CN109116086A - 一种负载电流检测电路 - Google Patents

Abstract

一种负载电流检测电路，属于电子电路技术领域。包括脉冲宽度调制信号处理模块和负载电流检测模块，其中脉冲宽度调制信号处理模块用于产生脉冲控制信号，脉冲控制信号在Boost变换器的功率管开启后翻转为高电平并在t₁时间后翻转为低电平，其中t₁时间小于Boost变换器功率管的开启时间；负载电流检测模块的控制端连接脉冲控制信号，其输入端连接Boost变换器的输出电压，用于采样Boost变换器的输出电压在脉冲控制信号为高电平期间的变化量，并将Boost变换器的输出电压变化量经过放大处理后作为负载电流检测电路的输出电压。本发明没有额外采样电阻和滤波电路，在节约电路资源的同时还具有较高的采样精度。

Description

一种负载电流检测电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种负载电流检测电路，适用于Boost变换器。

背景技术

在Boost变换器中，许多功能的实现需要获得负载电流的信息，如负载过流限制、快速负载阶跃响应以及双电流环控制等。负载电流检测电路的检测精度及其所消耗的代价是其较为重要的设计指标。

传统的负载电流检测方式主要有串联电阻检测法以及滤波法。串联电阻检测法引入一个采样电阻串联在负载上，通过对采样电阻的压降来表征负载电流的信息。这种方式具有不错的采样精度，但是同时也引入了额外的功耗及外围器件，并且对采样电阻的精度要求很高。

滤波法通常先采样电感电流的信息，再对电感电流进行滤波处理得到其DC值来近似负载电流。该方式依赖于滤波电路的性能，简单的滤波电路易于实现但是滤波效果较差导致负载电流的采样精度不高；高性能的滤波电路可以高精度的采样负载电流但其自身却需要消耗较大的电路资源来实现。

考虑到上述两种负载电流检测方式的局限性，一些无外围器件、电路较为简单且采样精度较高的新型负载电流检测方案逐渐被提出，但是做到面面俱到的方案几乎没有。文献-麦凯.无需外部采样电阻的Boost转换器负载电流检测电路:中国,CN201720434366.9[P].2017-12-22中涉及到的一种负载电流检测方案具有采样精度较高并且无外围器件的优点，但是其电路较为复杂，需要电路本身具有电感电流采样模块，局限性较大的同时需要消耗较多电路资源来实现。

发明内容

针对上述现有负载电流检测方式在采样精度和电路复杂度等方面存在的不足之处，本发明提出了一种负载电流检测电路，用于检测Boost变换器的负载电流，具有无外围器件、电路简单且采样精度高的优点。

本发明的技术方案为：

一种负载电流检测电路，适用于Boost变换器，所述负载电流检测电路包括脉冲宽度调制信号处理模块和负载电流检测模块，

所述脉冲宽度调制信号处理模块用于产生脉冲控制信号，所述脉冲控制信号在所述Boost变换器的功率管开启后翻转为高电平并在t₁时间后翻转为低电平，其中t₁时间小于所述Boost变换器功率管的开启时间；

所述负载电流检测模块的控制端连接所述脉冲控制信号，其输入端连接所述Boost变换器的输出电压，用于采样所述Boost变换器的输出电压在所述脉冲控制信号为高电平期间的变化量，并将所述Boost变换器的输出电压变化量经过放大处理后作为所述负载电流检测电路的输出电压。

具体的，所述脉冲宽度调制信号处理模块包括第一电阻、第一电容、反相器和与非门，

第一电阻的一端连接所述Boost变换器的脉冲宽度调制信号，另一端连接反相器的输入端并通过第一电容后接地；

与非门的第一输入端连接反相器的输出端，其第二输入端连接所述Boost变换器的脉冲宽度调制信号，其输出端作为所述脉冲宽度调制信号处理模块的输出端输出所述脉冲控制信号。

具体的，所述脉冲宽度调制信号处理模块中与非门的输出端和所述脉冲宽度调制信号处理模块的输出端之间还包括第二电容和第二电阻，第二电阻的一端连接与非门的输出，其另一端连接所述脉冲宽度调制信号处理模块的输出端并通过第二电容后接地。

具体的，所述负载电流检测模块包括开关、第三电容、第四电容和运算放大器，

开关接在所述负载电流检测模块的输入端和运算放大器的正向输入端之间，其控制端连接所述脉冲控制信号；

运算放大器的正向输入端通过第三电容后接地，其负向输入端连接所述负载电流检测模块的输入端，其输出端输出所述负载电流检测电路的输出电压并通过第四电容后接地。

本发明的工作原理为：

由于当Boost变换器中功率管开启时，电源的能量通过功率电感以及功率管流到地端，此时负载电容流出的电荷等于负载消耗的电荷，即在功率管开启期间，单位时间内负载电容上的电压变化量即表征了负载电流的大小。本发明通过检测t₁时间内Boost变换器输出电压的变化量得到t₁时间内负载电容的电压变化量，该电压变化量通过转化后产生的本发明的输出电压即包含了负载电流信息。

本发明的有益效果为：本发明利用Boost变换器在功率管开启时负载电容的电荷损失等于流过负载电阻的电荷的特点，在功率管开启的一段时间内对Boost变换器输出电压进行采样并转化为包含负载电流信息的输出信号，与传统负载电流采样电路相比，本发明由于没有额外采样电阻和滤波电路，在节约电路资源的同时还具有较高的采样精度。

附图说明

图1为将本发明提出的负载电流检测电路用于Boost转换器的结构示意图。

图2为本发明的脉冲宽度调制信号处理模块在实施例中的一种实现电路图。

图3为实施例中脉冲宽度调制信号处理模块的逻辑波形图。

图4为负载电流检测模块在实施例中的一种实现电路图。

图5为实施例中负载电流检测模块的逻辑波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。

本发明提出的负载电流检测电路适用于Boost变换器，包括脉冲宽度调制信号处理模块和负载电流检测模块，其中脉冲宽度调制信号处理模块用于产生脉冲控制信号，脉冲控制信号在Boost变换器的功率管开启后翻转为高电平，并在Boost变换器的功率管开启t₁时间后翻转为低，其中t₁时间小于Boost变换器功率管的开启时间；负载电流检测模块的控制端连接脉冲控制信号，其输入端连接Boost变换器的输出电压，用于采样Boost变换器的输出电压在脉冲控制信号为高电平期间的变化量，并将Boost变换器的输出电压变化量经过放大处理后作为负载电流检测电路的输出电压。

如图1所示，Boost变换器中，当功率管MN开启时，电源V_IN的能量通过电感L以及功率管MN流到地端，此时负载电容C_L流出的电荷等于负载R_L消耗的电荷。即在功率管MN开启期间，单位时间内负载电容C_L上的电压变化量即表征了负载电流I_load的大小。Boost控制电路的输入端接Boost变换器开关节电SW处电压和Boost变换器的输出电压V_OUT；Boost控制电路的输出端产生脉冲宽度调制信号PWM接至驱动逻辑电路的第一输入端和本发明中的脉冲宽度调制信号处理模块的输入端；驱动逻辑电路的输出端产生驱动信号接功率管MN的栅极；本发明中的负载电流检测模块的输出端输出表征着Boost变换器负载电流信息的输出电压V_SENSE至驱动逻辑电路的第二输入端。

本发明中的脉冲宽度调制信号处理模块对脉冲宽度调制信号PWM进行处理，在脉冲宽度调制信号PWM中截取一段功率管MN开启时间内的一段时间即t₁，输出携带t₁时间信息的脉冲控制信号S，脉冲控制信号S作为负载电流检测模块的控制信号，负载电流检测模块根据脉冲控制信号S的信息对Boost变换器输出电压V_OUT进行处理，具体处理方式为：在功率管MN开启的一段时间即t₁内，采样Boost变换器输出电压V_OUT的变化量即得到t₁时间内Boost变换器负载电容C_L的电压变化量ΔV，故负载电流可以表示为I_load＝(C_L*ΔV)/t₁，然后对该变化量进行处理，将其转化为表征Boost变换器负载电流I_load信息的电压信号V_SENSE并输出至驱动逻辑电路的输入端，最终驱动逻辑电路获得脉冲宽度调制信号PWM以及负载电流检测电路的输出电压V_SENSE，进一步处理后产生合适的驱动信号对功率管MN进行驱动。

如图2所示给出了脉冲宽度调制信号处理模块的一种电路实现形式，包括第一电阻R₁、第一电容C₁、反相器INV和与非门NAND，第一电阻R₁的一端连接Boost变换器的脉冲宽度调制信号PWM，另一端连接反相器INV的输入端并通过第一电容C₁后接地；与非门NAND的第一输入端连接反相器INV的输出端，其第二输入端连接Boost变换器的脉冲宽度调制信号PWM，其输出端作为脉冲宽度调制信号处理模块的输出端输出脉冲控制信号S。其中第一电阻R₁和第一电容C₁组成延迟结构产生t₁时间的延迟。

一些实施例中为了隔离开关噪声对负载电流检测模块的影响，在脉冲宽度调制信号处理模块中与非门NAND的输出端和脉冲宽度调制信号处理模块的输出端之间还设置了第二电容C₂和第二电阻R₂，第二电阻R₂的一端连接与非门NAND的输出，其另一端连接脉冲宽度调制信号处理模块的输出端并通过第二电容C₂后接地。第二电容C₂和第二电阻R₂同样构成延迟结构产生了t₂时间的延迟，最终t₁和t₂的信息体现在脉冲宽度调制信号处理模块输出的脉冲控制信号S中并输出到负载电流检测模块的控制端。

图3为脉冲宽度调制信号处理模块的逻辑波形图，脉冲宽度调制信号PWM为Boost环路产生的控制信号，当脉冲宽度调制信号PWM为高时，功率管MN开启；当脉冲宽度调制信号PWM为低时，功率管MN关断。脉冲宽度调制信号PWM经过第一电阻R₁和第一电容C₁组成的RC延迟网络后得到产生t₁延迟的信号A1；A1信号经过反向器INV后得到反向信号A2；A2信号和脉冲宽度调制信号PWM通过与非门NAND进行运算后得到信号A3；A3信号经过第二电阻R₂和第二电容C₂组成的RC延迟网络后得到产生t₂延迟的脉冲控制信号S作为脉宽度调制信号处理模块的输出信号。

如图4所示给出了负载电流检测模块的一种电路实现形式，包括开关K、第三电容C₃、第四电容C₄和运算放大器OP，开关K接在负载电流检测模块的输入端和运算放大器OP的正向输入端之间，其控制端连接脉冲控制信号S；运算放大器OP的正向输入端通过第三电容C₃后接地，其负向输入端连接负载电流检测模块的输入端，其输出端输出负载电流检测电路的输出电压V_SENSE并通过第四电容C₄后接地。

脉冲控制信号S控制开关K；当脉冲控制信号S为高电平时，开关K闭合，此时运算放大器OP正向输入端信号V_S跟随Boost变换器的输出电压V_OUT的变化而变化；当脉冲控制信号S为低电平时，开关K断开，此时运算放大器OP正向输入端信号V_S保持原来的电平不变。设功率管MN在t时刻开启，在脉冲控制信号S的控制下，开关K保持闭合，直到功率管MN开启t₂时间后，开关K将在t+t₂时刻断开t₁时间；最终的效果为，运算放大器OP正向输入端信号V_S将在t₁时段内保持Boost变换器的输出电压V_OUT在t+t₂时刻的电平，所以在t+t₁+t₂时刻，运算放大器OP的输入端压差为负载电容C_L在t₁时段内的电压变化量ΔV；ΔV经过放大处理后得到本实施中负载电流检测电路的输出电压V_SENSE输出。这里t₂的作用是隔离开关噪声对负载电流检测模块的影响，提高的电路可靠性。

图5为本实施例中负载电流检测模块的逻辑波形图，脉冲控制信号S为脉冲宽度调制信号处理电路的输出信号，脉冲控制信号S只有在t₁时段内为低电平，运算放大器OP正向输入端信号V_S在t₁时段保持不变，其余时段跟随Boost变换器的输出电压V_OUT而变化；V_SENSE为运算放大器OP的输出信号，只有在t₁时段不为零，在t+t₁+t₂时刻达到最大值。

上述的t₁+t₂的总时长应当小于Boost变换器的功率管开启时长即脉冲宽度调制信号PWM为高电平的时长，以保证在t₁时段内功率管MN为开启状态。

尽管本实施例中以Boost变换器为特定实施方案进行描述，但本发明还具有许多其它的变化和改进以及其它的使用，如Buck-Boost等功率电感不与输出电容直接连接的DC-DC变换器，对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此本发明并不局限于此处特定公开的内容。

Claims (4)

1.一种负载电流检测电路，适用于Boost变换器，其特征在于，所述负载电流检测电路包括脉冲宽度调制信号处理模块和负载电流检测模块，

所述脉冲宽度调制信号处理模块用于产生脉冲控制信号，所述脉冲控制信号在所述Boost变换器的功率管开启后翻转为高电平并在t₁时间后翻转为低电平，其中t₁时间小于所述Boost变换器功率管的开启时间；

所述负载电流检测模块的控制端连接所述脉冲控制信号，其输入端连接所述Boost变换器的输出电压，用于采样所述Boost变换器的输出电压在所述脉冲控制信号为高电平期间的变化量，并将所述Boost变换器的输出电压变化量经过放大处理后作为所述负载电流检测电路的输出电压。

2.根据权利要求1所述的负载电流检测电路，其特征在于，所述脉冲宽度调制信号处理模块包括第一电阻、第一电容、反相器和与非门，

第一电阻的一端连接所述Boost变换器的脉冲宽度调制信号，另一端连接反相器的输入端并通过第一电容后接地；

与非门的第一输入端连接反相器的输出端，其第二输入端连接所述Boost变换器的脉冲宽度调制信号，其输出端作为所述脉冲宽度调制信号处理模块的输出端输出所述脉冲控制信号。

3.根据权利要求2所述的负载电流检测电路，其特征在于，所述脉冲宽度调制信号处理模块中与非门的输出端和所述脉冲宽度调制信号处理模块的输出端之间还包括第二电容和第二电阻，第二电阻的一端连接与非门的输出，其另一端连接所述脉冲宽度调制信号处理模块的输出端并通过第二电容后接地。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的负载电流检测电路，其特征在于，所述负载电流检测模块包括开关、第三电容、第四电容和运算放大器，

开关接在所述负载电流检测模块的输入端和运算放大器的正向输入端之间，其控制端连接所述脉冲控制信号；

运算放大器的正向输入端通过第三电容后接地，其负向输入端连接所述负载电流检测模块的输入端，其输出端输出所述负载电流检测电路的输出电压并通过第四电容后接地。