CN113341192A - 电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流检测电路，包括：采样电阻，其具有与输出端负载连接的第一端以及第二端；电压源，其与采样电阻的第二端连接，用于提供一共模电压；电流分流监控器，其包括分别与采样电阻的第一端和第二端连接的第一输入端和第二输入端、用于提供输出电压的输出端、以及连接于第二输入端和输出端之间的输出管；以及钳位电路，分别与输出管的控制端和第一端连接于第一节点和第二节点，其中，钳位电路用于根据第二节点的电位钳位输出管的栅源电压，以在共模电压远小于电源电压时将输出管的栅源电压钳位于安全范围内，以保护输出管不受损坏，提高电路的安全性和稳定性。

Description

电流检测电路
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检测电路。
背景技术
在电源芯片中，往往涉及到较大动态范围的电流采样和测量。现有的电流检测一般通过串联采样电阻，通过检测采样电阻上的电压降来得到电流。图1示出传统的一种电流检测电路的示意性电路图，如图1所示，电流检测电路100包括运算放大器OPA、采样电阻Rsense和输出管Mout，采样电阻Rsense与电路的输出端负载ILOAD连接，运算放大器OPA通过检测采样电阻Rsense两端的电压来检测输出电流，输出电压Vout为：
Vout＝Iout×RL＝ILOAD×RL×Rsense/R2
运算放大器OPA工作在电源电压VCC至参考地之间。共模电压VCM和电源电压VCC相互独立，共模电压VCM可以小于电源电压VCC，也可以大于电源电压VCC。但是，当共模电压VCM远小于电源电压VCC时，第二节点B的电位与共模电压VCM接近，按照上述公式得到的输出电压Vout如果大于共模电压VCM，则输出管Mout将会工作在线性区，第二节点B的电位与输出电压Vout近似相等，第一节点A会被运算放大器OPA拉高到电源电压VCC。当电源芯片工作在高压情况下时，假设电源电压VCC等于40V，共模电压VCM等于3V，则此时输出管Mout的栅源电压Vgs等于37V，远大于输出管Mout的耐受电压，可能造成输出管Mout的损坏。
图2示出根据现有技术的另一种电流检测电路的示意性电路图。现有技术的另一种电流检测电路200通过在第一节点A和输出管Mout的源极之间串接齐纳二极管D1，以在共模电压VCM远小于电源电压VCC时来钳位输出管Mout的栅源电压Vgs，使得输出管Mout的栅源电压Vgs小于5.5V。但是这种结构会造成输出电压Vout被第一节点A拉高，然后形成从第一节点A经过齐纳二极管D1和输出管Mout到第二节点B的倒灌电流，造成芯片的损坏。
因此，需要对现有的电流检测电路进行改进，以在共模电压远小于电源电压时保护输出管，提高电路的安全性和稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电流检测电路，在共模电压远小于电源电压时保护输出管，提高电路的安全性和稳定性。
根据本发明实施例，提供了一种电流检测电路，包括：采样电阻，其具有与输出端负载连接的第一端以及第二端；电压源，其与所述采样电阻的第二端连接，用于提供一共模电压；电流分流监控器，其包括分别与所述采样电阻的第一端和第二端连接的第一输入端和第二输入端、用于提供输出电压的输出端、以及连接于所述第二输入端和所述输出端之间的输出管；以及钳位电路，分别与所述输出管的控制端和第一端连接于第一节点和第二节点，其中，所述钳位电路用于根据所述第二节点的电位钳位所述输出管的栅源电压。
优选地，所述钳位电路用于在所述共模电压远小于电源电压时，将所述输出管的栅源电压钳位于一预设电压。
优选地，所述钳位电路包括：依次串联连接于所述电源电压和地之间的电流源、第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端都与所述第二节点连接；以及依次串联连接于所述第一节点和地之间的第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端都与所述第一晶体管的第二端连接于第三节点。
优选地，所述钳位电路还包括：第一二极管，其具有与所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端连接的阳极、以及与所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端连接的阴极；以及第二二极管，其具有与所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端连接的阳极、以及与所述第三晶体管和所述第四晶体管的第一端连接的阴极。
优选地，所述电流分流监控器还包括：第一电阻，其具有与所述第一输入端连接的第一端以及第二端；第二电阻，其具有与所述第二输入端连接的第一端以及与所述输出管的第一端连接的第二端；运算放大器，其具有与所述第一电阻的第二端连接的反相输入端、与所述输出管的第一端连接的正相输入端以及与所述输出管的控制端连接的输出端。
优选地，所述电流检测电路还包括连接于所述输出管的第二端和地之间的第三电阻。
优选地，所述输出管为N型沟道场效应晶体管。
优选地，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管以及所述第四晶体管分别为P型沟道场效应晶体管。
优选地，所述第一二极管和所述第二二极管分别为齐纳二极管。
本发明实施例的电流检测电路具有以下的有益效果：
电流检测电路包括采样电阻、电流分流监控器以及钳位电路，采样电阻与电源电路的输出端负载串联连接，电流分流监控器通过检测采样电阻两端的电压检测输出电流。电流分流监控器包括运算放大器和输出管，钳位电路分别与输出管的控制端和第一端连接于第一节点和第二节点。其中，钳位电路用于根据所述第二节点的电位钳位输出管的栅极电压，从而在共模电压远小于电源电压时将输出管的栅源电压钳位于安全范围内，以保护输出管不受损坏，提高电路的安全性和稳定性。
此外，电路中不存在第一节点到电流分流监控器的输出端的电流通路，因此可避免形成第一节点到第二节点的倒灌电流，保护芯片不被倒灌电流损坏。
更进一步的，当电流分流监控器正常工作时，钳位电路中的晶体管关断，不影响电路的正常放大。
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示出传统的一种电流检测电路的示意性电路图。
图2示出根据现有技术的另一种电流检测电路的示意性电路图。
图3示出根据本发明实施例的一种电流检测电路的示意性电路图。
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3示出根据本发明实施例的一种电流检测电路的示意性电路图。如图3所示，电流检测电路300包括采样电阻Rsense、电流分流监控器310、钳位电路320以及电压源330。采样电阻Rsense与电源电路的输出端负载ILOAD连接，电流分流监控器310的两个输入端与采样电阻Rsense的两端连接，输出端用于提供输出电压Vout。电流分流监控器310通过检测采样电阻Rsense两端的电压来检测输出电流Iout。电压源330的第一端与采样电阻Rsense和电阻R2的中间节点连接，第二端接地。电压源330用于提供共模电压VCM。
具体地，电流分流监控器310包括运算放大器OPA、电阻R1和R2以及输出管Mout。电阻R1的第一端作为电流分流监控器310的一个输入端与采样电阻Rsense的第一端连接，第二端与运算放大器OPA的反相输入端连接，电阻R2的第一端作为电流分流监控器310的另一输入端与采样电阻Rsense的第二端连接，第二端与运算放大器OPA的正相输入端连接。输出管Mout的第一端与运算放大器OPA的正相输入端连接于第二节点B，控制端与运算放大器OPA的输出端连接于第一节点A，第二端作为电流分流监控器310的输出端，以输出所述输出电压Vout。
进一步的，电流检测电路300还包括电阻RL，电阻RL的第一端与电流分流监控器310的输出端连接，电阻RL的第二端接地。
钳位电路320的输入端与所述第二节点B连接，输出端与所述输出管Mout的控制端连接，钳位电路320用于在所述共模电压VCM远小于电源电压VCC时将所述输出管Mout的栅源电压Vgs钳位于安全范围内。
具体地，钳位电路320包括串联连接于电源电压VCC和地之间的电流源321、晶体管M1和M2、以及串联连接于所述第一节点A和地之间的晶体管M3和M4。晶体管M1和M2的控制端彼此连接，并与第二节点B连接，晶体管M3和M4的控制端彼此连接，并与晶体管M1的第二端连接于第三节点C。钳位电路320根据第二节点B的电压控制输出管Mout的栅极电压，从而可在共模电压VCM远小于电源电压VCC时钳位输出管Mout的栅极电压。
进一步的，钳位电路320还包括二极管D1和二极管D2，二极管D1的阳极与第二节点B连接，阴极与晶体管M1和M2的第一端连接。二极管D2的阳极与第三节点C连接，阴极与晶体管M3和M4的第一端连接。其中，二极管D1和二极管D2例如采用齐纳二极管。
当共模电压VCM远小于电源电压VCC时，第二节点B的电位接近共模电压VCM，如果按照输出电压公式得到的输出电压Vout大于共模电压VCM，则输出管Mout将会工作在线性区，第二节点B的电位与输出电压Vout近似相等。此时第二节点B的电位VB为：
VB＝VCM-Iout×Rin
其中，Rin等于电阻R1和电阻R2的阻值，且电阻R1和电阻R2的阻值相等。
并且，钳位电路320中的第三节点C的电位等于第二节点B的电位与晶体管M1的栅源电压的电压和，所以第三节点C的电位VC为：
VC＝VB+Vgsp
其中，Vgsp表示晶体管M1-M4的栅源电压且完全相同。
此外，第一节点A的电位等于第三节点C的电位与晶体管M3的栅源电压的电压和，因此第一节点A的电位VA为：
VA＝VC+Vgsp＝VB+2×Vgsp
又因为，第二节点B的电位与输出电压Vout近似相等，所以此时第一节点A的电位VA为：
VA＝VB+2×Vgsp≈Vout+2×Vgsp
结合上式可以得到，输出管Mout此时的栅源电压Vgs为：
Vgs≈2×Vgsp
在本实施例中，晶体管M1-M4例如采用PMOS晶体管实现，其栅源电压Vgsp小于5V，所以钳位电路320可在共模电压VCM远小于电源电压VCC时将输出管Mout的栅源电压钳位于一个安全范围内，避免输出管Mout的损坏。此外，因为电路中不存在第一节点A到电流分流监控器310的输出端的电流通路，因此可以保证输出电压Vout始终小于共模电压VCM，避免输出错误。
当电流分流监控器310正常工作时，若共模电压VCM小于电源电压VCC，如果按照输出电压公式得到的输出电压Vout小于共模电压VCM，此时第三节点C的电位VC为：
VC＝VB+Vgsp
又因为第一节点A的电位VA为：
VA＝Vout+Vgsn
其中，Vgsn表示输出管Mout的栅源电压。
又因为输出电压Vout为：
Vout＝VB-Vdsn
其中，Vdsn表示输出管Mout的漏源电压。因此可以得到第一节点A和第三节点C之间的电压差为：
ΔV＝Vout+Vgsn-VB-Vgsp＝Vgsn-Vdsn-Vgsp
通过设置输出管Mout和晶体管M1-M4的参数可保证第一节点A和第三节点C之间的电压差小于晶体管M3的导通阈值，从而可保证当电流分流监控器310正常工作时钳位电路320关断，不影响电路的正常放大。
当电流分流监控器310正常工作时，若共模电压VCM大于电源电压VCC，因为第一节点A和第三节点C的最大电压为电源电压VCC，所以此时晶体管M1和M3关断，钳位电路320关断，不影响电路的正常放大。
在上述实施例中，输出管Mout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”、“漏极”和“源极”。晶体管M1-M4例如为P型沟道场效应晶体管(PFET，PMOS field-effecttransistor)，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”。
综上所述，本发明实施例的电流检测电路包括采样电阻、电流分流监控器以及钳位电路，采样电阻与电源电路的输出端负载串联连接，电流分流监控器通过检测采样电阻两端的电压检测输出电流。电流分流监控器包括运算放大器和输出管，钳位电路分别与输出管的控制端和第一端连接于第一节点和第二节点。其中，钳位电路用于根据所述第二节点的电位钳位输出管的栅极电压，从而在共模电压远小于电源电压时将输出管的栅源电压钳位于安全范围内，以保护输出管不受损坏，提高电路的安全性和稳定性。
此外，电路中不存在第一节点到电流分流监控器的输出端的电流通路，因此可避免形成第一节点到第二节点的倒灌电流，保护芯片不被倒灌电流损坏。
更进一步的，当电流分流监控器正常工作时，钳位电路中的晶体管关断，不影响电路的正常放大。
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 (9)

1.一种电流检测电路，其特征在于，包括：
采样电阻，其具有与输出端负载连接的第一端以及第二端；
电压源，其与所述采样电阻的第二端连接，用于提供一共模电压；
电流分流监控器，其包括分别与所述采样电阻的第一端和第二端连接的第一输入端和第二输入端、用于提供输出电压的输出端、以及连接于所述第二输入端和所述输出端之间的输出管；以及
钳位电路，分别与所述输出管的控制端和第一端连接于第一节点和第二节点，
其中，所述钳位电路用于根据所述第二节点的电位钳位所述输出管的栅源电压。
2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述钳位电路用于在所述共模电压远小于电源电压时，将所述输出管的栅源电压钳位于一预设电压。
3.根据权利要求2所述的电流检测电路，其特征在于，所述钳位电路包括：
依次串联连接于所述电源电压和地之间的电流源、第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端都与所述第二节点连接；以及
依次串联连接于所述第一节点和地之间的第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端都与所述第一晶体管的第二端连接于第三节点。
4.根据权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，所述钳位电路还包括：
第一二极管，其具有与所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端连接的阳极、以及与所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端连接的阴极；以及
第二二极管，其具有与所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端连接的阳极、以及与所述第三晶体管和所述第四晶体管的第一端连接的阴极。
5.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流分流监控器还包括：
第一电阻，其具有与所述第一输入端连接的第一端以及第二端；
第二电阻，其具有与所述第二输入端连接的第一端以及与所述输出管的第一端连接的第二端；
运算放大器，其具有与所述第一电阻的第二端连接的反相输入端、与所述输出管的第一端连接的正相输入端以及与所述输出管的控制端连接的输出端。
6.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，还包括连接于所述输出管的第二端和地之间的第三电阻。
7.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述输出管为N型沟道场效应晶体管。
8.根据权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管以及所述第四晶体管分别为P型沟道场效应晶体管。
9.根据权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于，所述第一二极管和所述第二二极管分别为齐纳二极管。
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