CN113252949B - 带有片内实时校准的高精度电流采样电路 - Google Patents

带有片内实时校准的高精度电流采样电路 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种带有片内实时校准的电流采样电路，所述电流采样电路用于对驱动晶体管的导通电流进行检测，其特征在于，该电流采样电路包括第一电阻、第二电阻、电压采样电路、采样电压运算电路和导通电阻校准电路；所述电压采样电路用于获取驱动晶体管的导通压降值Vds；所述导通电阻校准电路包括一标准电流源和一校准晶体管；所述校准晶体管的导通电阻值设置成驱动晶体管的导通电阻值的K1倍；所述电压采样电路获取的驱动晶体管的导通压降值Vds与所述校准晶体管的导通压降值Vrsns被输入采样电压运算电路，从而获得导通压降值Vds与导通压降值Vrsns的比例关系K2；当标准电流源的电流值为Iref时，驱动晶体管的导通电流Ids为：Ids＝K1×K2×Iref。

Description

带有片内实时校准的高精度电流采样电路
技术领域
本发明涉及电源管理电路技术领域，具体涉及一种带有片内实时校准的高精度电流采样电路。
背景技术
电流采样电路在电源管理芯片，功率控制芯片，固态照明芯片中不可或缺。然而在直流电机驱动电路的应用中，对功耗、精度、速度和成本有严格的要求。现有电流采样电路的成本较高且性能较差，难以满足日益严苛的低成本高性能的应用需求。
传统的电流采样技术有：电阻采样、SENSEFET采样、DCR(Direct CurrentResistance)采样、积分器采样以及动态偏置反馈采样等。其中，较为常见的有三种：(1)电阻采样：通过串联电阻并检测电阻两端的电压降，实现电流采样。电阻采样方式比较简单易实现，但电阻会导致额外的功耗，从而降低了系统的效率。(2)SENSEFET采样：通过与功率管尺寸成比例的镜像管，并使两者的三端电位相同，从而将功率管上的电流成比例的采样出来。这种采样方式要注意功率管与镜像管的匹配问题，版图设计时确保功率管与镜像管的栅宽相同以防止因栅宽不同而导致阈值电压不同等问题。(3)DCR采样：通过在电感上并联一个电容和电阻，利用电感等效电阻上的压降得到电感电流信息。但这种实现方式在实际情况下RC支路的时间常数与电感、电容、电阻参数严密相关，故很难做到两条支路时间常数的匹配，并且该方法在集成方面有所欠缺。
图1为现有技术中的应用电阻采样的电流采集电路示意图，该电路结构简单易行，电路的设计难度要求较低。然而由于需要额外增加高精度采样电阻，同时高精度采样电阻需要设计成独立于集成电路芯片之外的单独器件。因此在芯片设计阶段需要额外的采样管脚，这将导致器件成本增加。并且该高精度采样电阻会有较大的功率消耗，在低功耗应用场合中，高精度采样电阻的功耗是难以接受的。
发明内容
本发明立足于对现有电阻采样电路原理和不足的分析，提出了一种可以不依赖片外器件，通过对片内驱动管的导通电阻进行实时校准的方法，实现对片内正反方向的电流进行高精度采样，并且同时能在负向电压时进行保护，避免芯片内出现闩锁效应损坏芯片。从而实现对直流电机驱动电流的精确控制和并且提高可靠性。
有鉴于此，本发明提供了一种带有片内实时校准的电流采样电路，所述电流采样电路用于对驱动晶体管的导通电流进行检测，该电流采样电路包括第一电阻、第二电阻、电压采样电路、采样电压运算电路和导通电阻校准电路；
所述电压采样电路用于获取驱动晶体管的导通压降值Vds；
所述导通电阻校准电路包括一标准电流源和一校准晶体管；
所述校准晶体管的导通电阻值设置成驱动晶体管的导通电阻值的K1倍。
所述电压采样电路获取的驱动晶体管的导通压降值Vds与所述校准晶体管的导通压降值Vrsns被输入采样电压运算电路，从而获得导通压降值Vds与导通压降值Vrsns的比例关系K2；
当标准电流源的电流值为Iref时，驱动晶体管的导通电流Ids为：
Ids＝K1×K2×Iref
可选地，本发明提供的一种带有片内实时校准的电流采样电路中，所述第一电阻和第二电阻的电阻值均为R，且流经第一电阻的电流I1与驱动晶体管的导通压降Vds满足关系：
Figure BDA0003063947980000021
可选地，本发明提供的一种带有片内实时校准的电流采样电路中，电压采样电路包括由第一晶体管和第二晶体管组成的第一电流镜；还包括由第三晶体管和第四晶体管组成的第二电流镜。
可选地，本发明提供的一种带有片内实时校准的电流采样电路中，第一晶体管的漏极与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端连接驱动晶体管的漏极；第二晶体管的漏极连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接驱动晶体管的源极。
可选地，本发明提供的一种带有片内实时校准的电流采样电路中，所述电压采样电路中还包括运算放大器，所述运算放大器的同相输入端连接于第一晶体管的漏极，所述运算放大器的反向相输入端连接于第二晶体管的漏极。
可选地，本发明提供的一种带有片内实时校准的电流采样电路中，所述电压采样电路还包括调制晶体管，所述调制晶体管的栅极与运算放大器的输出端连接，所述调制晶体管的源极与第三晶体管的漏极连接，所述调制晶体管的漏极与第二晶体管的漏极连接；所述第四晶体管的漏极连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接地。同时第三电阻电压差值Vsns输入采样电压运算电路。
可选地，本发明提供的一种带有片内实时校准的电流采样电路中，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻的电阻值均为R。
可选地，本发明提供的一种带有片内实时校准的电流采样电路中，通过调节标准电流源所提供的电流值使得导通压降值Vds与导通压降值Vrsns的比例关系K2为1，从而驱动晶体管的导通电流Ids为：
Ids＝K1×Iref
可选地，本发明提供的一种带有片内实时校准的电流采样电路中，所述校准晶体管与驱动晶体管在集成电布图设计时进行邻近设计，从而保证校准晶体管与驱动晶体管具有相同的工艺角和工作温度。
可选地，本发明的另一方面在于提供一种电源控制电路，所述电源控制电路中使用了前述的带有片内实时校准的电流采样电路中。
根据本发明的发明点在于如下几个方面：
1.本发明提出了使用导通电阻校准电路对驱动晶体管的导通电阻进行校准，以获取驱动晶体管导通电阻的实际值，从而使得驱动晶体管的导通电流的测量精度答复提高。
2.本发明中提出了合理设置第一电阻电阻值、第一电阻的电流I1与驱动晶体管的导通压降Vds之间的关系，从而在驱动晶体管出现负向导通电压时对电流采样电路进行保护，避免芯片内出现闩锁效应损坏芯片。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了现有技术中的电阻采样型电流采样电路的结构示意图；
图2示出了本发明一实施例的电流采样电路结构示意图；
图3示出了本发明一实施例的电流采样电路的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2示出了根据本发明实施例的电流采样电路结构示意图，本实施例的电流采样电路包括第一电阻1、第二电阻2、电压采样电路3、采样电压运算电路4和导通电阻校准电路5。所述电流采样电路连接于驱动晶体管100的源极和漏极之间，从而检测流经驱动晶体管100的电流Ids。
图3示出了本发明实施例的电流采样电路的电路示意图，本实施例中的电压采样电路3包括由第一晶体管301和第二晶体管302组成的第一电流镜。具体的，第一晶体管301和第二晶体管302的栅极互联，第一晶体管301和第二晶体管302的源极连接外部电源，同时第一晶体管301的漏极与自身的栅极连接，第一晶体管301的漏极与第一电阻1的一端连接，第一电阻1的另一端连接驱动晶体管的漏极。第二晶体管302的漏极连接第二电阻2的一端，第二电阻2的另一端连接驱动晶体管的源极。本实施例中第一电流镜两侧产生的镜像电流均为I1，且经过第一电阻1的电流为I1，经过第二电阻2的电流为I2。
所述电压采样电路中还包括运算放大器303，所述运算放大器303的同相输入端连接于第一晶体管301的漏极，所述运算放大器303的反向相输入端连接于第二晶体管302的漏极。
本实施例中的电压采样电路3还包括由第三晶体管304和第四晶体管305组成的第二电流镜。具体的，第三晶体管304和第四晶体管305的栅极互联，第三晶体管304和第四晶体管305的源极连接外部电源，同时第三晶体管304的漏极与自身的栅极连接。
本实施例中的电压采样电路3还包括调制晶体管306，所述调制晶体管306的栅极与运算放大器303的输出端连接，所述调制晶体管306的源极与第三晶体管304的漏极连接，所述调制晶体管306的漏极与第二晶体管302的漏极连接。所述第四晶体管305的漏极连接第三电阻307的一端，第三电阻307的另一端接地。同时第三电阻307电压差值Vsns输入采样电压运算电路4。
本实施例中的导通电阻校准电路5包括标准电流源308和校准晶体管309，所述标准电流源308连接外部电源，并产生电流Iref输入到校准晶体管309的源极，所述校准晶体管309的栅极与驱动晶体管100的栅极连接，所述所述校准晶体管309的漏极接地。所述所述校准晶体管309的源极电压值Vrsns输入采样电压运算电路4。
本实施例中，运算放大器303的同相输入端和反向输入端之间的电压差即为驱动晶体管的导通压降Vds。当导通压降Vds不为零时，运算放大器303将会对调制晶体管306进行调制，在调制晶体管306的漏极产生导通电流，且电流值为I1－I2。当第一电阻1、第二电阻2和第三电阻307的阻值均设置为R，则调制晶体管306产生的导通电流I1－I2可以表示为：
Figure BDA0003063947980000051
而由于第三晶体管304和第四晶体管305组成的电流镜结构，则流经第三电阻307的电流同样为I1－I2，则第三电阻307电压差值Vsns可以表示为：
Vsns＝(I2-I1)×R
从而得到Vds＝Vsns。
根据晶体管的相关结构特点可知，驱动晶体管100的导通电阻是随着工艺角和温度而发生的变化的，如果根据驱动晶体管所标定的导通电阻来计算其导通电流，其误差是较大的。本实施例中为了对驱动晶体管的导通电阻进行准确的校准。在导通电阻校准电路5中设置了标准电流源308和校准晶体管309。其中校准晶体管309的导通电阻设计为驱动晶体管100的导通电阻的K1倍，具体的在集成电路布图设计时，即将驱动晶体管100和校准晶体管309进行相邻设计，并通过设计参数调整校准晶体管309的导通电阻设计为驱动晶体管100的导通电阻的K1倍。由此保证校准晶体管309与驱动晶体管100具有相同的工艺角和工作温度。从而实现校准晶体管309的导通电阻始终保持为驱动晶体管100的导通电阻的K1倍。此时，若驱动晶体管100的导通电阻为Rdson时，基准电流源308所产生的电流Iref流经校准晶体管309所产生的电压Vrsns可以表示为：
Vrsns＝Iref×K1×Rdson
本市实施中，由采样电压运算电路4获得Vsns与Vrsns之间比例关系K2，即：
Figure BDA0003063947980000061
再根据：
Figure BDA0003063947980000062
最后得到Ids的表达式为：
Ids＝K1×K2×Iref
从而完成对驱动晶体管100的导通电流Ids的采样。
在本实施例的电路结构中，当驱动晶体管100对负载进行驱动时，由于负载在工作时会有负电流产生，从而在驱动晶体管100的漏源极会产生反向电压，驱动晶体管100的源极是接的。因此，此时Vds是负值，如果没有保护措施，这个负电压会在芯片内部产生闩锁效应，进而损坏芯片。
本发明的采样电路考虑了此种情况，在完成采样的同时对芯片内部进行了负压保护，从而避免了芯片损坏。具体做法如下：根据负电压的幅值选择合适的电流值I1、第一电阻1和第二电阻2的阻值R，使得：
Figure BDA0003063947980000063
使得在第一电阻1和第二电阻2接到运算放大器303两个输入端的电压是正值，这样芯片内部的电路不会连接到负电压，也就是说不会发生闩锁效应，避免损坏芯片，从而实现了负压时对芯片的保护。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种带有片内实时校准的电流采样电路，所述电流采样电路用于对驱动晶体管的导通电流进行检测，其特征在于，该电流采样电路包括第一电阻、第二电阻、电压采样电路、采样电压运算电路和导通电阻校准电路；所述电压采样电路用于获取驱动晶体管的导通压降值Vds；所述导通电阻校准电路包括一标准电流源和一校准晶体管；
所述校准晶体管的导通电阻值设置成驱动晶体管的导通电阻值的K1倍；
所述电压采样电路获取的驱动晶体管的导通压降值Vds与所述校准晶体管的导通压降值Vrsns被输入采样电压运算电路，从而获得导通压降值Vds与导通压降值Vrsns的比例关系K2；
当标准电流源的电流值为Iref时，驱动晶体管的导通电流Ids为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
电压采样电路包括由第一晶体管和第二晶体管组成的第一电流镜；还包括由第三晶体管和第四晶体管组成的第二电流镜；第一晶体管的漏极与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端连接驱动晶体管的漏极；第二晶体管的漏极连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接驱动晶体管的源极；所述电压采样电路中还包括运算放大器，所述运算放大器的同相输入端连接于第一晶体管的漏极，所述运算放大器的反向相输入端连接于第二晶体管的漏极；所述电压采样电路还包括调制晶体管，所述调制晶体管的栅极与运算放大器的输出端连接，所述调制晶体管的源极与第三晶体管的漏极连接，所述调制晶体管的漏极与第二晶体管的漏极连接；所述第四晶体管的漏极连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接地；同时第三电阻电压差值Vsns输入采样电压运算电路；
所述标准电流源连接外部电源，并产生电流Iref输入到校准晶体管的源极，所述校准晶体管的栅极与驱动晶体管的栅极连接，所述校准晶体管的漏极接地；所述校准晶体管的源极电压值Vrsns输入采样电压运算电路。
2.根据权利要求1所述的带有片内实时校准的电流采样电路，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻的电阻值均为R，且流经第一电阻的电流I1与驱动晶体管的导通压降Vds满足关系：
Figure 792614DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求2所述的带有片内实时校准的电流采样电路，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻的电阻值均为R。
4.根据权利要求1所述的带有片内实时校准的电流采样电路，其特征在于，通过调节标准电流源所提供的电流值使得导通压降值Vds与导通压降值Vrsns的比例关系K2为1，从而驱动晶体管的导通电流Ids为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
5.根据权利要求1所述的带有片内实时校准的电流采样电路，其特征在于，所述校准晶体管与驱动晶体管在集成电布图设计时进行邻近设计，从而保证校准晶体管与驱动晶体管具有相同的工艺角和工作温度。
6.一种电源控制电路，其特征在于，所述电源控制电路中使用了前述权利要求1-5之一所述的带有片内实时校准的电流采样电路。
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