CN110247551B - 电流控制电路及功率变换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电流控制电路及功率变换器。采用一个检测管，并通过特定的连接方式，使得当流过待测功率管的电流等于流过检测管的电流N倍时，关断待测功率管，以实现电流控制。同时在比较电路中合理设定供电电压并引入辅助电压，以使控制点的电流可以是正值或负值。

Description

电流控制电路及功率变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及电流控制电路及功率变换器。
背景技术
对于任何功率变换器(包括AC-DC、DC-DC、DC-AC以及AC-AC)来说具有电流控制的功能是至关重要的。一些电路甚至需要精确的电流调节或电流反馈。因此，电流检测技术非常重要。
电阻检测是一种广泛应用的电流检测方法。它可以被设置在需要检测电流的电路回路中。但是这种方法会引入额外的通态损耗，因此对于大电流应用场合不适用。
一种常见的无损电流检测方法是使用功率管的导通电阻(Rds_on)来检测电流。当功率管导通时，其两端的电压等于流过其的电流与导通电阻Rds_on的乘积。但是，导通电阻Rds_on的值在不同阶段的变化很大，且其值还会随温度变化。因此，这些会使得电流检测电路更复杂且精度不是很好。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是仅采用一个检测管使得当流过待测功率管的电流等于流过检测管的电流N倍时，关断待测功率管，以实现精确的电流控制。同时在比较电路中合理设定供电电压并引入辅助电压，以使控制点的电流可以是正值或负值。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于功率变换器的电流控制电路，包括检测管，被配置为产生检测电流，其中所述检测电流在第一时刻与流过所述功率变换器中待测功率管的电流成比例；比较电路，被配置为比较所述检测电流与参考电流以输出控制信号；以及辅助电压产生电路，被配置为产生辅助电压，以使得所述比较电路能够接收双向的参考电流，其中所述参考电流表征所述功率变换器期望的输出电流。
优选地，所述第一时刻为所述检测电流等于所述参考电流的时刻。
优选地，所述检测管的一个功率端与所述待测功率管的相同类型的一个功率端连接，且所述检测管和所述功率管的控制端共同连接。
优选地，所述检测管与所述待测功率管的类型相同，所述检测管的面积是所述待测功率管的1/N(N为正数)。
优选地，所述比较电路包括比较器，其两个输入端分别与所述检测管和所述待测功率管的一个相同类型的功率端连接，其输出端输出所述控制信号。
优选地，与所述比较器的一个输入端相连的所述待测功率管的功率端的电压在所述待测功率管导通时为定值。
优选地，所述辅助电压的负极与所述比较器的另一输入端相连，正极与参考电流产生电路相连，所述参考电流产生电路用以产生所述参考电流。
优选地，所述比较器被配置为比较所述两个输入端的电压，当所述第一和第二输入端的电压相等时，所述控制信号有效，其中在所述第一和第二输入端的电压相等时，流过所述检测管的所述检测电流与流过所述待测功率管的电流成比例，且所述检测电流等于所述参考电流。
优选地，所述比较器的正负供电端的电压分别为第一电压和第二电压，所述辅助电压大于所述第二电压且小于所述第一电压。
优选地，所述第二电压为所述待测功率管一端的电压，所述第一电压为所述第二电压加上所述比较器的工作电压。
优选地，所述辅助电压产生电路包括电容；以及电压源，与所述电容并联，以在所述功率管关断时使得所述电容充放电至所述辅助电压。
优选地，所述辅助电压产生电路还包括箝位电路，与所述电容并联，以使得所述电容两端电压小于所述第二电压与所述第一电压的差值。
优选地，所述检测管与所述待测功率管均为场效应晶体管。
根据本发明的第二方面，提供了一种功率变换器，包括功率级电路，以及上述任一种电流控制电路，其中所述功率级电路包括至少一个待测功率管。
综上所述，本发明通过采用一个检测管，并通过特定的连接方式，使得当流过待测功率管的电流等于流过检测管的电流N倍时，关断待测功率管，以实现电流控制。同时在比较电路中合理设定供电电压并引入辅助电压，以使控制点的电流可以是正值或负值。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明实施例的第一种电流控制电路的电路图；
图2为本发明实施例的电流控制电路的谷值电流控制的波形图；
图3为本发明实施例的第二种电流控制电路的电路图；
图4为本发明实施例的第三种电流控制电路的电路图；
图5为本发明实施例的电流控制电路的峰值电流控制的波形图；
图6为本发明实施例的第四种电流控制电路的电路图；
图7为本发明实施例的辅助电压产生电路的具体电路图；以及
图8为本发明实施例的箝位电路的电路实现图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1给出了本发明实施例的第一种电流控制电路的电路图。以Buck变换器为例，同步整流的Buck变换器中有功率管HS和功率管LS。在本实施例中，以检测管和功率管均为MOSFET为例进行说明。应理解，其他类型的开关管，例如双极结型晶体管BJT也可以适用于本实施例中，只要保证检测管与功率管的结构类型相同。
在本实施例中，以谷值控制为例进行说明。电流控制电路包括检测管LSs、比较电路以及辅助电压产生电路，其中流过检测管的检测电流在第一时刻与流过待测功率管的电流成比例，以此来进行电流控制。在此，以待测功率管为功率管LS为例进行说明，功率管LS为N型MOSFET。检测管LSs和功率管LS的控制端(在此为栅极)相连，且检测管LSs和功率管LS的相同类型的一个功率端(在此为漏极)相连，即两个管子为共栅共漏连接。比较电路分别比较检测管LSs和功率管LS的另一个相同类型的功率端(在此为源极)的电压，并输出控制信号Vctrl。在本实施例中，功率管LS的源极电压为固定值，在此为零。在本实施例中，检测管与待测功率管的类型相同，检测管的面积是待测功率管的1/N(N为正数)。由于导通电阻的比例与功率管的面积成反比，这很容易通过布局控制，并且该值对工艺变化不敏感，因此检测管的导通电阻为待测功率管的N倍。容易理解，当比较电路的两个输入端电压相等时(即第一时刻)，流过检测管的检测电流是流过待测功率管的电流的1/N。辅助电压产生电路用以产生辅助电压，以使得比较电路能够接收双向的参考电流Iref，其表征Buck变换器期望的输出电流。
在本实施例中，比较电路包括比较器cmpr，其第一输入端(在此为同相输入端)与检测管LSs的源极相连，其第二输入端(在此为反相输入端)与功率管LS的源极相连。由于功率管LS的源极接地，因此比较器cmpr的反相输入端也可以直接接地。同时，Buck变换器的参考电流Iref由参考电流产生电路产生，辅助电压产生电路连接在参考电流产生电路与比较器cmpr的第一输入端之间，其中辅助电压产生电路产生辅助电压V2，其负极与第一输入端相连。由于辅助电压产生电路的存在，比较器cmpr的能够接收双向的参考电流Iref，即辅助电压产生电路同时具有吸收和提供电流的能力。
如上所述，检测管LSs和功率管LS的栅极和漏极电压相同，且检测管LSs和功率管LS的结构类型相同，检测管LSs的导通电阻是功率管LS的导通电阻的N倍，当比较器的两个输入端电压相等时，即检测管LSs和功率管LS的源极电压相等时(栅源电压Vgs和漏源电压Vds均相同)，流过检测管LSs的检测电流Isen为流过功率管LS的电流IL的1/N，此时比较器的输出端输出有效的控制信号Vctrl。
此外，比较器cmpr的正负供电端的电压分别为第一电压Vp和第二电压Vn，在本实施例中第二电压Vn接地，第一电压Vp为比较器正常工作电压Vcc。同时辅助电压产生电路输出的辅助电压V2大于第二电压Vn且小于第一电压Vp。当参考电流Iref为正时(如图示方向)，即流入辅助电压产生电路，此时辅助电压产生电路吸收电流。当比较器cmpr的两个输入端电压相等时(即等于零)，此时想要产生反向的参考电流，即需要参考电流产生电路的电位小于零，而一般电路中直接生成负压比较困难，因此增加辅助电压产生电路，即辅助电压产生电路提供电流，从而使得参考电流Iref可以为双向。
图2给出了根据本发明实施例的电流控制电路的谷值电流控制的波形图。为简化说明，省略了有关电路和信号传输的延迟。从上到下依次是电感电流IL的1/N(IL/N)、参考电流Iref，控制信号Vctrl以及功率管LS的驱动信号GL的波形。结合图1，由于检测管LSs和功率管LS的栅极和漏极分别相连，当比较器cmpr的第一输入端(在此为同相输入端)的电压VA等于第二输入端(在此为反相输入端)的电压VB时，流过检测管LSs的检测电流与流过功率管LS的电流成比例。其中第一输入端的电压VA可以表示为：
VA＝Iref×Rdson1-IL×Rdson＝Rdson1×(Iref-IL/N)
式中Rdson1为检测管LSs的导通电阻，Rdson为功率管LS的导通电阻，且Rdson1是Rdson的N倍。当电感电流比较大的时候，电流IL/N大于参考电流Iref，从而VA<VB＝0，比较器cmpr输出的控制信号Vctrl为低。当电感电流下降到使得比较器第一输入端的电压VA增大到第二输入端的电压VB时(也即在第一时刻)，也即当电流IL/N减小到参考电流Iref时，比较器cmpr输出的控制信号Vctrl置高，功率管LS关断，HS开通，电感电流增大。当电感电流增大使得VA小于VB时，比较器cmpr输出的控制信号Vctrl翻转置低，控制信号Vctrl成为一个窄脉冲波形。从图2中可以看出，控制信号Vctrl在电流IL/N的每个开关周期的谷值处产生高电平，以用于谷值电流的控制，以控制功率变换器中的功率器件进行开关动作。本领域技术人员应当理解，任何等同的电路实现方式均在本发明的保护范围之内。
同时，容易理解，采样本实施例的电流控制电路通过简单的调整即可用于峰值电流控制。
图3给出了本发明实施例的第二种电流控制电路的电路图。与图1相比，其不同之处在于，检测管LSs和功率管LS的栅极相连，且检测管LSs和功率管LS的源极相连，即两个管子为共栅共源连接。比较器cmpr的第一输入端(在此为同相输入端)与检测管LSs的漏极相连，第二输入端(在此为反相输入端)与功率管LS的源极通过第一开关S1相连，其中第一开关S1的开关状态与功率管LS相同。当功率管LS导通时，第一开关S1也导通，比较器cmpr的第二输入端下拉接地，在功率管LS导通期间，第一输入端的电压VA仍然满足上述关系，其工作过程与图1中相同。也即当VA<VB(即VA<0)时，也即当参考电流Iref小于IL/N时，比较器cmpr输出的控制信号Vctrl置低。当电感电流减小，使得VA增大到VB时，比较器cmpr输出的控制信号Vctrl置高。当功率管LS关断时，S1也关断，电流控制电路不工作。
图4给出了本发明实施例的第三种电流控制电路的电路图。在本实施例中，待测功率管为功率管HS，如图所示，在本实施例中，功率管HS为P型MOSFET。此时，电流控制电路包括检测管HSs、比较电路以及辅助电压产生电路。检测管HSs和功率管HS的控制端(在此为栅极)相连，且检测管HSs和功率管HS的相同类型的一个功率端(在此为漏极)相连，即两个管子为共栅共漏连接。比较电路分别比较检测管HSs和功率管HS的另一个相同类型的功率端(在此为源极)的电压，并输出控制信号Vctrl，其中功率管HS的源极电压为固定值，在此为Vin。
同样，检测管HSs与功率管HS的类型相同，检测管的面积是待测功率管的1/N(N为正数)。由于导通电阻的比例与功率管的面积成反比，这很容易通过布局控制，并且该值对工艺变化不敏感，因此检测管的导通电阻为待测功率管的N倍。容易理解，当比较电路的两个输入端电压相等时，流过检测管的检测电流是流过待测功率管的电流的1/N。辅助电压产生电路用以产生辅助电压，以使得比较电路能够接收双向的参考电流Iref，其表征Buck变换器期望的输出电流。
比较器cmpr的第一输入端(在此为反相输入端)与检测管HSs的源极相连，其第二输入端(在此为同相输入端)与功率管HS的源极相连(即与输入电压Vin相连)。Buck变换器的参考电流Iref由参考电流产生电路产生，辅助电压产生电路连接在参考电流产生电路与比较器cmpr的第一输入端之间，其中辅助电压产生电路产生辅助电压V2，其负极与第一输入端相连。由于辅助电压产生电路的存在，比较器cmpr的能够接收双向的参考电流Iref，即辅助电压产生电路同时具有吸收和提供电流的能力。
此外，比较器cmpr的正负供电端的电压分别为第一电压Vp和第二电压Vn，在本实施例中第二电压Vn＝Vin，第一电压Vp＝Vin+Vcc，其中Vcc为比较器正常工作电压。同时辅助电压产生电路输出的辅助电压V2大于第二电压Vn且小于第一电压Vp。当参考电流Iref为正时(如图示方向)，即流入辅助电压产生电路，此时辅助电压产生电路吸收电流。当比较器的第一输入端(在此为反相输入端)的电压VA和第二输入端(在此为同相输入端)的电压VB相等时，即VA＝VB＝Vin，此时由于需要参考电流产生电路的电位大于Vin，参考电流Iref才能为正方向，而一般电路中直接生成大于Vin的电压比较困难，因此增加辅助电压产生电路，从而使得参考电流Iref可以为双向。
图5给出了本发明实施例的电流控制电路峰值电流控制的波形图。从上到下依次是电感电流IL的1/N(IL/N)、参考电流Iref、控制信号Vctrl以及功率管HS的驱动信号GH的波形。参考图4，由于检测管HSs和功率管HS的栅极和漏极分别相连，当比较器的第一输入端(在此为反相输入端)的电压VA等于第二输入端(在此为同相输入端)的电压VB时，流过检测管HSs的检测电流与流过功率管HS的电流成比例。其中第一输入端的电压VA可以表示为：
VA＝Vin-IL×Rdson+Iref×Rdson1＝Vin+Rdson1×(Iref-IL/N)
式中Rdson1为检测管HSs的导通电阻，Rdson为功率管HS的导通电阻，且Rdson1是Rdson的N倍。
当电感电流比较小时，电流IL/N小于参考电流Iref，使得VA>VB(即VA>Vin)时，比较器cmpr输出的控制信号Vctrl置低。当电感电流逐渐增大，使得VA减小到VB时，比较器cmpr翻转，输出的控制信号Vctrl置高，从而控制功率管HS关断，功率管LS开通，使得电感电流增大。从图5中可以看出，控制信号Vctrl在电流IL/N的每个开关周期的峰值处产生高电平，以用于峰值电流控制，以控制功率变换器中的功率器件进行开关动作。本领域技术人员应当理解，任何等同的电路实现方式均在本发明的保护范围之内。
图6给出了本发明实施例的第四种电流控制电路的电路图。与图4相比，其不同之处在于，检测管HSs和功率管HS的栅极相连，且检测管HSs和功率管HS的源极相连，即两个管子为共栅共源连接。比较器cmpr的第一输入端(在此为同相输入端)与检测管HSs的漏极相连，第二输入端(在此为反相输入端)与功率管HS的源极通过第一开关S1相连，其中第一开关S1的开关状态与功率管HS相同。当功率管HS导通时，第一开关S1也导通，比较器cmpr的第二输入端的电压为Vin，在功率管HS导通期间，第一输入端的电压VA仍然满足上述关系，其工作过程与图4中相同。也即当电流IL/N小于参考电流Iref，VA>VB(即VA>Vin)，比较器cmpr输出的控制信号Vctrl置低。当电感电流逐渐增大，使得VA减小到VB时，比较器cmpr翻转，输出的控制信号Vctrl置高。当功率管HS关断时，S1也关断，电流控制电路不工作。
应理解，上述实施例仅以峰值电流控制为例进行说明，本领域技术人员通过简单的改变即可利用上述实施例实现谷值电流控制。
本领域技术人员应该理解，通过上述方法得到的控制信号可以用于进行功率管的开关控制或者进行电流保护等。
图7给出了本发明实施例的辅助电压产生电路的具体电路图。如图7所示，辅助电压产生电路包括电压源Vbias、开关管S2和S3以及电容C1。开关管S2和S3受控在待测功率管关断时导通，使得电容C1通过电压源Vbias充放电至Vbias，也即此时电压V2等于Vbias，其值大于第二电压Vn小于第一电压Vp。电压源Vbias具有吸收和提供电流的能力。电容C1的容值足够大以使得检测电流Isen在一个开关周期内对其充放电时，电容电压始终保持在第二电压Vn至第一电压Vp的范围内。
当然，还可以在电容两端增加箝位电路以增强电流吸收能力，同时可以钳位电容电压，保证无论检测电流Isen对电容C1的充电效果如何，电容上的电压V2始终小于Vcc。应理解，可以在电容C1两端并联稳压二极管、级联的耦合二极管或其他具有电压箝位效果的电路来实现。
图8给出了本发明实施例的箝位电路的电路实现图。如图所示，箝位电路采用运算放大器A1实现，其同相输入端连接至开关管S2的漏极，反相输入端连接至输出端，同时输出端与开关管S2的栅极相连，最终的箝位效果是开关管S2两端的电压为箝位在栅极阈值电压Vth，从而电容C1两端的电压被箝位在Vth+Vbias，由于Vth较小，因此合理的设置电压源Vbias，即可以保证电容电压始终保持在第二电压Vn至第一电压Vp的范围之内，即保证辅助电压产生电路输出的辅助电压V2大于Vn且小于Vp。
综上所述，本发明公开了一种用于功率变换器的电流控制电路。采用一个检测管，并通过特定的连接方式，使得当流过待测功率管的电流等于流过检测管的电流N倍时，关断待测功率管，以实现电流控制。同时在比较电路中合理设定供电电压并引入辅助电压，以使控制点的电流可以是正值或负值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理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 (14)

1.一种用于功率变换器的电流控制电路，其特征在于，所述电流控制电路包括：
检测管，被配置为产生检测电流，其中所述检测电流在第一时刻与流过所述功率变换器中待测功率管的电流成比例；
比较电路，被配置为比较所述检测电流与参考电流以输出控制信号；
参考电流产生电路，被配置为产生所述参考电流，以用于比较流过所述待测功率管的电流；以及
辅助电压产生电路，连接在所述参考电流产生电路和所述比较电路之间，被配置为产生辅助电压，以抬升所述参考电流产生电路的电位，从而使得所述参考电流产生电路产生双向的参考电流，其中所述参考电流表征所述功率变换器期望的电感电流控制值，
其中，所述待测功率管在所述第一时刻受所述控制信号控制而关断。
2.根据权利要求1所述的电流控制电路，其特征在于，所述第一时刻为所述检测电流等于所述参考电流的时刻。
3.根据权利要求1所述的电流控制电路，其特征在于，所述检测管的一个功率端与所述待测功率管的相同类型的一个功率端连接，且所述检测管和所述功率管的控制端共同连接。
4.根据权利要求1所述的电流控制电路，其特征在于，所述检测管与所述待测功率管的类型相同，所述检测管的面积是所述待测功率管的1/N(N为正数)。
5.根据权利要求1所述的电流控制电路，其特征在于，所述比较电路包括比较器，其两个输入端分别与所述检测管和所述待测功率管的一个相同类型的功率端连接，其输出端输出所述控制信号。
6.根据权利要求5所述的电流控制电路，其特征在于，与所述比较器的一个输入端相连的所述待测功率管的功率端的电压在所述待测功率管导通时为定值。
7.根据权利要求6所述的电流控制电路，其特征在于，所述辅助电压的负极与所述比较器的另一输入端相连，正极与参考电流产生电路相连，所述参考电流产生电路用以产生所述参考电流。
8.根据权利要求5所述的电流控制电路，其特征在于，所述比较器被配置为比较所述两个输入端的电压，当所述两个输入端的电压相等时，所述控制信号有效，其中在所述两个输入端的电压相等时，流过所述检测管的所述检测电流与流过所述待测功率管的电流成比例，且所述检测电流等于所述参考电流。
9.根据权利要求5所述的电流控制电路，其特征在于，所述比较器的正负供电端的电压分别为第一电压和第二电压，所述辅助电压大于所述第二电压且小于所述第一电压。
10.根据权利要求9所述的电流控制电路，其特征在于，所述第二电压为所述待测功率管一端的电压，所述第一电压为所述第二电压加上所述比较器的工作电压。
11.根据权利要求9所述的电流控制电路，其特征在于，所述辅助电压产生电路包括：
电容；以及
电压源，与所述电容并联，以在所述功率管关断时使得所述电容充放电至所述辅助电压。
12.根据权利要求11所述的电流控制电路，其特征在于，所述辅助电压产生电路还包括：
箝位电路，与所述电容并联，以使得所述电容两端电压小于所述第二电压与所述第一电压的差值。
13.根据权利要求1所述的电流控制电路，其特征在于，所述检测管与所述待测功率管均为场效应晶体管。
14.一种功率变换器，包括：
功率级电路，以及权利要求1-13任一项所述的电流控制电路，
其中所述功率级电路包括至少一个待测功率管。
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