CN111900974A - 一种高边电流采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流采样技术领域，具体涉及一种高边电流采样电路。该高边电流采样电路包括功率管PM0、电流采样电路单元、功率管组件和运算放大电路单元，其中，所述功率管组件串联于电流采样电路单元与运算放大电路单元之间；所述电流采样电路单元与功率管PM0并联，获取功率管PM0源极与漏极之间的导通电流，所述导通电流经功率管组件输出至运算放大电路单元后，再输出采样电流。本发明通过采用与功率管同类型的功率管组件作为电阻器件串联在电流采样电路单元与运算放大电路单元之间，使得高边电流采样电路的温度特性与功率管保持高度一致，达到了极佳的温度补偿效果，能大幅提高采样电流的采样精度和采样系数的稳定性，简化了电路结构，功耗更低。

Description

一种高边电流采样电路

技术领域

本发明涉及电流采样技术领域，具体涉及一种高边电流采样电路。

背景技术

在高边开关等大电流功率芯片采样电路中，所采用的MOS管功率器件和电阻器件在温度变化时阻值变化率不同，使得高边电流采样的采样系数受温度影响产生的变化较大，采样电流不能准确的反应MOS管功率器件的实际电流情况。现有采用温度补偿的方式，其能有效的减小温度变化带来的影响，减小采样系数误差。

目前，大部分的温度补偿解决方案都是通过增加相反温度系数的电流产生电路，来抵消采样电流因为温度变化引起的电流误差，对电路的采样系数进行修正。此类方案增加了额外的温度补偿电路，整体电路更加复杂，面积大，功耗高，且对提高采样系数的稳定程度效果有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高边电流采样电路，解决现有高边电流采样电路结构复杂、面积大、功耗高且提高采样系数的稳定程度有限的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高边电流采样电路，包括功率管PM0、电流采样电路单元、功率管组件和运算放大电路单元，其中，

所述功率管组件串联于电流采样电路单元与运算放大电路单元之间；

所述电流采样电路单元与功率管PM0并联，获取功率管PM0源极与漏极之间的导通电流，所述导通电流经功率管组件输出至运算放大电路单元后，再输出采样电流。

本发明的更进一步优选方案是：所述功率管组件包括场效应管PM2和场效应管PM3，所述场效应管PM2作为电阻器件串联于电流采样电路单元与运算放大电路单元的一输入端之间，所述场效应管PM3作为电阻器件串联于电流采样电路单元与运算放大电路单元的另一输入端之间。

本发明的更进一步优选方案是：所述场效应管PM2和场效应管PM3的温度特性均与功率管PM0的温度特性一致或接近。

本发明的更进一步优选方案是：所述电流采样电路单元包括电阻R1和场效应管PM1，所述电阻R1与场效应管PM1串联后并联于功率管PM0的两端。

本发明的更进一步优选方案是：所述运算放大电路单元包括第一级运算放大模块和第二级运算放大模块，所述第一级运算放大模块的两输入端与功率管组件连接，输出端与第二级运算放大模块的输入端连接，所述第二级运算放大模块的输出端输出采样电流。

本发明的更进一步优选方案是：所述第一级运算放大模块包括场效应管PM4、场效应管PM5、场效应管PM6、场效应管PM7、场效应管NM0、场效应管NM1、场效应管NM2、场效应管NM3和场效应管NM4，所述场效应管PM4、场效应管PM6、场效应管NM3和场效应管NM1依次串联并串联于功率管组件的一输出端与地端之间形成一串联支路，所述场效应管PM5、场效应管PM7、场效应管NM4和场效应管NM2依次串联并串联于功率管组件的另一输出端与地端之间形成一串联支路，两所述串联支路并联，所述场效应管NM0与场效应管NM1并联连接。

本发明的更进一步优选方案是：所述运算放大电路单元还包括与场效应管NM3的栅极连接的偏置电压模块和与场效应管NM0的栅极和漏极连接的偏置电流模块，所述偏置电压模块的另一端和偏置电流模块的另一端均与低压电源连接。

本发明的更进一步优选方案是：所述第二级运算模块包括与第一级运算放大模块的输出端连接的场效应管PM8，所述场效应管PM8的漏极输出采样电流。

本发明的更进一步优选方案是：所述高边电流采样电路还包括并联在功率管PM0的栅极与源极之间的上拉电阻R0。

本发明的更进一步优选方案是：所述高边电流采样电路还包括电路板，所述功率管PM0、电流采样电路单元、功率管组件和运算放大电路单元均设置于电路板上，且所述功率管组件靠近功率管PM0设置。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过采用与功率管同类型的功率管组件作为电阻器件串联在电流采样电路单元与运算放大电路单元之间，使得高边电流采样电路的温度特性与功率管保持高度一致，达到了极佳的温度补偿效果，能大幅提高采样电流的采样精度和采样系数的稳定性，简化了电路结构，功耗更低，且可通过调节功率管组件的宽长比改变其电阻值大小，调整电路的采样系数，无需对电路做额外的调整，且不影响采样系数的稳定性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的高边电流采样电路的结构框图；

图2是本发明的运算放大电路单元的结构框图；

图3是本发明的高边电流采样电路的电路示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1和图3所示，本发明提供一种高边电流采样电路的优选实施例。

参考图1和图3，所述高边电流采样电路包括功率管PM0(10)、电流采样电路单元20、功率管组件30和运算放大电路单元40，所述功率管组件30串联于电流采样电路单元20与运算放大电路单元40之间；其中，所述电流采样电路单元20与功率管PM0(10)并联，获取功率管PM0(10)源极与漏极之间的导通电流，所述导通电流经功率管组件30输出至运算放大电路单元40后，再输出采样电流。

通过采用与功率管同类型的功率管组件30作为电阻器件串联在电流采样电路单元20与运算放大电路单元40之间，使得高边电流采样电路的温度特性与功率管PM0(10)保持高度一致，达到了极佳的温度补偿效果，极大程度提高了采样系数的稳定性，简化了电路结构，功耗更低，且可通过调节功率管组件30的宽长比改变其电阻值大小，调整电路的采样系数，无需对电路做额外的调整，且不影响对采样系数的稳定性。

参考图3，本实施例中的电流采样电路单元20包括电阻R1和场效应管PM1，所述电阻R1与场效应管PM1串联后并联于功率管PM0(10)的两端。具体地，所述电阻R1的一端与功率管PM0(10)的源极连接并连接至高压电源VSP，另一端与场效应管PM1的源极连接，场效应管PM1的漏极与功率管PM0(10)的漏极连接，栅极与功率管PM0(10)的栅极连接。

进一步地，本实施例中的功率管组件30包括场效应管PM2和场效应管PM3，所述场效应管PM2作为电阻器件串联于电流采样电路单元20与运算放大电路单元40的一输入端之间，所述场效应管PM3作为电阻器件串联于电流采样电路单元20与运算放大电路单元40的另一输入端之间。具体地，所述场效应管PM2的源极与电阻R1的一端和场效应管PM1的源极相连，栅极与功率管PM0(10)、场效应管PM1和场效应管PM3的栅极相连，漏极与运算放大电路单元40的一输入端连接；所述场效应管PM3的源极连接至高压电源VSP，栅极与功率管PM0(10)、场效应管PM1和场效应管PM2的栅极相连，漏极与运算放大电路单元40的另一输入端连接。场效应管PM2和场效应管PM3在高边电流采样电路中作为电阻器件串联在电阻R1与运算放大电路单元40的两输入端之间，温度特性均与功率管PM0(10)保持高度一致或接近，达到了极佳的温度补偿效果。

结合图2和图3，本实施例中的运算放大电路单元40包括第一级运算放大模块41和第二级运算放大模块42，所述第一级运算放大模块41的两输入端与功率管组件30连接，输出端与第二级运算放大模块42的输入端连接，所述第二级运算放大模块42的输出端输出采样电流。由第一级运算放大模块41和第二级运算放大模块42构成运算放大电路单元40，第一级运算放大模块41的两输入端A、B两点电压相等时，不会对采样电流引入额外的误差。根据运放“虚短”效果，运算放大电路单元40使其两个输入端A、B两点的电压相互接近，提高电流采样精度。运算放大电路单元40性能越好，A、B两点电压误差越小，电流采样误差越小。另外，电流采样电路单元20得到的采样电流较小，运算放大电路单元40需要对两输入端的两个微小差异信号进行比较、放大，且可以通过调节运算放大电路单元40的增益改变输出电流大小，调节采样系数。

进一步地，所述第一级运算放大模块41包括场效应管PM4、场效应管PM5、场效应管PM6、场效应管PM7、场效应管NM0、场效应管NM1、场效应管NM2、场效应管NM3和场效应管NM4，所述场效应管PM4、场效应管PM6、场效应管NM3和场效应管NM1依次串联并串联于功率管组件30的一输出端与地端之间形成一串联支路，所述场效应管PM5、场效应管PM7、场效应管NM4和场效应管NM2依次串联并串联于功率管组件30的另一输出端与地端之间形成一串联支路，两所述串联支路并联，所述场效应管NM0与场效应管NM1并联连接。本实施例中的功率管PM0(10)、场效应管PM1、场效应管PM2、场效应管PM3、场效应管PM4、场效应管PM5、场效应管PM6、场效应管PM7和场效应管PM8均采用P型高边场效应管，场效应管NM0、场效应管NM1、场效应管NM2、场效应管NM3和场效应管NM4均采用N型场效应管。其中，功率管PM0(10)、场效应管PM1、场效应管PM2、场效应管PM3的栅极接收外部控制信号，由控制信号驱动其工作。

进一步地，所述第二级运算放大模块42包括与第一级运算放大模块41的输出端连接的场效应管PM8，所述场效应管PM8的漏极输出采样电流。

进一步地，所述运算放大电路单元40还包括与场效应管NM3的栅极连接的偏置电压模块43和与场效应管NM0的栅极和漏极连接的偏置电流模块44，所述偏置电压模块43和偏置电流模块44的另一端与低压电源连接。偏置电压模块43采用直流电压源Vb，直流电压源Vb是与温度无关的稳定电压信号，其正极与一低压电源连接，负极与运算放大电路单元40连接；偏置电流模块44采用直流电流源Ib，直流电流源Ib是与温度无关的电流信号，其正极与低压电源连接，负极与运算放大电路单元40连接。

具体地，所述运算放大电路单元40中各器件的连接情况为：场效应管NM4的源极与场效应管PM2的漏极相连，栅极与场效应管PM5的栅极、漏极和场效应管PM7的源极相连，漏极与场效应管PM6的源极相连；场效应管PM5的源极与场效应管PM3的漏极和场效应管PM8的源极相连，栅极与自身的漏极、场效应管PM4的栅极和场效应管PM7的源极相连；场效应管PM6的源极与场效应管PM4的漏极相连，栅极与场效应管PM7的栅极、漏极和场效应管NM4的漏极相连，漏极与场效应管PM8的栅极和场效应管NM3的漏极相连；场效应管PM7的源极与场效应管PM4的栅极和场效应管PM5的栅极、漏极相连，栅极与自身的漏极和场效应管PM6的栅极相连；场效应管NM3的漏极与场效应管PM6的漏极和场效应管PM8的栅极相连，栅极与直流电压源Vb和场效应管NM4的栅极相连，源极与场效应管NM1的漏极相连；场效应管NM4的漏极与场效应管PM6的栅极和场效应管PM7的栅极、漏极相连，栅极与直流电压源Vb和场效应管NM3的栅极相连，源极与场效应管NM2的漏极相连；场效应管NM0的漏极与自身的栅极、直流电流源Ib的输出端和场效应管NM1、场效应管NM2的栅极相连，源极连接到地线；场效应管NM1的漏极与场效应管NM3的源极相连，栅极与直流电流源Ib的输出端和场效应管NM0、场效应管NM2的栅极相连，源极连接到地线；场效应管NM2的漏极与场效应管NM4的源极相连，栅极与直流电流源Ib的输出端和场效应管NM0、场效应管NM1的栅极相连，源极连接到地线；场效应管PM8的源极与场效应管PM3的漏极和场效应管PM5的源极相连，栅极与场效应管PM6的漏极和场效应管NM3的漏极相连，漏极输出采样电流。

本实施例中，所述高边电流采样电路还包括并联在功率管PM0(10)的栅极与源极之间的上拉电阻R0。具体地，上拉电阻R0的一端连接至高压电源，另一端连接至功率管PM0(10)的栅极。上拉电阻R0将功率管PM0(10)的栅极钳位在高电平。

本实施例中，所述高边电流采样电路还包括电路板(图未示)，所述功率管PM0(10)、电流采样电路单元20、功率管组件30和运算放大电路单元40均设置于电路板上，且所述功率管组件30靠近功率管PM0(10)设置，具体将功率管组件30中场效应管PM2靠近功率管PM0(10)，使得两者所受外界环境温度保持一致，在外界温度发生变化时，两者空穴迁移率的变化保持一致，保证了在温度发生变化时采样系数的稳定性。

以下结合图3对本发明的高边电流采样电路的工作原理进行说明：

高边电流采样电路中，上拉电阻R0连接在功率管PM0(10)的栅极和高压电源VSP之间作为上拉电阻。功率管PM0(10)是高边电路的功率管，提供负载电流。电阻R1和场效应管PM1串联作为电流采样电路单元20，并联在功率管PM0(10)的源极和漏极之间进行采样。场效应管PM2和场效应管PM3用作电阻器件，串联在电阻R1的两端及运算放大电路单元40的两个输入端之间；场效应管PM4、场效应管PM5、场效应管PM6、场效应管PM7、场效应管NM0、场效应管NM1、场效应管NM2、场效应管NM3、场效应管NM4、场效应管PM8组成两级运算放大器，直流电流源Ib提供运算放大器工作的偏置电流，直流电压源Vb提供偏置电压。场效应管PM8作为第二级共源放大电路，输出采样电流。

若高边功率管PM0(10)上流过的电流为I₀，电阻为R_PM0,场效应管PM1的电阻为R_PM1。电流采样电路单元20与功率管PM0(10)并联，则采样电阻R1两端的电压为：

为了尽量保证采样的准确性，设计时要求R₁>>20·R_PM1，此时可以忽略R_PM1的压降，公式(1)可以写为：

图3中，端口A和端口B为运算放大器的两个输入端口，端口电流可以分别表示为：

其中，R_a为场效应管PM2的电阻，R_b为场效应管PM3的电阻，根据运算放大器的“虚短”理论，则V_A＝V_B。为了减小因电阻自身差异导致受温度变化带来不同的影响，在设计时,场效应管PM2和场效应管PM3采用规格和大小相同的器件，即R_a＝R_b。

设运算放大器的增益为A，则输出的采样电流为：

将公式(2)带入公式(4)中可得：

根据场效应管的导通电阻计算公式，公式(5)可以写成：

在公式(6)中，当温度发生变化时，主要影响空穴迁移率μ_p。在电路设计时，功率管PMO(10)和场效应管PM2选用同种类型的MOS器件，μ_{p_PM0}＝μ_{p_Ra}。同时，在版图设计时，将功率管PM0(10)和场效应管PM2的位置尽量接近，使两者所受外界环境温度保持一致，因此，外界温度发生变化时两者空穴迁移率μ_p的变化保持一致，保证了在温度发生变化时采样系数的稳定性。

本发明的高边电流采样电路应用在高边开关等大电流功率芯片采样电路中，可以极大提高高边电路电流采样准确性，使其所受温度影响降到极低。同时，通过改变功率管组件30即场效应管PM2和场效应管PM3的宽长比可以直接改变电流采样系数，不影响电路其他性能，采样系数稳定性也不受影响。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高边电流采样电路，其特征在于，包括功率管PM0、电流采样电路单元、功率管组件和运算放大电路单元，其中，

所述功率管组件串联于电流采样电路单元与运算放大电路单元之间；

所述电流采样电路单元与功率管PM0并联，获取功率管PM0源极与漏极之间的导通电流，所述导通电流经功率管组件输出至运算放大电路单元后，再输出采样电流。

2.根据权利要求1所述的高边电流采样电路，其特征在于，所述功率管组件包括场效应管PM2和场效应管PM3，所述场效应管PM2作为电阻器件串联于电流采样电路单元与运算放大电路单元的一输入端之间，所述场效应管PM3作为电阻器件串联于电流采样电路单元与运算放大电路单元的另一输入端之间。

3.根据权利要求2所述的高边电流采样电路，其特征在于：所述场效应管PM2和场效应管PM3的温度特性均与功率管PM0的温度特性一致或接近。

4.根据权利要求1所述的高边电流采样电路，其特征在于，所述电流采样电路单元包括电阻R1和场效应管PM1，所述电阻R1与场效应管PM1串联后并联于功率管PM0的两端。

5.根据权利要求1所述的高边电流采样电路，其特征在于，所述运算放大电路单元包括第一级运算放大模块和第二级运算放大模块，所述第一级运算放大模块的两输入端与功率管组件连接，输出端与第二级运算放大模块的输入端连接，所述第二级运算放大模块的输出端采样电流。

6.根据权利要求5所述的高边电流采样电路，其特征在于，所述第一级运算放大模块包括场效应管PM4、场效应管PM5、场效应管PM6、场效应管PM7、场效应管NM0、场效应管NM1、场效应管NM2、场效应管NM3和场效应管NM4，所述场效应管PM4、场效应管PM6、场效应管NM3和场效应管NM1依次串联并串联于功率管组件的一输出端与地端之间形成一串联支路，所述场效应管PM5、场效应管PM7、场效应管NM4和场效应管NM2依次串联并串联于功率管组件的另一输出端与地端之间形成一串联支路，两所述串联支路并联，所述场效应管NM0与场效应管NM1并联连接。

7.根据权利要求6所述的高边电流采样电路，其特征在于，所述运算放大电路单元还包括与场效应管NM3的栅极连接的偏置电压模块和与场效应管NM0的栅极和漏极连接的偏置电流模块，所述偏置电压模块的另一端和偏置电流模块的另一端均与低压电源连接。

8.根据权利要求5所述的高边电流采样电路，其特征在于，所述第二级运算模块包括与第一级运算放大模块的输出端连接的场效应管PM8，所述场效应管PM8的漏极输出采样电流。

9.根据权利要求1所述的高边电流采样电路，其特征在于，所述高边电流采样电路还包括并联在功率管PM0的栅极与源极之间的上拉电阻R0。

10.根据权利要求1-9任一所述的高边电流采样电路，其特征在于，所述高边电流采样电路还包括电路板，所述功率管PM0、电流采样电路单元、功率管组件和运算放大电路单元均设置于电路板上，且所述功率管组件靠近功率管PM0设置。

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