CN113358921A - 开关电源的电流取样电路、及其电流检测电路 - Google Patents

开关电源的电流取样电路、及其电流检测电路 Download PDF

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Abstract

本公开实施例中提供了一种开关电源的电流取样电路、及其电流检测电路，属于电源技术领域，具体包括开关电源的电流取样电路，应用于集成电路包括：集成电路，包括位于不同层的第一导电图形、第二导电图形和连接第一导电图形和第二导电图形的导电过孔，第二导电图形与接地端相连；电流取样电路，包括取样晶体管和取样电阻，取样晶体管的控制极与控制信号线电连接，取样晶体管的第一极与开关电源的输出端电连接，取样晶体管的第二极与取样电阻的第一端电连接，取样电阻的第二端与接地端电连接，其中，取样晶体管的第二极与导电过孔连接，第一导电图形和第二导电图形复用为取样电阻。通过本公开的处理方案，能够简化集成电路的结构。

Description

开关电源的电流取样电路、及其电流检测电路
技术领域
本公开涉及电源技术领域，尤其涉及一种开关电源的电流取样电路、及其电流检测电路。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。目前，开关电源产品已广泛应用于发光二极管(light-emitting diode，简称LED)照明、液晶显示、数码设备、工业自动化控制、通讯设备、电力设备、医疗设备、工控设备以及军工设备等领域。
相关技术中，对开关电源串接电阻来对开关电源的电流取样，增加了集成电路(integrated circuit，简称IC)中电流取样电路的器件并额外消耗了集成电路的功率，不利于集成电路的简化和开关电源的高效率。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种开关电源的电流取样电路、及其电流检测电路，至少部分解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本公开实施例提供了一种开关电源的电流取样电路，应用于集成电路，包括：
所述集成电路，包括位于不同层的第一导电图形和第二导电图形，所述第一导电图形在基片上的正投影与所述第二导电图形在所述基片上的正投影至少部分重合，其中重合区域内开设有分别连接所述第一导电图形和所述第二导电图形的导电过孔，所述第二导电图形与接地端相连；
所述电流取样电路，包括取样晶体管和取样电阻，所述取样晶体管的控制极与控制信号线电连接，所述取样晶体管的第一极与所述开关电源的输出端电连接，所述取样晶体管的第二极与所述取样电阻的第一端电连接，所述取样电阻的第二端与接地端电连接，其中，所述取样晶体管的第二极与所述导电过孔连接，所述第一导电图形和所述第二导电图形复用为所述取样电阻。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述开关电源包括开关晶体管，所述开关晶体管的控制极与所述控制信号线电连接，所述开关晶体管的第一极与电源信号线电连接，所述开关晶体管的第二极与接地端电连接。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，还包括电感，所述电感串接于所述开关晶体管的第一极与所述电源信号线之间。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述第一导电图形呈斜向叉指状，所述导电过孔在基片上的正投影位于所述第一导电图形在基片上的正投影内；
取样点和所述接地端之间的距离与所述取样电阻的电阻值成正比，所述取样点为所述取样晶体管的第二极与所述第一导电图形的连接点投影于第二导电图形的位置点。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述第一导电图形包括交替设置的第一源极金属图形和第一漏极金属图形；
所述第二导电图形呈块状，包括交替设置的第二源极金属图形和第二漏极金属图形；所述第一源极金属图形在基片的正投影与所述第二源极金属图形在基片的正投影在第一区域重合，所述第一区域内设有连通所述第一源极金属图形和所述第二源极金属图形的第一过孔；所述第一漏极金属图形在基片的正投影与第二漏极金属图形在基片的正投影在第二区域重合，所述第二区域内设有连通所述第一漏极金属图形和所述第二漏极金属图形的第一过孔。
第二方面，本发明实施例中还提供一种电流检测电路，应用于如上所述的开关电源的电流取样电路，所述电流检测电路，包括：
共基放大电路，所述共基放大电路的输入端与所述电流取样电路的输出端电连接，用于对所述电流取样电路提供的取样电压进行放大处理；
负反馈电路，所述负反馈电路的输入端与所述共基放大电路的输出端电连接，用于对经过放大处理后的取样电压转换为中间电流信号；
共源放大电路，所述共源放大电路的输入端与所述负反馈电路的输出端电连接，用于对所述中间电流信号进行放大处理。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述共基放大电路包括第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第一偏置电流模块和第二偏置电流模块；
所述第一偏置电流模块的输入端与高电位信号线电连接，所述第一偏置电流模块的输出端与所述第一三极管的第一极电连接，所述第一三极管的第二极与所述第一电阻的第一端电连接，所述第一电阻的第二端与所述电流取样电路的输出端电连接；
所述第二偏置电流模块的输入端与高电位信号线电连接，所述第二偏置电流模块的输出端与所述第二三极管的第一极电连接，所述第二三极管的第一极分别与所述第二三极管的控制极和所述第一三极管的控制极电连接，所述第二三极管的第二极与所述第二电阻的第一端电连接，所述第二电阻的第二端与低电位信号线电连接。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述负反馈电路包括第三晶体管和第四晶体管；
所述第三晶体管的第一极与所述高电位信号线电连接，所述第三晶体管的第二极与所述第三晶体管的控制极电连接，所述第三晶体管的第二极与第四晶体管的第一极电连接；
所述第四晶体管的控制极与所述第一晶体管的第一极电连接，所述第四晶体管的第二极经所述第二电阻与所述低电位信号线电连接。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述共源放大电路包括第五晶体管和第三偏置电流模块；
所述第五晶体管的控制极与所述第三晶体管的控制极电连接，所述第五晶体管的第一极与所述高电位信号线电连接，所述第五晶体管的第二极与所述第三偏置电流模块的输入端电连接，所述第三偏置电流模块的输出端与所述低电位信号线电连接。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，还包括反相器，所述反相器的输入端与所述第五晶体管的第二极电连接；所述反相器用于对放大后的中间电流信号进行整形处理后输出。
本公开实施例中，利用集成电路本身的导电图形作为电源电压的电流取样电路中的取样电阻，从而能够减少电流取样电路的器件数量，简化集成电路的结构并提高开关电源的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一实施例提供的集成电路的部分剖视图；
图2为本发明一实施例提供的电流取样电路和电流检测电路的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的集成电路中第一导电图形的俯视图；
图4为本发明另一实施例提供的集成电路中第一导电图形和第二导电图形的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通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，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种开关电源的电流取样电路，如图1和图2所示，应用于集成电路，包括：
所述集成电路，包括位于不同层的第一导电图形110和第二导电图形120，所述第一导电图形110在基片上的正投影与所述第二导电图形120在所述基片上的正投影至少部分重合，其中重合区域内开设有分别连接所述第一导电图形110和所述第二导电图形120的导电过孔130，所述第二导电图形120与接地端GND相连；
所述电流取样电路210，包括取样晶体管Msample和取样电阻Req，所述取样晶体管Msample的控制极与控制信号线Vg电连接，所述取样晶体管Msample的第一极与所述开关电源的输出端电连接，所述取样晶体管Msample的第二极与所述取样电阻Req的第一端电连接，所述取样电阻Req的第二端与接地端GND电连接，其中，所述取样晶体管Msample的第二极与所述导电过孔130连接，所述第一导电图形110和所述第二导电图形120复用为所述取样电阻Req。
本公开实施例中，利用集成电路本身的导电图形作为电源电压的电流取样电路中的取样电阻，从而能够减少电流取样电路的器件数量，简化集成电路的结构。
如图1所示，上述集成电路包括先后形成于基片上的第一导电图形110和第二导电图形120，第一导电图形110位于基片和第二导电图形120之间，其中，第一导电图形110与第二导电图形120之间形成有绝缘层，以防止第一导电图形110和第二导电图形120串电。另外，第二导电图形120还与集成电路的接地端连接，保持第二导电图形120的电压处于低电位。
其中，第一导电图形110在基片上的正投影与第二导电图形120在基片上的正投影至少部分重合，通过在该重合位置开设贯穿上述绝缘层的过孔，并在孔内形成导电材料，形成导电过孔130。这样，第一导电图形110和第二导电图形120通过该导电过孔130实现连接。
如图2所示，上述电流取样电路210包括取样晶体管Msample和取样电阻Req，取样晶体管Msample导通，使得取样电阻Req获得取样电流产生取样电压Vsense，通过检测取样电压Vsense即可计算得到取样电流。
其中，取样晶体管Msample的控制极与控制信号线Vg电连接，所述取样晶体管Msample的第一极与所述开关电源的输出端电连接，所述取样晶体管Msample的第二极与所述取样电阻Req的第一端电连接。上述控制信号线Vg通过提供不同电位的信号，从而使得取样晶体管Msample的源极和漏极导通或断开。具体的，控制信号线Vg提供高电位信号，使得取样晶体管Msample的源极和漏极导通，从而取样电阻Req获得取样电流产生电压；控制信号线Vg提供低电位信号，使得取样晶体管Msample的源极和漏极断开。
本发明实施例中，取样晶体管Msample的源极与上述第一导电图形110相连，取样晶体管Msample的电流依次由第一导电图形110、导电过孔130和第二导电图形120流向接地端GND。上述取样电阻Req是由该电流路径的第一导电图形110和第二导电图形120组成。由于第一导电图形110和第二导电图形120本身即为集成电路中形成晶体管的结构，因此在原本集成电路的基础上，避免了额外针对取样电阻Req增加器件，实现了具有取样电阻下集成电路的简化。
本发明实施例中，第一导电图形110和第二导电图形120可以是金属图形、也可以是其他导电材料制成的图形，此处不作限定。
进一步地，所述开关电源包括开关晶体管M_LS，所述开关晶体管M_LS的控制极与所述控制信号线电Vg连接，所述开关晶体管M_LS的第一极与电源信号线PVDD电连接，所述开关晶体管M_LS的第二极与接地端GND电连接。
如图2所示，上述控制信号线Vg通过提供不同电位的信号，从而使得开关晶体管M_LS的源极和漏极导通或断开。
进一步地，开关电源的电流取样电路还包括电感L，所述电感L串接于所述开关晶体管M_LS的第一极与所述电源信号线PVDD之间。
通过将电感L串接于所述开关晶体管M_LS的第一极与所述电源信号线PVDD之间，能够稳定电源信号线PVDD输出的电流，过滤噪声。
具体的，控制信号线Vg提供高电位信号，使得开关晶体管M_LS的源极和漏极导通，从而使电感电流逐渐增大；控制信号线Vg提供低电位信号，使得开关晶体管M_LS的源极和漏极隔断，电感电流通过其他途径续流，电流逐渐减小。
进一步地，如图3所示，所述第一导电图形110呈斜向叉指状，所述导电过孔130在基片上的正投影位于所述第一导电图形110在基片上的正投影内；
取样点和所述接地端GND之间的距离与所述取样电阻Req的电阻值成正比，所述取样点为所述取样晶体管Msample的第二极与所述第一导电图形110的连接点投影于第二导电图形120的位置点。
如图3所示，第一导电图形110呈斜向叉指状，导电过孔130分别连接叉指状的第一导电图形110和第二导电图形120。上述取样点为取样晶体管Msample的源极与第一导电图形110的连接点投影于第二导电图形120的位置点。
取样点与接地端GND之间的距离越长，电流从取样晶体管Msample的第二极流向接地端GND的路径越长，从而导致取样电阻Req的电阻值越大。
另外，取样电阻Req的电阻值还与斜向叉指状的第一导电图形110中叉指及相邻两个叉指之间的间隔距离组成的宽度相关，宽度越大，取样电阻Req的电阻值越小。
在实际需求中，可以通过改变取样点的位置，改变等效电阻的宽长比和电阻值，来得到不同的取样电压Vsense。
进一步地，如图3和图4所示，所述第一导电图形110包括交替设置的第一源极金属图形和第一漏极金属图形；
所述第二导电图形120呈块状，包括交替设置的第二源极金属图形和第二漏极金属图形；所述第一源极金属图形在基片的正投影与所述第二源极金属图形在基片的正投影在第一区域重合，所述第一区域内设有连通所述第一源极金属图形和所述第二源极金属图形的第一过孔；所述第一漏极金属图形在基片的正投影与第二漏极金属图形在基片的正投影在第二区域重合，所述第二区域内设有连通所述第一漏极金属图形和所述第二漏极金属图形的第一过孔。
图4中实线所示的图形为第一导电图形110，图4中虚线所示的图形为第二导电图形120。同一第二导电图形120在基片上的正投影可以与斜向叉指状的多个第一导电图形110在基片上的正投影重合。
本实施例中，第一导电图形110和第二导电图形120可以为金属图形。其中，呈斜向叉指状的第一导电图形110包括交替设置的第一源极金属图形和第一漏极金属图形；同样的，呈块状的第二导电图形120也包括交替设置的第二源极金属图形和第二漏极金属图形。
第一源极金属图形在基片上的正投影与第二源极金属图形在基片上的正投影在第一区域重合，第一过孔开设于第一区域内以连通第一源极金属图形和第二源极金属图形；第一漏极金属图形在基片上的正投影与第二漏极金属图形在基片上的正投影在第二区域重合，第二过孔开设于第二区域内以连通第一漏极金属图形和第二漏极金属图形。
本发明实施例还提供一种电流检测电路，如图2所示，应用于如上所述的开关电源的电流取样电路；所述电流检测电路，包括：
共基放大电路220，所述共基放大电路220的输入端与所述电流取样电路的输出端电连接，用于对所述电流取样电路提供的取样电压进行放大处理；
负反馈电路230，所述负反馈电路230的输入端与所述共基放大电路220的输出端电连接，用于对经过放大处理后的取样电压转换为中间电流信号；
共源放大电路240，所述共源放大电路240的输入端与所述负反馈电路230的输出端电连接，用于对所述中间电流信号进行放大处理。
如图2所示，共基放大电路220用于在较宽的频率范围内正常放大取样电阻Req产生的微弱的取样电压Vsense。负反馈电路230用于把取样电压Vsense和接地端GND之间的压差转换成输出电流。共源放大电路240用于对上述负反馈电路230输出的中间电流信号进行放大处理。
进一步地，所述共基放大电路220包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一偏置电流模块Ibias1和第二偏置电流模块Ibias2；
所述第一偏置电流模块Ibias1的输入端与高电位信号线AVDD电连接，所述第一偏置电流模块Ibias1的输出端与所述第一三极管Q1的第一极电连接，所述第一三极管Q1的第二极与所述第一电阻R1的第一端电连接，所述第一电阻R1的第二端与所述电流取样电路的输出端电连接；
所述第二偏置电流模块Ibias2的输入端与高电位信号线AVDD电连接，所述第二偏置电流模块Ibias2的输出端与所述第二三极管Q2的第一极电连接，所述第二三极管Q2的第一极分别与所述第二三极管Q2的控制极和所述第一三极管Q1的控制极电连接，所述第二三极管Q2的第二极与所述第二电阻R2的第一端电连接，所述第二电阻R2的第二端与低电位信号线AGND电连接。
其中，第一电阻R1与第二电阻R2的电阻值相等；第一三极管Q1和第二三极管Q2相匹配；第一偏置电流模块Ibias1和第二偏置电流模块Ibias2为相同的比较器。
进一步地，所述负反馈电路230包括第三晶体管Q3和第四晶体管Q4；
所述第三晶体管Q3的第一极与所述高电位信号线AVDD电连接，所述第三晶体管Q3的第二极与所述第三晶体管Q3的控制极电连接，所述第三晶体管Q3的第二极与第四晶体管Q4的第一极电连接；
所述第四晶体管Q4的控制极与所述第一晶体管Q1的第一极电连接，所述第四晶体管Q4的第二极经所述第二电阻R2与所述低电位信号线电连接。
进一步地，所述共源放大电路240包括第五晶体管Q5和第三偏置电流模块Ibias3；
所述第五晶体管Q5的控制极与所述第三晶体管Q3的控制极电连接，所述第五晶体管Q5的第一极与所述高电位信号线AVDD电连接，所述第五晶体管Q5的第二极与所述第三偏置电流模块Ibias3的输入端电连接，所述第三偏置电流模块Ibias3的输出端与所述低电位信号线AGND电连接。
其中，流经第三晶体管Q3的电流和流经第五晶体管Q5的电流构成镜像电流。
进一步地，如图2所示，所述电流检测电路还包括反相器INV，所述反相器INV的输入端与所述第五晶体管Q5的第二极电连接；所述反相器INV用于对放大后的中间电流信号进行整形处理后输出。
需要说明的是，上述取样晶体管Msample、开关晶体管M_LS、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4和第五晶体管Q5可以是三极管、场效应管、晶闸管等等，此处不作限定。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种开关电源的电流取样电路，应用于集成电路，其特征在于，包括：
所述集成电路，包括位于不同层的第一导电图形和第二导电图形，所述第一导电图形在基片上的正投影与所述第二导电图形在所述基片上的正投影至少部分重合，其中重合区域内开设有分别连接所述第一导电图形和所述第二导电图形的导电过孔，所述第二导电图形与接地端相连；
所述电流取样电路，包括取样晶体管和取样电阻，所述取样晶体管的控制极与控制信号线电连接，所述取样晶体管的第一极与所述开关电源的输出端电连接，所述取样晶体管的第二极与所述取样电阻的第一端电连接，所述取样电阻的第二端与接地端电连接，其中，所述取样晶体管的第二极与所述导电过孔连接，所述第一导电图形和所述第二导电图形复用为所述取样电阻。
2.根据权利要求1所述的开关电源的电流取样电路，其特征在于，所述开关电源包括开关晶体管，所述开关晶体管的控制极与所述控制信号线电连接，所述开关晶体管的第一极与电源信号线电连接，所述开关晶体管的第二极与接地端电连接。
3.根据权利要求2所述的开关电源的电流取样电路，其特征在于，还包括电感，所述电感串接于所述开关晶体管的第一极与所述电源信号线之间。
4.根据权利要求1所述的开关电源的电流取样电路，其特征在于，所述第一导电图形呈斜向叉指状，所述导电过孔在基片上的正投影位于所述第一导电图形在基片上的正投影内；
取样点和所述接地端之间的距离与所述取样电阻的电阻值成正比，所述取样点为所述取样晶体管的第二极与所述第一导电图形的连接点投影于第二导电图形的位置点。
5.根据权利要求4所述的开关电源的电流取样电路，其特征在于，所述第一导电图形包括交替设置的第一源极金属图形和第一漏极金属图形；
所述第二导电图形呈块状，包括交替设置的第二源极金属图形和第二漏极金属图形；所述第一源极金属图形在基片的正投影与所述第二源极金属图形在基片的正投影在第一区域重合，所述第一区域内设有连通所述第一源极金属图形和所述第二源极金属图形的第一过孔；所述第一漏极金属图形在基片的正投影与第二漏极金属图形在基片的正投影在第二区域重合，所述第二区域内设有连通所述第一漏极金属图形和所述第二漏极金属图形的第一过孔。
6.一种电流检测电路，其特征在于，应用于如权利要求1-5中任一项所述的开关电源的电流取样电路；所述电流检测电路，包括：
共基放大电路，所述共基放大电路的输入端与所述电流取样电路的输出端电连接，用于对所述电流取样电路提供的取样电压进行放大处理；
负反馈电路，所述负反馈电路的输入端与所述共基放大电路的输出端电连接，用于对经过放大处理后的取样电压转换为中间电流信号；
共源放大电路，所述共源放大电路的输入端与所述负反馈电路的输出端电连接，用于对所述中间电流信号进行放大处理。
7.根据权利要求6所述的电流检测电路，其特征在于，所述共基放大电路包括第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第一偏置电流模块和第二偏置电流模块；
所述第一偏置电流模块的输入端与高电位信号线电连接，所述第一偏置电流模块的输出端与所述第一三极管的第一极电连接，所述第一三极管的第二极与所述第一电阻的第一端电连接，所述第一电阻的第二端与所述电流取样电路的输出端电连接；
所述第二偏置电流模块的输入端与高电位信号线电连接，所述第二偏置电流模块的输出端与所述第二三极管的第一极电连接，所述第二三极管的第一极分别与所述第二三极管的控制极和所述第一三极管的控制极电连接，所述第二三极管的第二极与所述第二电阻的第一端电连接，所述第二电阻的第二端与低电位信号线电连接。
8.根据权利要求7所述的电流检测电路，其特征在于，所述负反馈电路包括第三晶体管和第四晶体管；
所述第三晶体管的第一极与所述高电位信号线电连接，所述第三晶体管的第二极与所述第三晶体管的控制极电连接，所述第三晶体管的第二极与第四晶体管的第一极电连接；
所述第四晶体管的控制极与所述第一晶体管的第一极电连接，所述第四晶体管的第二极经所述第二电阻与所述低电位信号线电连接。
9.根据权利要求8所述的电流检测电路，其特征在于，所述共源放大电路包括第五晶体管和第三偏置电流模块；
所述第五晶体管的控制极与所述第三晶体管的控制极电连接，所述第五晶体管的第一极与所述高电位信号线电连接，所述第五晶体管的第二极与所述第三偏置电流模块的输入端电连接，所述第三偏置电流模块的输出端与所述低电位信号线电连接。
10.根据权利要求6所述的电流检测电路，其特征在于，还包括反相器，所述反相器的输入端与所述第五晶体管的第二极电连接；所述反相器用于对放大后的中间电流信号进行整形处理后输出。
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