CN112187267B - 电流采样电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流采样电路及其控制方法，电流采样电路包括：功率开关管，功率开关管的控制端接收栅极控制信号，输入电流由功率开关管的第一端流向功率开关管的第二端；镜像开关管，用于根据输入电流得到与输入电流对应的镜像电流；输出模块，输出模块通过钳位功率开关管和镜像开关管得到采样电流；以及电压控制模块，用于根据功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节栅极控制信号，以使得功率开关管第一端和第二端的电压差大于/等于预设电压，降低了输出模块中运算放大器失调电压对采样精度的影响，因此不需要采用失调电压极小的运算放大器即可实现，有利于减小电路的设计难度，降低电流采样的成本。

Description

电流采样电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地涉及一种电流采样电路及其控制方法。
背景技术
电源芯片中，往往涉及到较大动态范围的电流采样和测量。现有的电流采样一般会在电流经过的功率管上进行，而为了在功率管上流经大电流时减小功率损耗，一般都需要在大电流经过时尽量降低功率管的导通电阻。但是导通电阻越小，当流经功率管的电流较小时，功率管两端产生的压差减小，这时运算放大器输入端的失调电压对采样精度造成较大的影响。如果要提高采样精度，则需要采用失调电压极小的运算放大器，将会增大电路的设计难度，提高了电流采样的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电流采样电路及其控制方法，在提高电流采样的精度的同时还可以降低功率管的损耗。
根据本发明的第一方面，提供了一种电流采样电路，包括：功率开关管，所述功率开关管的控制端接收栅极控制信号，输入电流由所述功率开关管的第一端流向所述功率开关管的第二端；镜像开关管，用于根据所述输入电流与所述输入电流对应的镜像电流；输出模块，所述输出模块通过钳位所述功率开关管和所述镜像开关管得到采样电流；以及电压控制模块，用于根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号，以使得所述功率开关管第一端和第二端的电压差大于/等于预设电压。
优选地，当所述电压值大于所述预设电压时，所述电压控制模块控制所述功率开关管完全导通，当所述电压差小于/等于所述预设电压时，所述电压控制模块控制所述功率开关管线性导通。
优选地，所述电压控制模块根据所述功率开关管第二端的电压与所述功率开关管第一端的电压和所述预设电压的叠加值之间的差值调节所述栅极控制信号。
优选地，所述电压控制模块包括第一运算放大器、电压源以及栅极控制单元，所述第一运算放大器包括正相输入端和反相输入端，所述正相输入端与所述电压源的负极连接，所述电压源的正极与所述功率开关管的第一端连接，所述反相输入端与所述功率开关管的第二端连接，输出端连接至所述栅极控制单元，所述电压源用于提供所述预设电压，所述栅极控制单元用于根据所述第一运算放大器的输出结果调节所述栅极控制信号。
优选地，所述镜像开关管的控制端与所述功率开关管的控制端相连以接收所述栅极控制信号。
优选地，所述输出模块钳制所述功率开关管第二端的电压等于所述镜像开关管第二端的电压。
优选地，所述输出模块包括第二运算放大器和第一开关管，所述第二运算放大器包括正相输入端和反相输入端，所述反相输入端连接至所述功率开关管的第二端，所述正相输入端连接至所述镜像开关管的第二端，输出端连接至所述第一开关管的控制端，所述第一开关管的第一端与所述镜像开关管的第二端连接，第二端用于提供所述采样电流。
根据本发明的第二方面，提供了一种电流采样电路的控制方法，所述控制方法包括：在功率开关管的控制端提供栅极控制信号，输入电流由所述功率开关管的第一端流向所述功率开关管的第二端；镜像开关管根据所述输入电流得到与所述输入电流对应的镜像电流；通过钳位所述功率开关管和所述镜像开关管得到采样电流；以及根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号，以使得所述功率开关管第一端和第二端的电压差大于/等于预设电压。
优选地，所述根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号，以使得所述功率开关管第一端和第二端的电压差大于/等于预设电压包括：当所述电压值大于所述预设电压时，所述电压控制模块控制所述功率开关管完全导通，当所述电压差小于/等于所述预设电压时，所述电压控制模块控制所述功率开关管线性导通。
优选地，所述根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号包括：根据所述功率开关管第二端的电压与所述功率开关管第一端的电压和所述预设电压的叠加值之间的差值调节所述栅极控制信号。
本发明实施例的电流采样电路及其控制方法具有以下的有益效果：
电流采样电路包括电压控制模块，电压控制模块根据功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节栅极控制信号，根据输入电流的大小，动态且平滑的调节功率开关管的导通电阻，可同时兼顾采样精度和功率损耗两个方面。该电流采样电路不需要在电路中考虑功率开关管的导通电阻的比例变化，降低了电流采样电路的控制逻辑的复杂度。此外，在该电流采样电路中不需要设置迟滞范围，以避免输入电流在电流阈值附近电路的来回切换，有利于提高输入电流的动态范围。
本发明实施例的电流采样电路采用运算放大器恒定功率开关管两端的电压差大于/等于预设电压，降低了输出模块中运算放大器失调电压对采样精度的影响，因此不需要采用失调电压极小的运算放大器即可实现，有利于减小电路的设计难度，降低电流采样的成本。
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他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出根据现有技术的电流采样电路的电路示意图。
图2示出根据本发明实施例的电流采样电路的电路示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
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，它可以直接耦合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“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
图1示出现有技术的电流采样电路的结构示意图。如图1所示，电流采样电路100包括功率开关管Q0、镜像开关管Q1、运算放大器OP1、开关管Q2以及栅极控制单元110。功率开关管Q0串联在输入电压Vin端和输出端之间，功率开关管Q0用于在栅极控制单元110的控制下根据输入电流Iin得到输出电流Iout。镜像开关管Q1的控制端连接至功率开关管的控制端，镜像开关管Q1的第一端与功率开关管Q0的第一端连接于第一节点A。镜像开关管Q1用于根据输入电流Iin得到对应的镜像电流I0。开关管Q2的第一端与镜像开关管Q1的第二端连接，控制端与运算放大器OP1的输出端连接，第二端用于提供采样电流Is。运算放大器OP1的正相输入端与镜像开关管Q1的第二端连接于第三节点C，反相输入端与功率开关管Q0的第二端连接于第二节点B。
功率开关管Q0开启后，镜像开关管Q1通过镜像功率开关管Q0中的电流得到镜像电流I0，功率开关管Q0和镜像开关管Q1的比例系数为N:1。
现有技术的电流采样电路具有以下不足：在理想情况下，当运算放大器OP1工作在负反馈状态时，第二节点B和第三节点C的电压相等，继而得到采样电流Is＝1/N*Iin。但是在实际情况下，运算放大器OP1存在一定的失调电压Vos，使得第二节点B和第三节点C的电压不相等。当第一节点A和第二节点B之间的电压差大于一定值时，运算放大器OP1的失调电压对采样精度的影响较小；当第一节点A和第二节点B之间的电压差小于一定值时，随着输入电流Iin的减小，运算放大器OP1的失调电流对采样精度的影响逐渐增大。而第一节点A和第二节点B的电压差取决于输入电流Iin和功率开关管Q0的导通电阻，因此为了提高在输入电流Iin的动态范围的采样精度，必须增大功率开关管Q0的导通电阻，而功率开关管Q0导通电阻的增大又会提高大电流情况下的功率损耗。
为了解决上述技术问题，现有技术提供了另一种电流采样电路，在电路中设置电流阈值，当输入电流大于电流阈值时，减小功率开关管的导通电阻，降低大电流情况下的功率损耗；当输入电流小于电流阈值时，增大功率开关管的导通电阻，提高采样精度。提高了电流采样电路的控制逻辑的复杂度，并且需要在电路中考虑功率开关管Q0的导通电阻的比例变化。此外，在该电流采样电路中需要设置迟滞范围，以避免输入电流在电流阈值附近电路的来回切换，输入电流的动态范围较小，提高了电路成本。
图2示出根据本发明实施例的电流采样电路的电路示意图。如图2所示，电流采样电路200包括功率开关管Q0、镜像开关管Q1、电压控制模块210以及输出模块220。功率开关管Q0串联在输入电压Vin端和输出端之间，功率开关管Q0的控制端用于接收栅极控制信号，在栅极控制信号的控制下，输入电流Iin从功率开关管Q0的第一端流至第二端以得到输出电流Iout。镜像开关管Q1的控制端连接至功率开关管的控制端以接收栅极控制信号，镜像开关管Q1的第一端与功率开关管Q0的第一端连接于第一节点A。镜像开关管Q1用于根据输入电流Iin得到对应的镜像电流I0。输出模块220分别与功率开关管Q0和镜像开关管Q1的第二端连接，输出模块220通过钳位所述功率开关管Q0和镜像开关管Q1的第二端的电压以得到采样电流Is。电压控制模块210用于根据功率开关管Q0的第一端和第二端之间的电压差调节栅极控制信号，以使得功率开关管Q0的第一端和第二端之间的电压差大于/等于预设电压Vds。
进一步的，电压控制模块210根据所述功率开关管Q0第二端的电压与所述功率开关管Q0第一端的电压和所述预设电压Vds的叠加值的差值反馈调节所述栅极控制信号。
作为一个非限制性的例子，电压控制模块210包括运算放大器OP1、栅极控制单元211以及电压源212。运算放大器OP1包括正相输入端和反相输入端，所述正相输入端与所述电压源212的负极连接，所述电压源212的正极与所述功率开关管Q0的第一端连接于第一节点A，所述反相输入端与所述功率开关管Q0的第二端连接于第二节点B，输出端连接至所述栅极控制单元211。所述电压源212用于提供所述预设电压Vds。栅极控制单元211用于根据所述运算放大器OP1的输出结果调节所述栅极控制信号。
输出模块220包括运算放大器OP2和开关管Q2。开关管Q2的第一端与镜像开关管Q1的第二端连接，控制端与运算放大器OP2的输出端连接，第二端用于提供采样电流Is。运算放大器OP2的正相输入端与镜像开关管Q1的第二端连接于第三节点C，反相输入端与功率开关管Q0的第二端连接于第二节点B。
功率开关管Q0开启后，镜像开关管Q1通过镜像功率开关管Q0中的电流得到镜像电流I0，功率开关管Q0和镜像开关管Q1的比例系数为N:1。
在理想情况下，当运算放大器OP2工作在负反馈状态时，第二节点B和第三节点C的电压相等，继而得到采样电流Is＝1/N*Iin。但是在实际情况下，运算放大器OP2存在一定的失调电压Vos，使得第二节点B和第三节点C的电压不相等。
电压控制模块210根据第一节点A和第二节点B之间的电压差反馈调节栅极控制信号，继而使得第一节点A和第二节点B之间的电压差大于/等于预设电压Vds，以使得运算放大器OP2的失调电压对采样精度的影响较小。当输入电流Iin较大时，第一节点A和第二节点B的电压差大于预设电压Vds，运算放大器OP1的输出为高电平，功率开关管Q0完全导通，导通电阻减小为最小值，功率损耗最低；当输入电流Iin较小时，第一节点A和第二节点B的电压差逐渐减小，运算放大器OP1的反馈环路调节功率开关管Q0的控制端电压，功率开关管Q0线性导通，使得第一节点A和第二节点B的电压差恒等于预设电压Vds。因为预设电压Vds大于运算放大器OP2的失调电压Vos，所以运算放大器OP2的失调电压Vos对采样精度的影响较小。
在上述实施例中，功率开关管Q0、镜像开关管Q1以及开关管Q2例如为n型沟道场效应晶体管(NFET，NMOS field-effect transistor)。本实施例中的“控制端”、“第一端”、“第二端”例如为场效应晶体管的“栅极”、“源极”和“漏极”。
应当理解，在上述实施例中的晶体管通过场效应晶体管来实现，但是本发明不以此为限制。在本发明其他的实施例中，上述实施例的开关管可通过双极性晶体管实现，则实施例中的“控制端”、“第一端”、“第二端”分别为双极性晶体管的“基极”、“发射极”和“集电极”。
根据本发明的另一方面，提供一种上述电流采样电路的控制方法，该控制方法包括：在功率开关管的控制端提供栅极控制信号，输入电流由所述功率开关管的第一端流向所述功率开关管的第二端；镜像开关管根据所述输入电流得到与所述输入电流对应的镜像电流；通过钳位所述功率开关管和所述镜像开关管得到采样电流；以及根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号，以使得所述功率开关管第一端和第二端的电压差大于/等于预设电压。
进一步的，所述根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号，以使得所述功率开关管第一端和第二端的电压差大于/等于预设电压包括：当所述电压值大于所述预设电压时，所述电压控制模块控制所述功率开关管完全导通，当所述电压差小于/等于所述预设电压时，所述电压控制模块控制所述功率开关管线性导通。
进一步的，根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号包括：根据所述功率开关管第二端的电压与所述功率开关管第一端的电压和所述预设电压的叠加值之间的差值调节所述栅极控制信号。
综上所述，本发明实施例的电流采样电路及其控制方法，电流采样电路包括电压控制模块，电压控制模块根据功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节栅极控制信号，根据输入电流的大小，动态且平滑的调节功率开关管的导通电阻，可同时兼顾采样精度和功率损耗两个方面。该电流采样电路不需要在电路中考虑功率开关管的导通电阻的比例变化，降低了电流采样电路的控制逻辑的复杂度。此外，在该电流采样电路中不需要设置迟滞范围，以避免输入电流在电流阈值附近电路的来回切换，有利于提高输入电流的动态范围。
本发明实施例的电流采样电路采用运算放大器恒定功率开关管两端的电压差大于/等于预设电压，降低了输出模块中运算放大器失调电压对采样精度的影响，因此不需要采用失调电压极小的运算放大器即可实现，有利于减小电路的设计难度，降低电流采样的成本。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种电流采样电路，其特征在于，包括：
功率开关管，所述功率开关管的控制端接收栅极控制信号，输入电流由所述功率开关管的第一端流向所述功率开关管的第二端；
镜像开关管，用于根据所述输入电流与所述输入电流对应的镜像电流；
输出模块，所述输出模块通过钳位所述功率开关管和所述镜像开关管得到采样电流；以及
电压控制模块，用于根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号，以控制所述功率开关管的导通状态，
其中，当所述电压差大于/等于预设电压时，所述电压控制模块控制所述功率开关管完全导通，
当所述电压差小于所述预设电压时，所述电压控制模块控制所述功率开关管线性导通。
2.根据权利要求1所述的电流采样电路，其特征在于，所述电压控制模块根据所述功率开关管第二端的电压与所述功率开关管第一端的电压和所述预设电压的叠加值之间的差值调节所述栅极控制信号。
3.根据权利要求2所述的电流采样电路，其特征在于，所述电压控制模块包括第一运算放大器、电压源以及栅极控制单元，
所述第一运算放大器包括正相输入端和反相输入端，所述正相输入端与所述电压源的负极连接，所述电压源的正极与所述功率开关管的第一端连接，所述反相输入端与所述功率开关管的第二端连接，输出端连接至所述栅极控制单元，所述电压源用于提供所述预设电压，
所述栅极控制单元用于根据所述第一运算放大器的输出结果调节所述栅极控制信号。
4.根据权利要求1所述的电流采样电路，其特征在于，所述镜像开关管的控制端与所述功率开关管的控制端相连以接收所述栅极控制信号。
5.根据权利要求1所述的电流采样电路，其特征在于，所述输出模块钳制所述功率开关管第二端的电压等于所述镜像开关管第二端的电压。
6.根据权利要求5所述的电流采样电路，其特征在于，所述输出模块包括第二运算放大器和第一开关管，
所述第二运算放大器包括正相输入端和反相输入端，所述反相输入端连接至所述功率开关管的第二端，所述正相输入端连接至所述镜像开关管的第二端，输出端连接至所述第一开关管的控制端，
所述第一开关管的第一端与所述镜像开关管的第二端连接，第二端用于提供所述采样电流。
7.一种权利要求1至6任一项所述的电流采样电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
在功率开关管的控制端提供栅极控制信号，输入电流由所述功率开关管的第一端流向所述功率开关管的第二端；
镜像开关管根据所述输入电流得到与所述输入电流对应的镜像电流；
通过钳位所述功率开关管和所述镜像开关管得到采样电流；以及
根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号，以控制所述功率开关管的导通状态，
其中，当所述电压差大于/等于预设电压时，控制所述功率开关管完全导通，
当所述电压差小于所述预设电压时，控制模块控制所述功率开关管线性导通。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述功率开关管第一端和第二端的电压差反馈调节所述栅极控制信号包括：
根据所述功率开关管第二端的电压与所述功率开关管第一端的电压和所述预设电压的叠加值之间的差值调节所述栅极控制信号。
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