CN109696578B - 一种电流检测电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流检测电路及方法，电流检测电路包括开关转换器；所述开关转换器包括：耦合输入电压与开关节点之间的高端主功率MOSFET；耦合在开关节点与输出电压之间的输出电感；两个或两个以上的电流检测部分，以检测每个部分的电流；两个或若干个电流检测输出电路，使每个区域的功率器件具有相同的电流检测。本发明的电流检测电路及方法能精确检测集成电源系统的多区域电流。

Description

一种电流检测电路及方法
技术领域
本发明涉及功率半导体器件电流检测，具体涉及一种适用于集成电源系统的多区域精确电流检测电路及方法。
背景技术
目前，电源或电压调节器(VR)广泛应用于各种电子系统中，以提供负载所需的恒压电平和负载所需要的电流。此外，现代电力电子系统也需要对包含大范围内的元件提供电流，从相对较高的峰值电流到轻负载运行模式下的极低电流。在所有的电源和变流器设计中，关键技术之一就是如何准确、及时地获取用于电流控制和监测的电流信号。
例如，对于假定的服务器系统，在系统级电源和热管理算法中需要使用精度不断提高的电流检测(CS)和功率遥测数据。例如，中央处理器(CPU)电源管理算法需要来自CPU稳压器的负载电流信息。CPU负载电流信息用于优化CPU性能和运行平均功率限制(RAPL)控制，同时仍然保持系统的安全运行。电流检测精度直接影响系统的性能、可靠性和功耗。因此，下一代服务器期望实现更严格的电流检测精度目标。±2％电流检测精度规范可能是宽负载运行范围的未来趋势。然而，使用众所周知的技术来获得这种精度以提高系统性能会给电子系统中的功率处理单元带来额外的功耗或额外的成本。
传统上，一个相对精确的电流检测器可以通过使用一个专门的检测电阻串联到输出电感器来实现。然而，这种传统的方法会带来相当多的额外功耗，尤其是对于高输出电流应用。为了最大限度减少电流传感检测中不必要的功耗，在工业上广泛采用电感直流电阻(DCR)检测方案。电感器DCR电流传感利用输出电感器直流电阻(DCR)上的压降来导出输出电流信息。尽管基于DCR的传感方案是无损的，但很难满足现有和未来应用日益增长的电流检测精度要求。基于DCR的电流检测精度还受到DCR容差、时间常数失配、印刷电路板(PCB)组装工艺和温度补偿不理想等因素的影响。
另一种方法可以是使用基于MOSFET RDS(on)的电流检测技术。金属氧化物-半导体-场效应晶体管(MOSFET)是广泛应用于功率转换器或电压调节器(VR)中的关键元件，对于MOSFET器件，RDS(on)被称为在导通状态下的漏源电阻。基于RDS(on)的电流检测方法由于不需要额外的检测元件和外部时间常数匹配，因而得到了广泛的应用。然而，基于RDS(on)的电流检测精度受到MOSFET导通状态电阻(RDS(on)从一个MOSFET元件到另一个MOSFET元件的容差(通常为20-40％)和温度补偿实现困难的显著影响。
另一种替代方法可以使用“镜像场效应晶体管”或“参考器件”来成比例地检测流过主功率器件(如MOSFET)的电流。基于参考器件的电流检测方法有可能实现满载运行范围内精确的电流检测。电流检测精度不再受硅工艺变化的影响，并且不再需要温度补偿，因为参考器件来自同一个模具；因此，它最能代表主功率装置的运行情况。基于参考器件的电流检测方法理论上是适合功率MOSFET现代集成设计的最佳方法。
对于集成功率MOSFET，例如在同步降压转换器或功率级中，功率MOSFET被布置成由金属层并联的数百万个单元。流过主MOSFET的电流由参考器件检测，参考器件可以是同一主器件的一个单元或多个单元，通常位于主MOSFET的中心。该参考器件具有与主器件相同的栅源电压；参考器件的漏极强制电流产生与主MOSFET相同的漏极电压。因此，流过参考器件的电流按比例表示流过主场效应晶体管(FET)的电流。参考器件与主MOSFET器件的电流比值与参考器件与主器件的几何比值成正比。这对于主功率MOSFET具有均匀电流分布的小尺寸、低功率MOSFET是成立的。
然而，对于大电流大功率的应用，MOSFET的面积变得很大。因此，由于主MOSFET各单元的金属电阻不相同以及特定应用PCB上的电流流向不同，在硅的不同位置电流流动不再均匀。电流的不均匀性还取决于硅中不同单元不同的局部温度。如果参考器件被放置在一个位置，例如MOSFET的主中心，则电流的检测精度必然受到影响。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电流检测电路及方法。
本发明采用的技术方案是：一种电流检测电路，包括开关转换器；所述开关转换器包括：
耦合输入电压与开关节点之间的高端主功率MOSFET；
耦合在开关节点与输出电压之间的输出电感；
两个或两个以上的电流检测部分，以检测每个部分的电流；
两个或若干个电流检测输出电路，使每个区域的功率器件具有相同的电流检测；
所述两个或两个以上的电流检测部分包括：
耦合在开关节点与地之间的主功率MOSFET；
耦合在开关节点与电流检测电路输入端之间的参考MOSFET；
耦合在地与电流检测电路输入端之间的自然MOSFET；
所述两个或若干个电流检测输出电路包括：
与寄生金属电阻耦合的一个或多个跨导转换器；
一个或若干个多输入运算放大器；
一个或若干个电流镜像电路；
一个或若干个电流监控电路。
进一步地，所述开关转换器为降压转换器。
更进一步地，所述开关转换器为升压转换器、或降压-升压转换器、或全桥转换器、或移相转换器、或半桥转换器、或反激转换器、或正激转换器、或LLC转换器。
更进一步地，所述开关转换器，其中功率部分还包括参考MOSFET、自然MOSFET和主功率MOSFET，以确定主功率MOSFET电流流动。
更进一步地，所述多输入运算放大器还包括两个或若干个输入端的跨导转换器；所述多输入运算放大器在各功率器件区域驱动其电流镜像晶体管，以获得每个功率器件区域的电流。
更进一步地，所述电流检测输出电路的输入端的跨导转换器与寄生金属电阻耦合；所述电流镜像电路由运放驱动，以提供整体电流信息。
更进一步地，所述电流检测输出电路的总电流的输出为各功率器件区域检测的镜像电流之和。
更进一步地，所述主功率MOSFET为两个或两个以上功率器件区域构成，其中各区域的电流由多输入运算放大器和跨导转换器检测。
本发明的优点：
本发明的电流检测电路及方法，其中的耦合输入电压与开关节点之间的高端主功率MOSFET；耦合在开关节点与输出电压之间的输出电感；两个或两个以上的电流检测部分，以检测每个部分的电流；两个或若干个电流检测输出电路，使每个区域的功率器件具有相同的电流检测。本发明提供了使用多单元参考器件并将参考器件放置在主MOSFET的不同位置的电路及方法。大尺寸的主功率MOSFET被分成许多个区域，每个区域都有自己的参考器件来匹配位置和温度。同时，为了处理多参考器件的问题，设置了一种多输入放大级作为放大器的前置级，用于对多单元参考器件的电流信息进行求和。本发明的电流检测电路及方法能精确检测集成电源系统的多区域电流。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的降压开关转换器功率级的原理框图；
图2是现有技术的通用电流检测电路的原理图；
图3是本发明实施例的电流检测输出电路的原理图；
图4是现有技术运算放大器的电路原理图；
图5是本发明实施例的多输入运算放大器的电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，如图1所示，一种电流检测电路，包括开关转换器；所述开关转换器包括：
耦合输入电压与开关节点之间的高端主功率MOSFET；
耦合在开关节点与输出电压之间的输出电感；
两个或两个以上的电流检测部分，以检测每个部分的电流；
两个或若干个电流检测输出电路，使每个区域的功率器件具有相同的电流检测；
所述两个或两个以上的电流检测部分包括：
耦合在开关节点与地之间的主功率MOSFET；
耦合在开关节点与电流检测电路输入端之间的参考MOSFET；
耦合在地与电流检测电路输入端之间的自然MOSFET；
参考图3，如图3所示，所述两个或若干个电流检测输出电路包括：
与寄生金属电阻耦合的一个或多个跨导转换器；
一个或若干个多输入运算放大器；
一个或若干个电流镜像电路；
一个或若干个电流监控电路。
所述开关转换器为降压转换器。
所述开关转换器为升压转换器、或降压-升压转换器、或全桥转换器、或移相转换器、或半桥转换器、或反激转换器、或正激转换器、或LLC转换器。
所述开关转换器，其中功率部分还包括参考MOSFET、自然MOSFET和主功率MOSFET，以确定主功率MOSFET电流流动。
参考图5，如图5所示，所述多输入运算放大器还包括两个或若干个输入端的跨导转换器；所述多输入运算放大器在各功率器件区域驱动其电流镜像晶体管，以获得每个功率器件区域的电流。
所述电流检测输出电路的输入端的跨导转换器与寄生金属电阻耦合；所述电流镜像电路由运放驱动，以提供整体电流信息。
所述电流检测输出电路的总电流的输出为各功率器件区域检测的镜像电流之和。
所述主功率MOSFET为两个或两个以上功率器件区域构成，其中各区域的电流由多输入运算放大器和跨导转换器检测。
参考图1，如图1所示，一种具有电流镜检测方法的典型降压转换器。Buck变换器100包括高端主功率MOSFET Qu101、低端主功率MOSFET Qmd111、输出电感L103和输出电容Cout104。主功率MOSFET被布置成由金属层并联的数百万个单元。流过主功率MOSFETQmd111的电流由参考MOSFET Qpd113检测，参考MOSFET Qpd113是主器件的一个单元或几个单元，通常位于主功率MOSFET Qmd111的中心。参考MOSFET Qpd113具有与主功率MOSFETQmd111相同的栅极电压和源极电压，参考MOSFET Qpd113的漏极通过电流检测电路200施加电流以产生与主功率MOSFET Qmd111相同的漏极电压。因此，流过参考MOSFET Qpd113的电流表示流过主功率MOSFET Qmd111的电流。理想情况下，参考MOSFET Qpd113和主功率MOSFET Qmd111的电流比具有与参考MOSFET Qpd113和主功率MOSFET Qmd111相同的几何比K。
理想情况下，对于小尺寸功率MOSFET来说也是如此，其中主功率MOSFET Qmd111在单元之间具有均匀的电流分布。然而，对于大电流应用，主要的功率MOSFET Qmd111面积太大，导致由于主功率MOSFET Qmd111每个单元的金属电阻和电流流动方向不同，使得在硅的不同位置处各单元的电流流动不再均匀。电流的不均匀性还取决于该单元在硅中的局部温度。将参考MOSFET Qpd113放置在主功率MOSFET Qmd111的中心不能满足电流检测精度的需求。
参考图2，如图2所示，显示了电流检测电路200的现有技术。主功率MOSFET Qmd111和参考MOSFET Qpd112栅极和源极电压近似相等。运算放大器201、晶体管W0 202、参考MOSFET Qpd112和金属走线电阻Rpd204形成闭环，以在节点D0和D1施加相同的电压。因此，流过主功率MOSFET Qmd111和参考MOSFET Qpd112的电流比值由两个MOSFET的器件几何比值决定。其中Rsp为MOSFET的特定导通电阻并且定义为Ron*面积时，WQmd为主功率MOSFETQmd111的总沟道宽度。
流过主功率MOSFET Qmd111的电流为：
Figure GDA0002657654120000071
通过参考MOSFET Qpd112的电流为：
Figure GDA0002657654120000072
其中WQpd为参考MOSFET Qpd的总通道宽度。由式(1)、(2)可知：
Figure GDA0002657654120000081
其中K为主功率MOSFET Qmd111与参考MOSFET的通道宽度比。
参考图3，如图3所示，根据本发明的实施例说明了电流检测电路300和MOSFET的三个部分。在一个实施例中，电流感知电路300包括三个跨导gm1 311、gm2 321、gm3 331，三对金属寄生电阻Rpa312、Rna313、Rpb322、Rnb323、Rpc332、Rnc333，多输入运算放大器301、晶体管W2、晶体管W3。MOSFET的三个部分中每个部分包括主功率MOSFET Qma121，Qmb131，Qmc141，参考MOSFET Qpa122，Qpb132，Qpc142和自然器件Qna123，Qnb133，Qnc143。每个部分都有参考MOSFET Qpa122，Qpb132，Qpc142，以在几何尺寸和温度方面与主功率MOSFETQma121，Qmb130，Qmc140保持局部匹配。每个功率器件区域的MOSFET通过反相器107的输出由一个互补的PWM信号控制。因此，当PWM信号低时，反相器117的输出是高的，从而打开了每个区域中的所有MOSFET。
这三个通用跨导gm1 311、gm2 321、gm3 331和六个输入运算放大器和一个晶体管W0构成一个回路，以下方程成立：
VA1+VB1+VC1＝VA2+VB2+VC2 (4)
其中，VA1为节点A1到地的压降，VB1为节点B1到地的压降，VC1为节点C1到地的压降，VA2为节点A2到地的压降，VB2为节点B2到地的压降，VC2为节点C2到地的压降。
由于VA0＝VA2，VB0＝VB2，VC0＝VC2，其中VA0为节点A0到地的压降，VB0为节点B0到地的压降，VC0为节点C0到地的压降，因此：
(VA1-VA0)+(VB1-VB0)+(VC1-VC0)＝0 (5)
电流检测电路的输出为电流监视器Imon，表示为：
Imon＝IQpa+IQpb+IQpe (6)
其中
Figure GDA0002657654120000091
RonQma、RonQmb和RonQmc分别是主功率MOSFET Qma121、Qmb131、Qmc141的等效电阻。
将(7)代入(6)，总电流I为IQma、IQmb、IQmc的总和，可以表示为：
Figure GDA0002657654120000092
式(8)中RonQma、RonQmb、RonQmc电阻相等，并与式(5)结合，则
Figure GDA0002657654120000093
由式(9)可知，监控电流Imon与总主功率MOSFET电流I成正比，电流比由器件几何尺寸比K决定。
参考图4，如图4所示，为传统通用基本的输入运算放大器结构201的电路图。如图4所示，运算放大器输入为一对晶体管QN 2014和QP 2015。运算放大器201的输出与晶体管W0202耦合，以驱动通过晶体管W0 202的电流，以迫使参考MOSFET和主功率MOSFET的电压相等。
参考图5，如图5所示，本发明的多输入运算放大器将两对或多对晶体管Q0 3015、Q1 3016、Q2 3018、Q3 3019、Q4 3021、Q5 3022作为运算放大器的输入进行比较。为了便于说明，多输入运算放大器的整个元件没有显示在图中。本发明的公开实施例还包括两个晶体管W4 3011和W5 3012。
本发明是针对一种用于集成系统的精确电流检测电路的方法。一种开关变换器，包括具有高端主功率MOSFET和低端主功率MOSFET的功率级，高端主功率MOSFET耦合于输入电压和开关节点之间，低端主功率MOSFET耦合于开关节点和地之间。
所述开关转换器还包括与两个或多个功率部分耦合的电流检测电路。
电流检测电路包括多输入运算放大器、晶体管、电流镜和寄生金属电阻。
该方法还包括两个或多个功率器件区域，以检测在每个功率器件区域流动的电流。
每个功率器件区域包括一个主功率MOSFET、一个参考MOSFET和一个自然MOSFET。
本发明还包括一个多输入运算放大器，该运算放大器收集所有功率部分的电流信息并输出。
本发明包含多个功率器件区域和一个多输入运算放大器，其中参考器件在主功率MOSFET的不同位置，形成多个单独的功率器件区域，多输入运算放大器驱动晶体管来检测每个功率器件区域的总电流并向系统报告总电流。
本发明的电流检测电路及方法，其中的耦合输入电压与开关节点之间的高端主功率MOSFET；耦合在开关节点与输出电压之间的输出电感；两个或两个以上的电流检测部分，以检测每个部分的电流；两个或若干个电流检测输出电路，使每个区域的功率器件具有相同的电流检测。本发明提供了使用多单元参考器件并将参考器件放置在主MOSFET的不同位置的电路及方法。大尺寸的主功率MOSFET被分成许多个区域，每个区域都有自己的参考器件来匹配位置和温度。同时，为了处理多参考器件的问题，设置了一种多输入放大级作为放大器的前置级，用于对多单元参考器件的电流信息进行求和。本发明的电流检测电路及方法能精确检测集成电源系统的多区域电流。
本发明提出一种使用多单元参考器件并将参考器件放置在主MOSFET的不同位置的电路及方法。大尺寸的主功率MOSFET被分成许多个区域，每个区域都有自己的参考器件来匹配位置和温度。同时，为了处理多参考器件的问题，发明了一种多输入放大级作为放大器的前置级，用于对多单元参考器件的电流信息进行求和。
在一个或多个实施例中，本发明提供了一种用于MOSFET RDS(on)基于检测的电压调节器(VR)的电流检测方案。相同的概念或方法可用于电子系统中的功率级装置或功率处理单元。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电流检测电路，其特征在于，包括开关转换器；所述开关转换器包括：
耦合输入电压与开关节点之间的高端主功率MOSFET；
耦合在开关节点与输出电压之间的输出电感；
两个或两个以上的电流检测部分，以检测每个部分的电流；
两个或若干个电流检测输出电路，使每个区域的功率器件具有相同的电流检测；
所述两个或两个以上的电流检测部分包括：
耦合在开关节点与地之间的主功率MOSFET；
耦合在开关节点与电流检测电路输入端之间的参考MOSFET；
耦合在地与电流检测电路输入端之间的自然MOSFET；
所述两个或若干个电流检测输出电路包括：
与寄生金属电阻耦合的一个或多个跨导转换器；
一个或若干个多输入运算放大器；
一个或若干个电流镜像电路；
一个或若干个电流监控电路。
2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述开关转换器为降压转换器。
3.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述开关转换器为升压转换器、或降压-升压转换器、或全桥转换器、或移相转换器、或半桥转换器、或反激转换器、或正激转换器、或LLC转换器。
4.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述开关转换器，其中功率部分还包括参考MOSFET、自然MOSFET和主功率MOSFET，以确定主功率MOSFET电流流动。
5.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述多输入运算放大器还包括两个或若干个输入端的跨导转换器；所述多输入运算放大器在各功率器件区域驱动其电流镜像晶体管，以获得每个功率器件区域的电流。
6.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流检测输出电路的输入端的跨导转换器与寄生金属电阻耦合；所述电流镜像电路由运放驱动，以提供整体电流信息。
7.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流检测输出电路的总电流的输出为各功率器件区域检测的镜像电流之和。
8.根据权利要求1所述的电流检测电路的检测方法，其特征在于，所述主功率MOSFET为两个或两个以上功率器件区域构成，其中各区域的电流由多输入运算放大器和跨导转换器检测。
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