CN113466538B - 一种负载开关中的小电流检测电路及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载开关中的小电流检测电路及其检测方法，包括：电压控制电路、功率管PM1、功率管PM3、输入失调电压提供模块和比较电路；其中，所述功率管PM3为所述功率管PM1的镜像采样功率管；所述电压控制电路包括：误差放大器EA3和功率管PM4；所述输入失调电压提供模块包括一个或多个串联的功率管，输入失调电压提供模块为误差放大器EA3提供输入失调电压Vos1，且输入失调电压Vos1远大于误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos，使得电流检测环路闭环，从而电阻R2有电流流过，通过校准电阻R2的阻值能够准确的判断出输入电流值。

Description

一种负载开关中的小电流检测电路及其检测方法

技术领域

本发明具体涉及负载开关中的小电流检测电路及其检测方法，属于开关技术领域。

背景技术

负载开关是用于开启和关闭电源轨的集成式电子继电器，其特点是简单、经济且高效；随着可穿戴设备的普遍使用，不仅需要利用负载开关，而且流过负载开关的电流也同时需要被监控，可穿戴设备的工作电流普遍较小，怎样在该工作电流很小时仍然能实现准确判断，是目前该技术领域研究的难点。

目前的电流检测电路技术如图1所示，负载开关的电路包括功率管PM1、镜像采样功率管PM2、误差放大器EA1工作在闭环时使两个输入端相等，且电阻R1将镜像电流转换成电压，并与参考电压Vref放大后控制功率管的门极，开启电压；同样，负载开关的电流检测电路与电流控制电路类似，镜像电流经电阻R1后输出的电压V与电压比较器COMP的参考电压Vref比较，当电压V低于参考电压Vref后，输出逻辑为高。

目前的电流检测电路技术存在着如下的问题：

一方面，如图1所示，该电路结构在电流比较大特别是功率管PM1两端的电压差Vin-Vout足够大时，才比较准，条件要求十分苛刻，不容易达到；

另一方面，如图3所示，误差放大器EA1的输入失调电压包括随机失调电压和系统失调电压，在量产中随机失调电压呈正态分布，当随机失调电压的标准差σ=1mV时，如果功率管PM1两端的电压差Vin-Vout小于等于3σ，即3mV，检测点就会被误差放大器EA1的输入失调电压淹没，导致电流检测不出来，容易导致误差放大器EA1因为输入失调而造成一部分芯片量产时，无法修调和检测小电流问题。

发明内容

针对现有技术存在的无法检测负载开关中小电流的缺陷，本发明实施例提供了一种负载开关中的小电流检测电路及其检测方法。

为实现上述目的，一方面本发明实施例采用以下技术方案：一种负载开关中的小电流检测电路，包括：电压控制电路、功率管PM1、功率管PM3、输入失调电压提供模块和比较电路；其中，

所述电压控制电路包括：误差放大器EA3和功率管PM4；其中，

所述误差放大器EA3的正向输入端通过所述输入失调电压提供模块耦接功率管PM1的漏极，且所述误差放大器EA3的反向输入端耦接功率管PM3的漏极。

优选的，所述功率管PM3为所述功率管PM1的镜像采样功率管。

优选的，所述误差放大器EA3的输出端耦接功率管PM4的栅极，通过调节功率管PM1与功率管PM3的输出电压，使得功率管PM1及功率管PM3的输出电压相等。

所述输入失调电压提供模块包括一个或多个串联的功率管，该功率管加载于误差放大器EA3的输入差分管端处；

优选的，所述输入失调电压提供模块设于功率管PM1与误差放大器EA3之间，加载于误差放大器EA3的正向输入端，为误差放大器EA3提供输入失调电压Vos1。

所述比较电路包括电阻R2和电压比较器COMP，且电压比较器COMP的正向输入端加载有参考电压Vref，所述比较电路通过电压比较器COMP比较电阻R2端电压与参考电压Vref的大小后，输出高电平或低电平。

优选的，所述电压比较器COMP检测到电阻R2端电压小于参考电压Vref，则电压比较器COMP输出端输出高电平，所述电压比较器COMP检测到电阻R2端电压大于参考电压Vref，则电压比较器COMP输出端输出低电平。

优选的，所述功率管PM1、功率管PM3、功率管PM4、误差放大器EA3、输入失调电压提供模块组成一个电流检测环路。

所述输入失调电压提供模块提供的输入失调电压Vos1大于误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos，使得电流检测环路闭环，从而电阻R2有电流流过，通过校准电阻R2的阻值能够准确的判断出输入电流值。

优选的，所述输入失调电压Vos1与PM1导通阻抗成正相关，所述功率管PM3源漏级电压=输入失调电压Vos1+误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos+功率管PM1两端的电压差ΔV _i0 ，且恒为正。

优选的，所述输入失调电压提供模块提供的输入失调电压Vos1为一个或多个串联的功率管的导通阻抗与流过所述功率管的电流乘积。

优选的，所述误差放大器EA3包括：功率管NM1、功率管NM2、功率管NM3、功率管NM4、功率管PM6、功率管PM7、功率管PM8、功率管PM9、功率管PM10、偏置电流模块、电阻R1和电容C1；其中，

所述功率管NM1、功率管NM2、功率管NM3、功率管NM4组成误差放大器EA3的电流镜，提供偏置电流；所述功率管PM6、功率管PM7采用源端输入差分的结构，为误差放大器EA3的输入差分对管；所述PM8、PM9是套筒放大器的折叠级，用于增大增益；所述功率管PM10和功率管NM4是误差放大器EA3的第二级，用于增加放大器的增益和增加输出摆幅。

另一方面，本发明实施例采用以下技术方案一种负载开关中的小电流检测方法，用于实现所述的电流检测电路检测电流，包括：

首先，通过输入失调电压提供模块提供一个输入失调电压Vos1；

其次，使得该输入失调电压Vos1大于误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos，确保功率管PM3源漏级电压恒定为正，以保证由功率管PM1、功率管PM3、功率管PM4、误差放大器EA3、输入失调电压提供模块组成的电流检测环路闭环；

然后，通过校准电阻R2的阻值准确的判断出电流的大小；

最后，通过电压比较器COMP比较参考电压Vref与电阻R2端的电压的大小后，输出高电平或低电平。

本发明具有以下效果：

（1）本发明误差放大器EA3的输出端耦接功率管PM4的栅极，通过调节功率管PM1与功率管PM3的输出电压，使得功率管PM1及功率管PM3的输出电压相等，误差放大器EA3的输入失调电压Vos大于PM1两端的压差时，流过PM3的电流等于流到R2的电流，通过校准R2可以测到准确的判断电流，有效解决了功率管PM1两端的电压差Vin-Vout足够大时，才比较准，条件要求十分苛刻，不容易达到的问题；

（2）本发明还设有输入失调电压提供模块，为误差放大器EA3提供输入失调电压Vos1，且输入失调电压Vos1远大于误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos，使得电流检测环路闭环，从而电阻R2有电流流过，通过校准电阻R2的阻值能够准确的判断出输入电流值，加入的Vos1避免了因误差放大器EA3输入失调造成一部分芯片量产时无法修调检测小电流判断的问题。

附图说明

图1为现有的负载开关的电路示意图；

图2为现有的负载开关的电流检测电路示意图；

图3为图1中所示的误差放大器EA1的输入误差分布函数示意图；

图4为本发明实施例提供的负载开关的小电流检测电路示意图；

图5为本发明实施例提供的负载开关的小电流检测电路中输入失调电压提供模块与电压比较器COMP之间的电路连接示意图；

图6为功率管PM3源漏级电压分布函数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参考图1、图2和图3，在现有的负载开关的电路中，当电流小于限流值时，功率管PM1的门限电压被拉到最低，功率管PM1处于完全导通状态，此时功率管PM1的导通阻抗最小。比如：当功率管PM1的导通阻抗R _{dson_PM3} =50mΩ 时，如果仅流过2mA负载，那么功率PM1两端的电压差ΔV _i0 =100uV；所示的电流检测电路中，在电流检测电路达到稳定状态后，假定误差放大器EA3的输入失调电压为V_os，那么流过功率管PM3的电流等于流入电阻R2的电流I _PM3 大小为：

有两种情况：一、如果输入失调电压Vos>-100uv，通过校准电阻R2，可以测到准确的判断电流；二、如果输入失调电压Vos<-100uV，( Vos+ΔV _i0 ）为负值，误差放大器EA3不能正常工作，检测环路处于开环，电阻R2上几乎没有电流，电压为0，采用校准电阻值的方式也不能正确判断电流。

针对上述的第二种情况，因为输入失调电压Vos的影响，环路不能正常建立，后期无法校准，本发明实施例提供了一种负载开关中的小电流检测电路及检测方法，以解决第二种情况问题。

参考图4，一方面，本发明提供了一种可选实施例，一种负载开关中的小电流检测电路包括：电压控制电路、功率管PM1、功率管PM3、输入失调电压提供模块和比较电路；其中，

电压控制电路包括：误差放大器EA3和功率管PM4，其中，误差放大器EA3的正向输入端通过所述输入失调电压提供模块耦接功率管PM1的漏极，且所述误差放大器EA3的反向输入端耦接功率管PM3的漏极，且功率管PM3为所述功率管PM1的镜像采样功率管，误差放大器EA3的输出端耦接功率管PM4的栅极，通过调节功率管PM1与功率管PM3的输出电压，使得功率管PM1及功率管PM3的输出电压相等；

所述输入失调电压提供模块可以一个或多个串联的功率管，且该功率管加载于误差放大器EA3的输入差分管端处，且所述输入失调电压提供模块设于功率管PM1与误差放大器EA3之间，加载于误差放大器EA3的正向输入端，为误差放大器EA3提供输入失调电压Vos1；

比较电路包括电阻R2和电压比较器COMP，且电压比较器COMP的正向输入端加载有参考电压Vref，且比较电路通过电压比较器COMP比较电阻R2端电压与参考电压Vref的大小后，输出高电平或低电平；当电压比较器COMP检测到电阻R2端电压小于参考电压Vref时，则电压比较器COMP输出端输出高电平1，当电压比较器COMP检测到电阻R2端电压大于参考电压Vref时，则电压比较器COMP输出端输出低电平0；

作为本发明一个可选的实施例，功率管PM1、功率管PM3、功率管PM4、误差放大器EA3、输入失调电压提供模块组成一个电流检测环路，只有电流检测环路闭合，检测电流的环路能正常工作；

作为本发明一个可选的实施例，参考图5，误差放大器EA3包括：功率管NM1、功率管NM2、功率管NM3、功率管NM4、功率管PM6、功率管PM7、功率管PM8、功率管PM9、功率管PM10。

其中，功率管PM1、功率管PM3、功率管PM4、功率管PM5、功率管PM6、功率管PM7、功率管PM8、功率管PM9及功率管PM10均为PMOS管，功率管NM1、功率管NM2、功率管NM3、功率管NM4为NMOS管；且功率管PM5的源极电性连接于功率管PM6的漏极，功率管PM6的源极电性连接于功率管PM8的漏极，功率管PM7的源极电性连接于功率管PM9的漏极，功率管PM6的栅极电性连接于功率管PM7的栅极，功率管PM8的栅极电性连接于功率管PM9的栅极，功率管PM9的源极电性连接于功率管PM10的栅极；

进一步的，参考图5，功率管NM1、功率管NM2、功率管NM3、功率管NM4组成误差放大器EA3的电流镜，功率管PM6、功率管PM7是误差放大器的输入差分对管，采用源端输入差分的结构，功率管PM8、功率管PM9是套筒放大器的折叠级，起增大增益的作用，功率管PM10和功率管NM4是误差放大器EA3的第二级，其作用是增加放大器的增益和增加输出摆幅，达到稳定的状态后，功率管PM6和功率管PM7的源端电压相等，误差放大器EA3的输入失调Vos来自两个方面，一方面是由增益带来的系统误差，另一方面来自功率管PM6和功率管PM7、功率管NM2和功率管NM3的匹配带来的误差，增加功率管PM6和功率管PM7、功率管NM2和功率管NM3的面积可以尽量减小输入失调。

作为本发明一个可选的实施例，参考图5，本发明的输入失调电压提供模块采用一个功率管PM5耦接误差放大器EA3的输入差分对管功率管PM6和功率管PM7，为误差放大器EA3提供输入失调电压Vos1，其中，输入失调电压Vos1的值为功率管PM5的导通阻抗R _PM5 与流过PM5的电流乘积，且输入失调电压Vos1远大于误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos，所述输入失调电压Vos1与PM1导通阻抗成正相关；且功率管PM3源漏级电压=输入失调电压Vos1+误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos+功率管PM1两端的电压差ΔV _i0 ，且恒为正，当电流小于限流值时GATE被拉到最低，功率管PM1处于完全导通状态，导通阻抗最小。当流过很小的电流时，流过PM3的电流等于流到R2的电流，由于输入失调电压Vos1远大于误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos，使得功率管PM4处于导通状态，使得电流检测环路闭环，从而电阻R2有电流流过，通过校准电阻R2的阻值能够准确的判断出输入电流值。

另一方面，本发明实施例还提供了另一可选实施例，一种负载开关中的电流检测方法，用于实现所述的电流检测电路检测电流，包括：

首先，通过输入失调电压提供模块提供一个输入失调电压Vos1；

其次，使得该输入失调电压Vos1大于误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos，确保功率管PM3源漏级电压恒定为正，以保证由功率管PM1、功率管PM3、功率管PM4、误差放大器EA3、输入失调电压提供模块组成的电流检测环路闭环；

然后，通过校准电阻R2的阻值准确的判断出电流的大小；

最后，通过电压比较器COMP比较参考电压Vref与电阻R2端的电压的大小后，输出高电平或低电平。

参考图6，作为本发明一个可选的实施例，负载开关中的小电流检测方法具体步骤还包括：

如果EA3自身的输入失调3σ=Vos时，加入的输入失调电压Vos1远大于Vos，那么功率管PM3源漏级电压

恒定为正，检测电流的环路能正常工作；

当Vos=0时，流到R2的电流为：

所以比较器参考电压Vref可由下式计算：

所以负载开关中小电流检测状态变化的电流值是：

由上式可以看到电流值与Vref/R2，PM1和PM3的导通阻抗有关。但是功率管PM1和功率管PM3的导通阻抗与温度和电源电压有关，所以，如果Vos1是一个和功率管PM1导通阻抗有关的量，那么，上式就可以把温度和电源电压的变化抵销，变成一个常数，最后只需要修调R2的值即可实现恒定的电流判断点；

加入的Vos1是一个与PM1导通阻抗成正相关的量，即功率管PM5的导通阻抗R _{dson_PM5} 与流过功率管PM5的电流乘积即是加入的输入失调电压Vos1的值。在电流检测判断点附近，门限电压最低，负载开关中门限电压等于0，电压提供模块的VP端口（即功率管PM5的源极连接端口）接负载开关的输出VOUT，此时VOUT与VIN接近，所以功率管PM5工作在深线性区，其VGS电压与功率管PM1的VGS电压近似相等；所以功率管PM5的导通阻抗与功率管PM1的导通阻抗的比是一个常数与偏置电流相乘的关系，即不随电源电压和温度变化。

把功率管PM5的导通阻抗重新带入电流的计算公式中：

，即

上式中的m、n分别是功率管PM3与功率管PM1、功率管PM5与功率管PM1的导通阻抗的比值; R _{dson_PM3} 为功率管PM3的导通阻抗；R _{dson_PM1} 为功率管PM1的导通阻抗；R _{dson_PM5} 为功率管PM5的导通阻抗；I_B是偏置电流，k是常数换算关系。

由上述推理可知，负载开关中的小电流I仅与参考电压Vref和内部的电阻R有关，在量产测试中调整R的值即可实现负载开关中小电流的检测判断，R的值与R2有关，所以修调R2的大小即可。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种负载开关中的小电流检测电路，其特征在于，包括：电压控制电路、功率管PM1、功率管PM3、输入失调电压提供模块和比较电路；其中，

所述功率管PM3为所述功率管PM1的镜像采样功率管；

所述电压控制电路包括：误差放大器EA3和功率管PM4；其中，

所述误差放大器EA3的正向输入端通过所述输入失调电压提供模块耦接功率管PM1的漏极，且所述误差放大器EA3的反向输入端耦接功率管PM3的漏极；且，

所述误差放大器EA3的输出端耦接功率管PM4的栅极，通过调节功率管PM1与功率管PM3的输出电压，使得功率管PM1及功率管PM3的输出电压相等；

所述输入失调电压提供模块包括一个或多个串联的功率管；且，

所述串联的功率管加载于误差放大器EA3的输入差分管端处，且所述输入失调电压提供模块设于功率管PM1与误差放大器EA3之间，加载于误差放大器EA3的正向输入端，为误差放大器EA3提供输入失调电压Vos1；

所述比较电路包括：电阻R2和电压比较器COMP，且电压比较器COMP的正向输入端加载有参考电压Vref；且，

所述比较电路通过电压比较器COMP比较电阻R2端的电压与参考电压Vref的大小后，输出高电平或低电平。

2.根据权利要求1所述的负载开关中的小电流检测电路，其特征在于：所述电压比较器COMP检测到电阻R2端电压小于参考电压Vref，则电压比较器COMP输出端输出高电平，所述电压比较器COMP检测到电阻R2端电压大于参考电压Vref，则电压比较器COMP输出端输出低电平。

3.根据权利要求1所述的负载开关中的小电流检测电路，其特征在于：所述功率管PM1、功率管PM3、功率管PM4、误差放大器EA3、输入失调电压提供模块组成一个电流检测环路；

所述输入失调电压提供模块提供的输入失调电压Vos1大于误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos，使得电流检测环路闭环，从而电阻R2有电流流过，通过校准电阻R2的阻值能够准确的判断出输入电流值。

4.据权利要求1所述的负载开关中的小电流检测电路，其特征在于：所述输入失调电压Vos1与功率管PM1导通阻抗成正相关；且，

所述功率管PM3源漏极电压为输入失调电压Vos1、误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos以及功率管PM1两端的电压差ΔV_i0之和，且恒为正。

5.根据权利要求1所述的负载开关中的小电流检测电路，其特征在于：所述输入失调电压提供模块提供的输入失调电压Vos1为一个或多个串联的功率管的导通阻抗与流过所述功率管的电流乘积。

6.根据权利要求1所述的负载开关中的小电流检测电路，其特征在于：所述误差放大器EA3包括：功率管NM1、功率管NM2、功率管NM3、功率管NM4、功率管PM6、功率管PM7、功率管PM8、功率管PM9、功率管PM10、偏置电流模块、电阻R1和电容C1；其中，

所述功率管NM1、功率管NM2、功率管NM3、功率管NM4组成误差放大器EA3的电流镜，提供偏置电流；

所述功率管PM6、功率管PM7采用源端输入差分的结构，为误差放大器EA3的输入差分对管；

所述PM8、PM9是套筒放大器的折叠极，用于增大增益；

所述功率管PM10和功率管NM4是误差放大器EA3的第二极，用于增加放大器的增益和增加输出摆幅。

7.根据权利要求6所述的负载开关中的小电流检测电路，其特征在于：功率管PM1、功率管PM3、功率管PM4、功率管PM6、功率管PM7、功率管PM8、功率管PM9及功率管PM10均为PMOS管。

8.根据权利要求7所述的负载开关中的小电流检测电路，其特征在于：

功率管PM6的源极电性连接于功率管PM8的漏极；

功率管PM7的源极电性连接于功率管PM9的漏极；

功率管PM6的栅极电性连接于功率管PM7的栅极；

功率管PM8的栅极电性连接于功率管PM9的栅极；

功率管PM9的源极电性连接于功率管PM10的栅极。

9.一种负载开关中的小电流检测方法，其特征在于：用于实现如权利要求1-8任一项中所述的电流检测电路检测电流，包括：

首先，通过输入失调电压提供模块提供一个输入失调电压Vos1；

其次，使得该输入失调电压Vos1大于误差放大器EA3自身的输入失调电压Vos，确保功率管PM3源漏极电压恒定为正，以保证由功率管PM1、功率管PM3、功率管PM4、误差放大器EA3、输入失调电压提供模块组成的电流检测环路闭环；

然后，通过校准电阻R2的阻值准确的判断出电流的大小；

最后，通过电压比较器COMP比较参考电压Vref与电阻R2端的电压的大小后，输出高电平或低电平。

10.根据权利要求9所述的一种负载开关中的小电流检测方法，其特征在于：根据公式

计算负载开关中电流；其中，

Vref为输入电压比较器COMP的参考电压，I_B为偏置电流，R为电阻R2的阻值，m是功率管PM3的导通阻抗与PM1的导通阻抗的比值，n是输入失调电压提供模块包括一个或多个串联的功率管的导通阻抗与功率管PM1的导通阻抗的比值。

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