CN110572038A - 一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路 - Google Patents

一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，包括控制芯片IC，在IC内部设有MOSFET管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一固定电流源、第一比较器、ON Control模块、逻辑判断模块、Driver驱动模块，MOSFET管的Drain端连接开关功率转换器中变压器的原边电感，第一、第二NMOS管的Gate端为同一驱动信号，ON Control模块用于控制第一、第二NMOS管的导通，第一比较器用于控制第一、第二NMOS管的关断，第一、第二NMOS管工作于深度线性工作区，第一NMOS管的Drain端电压固定，第二NMOS管的Drain端电压由原边电感的电流决定，通过第一、第二NMOS管实现原边电感电流采样控制原边关断。该电路结构简单，控制精确可靠，降低了成本的同时也精简了外围。

Description

一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路
技术领域
本发明涉及功率转换器技术领域，尤其涉及一种可用于开关功率转换器中的电感电流检测电路。
背景技术
开关功率转换器因其较高的效率、较小的尺寸，被广泛用于为各类电子设备供电。开关功率转换器的本质就是不断地控制功率管的开和关，在每个开关周期内为输出传输能量包，通过检测输出电压电流的情况，调整开关频率或占空比，确保从输入到输出传输的能量能够满足输出负载的要求。
目前的开关功率转换器主流AC-DC（PSR模式）转换架构如图1所示，AC是220V的交流市电；D1~D4构成整流桥；C1为滤波电容，与整流桥共同构成交流转直流电路；IC为控制芯片，T1为变压器，包含原边电感Lp，次级电感Ls，辅助电感La；R1、C2构成控制芯片IC的供电网络；D5为供电二极管，辅助电感La通过该二极管为控制芯片IC供电；R2、R3构成辅助电感La的采样网络,中间结点连接控制芯片IC的FB脚；D6为输出二极管；Co为输出电容；MOSFET为开关功率管；RCS为电感电流采样电阻，并与控制芯片IC的CS脚连接。控制芯片IC的功能就是不断导通或关断开关功率管MOSFET，功率管导通期间，变压器原边电感储存能量，功率管关断期间，原边电感的能量传输到次级电感，从而为输出提供能量。
控制芯片IC的FB脚检测辅助电感La的相关信息，经过相关处理后用于控制开启功率管MOSFET，CS脚检测电感电流采样电阻RCS的电压，与内部基准Vref进行比较，用于关断功率管MOSFET,需要说明的是，功率管MOSFET导通期间，原边电感电流以固定斜率上升，因此RCS上的电压也以固定斜率上升。
当前，电源方案的发展要求性能越来越好的情况下，同时也在追求极致的成本，极小的体积，极简的外围。其中，欲精简外围器件，在设计时如何将外围器件集成进控制芯片IC成为重要突破口。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，电路中通过在控制芯片IC内集成电流采样功能，以省去现有开关功率转换器中的电感电流采样电阻Rcs，既降低了成本，又精简了外围。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，应用于具有变压器的开关功率转换器中，包括控制芯片IC，在控制芯片IC内部设有MOSFET管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一固定电流源、第一比较器、ON Control模块、逻辑判断模块、Driver驱动模块，MOSFET管的Drain端连接开关功率转换器中变压器的原边电感，MOSFET管的Source端连接第二NMOS管的Drain端，第一固定电流源的输入端接电源VDD，第一NMOS管的Drain端接第一固定电流源的输出端，第一NMOS管和第二NMOS管的Source端均接地，第一NMOS管的Drain端连接第一比较器的正输入端，第二NMOS管的Drain端连接第一比较器的负输入端，第一比较器的输出端连接逻辑判断模块的第一输入端，逻辑判断模块的的输出端连接Driver驱动模块的输入端，第一NMOS管和第二NMOS管的Gate端均连接Driver驱动模块的输出端，ON Control模块的输入端引出作为控制芯片IC的FB引脚，ON Control模块的输出端连接逻辑判断模块的第二输入端。
作为本发明的一种改进， 所述MOSFET管采用增强型MOSFET管时，为一常通器件，MOSFET管的Gate端引出作为控制芯片IC的VIN引脚，所述MOSFET管采用耗尽型MOSFET管时，MOSFET管的Gate端接地。
作为本发明的一种改进， 所述第一NMOS管和第二NMOS管的尺寸比例为1：n，并在当第一NMOS管和第二NMOS管的Gate端为高电平时，第一NMOS管和第二NMOS管工作于深线性工作区，当MOS管处于深线性工作区时，其导通电阻Rds可表示为：
其中，表示电子迁移率，表示单位面积栅氧化物电容，W表示MOS管的沟宽，L表示MOS管的沟长，Vgs为栅源电压，Vth为阈值电压。
作为本发明的一种改进， 所述ON Control模块采用过零比较器设计实现，所述Driver驱动模块采用电流驱动放大器设计实现。
作为本发明的一种改进， 所述逻辑判断模块采用RS触发器，第一比较器的输出端连接RS触发器的R输入端，RS触发器的输出端连接Driver驱动模块的输入端，ON Control模块的输出端连接RS触发器的S输入端。
作为本发明的一种改进， 还包括第三NMOS管、第二比较器、第二固定电流源，第二固定电流源的输入端接电源VDD，第三NMOS管的Drain端接第二固定电流源的输出端，第二NMOS管的Drain端连接第二比较器的正输入端，第三NMOS管的Drain端连接第二比较器的负输入端，第二比较器的输出端连接逻辑判断模块的锁存输入端（latch）。
作为本发明的一种改进， 所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管的尺寸比例为1：n：1。
作为本发明的一种改进， 所述第三NMOS管的面积大于第一NMOS管的面积。
作为本发明的一种改进， 所述第二固定电流源的电流值大于或等于第一固定电流源的电流值。
相对于现有技术，本发明所提出的电感电流检测电路整体结构设计巧妙，结构合理紧凑，易于制作实现，在电路中将MOSFET管集成到控制芯片IC中，并在控制芯片IC中增加第一、第二NMOS管、第一比较器、第一固定电流源、逻辑判断模块、Driver驱动模块，利用工作于深线性区的MOS管导通电阻与其面积成反比的关系间接实现控制芯片IC的电感电流采样及控制功能；将该电路应用于开关功率转换器中，可通过其中的MOSFET管及第一、第二NMOS管组合使用实现对变压器中原边电感的电流采样控制原边电感关断的功能，控制性能稳定可靠，有效省去了传统的开关功率转换器外围电路中的采样电阻，降低了成本的同时也精简了控制芯片IC的外围。同时，在电路中增加一个由第二固定电流源和第三NMOS管组成的MOS管支路以及第二比较器，可进一步实现原边电感电流的过流保护功能，为开关功率转换器的全集成方案发展提供了一种积极有效的设计思路。
附图说明
图1为现有技术中的开关功率转换器的架构图。
图2为应用本发明所提出的电感电流检测电路的开关功率转换器的结构示意图。
图3为本发明所提出的具有过流保护功能的电感电流检测电路图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
本发明针对开关功率转换器提供了一种省去电感电流采样电阻Rcs的思路，然而在控制芯片IC内部直接集成一个采样电阻是不可取的，通常电感电流采样电阻仅需要1欧姆或零点几欧姆，在工艺上是无法精确控制的，因此只能通过改进控制芯片IC的电路结构来实现。
如图2所示，为一种省去了电感电流采样电阻的适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，应用于具有变压器的开关功率转换器中，包括控制芯片IC，将MOSFET管集成到控制芯片IC内，具体可通过封装或直接集成的方式实现，在控制芯片IC内部设有第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一固定电流源I1、第一比较器CMP1、ON Control模块、逻辑判断模块、Driver驱动模块，MOSFET管的Drain端引出作为电感电流采样控制端，并连接开关功率转换器中变压器的原边电感Lp，MOSFET管的Source端连接第二NMOS管N2的Drain端，第一固定电流源I1的输入端接电源VDD，第一NMOS管N1的Drain端接第一固定电流源I1的输出端，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的Source端均接地，第一NMOS管N1的Drain端连接第一比较器CMP1的正输入端VP，第二NMOS管N2的Drain端连接第一比较器CMP1的负输入端VM，第一比较器CMP1的输出端连接逻辑判断模块的第一输入端OFF，逻辑判断模块的的输出端连接Driver驱动模块的输入端，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的Gate端均连接Driver驱动模块的输出端。ON Control模块的输入端引出作为控制芯片IC的FB引脚，ON Control模块的输出端连接逻辑判断模块的第二输入端ON。第一比较器CMP1用于控制第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的关断，ON Control模块用于控制第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的导通，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的Gate端采用Driver驱动模块的输出同一驱动信号进行驱动导通或关断。
将上述的电感电流检测电路应用到开关功率转换器中时，在开关功率转换器的电路架构中，AC是220V的交流市电，D1~D4构成整流桥，C1为滤波电容，与整流桥共同构成交流转直流电路。T1为变压器，包含原边电感Lp，次级电感Ls，辅助电感La。电阻R1和电容C2构成控制芯片IC的供电网络。D5为供电二极管，辅助电感La通过该二极管为控制芯片IC供电。电阻R2、R3构成辅助电感La的采样网络，电阻R2和R3的中间结点连接控制芯片IC的FB脚。D6为输出二极管，Co为输出电容。
所述MOSFET管采用增强型MOSFET管时，为一常通器件，MOSFET管的Gate端引出作为控制芯片IC的VIN引脚，所述MOSFET管采用耗尽型MOSFET管时，MOSFET管的Gate端接地。
进一步地，所述ON Control模块采用过零比较器设计实现，具有零电压采样功能，当次级边电流降到零时，辅助电感La立即谐振，辅助电感La的电压由于谐振会降到0V，因此控制芯片IC的FB脚通过一个过零比较器可以检测辅助电感La是否开始谐振，以控制原边导通，开始新的工作周期。所述Driver驱动模块采用电流驱动放大器设计实现，将内部电流能力较弱的驱动信号增强为具有具有较强电流能力的驱动信号。
更进一步地，所述逻辑判断模块采用RS触发器，第一比较器CMP1的输出端连接RS触发器的R输入端，RS触发器的输出端连接Driver驱动模块的输入端，ON Control模块的输出端连接RS触发器的S输入端。
所述第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的尺寸比例为1：n，则两者的电流能力为1：n，并在当第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的Gate端为高电平时，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2工作于深线性工作区，当MOS管处于深线性工作区时，其导通电阻Rds可表示为：
其中，表示电子迁移率，表示单位面积栅氧化物电容，W表示MOS管的沟宽，L表示MOS管的沟长，Vgs为栅源电压，Vth为阈值电压。
MOS工作于线性区时，其导通电阻与宽长比W/L成反比，因而第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的导通电阻比例为n:1。在当Driver驱动模块输出为高电平时，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2工作于线性区，第一NMOS管N1的支路电流由第一固定电流源I1决定，因此第一NMOS管N1的Drain端电压为一固定值，记为VM；而第二NMOS管N2的支路电流由原边电感Lp决定，呈直线上升趋势，因而第二NMOS管N2的Drain端电压VP也呈直线上升，在当VP大于VM时，则第一比较器CMP1控制第一NMOS管N1和第二NMOS管N2关断，即原边电流消失。
例如：当第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的尺寸比例为1:1000时，其导通电阻RN1:RN2=1000:1，若希望原边电感最大在1A时关断的话，可将第一固定电流源I1设置为1mA。
由于在工艺控制能力上，对于电阻的精确控制是比较难实现的，但是对于MOS管的精确控制是较容易实现的，因此，上述的利用MOSFET管和第一NMOS管N1及第二NMOS管N2的设计思路来构建电感电流检测电路，在省去了传统开关功率转换器中的采样电阻以简化了外围电路的前提下，也在一定程度上保证了原边电感的控制精确度。
本发明所提出的电感电流检测电路的设计架构除了能实现原边电感电流采样控制原边电感关断之外，也可以进一步延伸，可实现原边电感的过流保护等功能。如图3所示，在电路中增加第三NMOS管N3、第二比较器CMP2、第二固定电流源I2，第二固定电流源I2的输入端接电源VDD，第三NMOS管N3的Drain端接第二固定电流源I2的输出端，第二NMOS管N2的Drain端连接第二比较器CMP2的正输入端VP，第三NMOS管N3的Drain端连接第二比较器CMP2的负输入端VM，第二比较器CMP2的输出端连接逻辑判断模块的锁存输入端（latch）。
在该电路中，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2用来控制正常的原边电感关断，第三NMOS管N3用来控制原边电感电流的过流保护。其中所述第二固定电流源I2的电流值大于或等于第一固定电流源I1的电流值。所述第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3的尺寸比例为1：n：1。所述第三NMOS管N3的面积大于第一NMOS管N1的面积。
进一步地，所述逻辑判断模块包括三大功能单元，第一是锁存功能单元，触发该功能单元后，驱动信号将一直不会产生，只有在当控制芯片IC掉电重启后才能解锁，该单元可通过锁存器设计实现，第二是OFF功能单元，触发该功能单元，控制原边MOSFET功率管关断；第三是ON功能单元，触发该功能单元，控制原边MOSFET功率管导通。
正常情况下，每个开关周期第一比较器CMP1翻转一次，用于正常的原边电感电流检测，并在某时刻第二比较器CMP2发生翻转时，则说明原边电感的电流过大，可通过逻辑判断模块控制控制芯片IC锁存或重启等功能，这样便实现了原边电感电流的过流保护功能。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，其特征在于：应用于具有变压器的开关功率转换器中，包括控制芯片IC，在控制芯片IC内部设有MOSFET管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一固定电流源、第一比较器、ON Control模块、逻辑判断模块、Driver驱动模块，MOSFET管的Drain端连接开关功率转换器中变压器的原边电感，MOSFET管的Source端连接第二NMOS管的Drain端，第一固定电流源的输入端接电源VDD，第一NMOS管的Drain端接第一固定电流源的输出端，第一NMOS管和第二NMOS管的Source端均接地，第一NMOS管的Drain端连接第一比较器的正输入端，第二NMOS管的Drain端连接第一比较器的负输入端，第一比较器的输出端连接逻辑判断模块的第一输入端，逻辑判断模块的的输出端连接Driver驱动模块的输入端，第一NMOS管和第二NMOS管的Gate端均连接Driver驱动模块的输出端，ONControl模块的输入端引出作为控制芯片IC的FB引脚，ON Control模块的输出端连接逻辑判断模块的第二输入端。
2.如权利要求1所述的一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，其特征在于，所述MOSFET管采用增强型MOSFET管时，MOSFET管的Gate端引出作为控制芯片IC的VIN引脚，所述MOSFET管采用耗尽型MOSFET管时，MOSFET管的Gate端接地。
3.如权利要求2所述的一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，其特征在于，所述第一NMOS管和第二NMOS管的尺寸比例为1：n，并在当第一NMOS管和第二NMOS管的Gate端为高电平时，第一NMOS管和第二NMOS管工作于深线性工作区，当MOS管处于深线性工作区时，其导通电阻Rds可表示为：
其中，表示电子迁移率，表示单位面积栅氧化物电容，W表示MOS管的沟宽，L表示MOS管的沟长，Vgs为栅源电压，Vth为阈值电压。
4.如权利要求3所述的一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，其特征在于，所述ON Control模块采用过零比较器设计实现，所述Driver驱动模块采用电流驱动放大器设计实现。
5.如权利要求4所述的一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，其特征在于，所述逻辑判断模块采用RS触发器，第一比较器的输出端连接RS触发器的R输入端，RS触发器的输出端连接Driver驱动模块的输入端，ON Control模块的输出端连接RS触发器的S输入端。
6.如权利要求1所述的一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，其特征在于，还包括第三NMOS管、第二比较器、第二固定电流源，第二固定电流源的输入端接电源VDD，第三NMOS管的Drain端接第二固定电流源的输出端，第二NMOS管的Drain端连接第二比较器的正输入端，第三NMOS管的Drain端连接第二比较器的负输入端，第二比较器的输出端连接逻辑判断模块的锁存输入端。
7.如权利要求6所述的一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，其特征在于，所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管的尺寸比例为1：n：1。
8.如权利要求7所述的一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，其特征在于，所述第三NMOS管的面积大于第一NMOS管的面积。
9.如权利要求8所述的一种适用于开关功率转换器的电感电流检测电路，其特征在于，所述第二固定电流源的电流值大于或等于第一固定电流源的电流值。
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