CN112595880A - 一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源管理领域,公开了一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路，包括比例电流转换电路和电压比较电路，比例电流转换电路包括第一比例转换单元、第二比例转换单元、第三比例转换单元和电阻R1,第一比例转换单元将外部电流转换为第一中间电流IG1，第二比例转换单元和第三比例转换单元粉笔将第一中间电流IG1转换为第二中间电流IG2和第三中间电流IG3，第二中间电流IG2和第三中间电流IG3共同输入到电阻R1一端，第二中间电流和第三中间电流共同输入到电阻R1一端，电阻R1另一端接地，电压比较电路与电阻R1未接地的一端电连接，当应用本发明的电源管理芯片处于待机状态时通过第三比例转换单元可以有效降低待机功耗。

Description

一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路

技术领域

本发明涉及电源管理领域，具体涉及一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路。

背景技术

授权公开号为CN211826214U的专利文献公开了一种无采样电阻的峰值电流检测电路，该电路通过比例电流转换电路实现电流检测，不用再电源管理芯片外围连接采样电阻，简化了电源管理芯片的外围应用方案，节约成本。然而该电路在实际使用时无论电源管理芯片处于空载状态还是满载状态，在进行电流检测时流过三极管NPN1的电流峰值始终是相同的，功耗较高。

发明内容

鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路，所要解决的技术问题是现有无采样电阻的峰值电流检测电路在工作时的功耗过高。

为解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路，包括比例电流转换电路和电压比较电路，比例电流转换电路接入外部电流、被配置于将外部电流转换为电压输出，比例电流转换电路的输出端电连接电压比较电路，电压比较电路还电连接基准电压，比例电流转换电路包括第一比例转换单元、第二比例转换单元、第三比例转换单元和电阻R1,第一比例转换单元将外部电流转换为第一中间电流IG1，第二比例转换单元将第一中间电流IG1转换为第二中间电流IG2，第三比例转换单元将第一中间电流IG1转换为第三中间电流IG3，第二中间电流IG2和第三中间电流IG3共同输入到电阻R1一端，第二中间电流和第三中间电流共同输入到电阻R1一端，电阻R1另一端接地，电压比较电路与电阻R1未接地的一端电连接。

作为进一步的技术方案，第一比例转换单元包括三极管NPN1、二极管D1、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2，第二比例转换单元包括第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第一运算放大器A1，三极管NPN1的集电极接入外部电流，三极管NPN1的发射极分别电连接二极管D1的正极、第一NMOS管MN1的漏极和第一运算放大器A1的正向输入端，第一NMOS管MN1的栅极电连接第二NMOS管MN2的栅极，第一NMOS管MN1的源极和第二NMOS管MN2的源极均接地；第一PMOS管MP1的源极和第二PMOS管MP2的源极均接入电源V2，第一PMOS管MP1的栅极分别电连接第二PMOS管MP2的栅极、第一PMOS管MP1的源极和第三NMOS管MN3的漏极，第三NMOS管MN3的源极分别电连接第二NMOS管MN2的漏极和第一运算放大器A1的负向输入端，第一运算放大器A1的输出端电连接第三NMOS管MN3的栅极，第二PMOS管MP2的漏极通过电阻R1接地；第三比例转换单元包括第三PMOS管MP3、第四NMOS管MN4和第四PMOS管MP4，第三PMOS管MP3的源极与电源V2电连接，第三PMOS管MP3的栅极与第二PMOS管MP2的栅极电连接，第三PMOS管MP3的漏极与第四NMOS管MN4的源极电连接，第四NMOS管MN4的栅极电连接状态判断单元的输出端，状态判断单元的第一输入端接入基准电压VF1、第二输入端接入退磁电压FB，状态判断单元在退磁电压FB小于基准电压VF3时驱动第四NMOS管MN4导通,使基准电压VF1接入第四NMOS管MN4的栅极，在退磁电压FB大于基准电压VF3时驱动第四NMOS管MN4断开，第四NMOS管MN4的漏极与第四PMOS管MP4的源极电连接，第四PMOS管的栅极与驱动单元电连接，驱动单元输入到第四PMOS管的栅极的电压可调，第四PMOS管MP4的漏极与电阻R1一端电连接。

更进一步地，驱动单元包括第三运算放大器A3、开关S3、S4、电阻R10、电容C10和反相器，第三运算放大器A3的正向输入端接入基准电压VF2，第三运算放大器A3的负向输入端分别与第三运算放大器A3的输出端和开关S3的输入端电连接，开关S3的输出端分别与开关S4的输入端和电阻R10一端电连接，电阻R10另一端分别与第四PMOS管MP4的栅极和电容C10一端电连接，开关S4的输出端和电容C10另一端均接地，开关S3的控制端接入驱动信号DM，驱动信号DM通过反相器与开关S4的控制端电连接。

更进一步地，电压比较电路包括第一电压比较器CMP1，第一电压比较器CMP1的正向输入端电连接第二PMOS管MP2的漏极，第一电压比较器CMP1的负向输入端电连接基准电压。

另外，第一电压比较器CMP1的输出端电连接逻辑电路，逻辑电路电连接电容充放电路，电容充放电路被配置于控制三极管NPN1和第一NMOS管MN1的通断。

具体地，电容充放电路包括电容C1、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第二运算放大器A2、第二电压比较器CMP2、第三电压比较器CMP3、电阻R2和R3；电源V2通过第一开关K1向电容C1充电，电容C1通过第二开关K2进行放电，第二运算放大器A2的正向输入端电连接电源VM，第二运算放大器A2的输出端分别电连接第二运算放大器A2的负向输入端、电阻R2和第三开关K3一端，第三开关K3另一端分别电连接电容C1、第二电压比较器CMP2的正向输入端和第三电压比较器CMP3的正向输入端，电阻R2通过第四开关K4电连接电阻R3一端，电阻R3另一端电连接第二电压比较器CMP2的负向输入端，第二电压比较器CMP2的输出端通过NMOS管驱动电路电连接第一NMOS管MN1的栅极，第三电压比较器CMP3的负向输入端电连接电源VM，第三电压比较器CMP3的输出端通过基极驱动电路电连接三极管NPN1的基极。

本发明实现无采样电阻地峰值电流检测流程具体可参考背景技术中的专利文献，降低在空载模式下的功耗具体如下：

首先第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第三PMOS管均为比例管，其宽长比分别为M:N1:N2,可选地本发明中三个PMOS管的宽长比为M:N:N，退磁电压FB为与应用本发明的电源管理芯片的输出电压正相关，驱动信号DM在电源管理芯片的次级电感的电流退磁到0A的时间段内为高电平，当开关S3和S4的控制端输入高电平的信号时开关S3或者S4导通，基准电压VF3比电源管理芯片在恒压状态下的输出电压小0.1V。

当退磁电压FB大于基准电压VF3时即应用本发明的电源管理芯片工作在恒压模式且空载，电源管理芯片的次级电感的电流退磁到0A的时间较少，驱动信号DM驱动开关S3的导通时间使输入到第四PMOS管MP4的栅极电压接近0V，第四PMOS管导通，状态判断单元驱动第四NMOS管MN4导通，输入到电阻R1的电流IG4＝IG2+IG3；当系统工作在轻载的情况下，此时电容C10的输出信号从0V开始上升并在电源管理芯片进入恒流模式前上升到(1/2)*VF1，此时第四PMOS管MP4的源端电压会跟随栅端电压上升，由于第四NMOS管MN4的栅端电压为基准电压VF1，随着源端电压的上升，其电流会慢慢变小，当源端电压上升到VF1-(vtn+Δvn)(vtn为第四NMOS管MN4的开启电压,Δv则为第四NMOS管MN4的过驱动电压)，第四NMOS管MN4输出电流为0A。当电源管理芯片工作在恒流模式时退磁电压FB小于基准电压VF3，此时第四NMOS管MN4的栅极电压为0V，第四NMOS管MN4关闭。

由于电源管理芯片采样的电流IG4为:IG4＝N*(J+1)*IG1/M,结合电阻R1上的电压VREF,则可以得到IG1的电流为：

IG1＝VREF*M(N*(J+1)*R1),其中J的变化范围为0到1之间,与第四NMOS管MN4导通程度相关。当系统在空载时则J＝1，系统工作在满载则J＝0，这样当电源管理芯片工作在空载时，则IG1的电流是满载时一半，而IG1与输入到第一比例转换单元的三极管NPN1外部电流正相关，当IG1变小时，输入到三极管NPN1的电流变小，所以可以降低电源管理芯片在空载时的待机功耗。

VF1的电压设置：VF1–(vtn+Δvn)-(vtp+Δvp)＝0.5*VF1，可以推导出VF1＝2*[(vtn+Δvn)+(vtp+Δvp)]，当第四NMOS管MN4和第四PMOS管MP4的W/L做大，使Δvn和Δvp变小忽略不计，所以可以设置VF1＝2*(vtn+vtp)，一般的vtn和vtp在0.8V～1V左右。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：由于应用本发明的电源管理芯片在空载状态下的电流是满载时的一半，所以可以有效降低电源管理芯片在空载模式下的待机功率。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明实现无采样电阻的峰值电流检测的电路图；

图2为本发明的第三比例转换单元和第二比例转换单元连接的电路图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-2所示，一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路，包括比例电流转换电路和电压比较电路，比例电流转换电路包括第一比例转换单元4、第二比例转换单元7、第三比例转换单元9和电阻R1,第一比例转换单元4将外部电流转换为第一中间电流IG1，第二比例转换单元7将第一中间电流IG1转换为第二中间电流IG2，第三比例转换单元9将第一中间电流IG1转换为第三中间电流IG3，第二中间电流IG2和第三中间电流IG3共同输入到电阻R1一端，第二中间电流和第三中间电流共同输入到电阻R1一端，电阻R1另一端接地，电压比较电路与电阻R1未接地的一端电连接。

具体地，第一比例转换单元4包括三极管NPN1、二极管D1、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2，第二比例转换单元7包括第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第一运算放大器A1。

其中，三极管NPN1的集电极接入外部电流，三极管NPN1的发射极分别电连接二极管D1的正极、第一NMOS管MN1的漏极和第一运算放大器A1的正向输入端，第一NMOS管MN1的栅极电连接第二NMOS管MN2的栅极，第一NMOS管MN1的源极和第二NMOS管MN2的源极均接地；第一PMOS管MP1的源极和第二PMOS管MP2的源极均接入电源V2，第一PMOS管MP1的栅极分别电连接第二PMOS管MP2的栅极、第一PMOS管MP1的源极和第三NMOS管MN3的漏极，第三NMOS管MN3的源极分别电连接第二NMOS管MN2的漏极和第一运算放大器A1的负向输入端，第一运算放大器A1的输出端电连接第三NMOS管MN3的栅极，第二PMOS管MP2的漏极通过电阻R1接地；

第三比例转换单元9包括第三PMOS管MP3、第四NMOS管MN4和第四PMOS管MP4，第三PMOS管MP3的源极与电源V2电连接，第三PMOS管MP3的栅极与第二PMOS管MP2的栅极电连接，第三PMOS管MP3的漏极与第四NMOS管MN4的源极电连接，第四NMOS管MN4的栅极电连接状态判断单元的输出端，状态判断单元的第一输入端接入基准电压VF1、第二输入端接入退磁电压FB、第三输入端接入基准电压VF3，状态判断单元在退磁电压FB小于基准电压VF3时驱动第四NMOS管MN4导通,使基准电压VF1接入第四NMOS管MN4的栅极，在退磁电压FB大于基准电压VF3时驱动第四NMOS管MN4断开，第四NMOS管MN4的漏极与第四PMOS管MP4的源极电连接，第四PMOS管的栅极与驱动单元电连接，驱动单元输入到第四PMOS管的栅极的电压可调，第四PMOS管MP4的漏极与电阻R1一端电连接。

参照图2，驱动单元包括第三运算放大器A3、开关S3、S4、电阻R10、电容C10和反相器，第三运算放大器A3的正向输入端接入基准电压VF2，第三运算放大器A3的负向输入端分别与第三运算放大器A3的输出端和开关S3的输入端电连接，开关S3的输出端分别与开关S4的输入端和电阻R10一端电连接，电阻R10另一端分别与第四PMOS管MP4的栅极和电容C10一端电连接，开关S4的输出端和电容C10另一端均接地，开关S3的控制端接入驱动信号DM，驱动信号DM通过反相器与开关S4的控制端电连接。

本实施例中，退磁电压FB为与应用本发明的电源管理芯片的输出电压正相关；驱动信号DM在电源管理芯片的次级电感的电流退磁到0A的时间段内为高电平，当开关S3和S4的控制端输入高电平的信号时开关S3或者S4导通；基准电压VF1和VF2相同，电压值均为VF，其中VF需满足VF–(vtn+Δvn)-(vtp+Δvp)＝0.5*VF，VF＝2*[(vtn+Δvn)+(vtp+Δvp)]，vtn为第四NMOS管MN4的开启电压,Δvn则为第四NMOS管MN4的过驱动电压,vtp为第四PMOS管MP4的开启电压,Δvp为第四PMOS管MP4的过驱动电压,当第四NMOS管MN4和第四PMOS管MP4的W/L做大，使Δvn和Δvp变小忽略不计，所以可以设置VF1＝2*(vtn+vtp)，一般的vtn和vtp在0.8V～1V左右，基准电压VF3比电源管理芯片在恒压状态下的输出电压小0.1V。

本实施例中，第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3均为比例管，三个PMOS管的宽长比为M:N:N，在第四NMOS管MN4完全打开时，IG2＝(N/M)*IG1、IG3＝(N/M)*IG1,IG4＝IG2+IG3＝2*(N/M)*IG1,当第四NMOS管MN4完全关闭时，IG3＝OA，IG4＝IG2＝(N/M)*IG1；当第四NMOS管未完全打开时，IG2＝(N/M)*IG1、IG3＝j*(N/M)*IG1,IG4＝IG2+IG3＝(1+j)*(N/M)*IG1,J大于0小于1。则在实际应用时，IG4＝(1+J)*(N/M)*IG1，J大于等于0小于等于1。

另外，电压比较电路5包括第一电压比较器CMP1，第一电压比较器CMP1的正向输入端电连接第二PMOS管MP2的漏极，第一电压比较器CMP1的负向输入端电连接基准电压VREF。

第一电压比较器CMP1的输出端电连接逻辑电路1，逻辑电路1电连接电容充放电路6，电容充放电路6被配置于控制三极管NPN1和第一NMOS管MN1的通断。

为确保在进行峰值电流检测时电流处于峰值状态，电容充放电路6包括电容C1、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第二运算放大器A2、第二电压比较器CMP2、第三电压比较器CMP3、电阻R2和R3；电源V2通过第一开关K1向电容C1充电，电容C1通过第二开关K2进行放电，第二运算放大器A2的正向输入端电连接电源VM，第二运算放大器A2的输出端分别电连接第二运算放大器A2的负向输入端、电阻R2和第三开关K3一端，第三开关K3另一端分别电连接电容C1、第二电压比较器CMP2的正向输入端和第三电压比较器CMP3的正向输入端，电阻R2通过第四开关K4电连接电阻R3一端，电阻R3另一端电连接第二电压比较器CMP2的负向输入端，第二电压比较器CMP2的输出端通过NMOS管驱动电路电连接第一NMOS管MN1的栅极，第三电压比较器CMP3的负向输入端电连接电源VM，第三电压比较器CMP3的输出端通过基极驱动电路电连接三极管NPN1的基极。其中，逻辑电路1控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4的通断。

本发明实现无采样电阻地峰值电流检测已在背景技术的专利文献中公开，在此不做过多描述。本发明降低待机功耗的原理如下：当退磁电压FB大于基准电压VF3时即应用本发明的电源管理芯片工作在恒压模式且空载，电源管理芯片的次级电感的电流退磁到0A的时间较少，驱动信号DM驱动开关S3的导通时间使输入到第四PMOS管MP4的栅极电压接近0V，第四PMOS管导通，状态判断单元驱动第四NMOS管MN4导通，输入到电阻R1的电流IG4＝2*(N/M)*IG1；当系统工作在轻载的情况下，此时电容C10的输出信号从0V开始上升并在电源管理芯片进入恒流模式前上升到(1/2)*VF，此时第四PMOS管MP4的源端电压会跟随栅端电压上升，由于第四NMOS管MN4的栅端电压为基准电压VF，随着源端电压的上升，其电流会变小，在这个过程IG4＝IG2+IG3＝(1+j)*(N/M)*IG1，当源端电压上升到VF-(vtn+Δvn)，第四NMOS管MN4输出电流为0A，此时电源管理芯片工作在恒流模式。当电源管理芯片工作在恒流模式时退磁电压FB小于基准电压VF3，此时第四NMOS管MN4的栅极电压为0V，第四NMOS管MN4关闭，IG4＝IG2＝(N/M)*IG1。

由于IG4＝N*(J+1)*IG1/M,结合电阻R1上的电压VREF,则可以得到IG1的电流为：IG1＝VREF*M(N*(J+1)*R1)。当系统在空载时则J＝1，系统工作在满载则J＝0，这样当电源管理芯片工作在空载时，则I G1的电流是满载时一半，而IG1与输入到第一比例转换单元的三极管NPN1外部电流正相关，当IG1变小时，输入到三极管NPN1的电流变小，所以可以降低电源管理芯片在空载时的待机功耗。在实际使用时本发明可以使电源管理芯片或者系统的待机功耗在30mW以下，符合六级能效的要求。

上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路，包括比例电流转换电路和电压比较电路，所述比例电流转换电路接入外部电流、被配置于将外部电流转换为电压输出，所述比例电流转换电路的输出端电连接电压比较电路，所述电压比较电路还电连接基准电压，其特征在于：所述比例电流转换电路包括第一比例转换单元、第二比例转换单元、第三比例转换单元和电阻R1,所述第一比例转换单元将外部电流转换为第一中间电流IG1，所述第二比例转换单元将第一中间电流IG1转换为第二中间电流IG2，所述第三比例转换单元将第一中间电流IG1转换为第三中间电流IG3，所述第二中间电流IG2和第三中间电流IG3共同输入到电阻R1一端，所述电阻R1另一端接地，所述电压比较电路与电阻R1未接地的一端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路，其特征在于：所述第一比例转换单元包括三极管NPN1、二极管D1、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2，所述第二比例转换单元包括第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第一运算放大器A1，所述三极管NPN1的集电极接入外部电流，三极管NPN1的发射极分别电连接二极管D1的正极、第一NMOS管MN1的漏极和第一运算放大器A1的正向输入端，所述第一NMOS管MN1的栅极电连接第二NMOS管MN2的栅极，所述第一NMOS管MN1的源极和第二NMOS管MN2的源极均接地；所述第一PMOS管MP1的源极和第二PMOS管MP2的源极均接入电源V2，第一PMOS管MP1的栅极分别电连接第二PMOS管MP2的栅极、第一PMOS管MP1的源极和第三NMOS管MN3的漏极，第三NMOS管MN3的源极分别电连接第二NMOS管MN2的漏极和第一运算放大器A1的负向输入端，第一运算放大器A1的输出端电连接第三NMOS管MN3的栅极，第二PMOS管MP2的漏极通过电阻R1接地；

所述第三比例转换单元包括第三PMOS管MP3、第四NMOS管MN4和第四PMOS管MP4，所述第三PMOS管MP3的源极与电源V2电连接，所述第三PMOS管MP3的栅极与第二PMOS管MP2的栅极电连接，所述第三PMOS管MP3的漏极与第四NMOS管MN4的源极电连接，所述第四NMOS管MN4的栅极电连接状态判断单元的输出端，所述状态判断单元的第一输入端接入基准电压VF1、第二输入端接入退磁电压FB，所述状态判断单元在所述退磁电压FB小于基准电压VF3时驱动所述第四NMOS管MN4导通,使基准电压VF1接入第四NMOS管MN4的栅极，在所述退磁电压FB大于基准电压VF3时驱动所述第四NMOS管MN4断开，所述第四NMOS管MN4的漏极与第四PMOS管MP4的源极电连接，所述第四PMOS管的栅极与驱动单元电连接，所述驱动单元输入到第四PMOS管的栅极的电压可调，所述第四PMOS管MP4的漏极与电阻R1一端电连接。

3.根据权利要求2所述的一种低能耗的无采样电阻峰值电流检测电路，其特征在于：所述驱动单元包括第三运算放大器A3、开关S3、S4、电阻R10、电容C10和反相器，所述第三运算放大器A3的正向输入端接入基准电压VF2，第三运算放大器A3的负向输入端分别与第三运算放大器A3的输出端和开关S3的输入端电连接，所述开关S3的输出端分别与开关S4的输入端和电阻R10一端电连接，所述电阻R10另一端分别与第四PMOS管MP4的栅极和电容C10一端电连接，所述开关S4的输出端和电容C10另一端均接地，所述开关S3的控制端接入驱动信号DM，驱动信号DM通过所述反相器与开关S4的控制端电连接。

4.根据权利要求3所述的无采样电阻的峰值电流检测电路，其特征在于：所述电压比较电路包括第一电压比较器CMP1，所述第一电压比较器CMP1的正向输入端电连接第二PMOS管MP2的漏极，第一电压比较器CMP1的负向输入端电连接基准电压。

5.根据权利要求4所述的无采样电阻的峰值电流检测电路，其特征在于：所述第一电压比较器CMP1的输出端电连接逻辑电路，所述逻辑电路电连接电容充放电路，所述电容充放电路被配置于控制三极管NPN1和第一NMOS管MN1的通断。

6.根据权利要求5所述的无采样电阻的峰值电流检测电路，其特征在于：所述电容充放电路包括电容C1、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第二运算放大器A2、第二电压比较器CMP2、第三电压比较器CMP3、电阻R2和R3；所述电源V2通过第一开关K1向电容C1充电，电容C1通过第二开关K2进行放电，第二运算放大器A2的正向输入端电连接电源VM，第二运算放大器A2的输出端分别电连接第二运算放大器A2的负向输入端、电阻R2和第三开关K3一端，第三开关K3另一端分别电连接电容C1、第二电压比较器CMP2的正向输入端和第三电压比较器CMP3的正向输入端，所述电阻R2通过第四开关K4电连接电阻R3一端，所述电阻R3另一端电连接第二电压比较器CMP2的负向输入端，第二电压比较器CMP2的输出端通过NMOS管驱动电路电连接第一NMOS管MN1的栅极，第三电压比较器CMP3的负向输入端电连接电源VM，第三电压比较器CMP3的输出端通过基极驱动电路电连接三极管NPN1的基极。

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