CN109742946B - 一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路 - Google Patents

Abstract

一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路，属于集成电路技术领域。本发明用于采样Buck变换器中DCR采样电容两端的电压，包括偏置模块、浮动电压产生模块、电平位移模块和电流采样模块，偏置模块用于为电平位移模块、浮动电压产生模块和电流采样模块提供偏置；电平位移模块的输入端连接DCR采样电容两端的电压，用于将DCR采样电容两端的电压抬升后作为电流采样模块的输入信号，使得本发明能够在输入电压为零或为低电压时正常工作；浮动电压产生模块用于产生随Buck变换器输出电压变化的浮动电源和浮动地作为电流采样模块的电源轨，使得本发明能够适应于输出电压变化范围较大的Buck变换器；电流采样模块的输出信号作为DCR采样电路的输出信号。

Description

一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种能够应用于宽输出电压范围的Buck变换器的DCR采样电路。

背景技术

电感直流电阻(Direct Current Resistance，DCR)采样是Buck变换器常用的电流采样方式之一，该采样方式可以有效地提高Buck变换器的效率，从而被广泛的使用。

DCR采样原理图如图1所示，Buck变换器包括控制信号PWM，驱动电路Driver，开关S1、S2，输入电源V_IN，电感L，电阻R_DCR、R_C、R_L，电容C_C、C_L，驱动电路Driver接控制信号PWM和开关S1、S2；S1的一端接V_IN，另一端与电阻R_C、电感L和S2的连接点相连接；S2的一端与电阻R_C、电感L和S1的连接点相连接，另一端接地；电感L的一端接S1、S2和R_C，另一端接电阻R_DCR；电阻R_DCR的一端接电感L，另一端与电容C_C、C_L和电阻R_L的连接点相连接输出Buck变换器的输出电压V_OUT；电阻R_C的一端接S1、S2和电感L，另一端接C_C；电阻R_L的一端接地，另一端与电容C_C、C_L和电阻R_DCR的连接点相连接；电容C_C的一端接电阻R_C，另一端与电阻R_DCR、R_L和电容C_L的连接点相连接；电容C_L的一端接地，另一端与电阻R_DCR、R_L和电容C_C的连接点相连接。其中，V_SENSE为电容C_C两端的电压差，V_DCR为电阻R_DCR两端的电压差，电感L，电阻R_DCR、R_C和电容C_C组成DCR采样网络，电感电流在电阻R_DCR上产生压降，通过采样Buck变换器中DCR采样电容C_C两端的电压差，就可以得到电阻R_DCR两端的电压差，进而得到一个与电感电流同频同相的电压信号。为了使Buck变换器中DCR采样电容C_C两端的电压差可以精准地等于电阻R_DCR两端的电压差，需要满足两个时间常数的匹配。

电感L支路的时间常数定义为：

τ_L＝L/R_DCR (1)

Buck变换器中DCR采样电容C_C支路的时间常数定义为：

两个时间常数匹配，公式如下所示：

由于DCR采样的特点，电流采样电路的设计存在以下几点困难：1、电路需要在输入电压等于零以及较低电压时可以正常工作，以保证软启动和短路保护时可以提供电流的控制能力；2、宽输出Buck变换器的输出电压往往低至基准，高至90％的输入电压，电流采样电路的共模输入电压变换范围较大，往往可以从零伏到几十伏变化，这就需要电路可以很好的适应这些工作条件。

发明内容

针对上述DCR采样存在的难以在输入电压为零或为较低电压时正常工作，以及难以适用于宽输出电压范围的Buck变换器等不足之处，本发明提出了一种能够在输入电压为零时正常工作且能够适应输入变化范围较大的DCR采样电路。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：

一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路，用于采样所述Buck变换器中DCR采样电容两端的电压；

所述DCR采样电路包括偏置模块、电平位移模块和电流采样模块，

所述偏置模块用于为所述电平位移模块和电流采样模块提供偏置；

所述电平位移模块的输入端连接所述DCR采样电容两端的电压，用于将所述DCR采样电容两端的电压抬升后作为所述电流采样模块的输入信号；

所述DCR采样电路还包括浮动电压产生模块，所述浮动电压产生模块由所述偏置模块提供偏置，用于产生随所述Buck变换器输出电压变化的浮动电源和浮动地作为所述电流采样模块的电源轨；

所述电流采样模块的输出信号作为所述DCR采样电路的输出信号。

具体的，所述浮动电压产生模块包括第十二PMOS管、第一NMOS管和齐纳二级管，

第一NMOS管的漏极连接电源电压，其源极输出所述浮动电源，其栅极连接齐纳二极管的阴极和所述偏置模块提供的第一偏置电压；

第十二PMOS管的栅极连接所述Buck变换器的输出电压，其漏极接地，其源极连接齐纳二极管的阳极并输出所述浮动地。

具体的，所述电流采样模块包括第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管、第十三PMOS管、第十四PMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第五NPN型三极管和第六NPN型三极管，

第五NPN型三极管的基极作为所述电流采样模块的第一输入端，其集电极连接第十一PMOS管的栅极、第八PMOS管的栅极和漏极，其发射极连接第二NMOS管的漏极并通过第三电阻后连接第三NMOS管的漏极和第六NPN型三极管的发射极；

第六NPN型三极管的基极作为所述电流采样模块的第二输入端，其集电极连接第十PMOS管的栅极、第九PMOS管的栅极和漏极；

第四NMOS管的栅漏短接并连接第二NMOS管和第三NMOS管的栅极以及所述偏置模块提供的第二偏置电压，其源极连接第二NMOS管和第三NMOS管的源极并连接所述浮动地；

第十PMOS管的源极连接第八PMOS管、第九PMOS管和第十一PMOS管的源极并连接所述浮动电源，其漏极连接第十三PMOS管的源极；

第十三PMOS管的栅极连接第十四PMOS管的栅极并连接所述Buck变换器的输出电压，其漏极作为所述DCR采样电路的第一输出端并通过第一电阻后接地；

第十四PMOS管的源极连接第十一PMOS管的漏极，其漏极作为所述DCR采样电路的第二输出端并通过第二电阻后接地。

具体的，所述电平位移模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NPN型三极管、第二NPN型三极管、第三NPN型三极管和第四NPN型三极管，

第一PMOS管和第二PMOS管的栅极分别作为所述电平位移模块的第一输入端和第二输入端连接所述Buck变换器中DCR采样电容的两端，它们的漏极均接地；

第一NPN型三极管的基极和集电极互连并连接第三NPN型三极管的发射极，其发射极连接第一PMOS管的源极；

第二NPN型三极管的基极和集电极互连并连接第四NPN型三极管的发射极，其发射极连接第二PMOS管的源极；

第三NPN型三极管的基极和集电极连接所述偏置模块产生的第三偏置电压并作为所述电平位移模块的第一输出端连接所述电流采样模块的第二输入端；

第四NPN型三极管的基极和集电极连接所述偏置模块产生的第四偏置电压并作为所述电平位移模块的第二输出端连接所述电流采样模块的第一输入端。

具体的，所述偏置模块包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和电流源，

第三PMOS管的栅极和漏极连接第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管和第七PMOS管的栅极并通过电流源后接地，其源极连接第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管和第七PMOS管的源极并连接电源电压；

第六PMOS管的漏极输出所述偏置模块的第一偏置电压；

第七PMOS管的漏极输出所述偏置模块的第二偏置电压；

第四PMOS管的漏极输出所述偏置模块的第三偏置电压；

第五PMOS管的漏极输出所述偏置模块的第四偏置电压。

本发明的有益效果为：本发明提出的DCR采样电路通过设置电平位移模块能够在输入电压为零或为低电压时正常工作，通过设置浮动电压产生模块使得本发明能够适应于输出电压变化范围较大的Buck变换器。

附图说明

图1为Buck变换器的DCR采样原理图。

图2为本发明提出的一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路在实施例中的结构示意图。

图3为实施例中本发明提出的一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路的关键节点的波形示意图。

图4为实施例中本发明提出的一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路在Buck变换器输出电压为0.1V时的关键节点的仿真波形图。

图5为实施例中本发明提出的一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路在Buck变换器输出电压为24V时的关键节点的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明提出的一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路，用于采样Buck变换器中DCR采样电容两端的电压；包括偏置模块、浮动电压产生模块、电平位移模块和电流采样模块，如图2所示给出了偏置电路的一种实现形式，利用第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7构成电流镜将电流源I_B镜像从而实现为浮动电压产生模块、电平位移模块和电流采样模块提供偏置的目的，第三PMOS管MP3的栅极和漏极连接第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7的栅极并通过电流源后接地，其源极连接第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7的源极并连接电源电压；第六PMOS管MP6的漏极输出偏置模块的第一偏置电压；第七PMOS管MP7的漏极输出偏置模块的第二偏置电压；第四PMOS管MP4的漏极输出偏置模块的第三偏置电压；第五PMOS管MP5的漏极输出偏置模块的第四偏置电压。Buck变换器的输出电压V_OUT也为DCR采样电路的一个偏置输入。

Buck变换器的输出电压V_OUT变化范围较大，这就需要电流采样电路可以在一个输入电压变化范围较大的条件下正常工作。为了解决这个问题，本发明通过在DCR采样电路中设置浮动电压产生模块产生随Buck变换器输出电压V_OUT变化的浮动电源和浮动地作为电流采样模块的电源轨，使得在不同的Buck变换器输出电压V_OUT条件下，本发明提出的DCR采样电路都可以正常的工作，更适用于宽输出电压范围的Buck变换器。如图2所示给出了浮动电压产生模块的一种实现形式，包括第十二PMOS管MP12、第一NMOS管MN1和齐纳二级管，第一NMOS管MN1的漏极连接电源电压，其源极输出浮动电源，其栅极连接齐纳二极管的阴极和偏置模块提供的第一偏置电压；第十二PMOS管MP12的栅极连接Buck变换器的输出电压，其漏极接地，其源极连接齐纳二极管的阳极并输出浮动地。

本发明提出的浮动电压产生模块，使电流采样模块的电源电位和地电位可以跟随Buck变换器输出电压V_OUT的变化而变化，于是，在不同的V_OUT条件下，电路都可以正常的工作。第十二PMOS管MP12、第一NMOS管MN1和齐纳二级管实现了这个功能，第十二PMOS管MP12栅极接Buck变换器输出电压V_OUT，源极输出浮动地作为接电流采样模块的地电位，这样，电流采样模块的地电位比Buck变换器输出电压V_OUT高第十二PMOS管MP12的栅源电压V_GS(MP12)的电位，大约为V_OUT+0.7V，并且跟随V_OUT的变化而变化。DZ为一个齐纳二极管，击穿电压大约5.8V，经过这个齐纳二极管，第一NMOS管MN1的栅极电压大约为V_OUT+6.5V，第一NMOS管MN1的栅源电压V_GS(MN1)大约为0.7V，所以，第一NMOS管MN1的源极电位大约为V_OUT+5.8V，且第一NMOS管MN1的源极输出浮动电源作为电流采样模块的电源电位。电流采样模块的浮动地到浮动电源的电压差大约为5.1V，为正常5V的MOS管工作的电压范围，更重要的是，浮动电源和浮动地的电位同时会跟随Buck变换器输出电压V_OUT的变化而变化。

当Buck变换器工作在软启动过程或短路保护过程中时，Buck变换器的输出电压V_OUT为一个很低的电压值，如果用NPN型三极管作为输入管直接采样，则NPN型三极管不能正常开启，从而采样电路不能实时的输出电感电流信息，会导致Buck变换器工作异常。为了解决这个问题，本发明设计了电平位移模块，电平位移模块的输入端连接DCR采样电容两端的电压，用于将DCR采样电容两端的电压抬升后作为电流采样模块的输入信号。如图2所示给出了电平位移模块的一种实现形式，包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NPN型三极管QN1、第二NPN型三极管QN2、第三NPN型三极管QN3和第四NPN型三极管QN4，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的栅极分别作为电平位移模块的第一输入端和第二输入端连接Buck变换器中DCR采样电容的两端，它们的漏极均接地；第一NPN型三极管QN1的基极和集电极互连并连接第三NPN型三极管QN3的发射极，其发射极连接第一PMOS管MP1的源极；第二NPN型三极管QN2的基极和集电极互连并连接第四NPN型三极管QN4的发射极，其发射极连接第二PMOS管MP2的源极；第三NPN型三极管QN3的基极和集电极连接偏置模块产生的第三偏置电压并作为电平位移模块的第一输出端连接电流采样模块的第二输入端；第四NPN型三极管QN4的基极和集电极连接偏置模块产生的第四偏置电压并作为电平位移模块的第二输出端连接电流采样模块的第一输入端。

其中第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NPN型三极管QN1、第二NPN型三极管QN2、第三NPN型三极管QN3和第四NPN型三极管QN4的作用是将电平位移模块的输入电压抬升V_GS+2·V_BE，数值大约为2.2V，这样可以保证在Buck变换器的输出电压V_OUT为零时，电流采样模块的输入对管第五NPN型三极管QN5和第六NPN型三极管QN6可以正常工作。

电流采样模块根据电平位移模块的输出信号产生DCR采样电路的输出信号，其电源轨由浮动电压产生电路提供，如图2所述给出了电流采样模块的一种实现形式，包括第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十三PMOS管、第十四PMOS管、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第五NPN型三极管QN5和第六NPN型三极管QN6，第五NPN型三极管QN5的基极作为电流采样模块的第一输入端，其集电极连接第十一PMOS管MP11的栅极、第八PMOS管MP8的栅极和漏极，其发射极连接第二NMOS管MN2的漏极并通过第三电阻后连接第三NMOS管MN3的漏极和第六NPN型三极管QN6的发射极；第六NPN型三极管QN6的基极作为电流采样模块的第二输入端，其集电极连接第十PMOS管MP10的栅极、第九PMOS管MP9的栅极和漏极；第四NMOS管MN4的栅漏短接并连接第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的栅极以及偏置模块提供的第二偏置电压，其源极连接第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的源极并连接浮动地；第十PMOS管MP10的源极连接第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9和第十一PMOS管MP11的源极并连接浮动电源，其漏极连接第十三PMOS管的源极；第十三PMOS管的栅极连接第十四PMOS管的栅极并连接Buck变换器的输出电压，其漏极作为DCR采样电路的第一输出端并通过第一电阻后接地；第十四PMOS管的源极连接第十一PMOS管MP11的漏极，其漏极作为DCR采样电路的第二输出端并通过第二电阻后接地。

由于电流采样模块的浮动电源到浮动地的电压差为5.1V，所以电流采样模块中的第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11都可以采用普通5V的MOS管，极大的提高了电流镜的镜像精度，提高电流采样结构的性能。

电平位移模块中的第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2，偏置模块中的第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7，浮动电压产生模块中的第十二PMOS管MP12，以及电流采样模块中的第十三PMOS管、第十四PMOS管可以为耐高压型的PMOS；浮动电压产生模块中的NM1为耐高压型的NMOS。

电流采样模块为本发明电路的核心结构，第五NPN型三极管QN5和第六NPN型三极管QN6为差分输入对管，第三电阻R_SS为发射极反馈电阻，用来实现输入级的恒跨导并且跨导可控；第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3为两个尾电流源；第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10和第八PMOS管MP8、第十一PMOS管MP11分别为两组电流镜，镜像比都为1:K，用来镜像复制输入级产生的差分电流；第一电阻R_S1和第二电阻R_S2为负载电阻，将电流转化为电压并输出到后一级电路。电流采样电路的小信号增益表达式如下所示：

其中，

W₁₀是第十NMOS管的沟道宽度，L₁₀是第十NMOS管的沟道长度，W_8,9,11和L_8，9，11同理。

从公式(4)可以看出，电流采样电路的小信号增益只和K、R_SS、R_S1和R_S2有关，不受输入级NPN管跨导的影响，合理的设置K、R_SS、R_S1和R_S2的值，就可以得到合适的电路增益，从而可以使电流采样电路在V_OUT电压较低且V_OUT变化范围较大的条件下完成DCR采样。

如图4和图5可以看出，本发明提出的DCR采样电路分别在Buck变换器输出电压为0.1V和24V时都可以稳定精准地输出电感电流信息。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路，用于采样所述Buck变换器中DCR采样电容两端的电压；

所述DCR采样电路包括偏置模块、电平位移模块和电流采样模块，

所述偏置模块用于为所述电平位移模块和电流采样模块提供偏置；

所述电平位移模块的输入端连接所述DCR采样电容两端的电压，用于将所述DCR采样电容两端的电压抬升后作为所述电流采样模块的输入信号；

其特征在于，所述DCR采样电路还包括浮动电压产生模块，所述浮动电压产生模块由所述偏置模块提供偏置，用于产生随所述Buck变换器输出电压变化的浮动电源和浮动地作为所述电流采样模块的电源轨；

所述电流采样模块的输出信号作为所述DCR采样电路的输出信号。

2.根据权利要求1所述应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路，其特征在于，所述浮动电压产生模块包括第十二PMOS管、第一NMOS管和齐纳二级管，

第一NMOS管的漏极连接电源电压，其源极输出所述浮动电源，其栅极连接齐纳二极管的阴极和所述偏置模块提供的第一偏置电压；

第十二PMOS管的栅极连接所述Buck变换器的输出电压，其漏极接地，其源极连接齐纳二极管的阳极并输出所述浮动地。

3.根据权利要求1或2所述应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路，其特征在于，所述电流采样模块包括第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管、第十三PMOS管、第十四PMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第五NPN型三极管和第六NPN型三极管，

第五NPN型三极管的基极作为所述电流采样模块的第一输入端，其集电极连接第十一PMOS管的栅极、第八PMOS管的栅极和漏极，其发射极连接第二NMOS管的漏极并通过第三电阻后连接第三NMOS管的漏极和第六NPN型三极管的发射极；

第六NPN型三极管的基极作为所述电流采样模块的第二输入端，其集电极连接第十PMOS管的栅极、第九PMOS管的栅极和漏极；

第四NMOS管的栅漏短接并连接第二NMOS管和第三NMOS管的栅极以及所述偏置模块提供的第二偏置电压，其源极连接第二NMOS管和第三NMOS管的源极并连接所述浮动地；

第十PMOS管的源极连接第八PMOS管、第九PMOS管和第十一PMOS管的源极并连接所述浮动电源，其漏极连接第十三PMOS管的源极；

第十三PMOS管的栅极连接第十四PMOS管的栅极并连接所述Buck变换器的输出电压，其漏极作为所述DCR采样电路的第一输出端并通过第一电阻后接地；

第十四PMOS管的源极连接第十一PMOS管的漏极，其漏极作为所述DCR采样电路的第二输出端并通过第二电阻后接地。

4.根据权利要求3所述的应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路，其特征在于，所述电平位移模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NPN型三极管、第二NPN型三极管、第三NPN型三极管和第四NPN型三极管，

第一PMOS管和第二PMOS管的栅极分别作为所述电平位移模块的第一输入端和第二输入端连接所述Buck变换器中DCR采样电容的两端，它们的漏极均接地；

第一NPN型三极管的基极和集电极互连并连接第三NPN型三极管的发射极，其发射极连接第一PMOS管的源极；

第二NPN型三极管的基极和集电极互连并连接第四NPN型三极管的发射极，其发射极连接第二PMOS管的源极；

第三NPN型三极管的基极和集电极连接所述偏置模块产生的第三偏置电压并作为所述电平位移模块的第一输出端连接所述电流采样模块的第二输入端；

第四NPN型三极管的基极和集电极连接所述偏置模块产生的第四偏置电压并作为所述电平位移模块的第二输出端连接所述电流采样模块的第一输入端。

5.根据权利要求4所述的应用于宽输出电压范围Buck变换器的DCR采样电路，其特征在于，所述偏置模块包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和电流源，

第三PMOS管的栅极和漏极连接第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管和第七PMOS管的栅极并通过电流源后接地，其源极连接第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管和第七PMOS管的源极并连接电源电压；

第六PMOS管的漏极输出所述偏置模块的第一偏置电压；

第七PMOS管的漏极输出所述偏置模块的第二偏置电压；

第四PMOS管的漏极输出所述偏置模块的第三偏置电压；

第五PMOS管的漏极输出所述偏置模块的第四偏置电压。

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