CN112730957A

CN112730957A - 一种电流检测电路

Info

Publication number: CN112730957A
Application number: CN202011517076.3A
Authority: CN
Inventors: 俞阳刚; 邹志革; 邹雪城; 皮庆广; 谢锦红; 李君瑞; 吕骏夫
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2040-12-21
Also published as: CN112730957B

Abstract

本发明公开了一种电流检测电路，属于模拟集成电路技术领域。包括负载电流采样电路、偏置电压产生电路、放大器、检测电流产生电路及最大负载指示电路；负载电流采样电路的电源输入端接VCC、信号输入端接Vg、反馈输入端与放大器差分输入反向端、检测电流产生电路的反馈输出信号相连，输出端接放大器差分输入正向端；偏置电压产生电路的输入端接VDD，输出端接放大器偏置输入端及最大负载指示电路的偏置输入端；放大器的输出端接检测电流产生电路的输入端及最大负载指示电路的输入端；最大负载指示电路可以限制检测输出信号的最大值；检测电流产生电路信号输出端传输检测信号。本发明可在8V～36V电源范围内检测负载电流，具有检测速度快、检测精度高等优点。

Description

一种电流检测电路

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种电流检测电路。

背景技术

对于高边驱动芯片或者开关电源等芯片，经常需要检测负载电流的变化。随着电源管理系统的迅速发展，电路模块或芯片工作的电源电压范围也越来越广，对于常规的电流检测而言，很难在大的电源电压范围内精确、快速地检测负载电流。因此，需要一款能够在宽范围高电源电压的条件下精确、快速检测负载电流变化的电流检测电路。

图1所示为一种常见的电流检测电路，包括：一个运算放大器、PMOS管P1、NMOS管N1和N2、电阻R1、负载电路。N2管和N1管是同类型的NMOS晶体管，N2管宽长比与N1管成一定比例。当负载电流增大时，N1源极电压下降，通过运算放大器使P1栅极电压下降，因此N2源极随之下降，最终N2源极电压与N1源极电压保持一致，N2管产生与负载电流成比例的电流，在R1上产生检测电压。在该结构中，当电源电压在大范围变化时，N1管源极电压也会大范围变化，从而超出运算放大器输入对管的共模范围，导致放大器不能正常工作。因此，对于电源电压大范围变化的电路模块或芯片来说，该电路无法正常检测负载电流。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电流检测电路，旨在克服现有的电流检测电路难以在宽电源电压范围内精确、快速的检测负载电流的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是宽范围高电源电压的电流检测电路，包括负载电流采样电路、偏置电压产生电路、放大器电路、检测电流产生电路及最大负载指示电路；负载电流采样电路的电源输入端接第一电源电压，信号输入端接驱动信号，反馈输入端与放大器差分输入反向端、检测电流产生电路的反馈输出信号相连，输出端接放大器差分输入正向端，用于产生放大器电路比较的电压信号；所述偏置电压产生电路的输入端接第二电源电压，输出端接放大器电路的偏置输入端及最大负载指示电路的偏置输入端，用于产生偏置电压信号；所述放大器电路的输出端接检测电流产生电路的输入端及最大负载指示电路的输入端；所述最大负载指示电路的一路信号输入端接放大器电路的输出端，另一路信号输入端接检测电流产生电路的反馈输出端，输出端接放大器电路的反馈输入端；所述检测电流产生电路和负载电流采样电路、放大器电路形成闭环负反馈环路，从而使放大器电路差分输入端差分信号相等，检测电流产生电路的信号输出端传输检测信号。

进一步地，第一电源电压范围为8V～36V，所述第二电源电压范围为4V～5V。

优选地，负载电流采样电路包括功率管、采样管及第一电阻；所述的功率管和采样管栅极与信号输入端驱动信号相连，功率管的源极与放大器的差分正向输入端相连，采样管源极与检测电流产生电路的反馈输出信号及放大器的差分反向输入端相连；所述第一电阻正端接功率管源极，负端接采样管源极。

优选地，负载电流采样电路功率管和采样管均为NMOS晶体管。

优选地，负载电流采样电路的信号输入端驱动信号高于第一电源电压。

优选地，放大器电路包括偏置电压转换电路、二级放大器电路及电压调节电路；所述偏置电压转换电路将低压偏置电压转换成适用于放大器电平的偏置电压，所述电压调节电路对的第一电源电压进行调节，使二级放大器电路工作在5V的电压条件下。

优选地，所述放大器电路中电压调节电路包含一个稳压二极管。

优选地，当负载电流不断增大且未达到最大负载时，所述检测电流产生电路输出的检测电压随之增大；当负载电流减小时，所述检测电流产生电路输出的检测电压随之减小。

优选地，当负载电流增大至最大负载时，所述最大负载指示电路对检测电压进行限制，所述检测电流产生电路输出的检测电压维持在最大负载显示值。

通过上述技术方案，本发明能够取得以下有益效果：

1、本发明在负载电流采样电路采用的第一电阻，可以在负载电流瞬间突变时对第二NMOS管进行调节，从而增强了电流检测的响应速度，能够在负载快速变化时进行电流检测。

2、本发明采用的放大器电路，包括二级放大器电路、电压调节电路及偏置电压转换电路。所述二级放大器电路增加了放大器的增益，使电流检测更精确；所述偏置电压转换电路及电压调节电路使放大器能够工作在宽范围的电源电压条件下，使设计更灵活。

3、本发明采用的最大负载指示电路，可以在电路系统或芯片达到最大负载时进行指示，输出的检测电压达到最大值，指示负载电流达到最大值。

附图说明

图1是现有技术的一种电流检测电路的结构示意图；

图2是本发明提供的一种电流检测电路的结构框图；

图3是本发明实施例提供的一种电流检测电路的结构示意图；

附图标记说明：

100、200、300：电流检测电路，201、301：第一电源电压VCC，202、302：第二电源电压VDD，203、303：负载电流采样电路的驱动信号Vg，204、304：负载电流采样电路，205、305：偏置电压产生电路，206、306：放大器电路，207、307：检测电流产生电路，208、308：最大负载指示电路，209、309：放大器电路差分反向输入信号及检测电流产生电路的反馈输出信号，210、310：放大器电路差分正向输入信号，211、311：偏置电压信号，212、312：放大器的输出信号，213、313：输出信号Vout，214、314：最大负载指示电路的输出信号。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及效果能够更加易懂，以下结合附图对本发明的实施方式进行更进一步的说明。以下所描述的细节仅用于充分理解本发明，但是本发明不受以下公开的具体实例的限制。

图2为本发明提出的电流检测电路200的结构示意图，包括负载电流采样电路204、偏置电压产生电路205、放大器电路206、检测电流产生电路207、最大负载指示电路208。

具体的，通过负载电流采样电路204、放大器电路206、检测电流产生电路207形成的闭环负反馈结构，对放大器反向输入端信号209进行调节，使放大器差分输入信号209、210相等。进而负载电流采样电路能够精确地对负载电流进行采样，从而检测电流产生电路输出与负载电流成比例的检测电压Vout。偏置电压产生电路产生低电源电压VDD下的偏置电压信号211，作为放大器电路和最大负载指示电路的偏置信号。当负载电流达到最大负载时，最大负载指示电路对放大器输出信号212进行限制，从而使检测电流产生电路的输出电压Vout维持在最大值。值的注意的是，本实例中部分MOS管采用了耐高压的高压MOS管，此处的耐高压指的是漏源电压耐高压，高压管具体的耐高压值要根据具体应用场景来选择，本实例中高压MOS管统一采用漏源电压耐40V高压的高压MOS管。

图3示出一种电流检测电路的结构示意图，应注意，图3所示的电路图为电流检测电路200的各种实施例中的一种。在图3所示的实施例中电流检测电路300的偏置电压产生电路305包括第一电流源I1和第三NMOS管N3，N3的源极接地，栅极与漏极短接并连接到第一电流源I1的输出端，I1的输入端接第二电源电压VDD。

在图3所示的实施例中电流检测电路300的负载电流采样电路304包括功率管第一NMOS管N1，采样管第二NMOS管N2，第一电阻R1和负载。其中，N1、N2均为高压NMOS管，N1源极和放大器电路306的差分正向输入信号310相连，N2源极和放大器电路306差分反向输入信号309相连。第一电阻正端与N1源极相连，负端与N2源极相连。负载正端与N1源极相连，负端接地。N1、N2漏极和第一电源电压VCC相连，栅极接输入驱动信号Vg。当负载变大时，N1源极电压下降，因此放大器差分正向输入端信号310电压下降。

在图3所示的实施例中电流检测电路300的放大器电路306包括：P型MOS管P1～P9、N型MOS管N4～N14、第二电阻R2、第一电容C1以及第一稳压二极管D1。其中，P1、P2、N5、N12、N14是高压MOS管。偏置电压311和N4、N11栅极相连，第二电源和N5、N12、N14栅极相连，N5源极接N4漏极，P5栅漏短接和P6栅极、N5漏极相连，N6栅漏短接和P6漏极、N7栅极、N10栅极相连，N6源极、N7源极、N10源极、N12漏极、第一稳压二极管D1正端、P1栅极、P2栅极相连，N12源极接N11漏极，N7漏极、N8源极、N9源极相连，N8栅极接反向输入信号309，N9栅极接正向输入信号310，P3栅漏短接和P4栅极、N8漏极相连，P4漏极、第一电容C1上端、P7栅极、N9漏极相连，第一电容C1下端接第二电阻R2正端，P7漏极、第二电阻R2负端、N10漏极、P8漏极相连，P9栅漏短接和P8栅极、N14漏极相连，N14源极接N13漏极，N13栅极接最大负载指示电路308的输出信号314，P3～P9源极短接和P1漏极、P2漏极、第一稳压二极管负端相连，P1源极、P2源极和反向输入信号309相连，N4、N11、N13源极接地。

进一步描述，放大器电路包括偏置电压转换电路、二级放大器电路、电压调节电路。偏置电压转换电路包括N4～N6、N11、N12、P5、P6；二级放大器电路包括P3、P4、P7～P9、N7～N10、N13、N14、C1、R2；电压调节电路包括P1、P2、D1。偏置电压转换电路将第二电源电压VDD生成的偏置电压311转换成适用于二级放大器电路的偏置电压，控制N7、N10的栅极电压。应注意的是，虽然N7、N10的源极电压不固定，但通过偏置转换电路的调节，N7、N10的栅源电压差是固定的，通过N7、N10的电流和第一电流源I1成一定比例，且适用于放大器电平电压。电压调节电路对第一电源电压VCC进行初步调节，并通过稳压二极管D1使二级放大器工作的最大电压差不超过D1的稳压值。二级放大器对差分输入信号309、310之间的电压差进行放大，产生输出信号312。当负载增大时，放大器正向输入信号310降低，输出信号312减小。C1、R2起到密勒电容补偿的功能，使放大器电路保持稳定。N13、N14、P8、P9对放大器输出电压信号312进行钳位，当负载达到最大时，N13管支路产生电流，P8管对P9管电流进行镜像，从而对放大器输出电压312起到上拉作用，限制了放大器电路的输出电压312。

在图3所示的实施例中电流检测电路300的检测电流产生电路307包括：第十一PMOS管P11、第三电阻R3。其中，P11管是高压MOS管，栅极接放大器电路输出电压312，源极和负载电流采样电路的反馈输入端309相连。第三电阻R3正端和P11漏极相连，为检测电流产生电路的输出信号Vout，负端接地。

更进一步描述，当负载增大时，负载电流采样电路N1管源极电压下降，从而放大器输出电压312减小，即P11管栅极电压下降。因此P11源极电压也下降，即负载电流采样电路N2管源极电压也下降，最终N1、N2管源极电压相等。N1、N2管栅源电压相等，漏端短接，因此N2产生与N1成比例的电流。虽然P1、P2管支路会对N2管电流进行分流，但相比N2管产生的采样电流可以忽略，所以N2管产生与负载成比例的电流，流经第三电阻R3，产生与负载成比例的检测电压Vout。需要注意的是，当负载迅速变化时，N1管源极电压也会迅速变化，N2源极电压要通过放大器电路、检测电流产生电路整个环路才会发生相应变化，因此电流检测速度较慢。而第一电阻R1的存在可以在N1源极电压迅速变化时对N2源极进行预调节，增强了电路的响应速度。又因为放大器电路采用了二级放大器结构，因此增益较高，增强了电流检测的精度。

在图3所示的实施例中电流检测电路300的最大负载指示电路308包括：第十PMOS管P10、第十五、第十六、第十七NMOS管N15、N16、N17。其中，P10、N17是高压MOS管。P10栅极接放大器电路输出电压312，源极与检测电流产生电路的反馈输出信号309相连，漏极接N17漏极。N15栅源短接，与最大负载指示电路输出电压314、N17源极相连。N17栅极接第二电源电压VDD，源极和N16漏极相连。N15、N16源极接地。当负载电流未达到最大负载时，P10管采样的P11管电流小于N16管电流，因此N16管漏极电压下降，N15管支路无电流，最大负载指示电路输出电压314小于NMOS管阈值电压。当负载电流达到或超过最大负载时，P10管电流大于N16管电流，多余的电流流过N15管，输出电压314大于NMOS管阈值电压，传输到放大器电路N13管栅极，对放大器电路输出电压312进行限制，使检测电流产生电路输出电压Vout保持不变。

综上所述，当负载未达到最大值时，电流检测电路输出电压Vout与负载成正比，随着负载的增大而增大。当负载达到最大值时，输出电压Vout不再随负载变化而变化，维持在最大值。通过本发明的技术方案电流检测电路可以工作在宽范围高电源电压的条件下，同时具有检测速度快，检测精度高等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电流检测电路，其特征在于，包括负载电流采样电路、偏置电压产生电路、放大器电路、检测电流产生电路及最大负载指示电路；所述负载电流采样电路的电源输入端接第一电源电压，信号输入端接驱动信号，反馈输入端与放大器差分输入反向端、检测电流产生电路的反馈输出信号相连，输出端接放大器差分输入正向端，用于产生放大器电路比较的电压信号；所述偏置电压产生电路的输入端接第二电源电压，输出端接放大器电路的偏置输入端及最大负载指示电路的偏置输入端，用于产生偏置电压信号；所述放大器电路的输出端接检测电流产生电路的输入端及最大负载指示电路的输入端；所述最大负载指示电路的一路信号输入端接放大器电路的输出端，另一路信号输入端接检测电流产生电路的反馈输出端，输出端接放大器电路的反馈输入端；所述检测电流产生电路和负载电流采样电路、放大器电路形成闭环负反馈环路，从而使放大器电路差分输入端差分信号相等，检测电流产生电路的信号输出端传输检测信号。

2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述第一电源电压范围为8V～36V，所述第二电源电压范围为4V～5V。

3.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述负载电流采样电路包括功率管、采样管和第一电阻，所述功率管和采样管的栅极与信号输入端驱动信号相连，所述功率管的源极与放大器电路的差分正向输入端相连，所述采样管的源极与检测电流产生电路的反馈输出信号及放大器电路的差分反向输入端相连；所述第一电阻正端接功率管源极，负端接采样管源极。

4.根据权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，所述功率管和采样管均为NMOS晶体管。

5.根据权利要求2所述的电流检测电路，其特征在于，所述信号输入端驱动信号电平高于第一电源电压。

6.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述放大器电路包括偏置电压转换电路、二级放大器电路及电压调节电路；所述偏置电压转换电路将低压偏置电压转换成适用于放大器电平的偏置电压，所述电压调节电路对第一电源电压进行调节，使二级放大器电路工作在5V的电压条件下。

7.根据权利要求6所述电流检测电路，其特征在于，所述电压调节电路包含一个稳压二极管。

8.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，当负载电流增大但未至最大负载时，所述检测电流产生电路输出的检测电压随之增大；当负载电流减小时，所述检测电流产生电路输出的检测电压随之减小。

9.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，当负载电流增大至最大负载时，所述最大负载指示电路对检测电压进行限制，所述检测电流产生电路输出的检测电压维持在最大负载显示值。