第一开关管的电流表征所述电感电流平均值。
所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端相连，在待检测的所述功率开关管导通时，通过调整第二开关管的控制端电压从而控制所述第一节点的电压等于所述开关节点的电压的平均值。
镜像电路将所述第一开关管的电流进行镜像，镜像得到的电流作为所述电感电流平均值检测电路的输出电流。
当所述开关电源为BUCK降压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输出电流；当所述开关电源为BOOST升压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输入电流。
比例电路接收所述电感电流平均值检测电路的输出，乘以输入比例得到表征所述开关电源的输入电流；或者乘以输出比例，得到表征所述开关电源的输出电流。所述输入比例为为输入功率管导通时间除以开关周期，所述输出比例为输出功率管导通时间除以开关周期。所述开关电源的输入端经过所述输入功率管连接到所述电感或/且所述开关电源的输出端经过所述输出功率管连接到所述电感。
本发明的又一技术解决方案是，提供一种开关电路。开关电路包括BUCK降压电路、BOOST升压电路、BUCK-BOOST升降压电路等。所述开关电源包含上述的开关电源的电流检测电路。
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 (9)

1.一种开关电源的电流检测电路，所述开关电源包括驱动电路和开关功率电路，所述开关功率电路包括功率开关管和整流管，所述功率开关管和整流管的公共点为开关节点，其特征在于：包括电感电流平均值检测电路，所述电感电流平均值检测电路对所述功率开关管或所述整流管导通时的电流取平均值，该平均值表征所述电感电流的平均值，所述电感电流平均值检测电路包括第一开关管，所述第一开关管的控制端和第一端分别与待检测的所述功率开关管或所述整流管的控制端和第一端连接，所述第一开关管的第二端为第一节点，在待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，调整所述第一节点电压等于所述开关节点电压的平均值，所述第一开关管的电流表征所述电感电流平均值，
所述电感电流平均值检测电路还包括第二开关管和控制模块，所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端相连，所述第二开关管的控制端连接到所述控制模块的输出端，所述控制模块在待检测的所述功率开关管导通时，通过调整其输出电压从而控制所述第一节点的电压等于所述开关节点的电压的平均值，
其中，所述控制模块包括第一运放和第一电容，所述第一运放的输出通过所述第一电容连接到参考地或参考电源，待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，所述第一运放的第一端和第二端分别接收开关节点和第一节点的电压，待检测的所述功率开关管或所述整流管关断时，所述第一运放的输出端电压保持不变，所述第一运放的输出为所述控制模块的输出。
2.根据权利要求1所述开关电源的电流检测电路，其特征在于，所述电感电流平均值检测电路还包括镜像开关管，所述镜像开关管和所述第二开关管形成镜像电路，并将所述第一开关管的电流进行镜像，镜像得到的电流作为所述电感电流平均值检测电路的输出电流。
3.根据权利要求1所述开关电源的电流检测电路，其特征在于，
当所述开关电源为BUCK降压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输出电流；当所述开关电源为BOOST升压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输入电流。
4.根据权利要求1所述开关电源的电流检测电路，其特征在于，还包括比例模块，
所述比例模块接收所述电感电流平均值检测电路的输出，乘以输入比例得到表征所述开关电源的输入电流；或者乘以输出比例，得到表征所述开关电源的输出电流，
所述输入比例为输入功率管导通时间除以开关周期，所述输出比例为输出功率管导通时间除以开关周期，
所述开关电源的输入端经过所述输入功率管连接到电感或/且所述开关电源的输出端经过所述输出功率管连接到所述电感。
5.一种开关电源的电流检测方法，应用于权利要求1-4任一项所述的开关电源的电流检测电路，所述开关电源包括驱动电路和开关功率电路，所述开关功率电路包括功率开关管和整流管，所述功率开关管和整流管的公共点为开关节点，其特征在于：对所述功率开关管或所述整流管导通时的电流取平均值，该平均值表征所述电感电流的平均值，第一开关管的控制端和第一端分别与待检测的所述功率开关管或所述整流管的控制端和第一端连接，所述第一开关管的第二端为第一节点，在待检测的所述功率开关管或所述整流管导通时，调整所述第一节点电压等于所述开关节点电压的平均值，所述第一开关管的电流表征所述电感电流平均值。
6.根据权利要求5所述开关电源的电流检测方法，其特征在于，所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端相连，在待检测的所述功率开关管导通时，通过调整第二开关管的控制端电压从而控制所述第一节点的电压等于所述开关节点的电压的平均值。
7.根据权利要求5所述开关电源的电流检测方法，其特征在于，镜像电路将所述第一开关管的电流进行镜像，镜像得到的电流作为所述电感电流平均值检测电路的输出电流。
8.根据权利要求5所述开关电源的电流检测方法，其特征在于，当所述开关电源为BUCK降压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输出电流；当所述开关电源为BOOST升压电路时，所述电感电流的平均值表征所述开关电源的输入电流。
9.一种开关电路，其特征在于：包括如权利要求1~4任意一项所述电流检测电路。
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