CN114384304A - 一种高压高精度的电流采样电路 - Google Patents

一种高压高精度的电流采样电路 Download PDF

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Abstract

一种高压高精度的电流采样电路，包含功率管M1，第一NMOS管NM1，第二NMOS管NM2，第三NMOS管NM3，第四NMOS管NM4，第五NMOS管NM5，第六NMOS管NM6，第七NMOS管NM7，第八NMOS管NM8，第九NMOS管NM9，第十NMOS管NM10，第十一NMOS管NM11，第十二NMOS管NM12，第十三NMOS管NM13，第十四NMOS管NM14，第一PMOS管PM1，第二PMOS管PM2，第三PMOS管PM3，第四PMOS管PM4，第五PMOS管PM5，第六PMOS管PM6，第七PMOS管PM7，第八PMOS管PM8，第一电阻R1，第二电阻R2，第一电容C1，第二电容C2，第一反相器U1。本发明可用于对Boost电路的电流采样，通过设置与功率管尺寸成比例的镜像管，达到实时、精准的监控功率管电流的目的。

Description

一种高压高精度的电流采样电路
技术领域
本发明涉及，特别提供了一种高压高精度的电流采样电路，是电源管理领域重要的组成部分，通过该电路采样电感电流，从而控制环路的稳定性，提高环路的响应速度，并具有防止电感电流过流的能力。
背景技术
目前，对于电感电流的采样方式较为常见的有三种，串联电阻采样、DCR采样、SenseFET采样，其中串联电阻采样方式简单易行，但是会导致额外的功率消耗，降低系统效率；DCR采样，通过在电感上并联电阻和电容，对电容上的电压进行采样，这种采样方式需要通过实际测试来选择电阻电容，且很难做成集成， SenseFET采样技术，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。这种采样方式存在电流尖峰，功率管和镜像管因不匹配出现误差等问题。
发明内容
针对上述传统采样方式在功耗和精度方面的不足之处，本方面提出了一种电流采样电路，该电路在SenseFET采样技术的基础上对电路进行一定的修改，使其在降低功率损耗、提高采样精度和对尖峰电流的处理能力都有所提高。
一种高压高精度的电流采样电路，用于采样开关电源中流过功率管的电流，所述电流采样电路包括采样结构，所述采样结构包括误差放大器和第二NMOS管NM2，第九NMOS管NM9，第五PMOS管PM5，第六PMOS管PM6，第七PMOS管PM7，第八PMOS管PM8，其中第二NMOS管为高压保护管，第九NMOS管为所述功率管的镜像管；第二NMOS管的栅极和第九NMOS管的栅极相连，并通过延时结构连接到功率管的栅极，其漏极连接所述功率管的漏极，其源极连接到误差放大器的负向输入端；第九NMOS管的漏极连接到误差放大器的正向输入端，其源极接功率地VSSP，误差放大器的输出端接第五PMOS管和第七PMOS管的栅极，第五PMOS管和第七PMOS管的源极接电源VDDA，第五PMOS管和第七PMOS管的漏极分别接第六PMOS管和第八PMOS管的源极，第六PMOS管和第八PMOS管的栅极相连并连接到第九NMOS管的漏极，第六PMOS管的漏极与其栅极相连，第八PMOS管的漏极接Iout。
具体的，所述误差放大器包括第一PMOS管PM1，第二PMOS管PM2，第三PMOS管PM3，第四PMOS管PM4，第四NMOS管NM4，第五NMOS管NM5，第七NMOS管NM7，第八NMOS管NM8，其中第一PMOS管和第三PMOS管的源极接电源VDDA，第一PMOS管和第三PMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V1，第一PMOS管和第三PMOS管的漏极分别和第二PMOS管和第四PMOS管的源极相连接，第二PMOS管和第四PMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V2，第二PMOS管的漏极与第四NMOS管的漏极相连，第四PMOS管的漏极作为所述误差放大器的输出端，并连接到第七NMOS管的漏极，第四NMOS管和第七NMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V3，第四NMOS管和第七NMOS管的源极分别连接到第五NMOS管和第六NMOS管的漏极，第五NMOS管和第六NMOS管的栅极相连并连接到第二PMOS管的漏极，第五NMOS管的源极作为所述误差放大器的反向输入端，第六NMOS管的源极作为所述误差放大器的正向输入端。
具体的，所述电流采样电路还包括延迟结构，用于消除采样时产生的电流尖峰，所述延迟结构包括第一电阻R1，第一NMOS管NM1，第一电容C1，其中第一NMOS管的栅极和其漏极相连，第一NMOS管的漏极通过第一电容C1接模拟地VSSA，且通过第一电阻R1与其自身的源极相连并连接到所述功率管的栅极，还与第二NMOS管的栅极相连。
具体的，所述电流采样电路还包括所述功率管关断期间稳定采样工作点结构，所述稳定工作点结构包括第一反相器U1，第三NMOS管NM3，第六NMOS管NM6，其中第一反相器的输入端接第二NMOS管的栅极，其输出端分别与第三NMOS管和第六NMOS管的栅极相连，第三NMOS管的漏极接误差放大器的反向输入端，第六NMOS管的漏极接误差放大器的正向输入端，第三NMOS管和第六NMOS管的源极接模拟地VSSA。
具体的，所述电流采样电路还包括辅助结构，所述结构包括第二电阻R2，第二电容C2，第十NMOS管NM10，第十一NMOS管NM11，第十二NMOS管NM12，第十三NMOS管NM13，第十四NMOS管NM14，其中第二电阻一端接第四PMOS管的漏极，另一端通过第二电容接模拟地VSSA，第十NMOS管的栅极和漏极相连并连接到第九NMOS管的漏极，第十NMOS管的源极接第十一NMOS管的栅极和漏极，第十一NMOS管的源极接第十二NMOS管的栅极和漏极，第十二NMOS管的源极接模拟地VSSA，第十三NMOS管的漏极接第五PMOS管的漏极，第十三NMOS管的栅极和第十四NMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V4，第十三NMOS管的源极接第十四NMOS管的漏极，第十四NMOS管的源极接模拟地VSSA。
本发明的有益效果为：通过设置延迟结构防止功率管漏极电压在功率管开关瞬间发生突变使镜像管产生尖峰电流，且保证了误差放大器正常工作，减小系统的响应时间；通过设置高增益的误差放大器实现电流采样精度的提高；设置辅助结构防止器件受高压影响，提高电路带宽。
附图说明
图1为本发明中一种高压高精度的电流采样电路的电路图 。
具体实施方式
本发明提出的高压高精度的电流采样电路，包括采样结构、延迟结构、稳定结构、辅助结构，其中采样结构包括误差放大器和第二NMOS管NM2，第九NMOS管NM9，第五PMOS管PM5，第六PMOS管PM6，第七PMOS管PM7，第八PMOS管PM8，其中第二NMOS管为高压保护管，第九NMOS管为所述功率管的镜像管；第二NMOS管的栅极和第九NMOS管的栅极相连，并通过延时结构连接到功率管的栅极，其漏极连接所述功率管的漏极，其源极连接到误差放大器的负向输入端；第九NMOS管的漏极连接到误差放大器的正向输入端，其源极接功率地VSSP，误差放大器的输出端接第五PMOS管和第七PMOS管的栅极，第五PMOS管和第七PMOS管的源极接电源VDDA，第五PMOS管和第七PMOS管的漏极分别接第六PMOS管和第八PMOS管的源极，第六PMOS管和第八PMOS管的栅极相连并连接到第九NMOS管的漏极，第六PMOS管的漏极与其栅极相连，第八PMOS管的漏极接Iout。利用高增益的误差放大器和SenseFET技术将功率管上的电流成比例的采样出来，采样模块中尺寸与功率管成比例的镜像管即第九NMOS管NM9在高增益的负反馈放大器作用下，使得镜像管和功率管的三端在同一电位，等到精确的镜像电流，再通过第七PMOS管和第八NMOS管镜像得到最终的采样电流。
误差放大器用于实现采样，本实施例中提出源极输入两级负反馈误差放大器，包括第一PMOS管PM1，第二PMOS管PM2，第三PMOS管PM3，第四PMOS管PM4，第四NMOS管NM4，第五NMOS管NM5，第七NMOS管NM7，第八NMOS管NM8，其中第一PMOS管和第三PMOS管的源极接电源VDDA，第一PMOS管和第三PMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V1，第一PMOS管和第三PMOS管的漏极分别和第二PMOS管和第四PMOS管的源极相连接，第二PMOS管和第四PMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V2，第二PMOS管的漏极与第四NMOS管的漏极相连，第四PMOS管的漏极作为所述误差放大器的输出端，并连接到第七NMOS管的漏极，第四NMOS管和第七NMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V3，第四NMOS管和第七NMOS管的源极分别连接到第五NMOS管和第六NMOS管的漏极，第五NMOS管和第六NMOS管的栅极相连并连接到第二PMOS管的漏极，第五NMOS管的源极作为所述误差放大器的反向输入端，第六NMOS管的源极作为所述误差放大器的正向输入端。
本发明通过对第二NMOS管栅极端设置延迟结构来消除因功率管开关引起的电流尖峰，包括第一电阻R1，第一NMOS管NM1，第一电容C1，其中第一NMOS管的栅极和其漏极相连，第一NMOS管的漏极通过第一电容C1接模拟地VSSA，且通过第一电阻R1与其自身的源极相连并连接到所述功率管的栅极，还与第二NMOS管的栅极相连。
本发明通过对误差放大器的输入端设置稳定结构，使得采样结构免受高压损坏，也维持了采样结构工作点的稳定性，包括第一反相器U1，第三NMOS管NM3，第六NMOS管NM6，其中第一反相器的输入端接第二NMOS管的栅极，其输出端分别与第三NMOS管和第六NMOS管的栅极相连，第三NMOS管的漏极接误差放大器的反向输入端，第六NMOS管的漏极接误差放大器的正向输入端，第三NMOS管和第六NMOS管的源极接模拟地VSSA。
本发明通过对采样电路设置辅助结构，进一步保证镜像管NM9不受高压影响，并且设置频率补偿保证足够的带宽，还通过消除偏置电流解决镜像电流不精准问题，所述结构包括第二电阻R2，第二电容C2，第十NMOS管NM10，第十一NMOS管NM11，第十二NMOS管NM12，第十三NMOS管NM13，第十四NMOS管NM14，其中第二电阻一端接第四PMOS管的漏极，另一端通过第二电容接模拟地VSSA，第十NMOS管的栅极和漏极相连并连接到第九NMOS管的漏极，第十NMOS管的源极接第十一NMOS管的栅极和漏极，第十一NMOS管的源极接第十二NMOS管的栅极和漏极，第十二NMOS管的源极接模拟地VSSA，第十三NMOS管的漏极接第五PMOS管的漏极，第十三NMOS管的栅极和第十四NMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V4，第十三NMOS管的源极接第十四NMOS管的漏极，第十四NMOS管的源极接模拟地VSSA。
该电路第九NMOS管NM9对功率晶体管的电流IL进行采样，当功率管导通时，高增益负反馈的误差放大器开始工作，使得功率管和第九NMOS管的漏极端同一电位，从而确保通过功率管的电流和通过镜像管的电流成正比，当功率管关断时误差放大器不工作，实现了低功耗，偏置电压V1、V2、V3、V4确保偏置电流I1、I2、I3相等。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明中内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他方式。

Claims (5)

1.一种高压高精度的电流采样电路，用于采样开关电源中流过功率管的电流，所述电流采样电路包括采样结构，所述采样结构包括误差放大器和第二NMOS管NM2，第九NMOS管NM9，第五PMOS管PM5，第六PMOS管PM6，第七PMOS管PM7，第八PMOS管PM8，其中第二NMOS管为高压保护管，第九NMOS管为所述功率管的镜像管；第二NMOS管的栅极和第九NMOS管的栅极相连，并通过延时结构连接到功率管的栅极，其漏极连接所述功率管的漏极，其源极连接到误差放大器的负向输入端；第九NMOS管的漏极连接到误差放大器的正向输入端，其源极接功率地VSSP，误差放大器的输出端接第五PMOS管和第七PMOS管的栅极，第五PMOS管和第七PMOS管的源极接电源VDDA，第五PMOS管和第七PMOS管的漏极分别接第六PMOS管和第八PMOS管的源极，第六PMOS管和第八PMOS管的栅极相连并连接到第九NMOS管的漏极，第六PMOS管的漏极与其栅极相连，第八PMOS管的漏极接Iout。
2.根据权利要求1所述的高压高精度的电流采样电路，其特征在于，所述误差放大器包括第一PMOS管PM1，第二PMOS管PM2，第三PMOS管PM3，第四PMOS管PM4，第四NMOS管NM4，第五NMOS管NM5，第七NMOS管NM7，第八NMOS管NM8，其中第一PMOS管和第三PMOS管的源极接电源VDDA，第一PMOS管和第三PMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V1，第一PMOS管和第三PMOS管的漏极分别和第二PMOS管和第四PMOS管的源极相连接，第二PMOS管和第四PMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V2，第二PMOS管的漏极与第四NMOS管的漏极相连，第四PMOS管的漏极作为所述误差放大器的输出端，并连接到第七NMOS管的漏极，第四NMOS管和第七NMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V3，第四NMOS管和第七NMOS管的源极分别连接到第五NMOS管和第六NMOS管的漏极，第五NMOS管和第六NMOS管的栅极相连并连接到第二PMOS管的漏极，第五NMOS管的源极作为所述误差放大器的反向输入端，第六NMOS管的源极作为所述误差放大器的正向输入端。
3.根据权利要求2所述的高压高精度的电流采样电路，其特征在于，所述电流采样电路还包括延迟结构，所述延迟结构包括第一电阻R1，第一NMOS管NM1，第一电容C1，其中第一NMOS管的栅极和其漏极相连，第一NMOS管的漏极通过第一电容C1接模拟地VSSA，且通过第一电阻R1与其自身的源极相连并连接到所述功率管的栅极，还与第二NMOS管的栅极相连。
4.根据权利要求3所述的高压高精度的电流采样电路，其特征在于，所述电流采样电路还包括所述采样工作点稳定结构，所述稳定工作点结构包括第一反相器U1，第三NMOS管NM3，第六NMOS管NM6，其中第一反相器的输入端接第二NMOS管的栅极，其输出端分别与第三NMOS管和第六NMOS管的栅极相连，第三NMOS管的漏极接误差放大器的反向输入端，第六NMOS管的漏极接误差放大器的正向输入端，第三NMOS管和第六NMOS管的源极接模拟地VSSA。
5.根据权利要求4所述的高压高精度的电流采样电路，其特征在于，所述电流采样电路还包括辅助结构，所述结构包括第二电阻R2，第二电容C2，第十NMOS管NM10，第十一NMOS管NM11，第十二NMOS管NM12，第十三NMOS管NM13，第十四NMOS管NM14，其中第二电阻一端接第四PMOS管的漏极，另一端通过第二电容接模拟地VSSA，第十NMOS管的栅极和漏极相连并连接到第九NMOS管的漏极，第十NMOS管的源极接第十一NMOS管的栅极和漏极，第十一NMOS管的源极接第十二NMOS管的栅极和漏极，第十二NMOS管的源极接模拟地VSSA，第十三NMOS管的漏极接第五PMOS管的漏极，第十三NMOS管的栅极和第十四NMOS管的栅极相连并连接到偏置电压V4，第十三NMOS管的源极接第十四NMOS管的漏极，第十四NMOS管的源极接模拟地VSSA。
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