CN113125830A

CN113125830A - 一种双向电流检测电路和电源系统

Info

Publication number: CN113125830A
Application number: CN201911392806.9A
Authority: CN
Inventors: 易新敏; 徐海峰
Original assignee: SG Micro Beijing Co Ltd
Current assignee: SG Micro Beijing Co Ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN113125830B

Abstract

本申请公开了一种双向电流检测电路和电源系统，双向电流检测电路包括功率开关管、第一镜像开关管、第二镜像开关管、电流输出模块和压流转换模块，第一镜像开关管和第二镜像开关管分别通过镜像功率开关管中的充电电流和放电电流得到第一镜像电流和第二镜像电流，电流输出模块用于在不同的模式下，通过切换误差放大器的输入端的极性以及选择相应的电流支路，以分别根据第一镜像电流和第二镜像电流得到第一检测电流和第二检测电流，并将第一检测电流和第二检测电流之一传递至流压转换模块，以得到相应的检测电压，利用一个误差放大器即可完成两个不同方向的电流检测，保证两个方向的电流检测的测量精度完全一致，提高了双向电流检测的精度。

Description

一种双向电流检测电路和电源系统

技术领域

本发明涉及电源管理技术领域，更具体地，涉及一种双向电流检测电路和电源系统。

背景技术

随着电力电子设备的广泛应用，在电能传输过程中存在大量的电流可能双向流动的场合，例如电动车电源管理系统、备用电源系统等。在这些应用场合中需要对变换器的双向电流进行检测，一方面，在电池给系统供电时，需要监测电池放电的电流大小，在电池放电电流过大时，减小供电电流，从而对整个系统起到保护的作用；另一方面，在对电池进行充电时，需要监测充电电流的大小，将充电电流控制在合适的范围之内，在具有较快的充电速度的同时，保护电池和充电电路的安全。

传统的双向电流检测需要两组运放及检测电路分别来完成两个方向的电流检测(充电方向和放电方向)。如图1示出了传统的双向电流检测电路的电路示意图。如图1所示，传统的双向电流检测电路100需要两个运放分别完成充电和放电两个方向的电流检测，运放U_C、输入电阻R_INC+、输入电阻R_INC-、晶体管M_C、滤波电容C_C以及输出电阻R_OUTC组成了充电电流检测电路，运放U_D、电阻R_IND+、电阻R_IND-、晶体管M_D、滤波电容C_D以及输出电阻R_OUTD组成放电电流检测电路。此外，R_SENSE为检测电阻，LOAD为用电负载，V_BAT为可充电储能设备，CHARGER为充电器。检测电阻R_SENSE的两端分别与充电电流检测电路的输入电阻R_INC+、R_INC-的一端和放电电流检测电路的输入电阻R_IND+、R_IND-的一端连接，输入电阻R_INC-的另一端与运放U_C的反相输入端、晶体管M_C的源极和衬底连接，电阻R_INC+的另一端与运放U_C的同相输入端连接，运放U_C的输出端与晶体管M_C的栅极连接，晶体管M_C的漏极与输出电阻R_OUTC的一端连接，滤波电容C_C的一端与检测电阻R_SENSE的正端(即检测电阻R_SENSE的左端，充电时电流由左至右流动)和运放U_C的电源正端连接，另一端与运放U_C的整流端V_REG连接，输出电阻R_OUTC的另一端和运放U_C的电源负端接地。输入电阻R_IND-的另一端与运放U_D的反相输入端、晶体管M_D的源极和衬底连接，电阻R_IND+的另一端与运放U_D的同相输入端连接，运放U_D的输出端与晶体管M_D的栅极连接，晶体管M_D的漏极与输出电阻R_OUTD的一端连接，滤波电容C_D的一端与检测电阻R_SENSE的负端(即检测电阻R_SENSE的右端，放电时电流由右至左流动)和运放U_D的电源正端连接，另一端与运放U_D的整流端V_REG连接，输出电阻R_OUTD的另一端和运放U_D的电源负端接地。

然而，在传统的双向电流检测电路中，由于两组电流检测电路在电路版图中的环境差异等问题，两组电路之间必定存在不完全对称的问题，导致两个方向的电流检测电路的测量精度无法保持完全一致，这在一些需要精密测量的场合中会引发严重的测量误差。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种双向电流检测电路和电源系统，利用一个误差放大器即可完成两个不同方向的电流检测，保证两个方向的电流检测的测量精度完全一致，提高了双向电流检测的精度。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种双向电流检测电路，包括：功率开关管，其具有与储能设备连接的第一端、与负载连接的第二端以及控制端；第一镜像开关管，与所述功率开关管的第一端连接，适于获得与充电电流相对应的第一镜像电流；第二镜像开关管，与所述功率开关管的第二端连接，适于获得与放电电流相对应的第二镜像电流；以及电流输出模块，适于分别根据所述第一镜像电流和所述第二镜像电流得到第一检测电流和第二检测电流，并将所述第一检测电流和所述第二检测电流之一传递至流压转换模块；流压转换模块，适于将所述第一检测电流或所述第二检测电流转换成检测电压。

优选地，所述第一镜像开关管的第二端与所述功率开关管的第二端连接，第一端用于提供所述第一镜像电流，所述第二镜像开关管的第一端与所述功率开关管的第一端连接，第二端用于提供所述第二镜像电流，所述第一镜像开关管、所述第二镜像开关管、以及所述功率开关管的控制端彼此相连以接收一开关控制信号。

优选地，所述电流输出模块包括：误差放大器，其具有与所述第一镜像开关管的第一端连接的第一输入端、与所述第二镜像开关管的第二端连接的第二输入端、以及输出端；第一晶体管，其具有与所述第一镜像开关管的第一端连接的第一端、与所述误差放大器的输出端连接的控制端、以及用于提供所述第一检测电流的第二端；第二晶体管，其具有与所述第二镜像开关管的第二端连接的第一端、与所述误差放大器的输出端连接的控制端、以及用于提供所述第二检测电流的第二端；以及开关阵列，用于分别将所收第一检测电流或所述第二检测电流提供至所述流压转换模块。

优选地，所述开关阵列包括与所述第一晶体管的第二端连接的第一开关和与所述第二晶体管的第二端连接的第二开关，其中，所述第一开关和所述第二开关不同时导通。

优选地，所述流压转换模块包括一检测电阻，其具有与所述第一开关和所述第二开关连接的第一端、以及与地连接的第二端，其中，所述检测电阻的第一端用于提供所述检测电压。

优选地，所述功率开关管、所述第一镜像开关管和所述第二镜像开关管分别选自MOSFET。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种电源系统，包括上述的双向电流检测电路。

本发明实施例的双向电流检测电路和电源系统具有以下有益效果。

双向电流检测电路包括功率开关管、第一镜像开关管、第二镜像开关管、电流输出模块和压流转换模块，第一镜像开关管和第二镜像开关管分别通过镜像功率开关管中的充电电流和放电电流得到第一镜像电流和第二镜像电流，电流输出模块用于在不同的模式下，通过切换误差放大器的输入端的极性以及选择相应的电流支路，以分别根据第一镜像电流和第二镜像电流得到第一检测电流和第二检测电流，并将第一检测电流和第二检测电流之一传递至流压转换模块，以得到相应的检测电压。本发明实施例的双向电流检测电路利用一个误差放大器即可完成两个不同方向的电流检测，保证两个方向的电流检测的测量精度完全一致，提高了双向电流检测的精度，同时，还可以降低电源系统的电路成本。

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，在附图中：

图1示出了传统的双向电流检测电路的电路示意图；

图2示出根据本发明实施例的双向电流检测电路的电路示意图；

图3示出根据本发明实施例的双向电流检测电路的充电电流检测的示意图；

图4示出根据本发明实施例的双向电流检测电路的放电电流检测的示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或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。

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。

在本申请中，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图2示出根据本发明实施例的双向电流检测电路的电路示意图。如图2所示，双向电流检测电路200包括功率开关管M_P、第一镜像开关管M_S1、第二镜像开关管M_S2、电流输出模块210以及流压转换模块220。

功率开关管M_P的第一端与端口B连接，功率开关管M_P的第二端与端口A连接，控制端用于接收开关控制信号V_CTRL。其中，端口A用于连接外部负载LOAD或者充电器CHARGER，端口B与可充电储能设备V_BAT连接。在充电过程中，充电电流I_AB从端口A流向端口B；在放电过程中，放电电流I_BA从端口B流向端口A。

第一镜像开关管M_S1的第二端与功率开关管M_P的第二端连接，第一镜像开关管M_S1适于通过镜像功率开关管M_P中的充电电流I_AB，以在第一端得到第一镜像电流I₁，功率开关管M_P和第一镜像开关管M_S1的比例系数为N1:1。

第二镜像开关管M_S2的第一端与功率开关管M_P的第一端连接，第二镜像开关管M_S2适于通过镜像功率开关管M_P中的放电电流I_BA，以在第二端得到第二镜像电流I₂，功率开关管M_P和第二镜像开关管M_S2的比例系数为N2:1。

其中，第一镜像开关管M_S1、第二镜像开关管M_S2以及功率开关管M_P选择相同的晶体管类型，例如，在一种实施例中，第一镜像开关管M_S1、第二镜像开关管M_S2以及功率开关管M_P通过N型MOSFET实现；在另一种实施例中，第一镜像开关管M_S1、第二镜像开关管M_S2以及功率开关管M_P通过P型MOSFET实现。此外，第一镜像开关管M_S1和第二镜像开关管M_S2的控制端都与功率开关管M_P的控制端连接，并接收所述开关控制信号V_CTRL。

电流输出模块210分别根据第一镜像电流I₁和第二镜像电流I₂得到第一检测电流I_S1和第二检测电流I_S2，并将第一检测电流I_S1和第二检测电流I_S2之一传递至流压转换模块220。

流压转换模块220适于根据第一检测电流I_S1或第二检测电流I_S2得到检测电压V_SENSE。

进一步的，电流输出模块210包括误差放大器EA、第一晶体管M1、第二晶体管M2以及开关S1和开关S2组成的开关阵列。

误差放大器EA包括与第一镜像开关管M_S1的第一端连接的第一输入端、与第二镜像开关管M_S2的第二端连接的第二输入端以及输出端。

第一晶体管M1的第一端与第一镜像开关管M_S1的第一端连接，控制端与误差放大器EA的输出端连接，第二端用于提供第一检测电流I_S1。

第二晶体管M2的第一端与第二镜像开关管M_S2的第二端连接，控制端与误差放大器EA的输出端连接，第二端用于提供第二检测电流I_S2。

开关阵列用于在不同的模式下，通过切换误差放大器的输入端的极性以及选择相应的电流支路，以将第一检测电流I_S1或第二检测电流I_S2传递至流压转换模块220。

流压转换模块220包括检测电阻R_SENSE，检测电阻R_SENSE的第一端与第一开关S1和第二开关S2连接，第二端接地。其中，检测电阻R_SENSE的第一端用于提供所述检测电压V_SENSE。

当然，本实施例的压流转换模块也可以通过其他电路实现，例如晶体管和电阻的组合电路，本领域的技术人员可以根据具体情况选择合适的压流转换模块。

图3示出根据本发明实施例的双向电流检测电路的充电电流检测的示意图。以下参照图3对本发明实施例的双向电流检测电路的充电电流检测的原理进行详细说明。

如图3所示，当由充电器CHARGER为可充电储能设备V_BAT充电时，开关阵列中的第一开关S1闭合，第二开关S2断开，因为误差放大器EA的输入阻抗较大，所以流过第二镜像开关管M_S2的电流为0，即误差放大器EA的第二输入端的电压与功率开关管M_P的第二端的电压相等。此外，误差放大器EA与第一晶体管M1构成负反馈电路，且误差放大器EA具有较高的低频增益，所以此时误差放大器EA的第一输入端和第二输入端的电压相等，即第一镜像开关管M_S1第一端与第二端之间的电压降与功率开关管M_P第一端与第二端之间的电压降相等。通过误差放大器EA和第一晶体管M1的钳位作用，使得第一镜像开关管M_S1可以按比例精确的复制功率开关管M_P中的充电电流I_AB，即：

I₁＝I_AB/N1

又因为：

I_S1＝I₁

所以可以得到：

I_S1＝I_AB/N1

其中，I_AB为功率开关管M_P中流过的充电电流，I₁为第一镜像电流，I_S1为第一检测电流，N1为功率开关管M_P与第一镜像开关管M_S1的比例系数。

然后检测电阻R_SENSE将第一检测电流I_S1转换成第一检测电压V_SENSE1，即：

V_SENSE1＝I_AB×R_SENSE/N1

图4示出根据本发明实施例的双向电流检测电路的放电电流检测的示意图。以下参照图4对本发明实施例的双向电流检测电路的放电电流检测的原理进行详细说明。

如图4所示，当由可充电储能设备V_BAT为负载LOAD供电时，开关阵列中的第一开关S1断开，第二开关S2闭合，因为误差放大器EA的输入阻抗较大，所以流过第一镜像开关管M_S1的电流为0，即误差放大器EA的第一输入端的电压与功率开关管M_P的第一端的电压相等。此外，误差放大器EA与第二晶体管M2构成负反馈电路，且误差放大器EA具有较高的低频增益，所以此时误差放大器EA的第一输入端和第二输入端的电压相等，即第二镜像开关管M_S2的第一端与第二端之间的电压降与功率开关管M_P的第一端与第二端之间的电压降相等。通过误差放大器EA和第二晶体管M2的钳位作用，使得第二镜像开关管M_S2可以按比例精确的复制功率开关管M_P中的放电电流I_BA，即：

I₂＝I_BA/N2

又因为：

I_S2＝I₂

所以可以得到：

I_S2＝I_BA/N2

其中，I_BA为功率开关管M_P中流过的放电电流，I₂为第二镜像电流，I_S2为第二检测电流，N2为功率开关管M_P与第二镜像开关管M_S2的比例系数。

然后检测电阻R_SENSE将第二检测电流I_S2转换成第二检测电压V_SENSE2，即：

V_SENSE2＝I_BA×R_SENSE/N2

根据本发明的另一实施例，还提供了一种电源系统，包括上述实施例的双向电流检测电路。

综上所述，在本发明实施例的双向电流检测电路和电源系统中，双向电流检测电路包括功率开关管、第一镜像开关管、第二镜像开关管、电流输出模块和压流转换模块，第一镜像开关管和第二镜像开关管分别通过镜像功率开关管中的充电电流和放电电流得到第一镜像电流和第二镜像电流，电流输出模块用于在不同的模式下，通过切换误差放大器的输入端的极性以及选择相应的电流支路，以分别根据第一镜像电流和第二镜像电流得到第一检测电流和第二检测电流，并将第一检测电流和第二检测电流之一传递至流压转换模块，以得到相应的检测电压。本发明实施例的双向电流检测电路利用一个误差放大器即可完成两个不同方向的电流检测，保证两个方向的电流检测的测量精度完全一致，提高了双向电流检测的精度，同时，还可以降低电源系统的电路成本。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明的是，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，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。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种双向电流检测电路，其特征在于，包括：

功率开关管，其具有与储能设备连接的第一端、与负载连接的第二端以及控制端；

第一镜像开关管，与所述功率开关管的第一端连接，适于获得与充电电流相对应的第一镜像电流；

第二镜像开关管，与所述功率开关管的第二端连接，适于获得与放电电流相对应的第二镜像电流；以及

电流输出模块，适于分别根据所述第一镜像电流和所述第二镜像电流得到第一检测电流和第二检测电流，并将所述第一检测电流和所述第二检测电流之一传递至流压转换模块；

流压转换模块，适于将所述第一检测电流或所述第二检测电流转换成检测电压。

2.根据权利要求1所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述第一镜像开关管的第二端与所述功率开关管的第二端连接，第一端用于提供所述第一镜像电流，

所述第二镜像开关管的第一端与所述功率开关管的第一端连接，第二端用于提供所述第二镜像电流，

所述第一镜像开关管、所述第二镜像开关管、以及所述功率开关管的控制端彼此相连以接收一开关控制信号。

3.根据权利要求2所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述电流输出模块包括：

误差放大器，其具有与所述第一镜像开关管的第一端连接的第一输入端、与所述第二镜像开关管的第二端连接的第二输入端、以及输出端；

第一晶体管，其具有与所述第一镜像开关管的第一端连接的第一端、与所述误差放大器的输出端连接的控制端、以及用于提供所述第一检测电流的第二端；

第二晶体管，其具有与所述第二镜像开关管的第二端连接的第一端、与所述误差放大器的输出端连接的控制端、以及用于提供所述第二检测电流的第二端；以及

开关阵列，用于分别将所收第一检测电流或所述第二检测电流提供至所述流压转换模块。

4.根据权利要求3所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述开关阵列包括与所述第一晶体管的第二端连接的第一开关和与所述第二晶体管的第二端连接的第二开关，

其中，所述第一开关和所述第二开关不同时导通。

5.根据权利要求4所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述流压转换模块包括一检测电阻，其具有与所述第一开关和所述第二开关连接的第一端、以及与地连接的第二端，

其中，所述检测电阻的第一端用于提供所述检测电压。

6.根据权利要求1所述的双向电流检测电路，其特征在于，所述功率开关管、所述第一镜像开关管和所述第二镜像开关管分别选自MOSFET。

7.一种电源系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的双向电流检测电路。