CN113541657A - 一种功率开关过流检测电路及电流检测电路 - Google Patents

一种功率开关过流检测电路及电流检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率开关过流检测电路及电流检测电路，过流检测电路包括功率开关、镜像开关、参考电流源、高端比较器，电流检测电路还包括状态机，镜像开关的输入端及驱动端分别与功率开关的输入端及驱动端连接，镜像开关的输出端连接参考电流源及高端比较器的第一输入端，功率开关的输出端连接高端比较器的第二输入端，高端比较器的输出端连接状态机，状态机用于根据高端比较器的输出信号控制参考电流大小及输出电流检测结果。本发明无外部精密电阻，能够大幅减少热损耗，电路极简单，信号链路短，累积失配小，最终误差小，成本低。

Description

一种功率开关过流检测电路及电流检测电路
技术领域
本发明属于电流检测技术领域，尤其涉及一种功率开关过流检测电路及电流检测电路。
背景技术
功率管在供电过程中难免遇到大电流的场景，如输出被误短接到地，这需要做过流保护。再如，现有供电设备需要实时检测负载电流的大小，这需要做电流检测。因此在现实生活中，电流检测技术必不可少。
现有技术一，如图1所示，通过在功率管输出端串接一个精密电阻，输出电流流过电阻产生压降，该压降经过放大后由ADC采样转换为数据输出。其缺点是输出电阻上流过电流产生了热损耗，而且输出电流越大损耗越大。其次，为减少热损耗，该电阻阻值小，导致电阻两端产生的压降也小，因此电流检测的误差大。
现有技术二，如图2所示，通过电流镜像转换电路将功率管的电流镜像到一个电阻上，实现输出电流到电压的转换，然后经过放大后做ADC采样并转换为数据输出。其缺点是，为使电流镜像更精确，镜像电路结构复杂。其次，需要先转换为电压再做ADC转换，信号链路长，而且ADC增加成本。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中功率开关的电流检测存在损耗大成本大的问题，本发明提供一种功率开关过流检测电路及电流检测电路。
技术方案：一种功率开关电流检测电路，包括功率开关、镜像开关、参考电流源、高端比较器及状态机，镜像开关的输入端及驱动端分别与功率开关的输入端及驱动端连接，镜像开关的输出端连接参考电流源及高端比较器的第一输入端，功率开关的输出端连接高端比较器的第二输入端，高端比较器的输出端连接状态机，状态机用于根据高端比较器的输出信号控制参考电流大小及输出电流检测结果。
进一步地，所述状态机采用二分法或者按顺序依次查找的方法不断调节参考电流，得到电流检测值。
进一步地，所述参考电流源为数控参考电流源，状态机通过输出控制字控制参考电流大小。
进一步地，所述镜像开关与功率开关为同型MOS管或三极管。
进一步地，还包括电平转换器，所述电平转换器的输入端与高端比较器的输出端连接，电平转换器的输出端与状态机输入端连接。
一种功率开关过流检测电路，包括功率开关、镜像开关、参考电流源及高端比较器，镜像开关的输入端及驱动端分别与功率开关的输入端及驱动端连接，镜像开关的输出端连接参考电流源及高端比较器的第一输入端，功率开关的输出端连接高端比较器的第二输入端，高端比较器的输出端输出过流检测结果。
进一步地，还包括电平转换器，所述电平转换器的输入端与高端比较器的输出端连接。
进一步地，所述镜像开关与功率开关为同型MOS管或三极管。
一种功率开关电流检测方法，使用上述的功率开关电流检测电路，包括以下步骤：
步骤一：设功率开关输出电流为IOUT，功率开关的宽长比与镜像开关的宽长比的比例为N:1；参考电流值由状态机输出的控制字决定，设控制字为i，i的取值范围为[min,max]，min=p，max=q，控制字为i时的参考电流值为IREF[i]，IREF[i]的值随i增大而增大；
步骤二：对控制字赋值i= integer((min+max)/2)，状态机输出i控制参考电流源输出相应的参考电流；
步骤三：判断是否IREF＜IOUT/N，若是，则min= integer((min+max)/2)；否则， max=integer((min+max)/2)；
步骤四：判断是否max-min≤1，若否，返回步骤二；若是，则i= integer( (min+max)/2)，IOUT=IREF[i]×N，输出IOUT的值。
一种功率开关电流检测方法，使用上述的功率开关电流检测电路，包括以下步骤：
步骤一：设功率开关输出电流为IOUT，功率开关的宽长比与镜像开关的宽长比的比例为N:1；参考电流值由状态机输出的控制字决定，设控制字为i，i的取值范围为[p,q]，控制字为i时的参考电流值为IREF[i]，IREF[i]的值随i增大而增大,初始设置i=p或i=q；
步骤二：状态机输出i控制参考电流源输出相应的参考电流，对于i的初始值不同分为两种情况执行：
若初始值i=p，判断是否IREF[i]＜IOUT/N，若是，则i=i+1,并循环执行步骤二；否则，IOUT=(IREF[i-1]+IREF[i])/2×N；
若初始值i=q，判断是否IREF[i]＞IOUT/N，若是，则i=i-1,并循环执行步骤二；否则，IOUT=(IREF[i]+IREF[i+1])/2×N。
有益效果：本发明提供一种功率开关过流检测电路及电流检测电路，相比较现有技术在输出端串联电阻的方法而言，无外部精密电阻，能够大幅减少热损耗；电路极简单。相比较现有技术通过电流镜像后转换为电压，再经放大后ADC转换得到检测结果的方法而言，不需要复杂的电流镜像电路，如钳位用的运放等，直接用比较器作比较，信号链路短，累积失配小，最终误差小；无需ADC，而是由状态机直接转换为数字信号输出，成本大大降低。加入状态机的电流检测电路，可以检测得到功率开关输出的电流值，误差小；对于无状态机的过流检测电路，可以根据需要设定参考电流的大小，准确地判断功率开关的输出电流是否超过预设的最大输出电流阈值，电路简单，结果准确，成本低廉。
附图说明
图1为现有技术一功率开关的电流检测电路的原理框图；
图2为现有技术二功率开关的电流检测电路的原理框图；
图3为实施例一功率开关的电流检测电路的原理框图；
图4为实施例一电路检测方法的流程图；
图5为实施例二电路检测方法的流程图；
图6为实施例三功率开关的过流检测电路的原理框图；
图7为实施例三功率开关为PMOS管的原理框图；
图8为实施例四功率开关为NMOS管的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
实施例一：
一种功率开关电流检测电路，如图3所示，包括功率开关、镜像开关、参考电流源、高端（电源端）比较器、电平转换器及状态机，镜像开关的输入端及驱动端分别与功率开关的输入端及驱动端连接，镜像开关的输出端连接参考电流源及高端比较器的第一输入端，功率开关的输出端连接高端比较器的第二输入端，高端比较器的输出端经电平转换器连接状态机，状态机用于根据电平转换器的输出信号控制参考电流大小及输出电流检测结果。其中，电平转换器为非必要器件，若输入电源电压VIN与状态机电源电压相等，如VIN=5V，状态机电源电压也为5V时，则无需电平转换器。电平转换器用于将高端比较器输出的高压电源端电平转换为状态机可直接接收的低压内核电平。
所述镜像开关与功率开关为同型MOS管或三极管，比如同为PMOS管，或者同为NMOS管，或者同为PNP管，或者同为NPN管。
功率开关和镜像开关匹配，且功率开关的宽长比与镜像开关的宽长比的比例为N：1，即镜像比例为N：1。功率开关的输出电流为IOUT，产生一个固定的电压|VDSPOWER|。镜像开关输出电流为IMIRR=IREF，产生一个电压|VDSMIRR|。当IMIRR>IOUT/N时，|VDSMIRR|>|VDSPOWER|，比较器比较这两个电压，比较器结果指示IMIRR偏大。当IMIRR<IOUT/N时，|VDSMIRR|<|VDSPOWER|，比较器比较这两个电压，比较器结果指示IMIRR偏小。参考电流源由数字电路组成的状态机控制，并产生数控电流IREF。状态机根据比较器的指示信号调节IREF的大小，不断迭代，使IREF不断接近IOUT/N。通过状态机内的算法即可得到最接近IOUT/N的参考电流值IREF,VAL，从而得出输出电流的值为IREF,VAL×N。
所述参考电流源为数控参考电流源，状态机通过输出控制字控制参考电流大小。本实施例中，状态机采用二分法调节参考电流，将参考电流与输出电流产生的电压进行比较，不断迭代，直到找到最接近镜像输出电流的参考电流值，该值乘以镜像比例可以得到输出电流的值。
如图4，使用该电流检测电路的电流检测方法包括以下步骤：
步骤一：设功率开关输出电流为IOUT，功率开关的宽长比与镜像开关的宽长比的比例为N:1；参考电流值由状态机输出的控制字决定，设控制字为i，i的取值范围为[min,max]，比如本实施例中i可取[1,100]中任何一个整数，控制字为i时的参考电流值为IREF[i]，IREF[i]的值随i增大而增大；
步骤二：对控制字赋值i= integer((min+max)/2)，其中integer表示取整，即当计算结果带小数时，小数部分舍去，只取整数部分，因为i只可以是整数。状态机输出i控制参考电流源输出相应的参考电流；
步骤三：判断是否IREF[i]＜IOUT/N，若是，则min= integer((min+max)/2)；否则，max= integer( (min+max)/2)；
步骤四：判断是否max-min≤1，若否，返回步骤二；若是，则i= integer((min+max)/2)，IOUT=IREF[i]×N，输出IOUT的值。
实施例二：
实施例二与实施例一相比，区别在于，状态机可以从最小值开始依次增大来不断增加参考电流的值，直到参考电流大于镜像电流，此时的参考电流值和上一个参考电流值做平均，即可得到最接近镜像电流的参考电流值。该值乘以镜像比例可以得到输出电流的值。
如图5，使用该电流检测电路的电流检测方法包括以下步骤：
步骤一：设功率开关输出电流为IOUT，功率开关的宽长比与镜像开关的宽长比的比例为N:1；参考电流值由状态机输出的控制字决定，设控制字为i，i的取值范围为[min,max]，比如本实施例中i可取[1,100]中任何一个整数，控制字为i时的参考电流值为IREF[i]，IREF[i]的值随i增大而增大，初始设置i=1。
步骤二：状态机输出i控制参考电流源输出相应的参考电流，判断是否IREF[i]＜IOUT/N，若是，则i=i+1,并循环执行步骤二；否则，IOUT=(IREF[i-1]+IREF[i])/2×N。
同理，在查找最接近的参考电流时，还可以从最大值逐步减小进行查找，具体包括以下步骤：
步骤一：设功率开关输出电流为IOUT，功率开关的宽长比与镜像开关的宽长比的比例为N:1；参考电流值由状态机输出的控制字决定，设控制字为i，i的取值范围为[min,max]，比如本实施例中i可取[1,100]中任何一个整数，控制字为i时的参考电流值为IREF[i]，IREF[i]的值随i增大而增大，初始设置i=100；
步骤二：状态机输出i控制参考电流源输出相应的参考电流，判断是否IREF[i]＞IOUT/N，若是，则i=i-1,并循环执行步骤二；否则，IOUT=(IREF[i]+IREF[i+1])/2×N。
实施例三：
一种功率开关过流检测电路，如图6，包括功率开关、镜像开关、参考电流源及高端比较器，镜像开关的输入端及驱动端分别与功率开关的输入端及驱动端连接，镜像开关的输出端连接参考电流源及高端比较器的第一输入端，功率开关的输出端连接高端比较器的第二输入端，高端比较器的输出端输出过流检测结果。
过流检测结果需要传输至内核时，还包括电平转换器，所述电平转换器的输入端与高端比较器的输出端连接，电平转换器用于将高端比较器输出的高压电源端电平转换为内核可直接接收的低压内核电平，便于后续工作。
所述镜像开关与功率开关均为PMOS管，如图7所示。
为了方便配置过流点，参考电流源可为数控参考电流源，可根据需要配置或更改想要的过流点。
镜像开关的电流IMIRR输出到参考电流源IREF上，这使得IMIRR=IREF。
设定好IREF后，IMIRR也即确定，在镜像管上产生电压|VDSMIRR|，该|VDSMIRR|做为高端比较器的输入参考电压。
功率管输出电流时相当于一个电阻，IOUT越大，功率管的|VDSPOWER|越大。当IOUT>N×IREF时，导致|VDSPOWER|>|VDSMIRR|，此时比较器输出过流指示信号。
设VDD为电源电压，由于比较器的输入信号为VDD-|VDSMIRR|或VDD-|VDSPOWER|，几乎接近电源电压，所以该比较器需要采用高端（电源端）比较器。
综上所述，该电流检测电路可以在IOUT>N×IREF时输出指示信号，设定IREF即可设定最大输出电流值IOUT,max。
实施例四：
实施例四与实施例三的区别在于，镜像开关与功率开关均为NMOS管，如图8所示。实际上，镜像开关的选型与功率开关相关，必须与功率开关同型，当功率开关为三极管时，镜像开关也需要选择同型的三极管。

Claims (10)

1.一种功率开关电流检测电路，其特征在于，包括功率开关、镜像开关、参考电流源、高端比较器及状态机，镜像开关的输入端及驱动端分别与功率开关的输入端及驱动端连接，镜像开关的输出端连接参考电流源及高端比较器的第一输入端，功率开关的输出端连接高端比较器的第二输入端，高端比较器的输出端连接状态机，状态机用于根据高端比较器的输出信号控制参考电流大小及输出电流检测结果。
2.根据权利要求1所述的功率开关电流检测电路，其特征在于，所述状态机采用二分法或者按顺序依次查找的方法不断调节参考电流，得到电流检测值。
3.根据权利要求1或2所述的功率开关电流检测电路，其特征在于，所述参考电流源为数控参考电流源，状态机通过输出控制字控制参考电流大小。
4.根据权利要求1或2所述的功率开关电流检测电路，其特征在于，所述镜像开关与功率开关为同型MOS管或三极管。
5.根据权利要求1或2所述的功率开关电流检测电路，其特征在于，还包括电平转换器，所述电平转换器的输入端与高端比较器的输出端连接，电平转换器的输出端与状态机输入端连接。
6.一种功率开关过流检测电路，其特征在于，包括功率开关、镜像开关、参考电流源及高端比较器，镜像开关的输入端及驱动端分别与功率开关的输入端及驱动端连接，镜像开关的输出端连接参考电流源及高端比较器的第一输入端，功率开关的输出端连接高端比较器的第二输入端，高端比较器的输出端输出过流检测结果。
7.根据权利要求6所述的功率开关过流检测电路，其特征在于，还包括电平转换器，所述电平转换器的输入端与高端比较器的输出端连接。
8.根据权利要求6或7所述的功率开关过流检测电路，其特征在于，所述镜像开关与功率开关为同型MOS管或三极管。
9.一种功率开关电流检测方法，使用如权利要求1-5任一所述的功率开关电流检测电路，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设功率开关输出电流为IOUT，功率开关的宽长比与镜像开关的宽长比的比例为N:1；参考电流值由状态机输出的控制字决定，设控制字为i，i的取值范围为[min,max]，min=p，max=q，控制字为i时的参考电流值为IREF[i]，IREF[i]的值随i增大而增大；
步骤二：对控制字赋值i= integer((min+max)/2)，状态机输出i控制参考电流源输出相应的参考电流；
步骤三：判断是否IREF＜IOUT/N，若是，则min= integer((min+max)/2)；否则， max=integer((min+max)/2)；
步骤四：判断是否max-min≤1，若否，返回步骤二；若是，则i= integer( (min+max)/2)，IOUT=IREF[i]×N，输出IOUT的值。
10.一种功率开关电流检测方法，使用如权利要求1-5任一所述的功率开关电流检测电路，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设功率开关输出电流为IOUT，功率开关的宽长比与镜像开关的宽长比的比例为N:1；参考电流值由状态机输出的控制字决定，设控制字为i，i的取值范围为[p,q]，控制字为i时的参考电流值为IREF[i]，IREF[i]的值随i增大而增大,初始设置i=p或i=q；
步骤二：状态机输出i控制参考电流源输出相应的参考电流，对于i的初始值不同分为两种情况执行：
若初始值i=p，判断是否IREF[i]＜IOUT/N，若是，则i=i+1,并循环执行步骤二；否则，IOUT=(IREF[i-1]+IREF[i])/2×N；
若初始值i=q，判断是否IREF[i]＞IOUT/N，若是，则i=i-1,并循环执行步骤二；否则，IOUT=(IREF[i]+IREF[i+1])/2×N。
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