CN115128327A - 开关电源高边电流检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源高边电流检测方法，至少包括以下步骤：步骤S1：获取高边检流电阻Rs两端的第一电压，即检流电压vRS；步骤S2：将检流电压vRS转换成电流信号i；步骤S3：在参考电压的基础上，将电流信号i转换成基于第二电位Vref的第二电压作为检流电压信号，其中，参考电压设置在控制芯片的耐压范围内，以使第二电位在控制芯片检流电压引脚的耐压范围以内。采用本发明的技术方案，通过在检流电阻两端并接电位平移电路将检流电压平移至控制芯片检流电压范围内，从而使现有低耐压控制芯片能够适用于高电压输出的应用场合。

Description

开关电源高边电流检测方法
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种开关电源高边电流检测方法。
背景技术
在开关电源变换器工作过程中，常用的控制环路反馈方式有电压反馈和电流反馈。通常电压环为外环，电流环为内环，电压环的输出为电流环的参考输入。电流环检测电感电流与参考输入(电压环的输出)的误差并放大，调整开关管的导通时间占空比，使得电感电流值稳定在参考输入值，最终保持输出电压稳定。通常电感电流采样是通过串联检流电阻，控制芯片采样检流电阻两端的压差，通过欧姆定律I＝Us/Rs来得到电流信息，如图1所示。其中S为开关管，Rs为检流电阻，S+/S-为电流差分采样信号。检流信号S+/S-直接连接在输出电压Vo电源轨上，输出电压范围受此限制。在输出电压较高场合，比如48V电池系统，输出电压要求达到60V，除了个别美国龙头企业(价格奇高)，行业上几乎没有这么高耐压的控制芯片。芯片耐压越高，价格越贵，大大增加方案成本；对中小规模企业而言，成本和备货控制都是问题。
为了解决需要高耐压芯片的技术问题，现有技术提出一种改进方案，如图2所示，把采样电阻Rs移动到低边侧续流二极管D和输出电容Co之间。电流采样差分线S+/S-的共摸电压很低，接近0V。所以，控制芯片看不到输出电压Vo，提高输出电压的耐压范围。但该技术方案仍存在如下技术缺陷：
(1)很多控制芯片的电流检测信号共摸电压不能到地，无法实施该技术方案，导致应用范围受限；
(2)输出电压与输入电压、控制IC不共地，影响输出电压精度；
(3)输入电源地和输出电源地被割裂开来，影响地平面的信号完整性，影响控制电路稳定性和增加EMI发射；
(4)控制IC限制电流的电压范围不可调，与实际应用要求的检流电压范围不匹配：有些控制IC的S+/S-限流电压高，在大电感电流应用场合，采样电阻Rs的损耗大，散热困难，增加成本和体积；有些控制IC的S+/S-限流电压低，在高压、高EMI应用场合，采样电阻Rs的检流电压低，信噪比低，容易引起不稳定现象。
故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种开关电源高边电流检测方法，通过在检流电阻两端并接电位平移电路将检流电压平移至控制芯片检流电压范围内，从而使现有低耐压控制芯片能够适用于高电压输出的应用场合。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种开关电源高边电流检测方法，至少包括以下步骤：
步骤S1：获取高边检流电阻Rs两端的第一电压，即检流电压vRS；
步骤S2：将检流电压vRS转换成电流信号i；
步骤S3：在参考电压的基础上，将电流信号i转换成基于第二电位Vref的第二电压作为检流电压信号，其中，参考电压设置在控制芯片的耐压范围内，以使第二电位在控制芯片检流电压引脚的耐压范围以内。
作为进一步的改进方案，通过在检流电阻Rs的两端并接电位平移电路实现，所述电位平移电路用于将检流电阻Rs两端基于第一电位Vo的第一电压转化为基于第二电位Vref的第二电压并输出给控制芯片，至少包括信号取样模块、压控电流源、参考电压源和电压复现模块，其中，
信号取样模块用于提取检流电阻Rs两端的第一电压，即检流电压vRS；
压控电流源用于将检流电压vRS转换成电流信号i；
参考电压源用于给输出检流电压信号提供参考电压，即第二电位Vref；
电压复现模块用于在参考电压的基础上，将电流信号i转换成基于第二电位Vref的第二电压作为检流电压信号输出给控制芯片。
作为进一步的改进方案，压控电流源具有大阻抗以承担第一电位与第二电位的共摸电压差异。
作为进一步的改进方案，参考电压源提供的参考电压为地电平。
作为进一步的改进方案，电压复现模块用于设置电压/电流传输比，以灵活配置检流电压信号大小来匹配控制芯片检流电压范围。
作为进一步的改进方案，信号取样模块至少包括三极管Q1、三极管Q2和电阻R2，其中，三极管Q1和三极管Q2为相同型号的PNP三极管，三极管Q1的发射极与检流电阻Rs的负端相连接，三极管Q2的发射极与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端与检流电阻Rs的正端相连接，三极管Q2的基极与三极管Q1的基极和集电极相连接，并通过电阻R1接地；三极管Q2的集电极与电压复现模块相连接。
作为进一步的改进方案，压控电流源通过三极管Q2和电阻R2实现。
作为进一步的改进方案，电压复现模块通过电阻R3实现，其中，电阻R3的一端与三极管Q2的集电极相连接并作为第二电压输出正端，电阻R3的另一端与参考电压源的输出端相连接作为第二电压输出负端。
作为进一步的改进方案，通过电阻R3的阻值来选择电压/电流传输比，以灵活配置检流电压信号大小来匹配控制芯片检流电压范围。
作为进一步的改进方案，电阻R3与电阻R2采用相同阻值。
与现有技术相比较，本发明通过在检流电阻两端并接电位平移电路将检流电压平移至控制芯片检流电压范围内，从而使现有低耐压控制芯片能够适用于高电压输出的应用场合。采用本发明的技术方案，具有如下技术效果：
(1)扩大控制IC的输出电压范围，降低选型要求，降低控制IC的成本；
(2)控制IC与输出电压共地，输出电压精度不受影响。
(3)输入输出共地，保持地平面的完整，有利于PCB layout，信号完整性和散热；
(4)可以随意调整检流电压的放大倍数，适配不同的电感电流等级。放大时(R3/R2＞1)，可降低检流电阻的端压VRs，选用更小阻值和功率的电阻Rs，降低功耗、体积和成本，适用于大电流场合。缩小时(R3/R2＜1)，可增大检流电阻的端压VRs，选用更大阻值的电阻Rs，提高信噪比，适用于高压，大EMI场合。
(5)参考电压可随意选择，适应不同共摸电压要求的控制IC。
(6)三极管工作于放大区，响应速度快，特别适合于峰值电流控制、过流保护等要求快速响应的场合。
附图说明
图1为现有技术开关电源高边电流检测的原理示意图。
图2为现有技术开关电源高边电流检测改进方案的原理示意图。
图3为本发明提供一种开关电源高边电流检测方法采用的电位平移电路的原理框图。
图4为本发明一种优选实施方式提供的电位平移电路的电路原理框图。
图5为本发明电位平移电路工作原理的示意图。
图6为本发明提供一种开关电源高边电流检测方法的流程框图。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
参见图6，所示为本发明提供一种开关电源高边电流检测方法的流程框图，至少包括以下步骤：
步骤S1：获取高边检流电阻Rs两端的第一电压，即检流电压vRS；
步骤S2：将检流电压vRS转换成电流信号i；
步骤S3：在参考电压的基础上，将电流信号i转换成基于第二电位Vref的第二电压作为检流电压信号，其中，参考电压设置在控制芯片的耐压范围内，以使第二电位在控制芯片检流电压引脚的耐压范围以内。
在一种优选实施方式中，通过在检流电阻Rs的两端并接电位平移电路实现，参见图3，所示为本发明提供一种开关电源高边电流检测方法中电位平移电路的原理框图，电位平移电路并接在检流电阻Rs的两端，用于将检流电阻Rs两端基于第一电位Vo的第一电压转化为基于第二电位Vref的第二电压并输出给控制芯片，至少包括信号取样模块、压控电流源、参考电压源和电压复现模块，其中，
信号取样模块用于提取检流电阻Rs两端的第一电压，即检流电压vRS；
压控电流源用于将检流电压vRS转换成电流信号i；
参考电压源用于给输出检流电压信号提供参考电压，即第二电位Vref；
电压复现模块用于在参考电压的基础上，将电流信号i转换成基于合适的第二电位的第二电压作为检流电压信号输出给控制芯片。
上述技术方案中，电位平移电路由信号取样模块、压控电流源、参考电压源和电压复现模块4部分组成。信号取样模块提取检流电阻Rs两端的电压vRS(反映电感电流值)；压控电流源把检流电压vRS转换成电流信号i，也即，信号取样模块提取采样Rs两端的电压VRs，这个电压控制压控电流源的电流大小i。其中，压控电流源的大阻抗承担检流电阻Rs与控制IC检流引脚的共摸电压差异；参考电压源给检流电压信号提供一个理想的共摸电压；检流电压复现电路在参考电压的基础上，把电流信号i转换成需要幅度v的电压信号。
通常，参考电压源提供的参考电压设置在控制芯片的耐压范围内，以使第二电位在控制芯片检流电压范围以内。参考电压源提供一个控制IC能够接受的共摸电压Vref，检流电压复现模块利用电流信号i在参考电压Vref的基础上叠加反映主电感电流iL大小的电压信号v。参考电压Vref可以根据需要自由选择，实现输出电压不受控制IC的电流检测引脚S+/S-的耐压限制，扩展输出电压范围。作为优选的，参考电压源提供的参考电压为地电平，从而将第二电位移位至地电平。
上述技术方案中，检流电压复现模块的电压/电流传输比v/i可以自由设计，也即v/vRS可以自由设计，从而能够灵活匹配实际检流电压大小(检流电阻功率)与控制IC检流电压范围。
参见图4，所示为本发明提供的开关电源高边电流检测方法中一种优选实施方式的电路原理图，信号取样模块至少包括三极管Q1、三极管Q2和电阻R2，其中，三极管Q1和三极管Q2为相同型号的PNP三极管，三极管Q1的发射极与检流电阻Rs的负端相连接，三极管Q2的发射极与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端与检流电阻Rs的正端相连接，三极管Q2的基极与三极管Q1的基极和集电极相连接，并通过电阻R1接地；三极管Q2的集电极与电压复现模块相连接。
采用上述电位平移电路的电路结构中，Q1发射极连接在检流电阻Rs的负端，Q2发射极通过电阻R2后连接在检流电阻Rs的正端，两个三极管的基极连接在一起，电位相等，即Vb1＝Vb2。三极管Q1的基极和集电极极短路，保证Q1工作在放大状态。三极管Q1、Q2选择相同型号，使得Q1、Q2的Vbe开启电压、电流放大倍数β一致，最好是同一封装内的两个相同三极管，保证Q1、Q2参数差异尽可能小，温差尽可能小，缩小温漂的影响。设计两个三极管的集电极电流相等，即ic1≈ic2，则两个三极管基极电流也相等ib1≈ib2，并都工作在放大区。由于Q1、Q2选用的是相同型号，所以它们的基极、发射极电压相等，即Vbe1≈Vbe2。因此，由基尔霍夫电压定律可知，电阻R2两端的电压等于检流电阻Rs两端的电压，实现了电感电流信号的提取。
在一种优选实施方式中，上述PNP三极管Q1、Q2可由P沟道MOS管替代。
压控电流源通过三极管Q2和电阻R2实现，R2线性调整电流大小，Q2的集电极、发射极实现压控电流源的大阻抗，承担可变电压降。通过电阻R2两端的电流ic2＝vRS/R2＝iL*Rs/R2，通过电阻R1两端的电流ic1＝(Vo-Vbe1)/R1≈Vo/R1。综合这两个公式可得电阻R1和R2的关系：R2＝R1*Rs*iL/Vo。
参考电压Vref根据控制IC的电流检测引脚S+、S-的共摸电压范围选取，也可选择Vref＝0，即S-直接短路到地。
检流电压复现通过电阻R3实现，其中，电阻R3的一端与三极管Q2的集电极相连接并作为第二电压输出正端，电阻R3的另一端与参考电压源的输出端相连接作为第二电压输出负端。通过电阻R3的阻值来调节电压/电流传输比，以灵活配置检流电压信号大小来匹配控制芯片检流电压范围。优选的，选取R3＝R2，它两端电压v＝ic2*R3＝ic2*R2＝vRS＝iL*Rs。也可放大或缩小检流电压幅度，放大比例为R3/R2，以适配不同的电感电流等级和检流电压范围。
参见图5，所示为本发明电位平移电路工作原理的示意图，把以Vo为参考电压，检流电压为vRs的检流信号平移到以Vref为参考电压，电压为v'Rs的控制IC检流信号。其中vRs可以等于v'Rs，也可以vRs小于v'Rs，也可以vRs大于v'Rs，也即，检流电压可以任意比例放大或缩小，以适用不同应用场合的工况要求，从而适配不同的电感电流等级和检流电压范围。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种开关电源高边电流检测方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤S1：获取高边检流电阻Rs两端的第一电压，即检流电压vRS；
步骤S2：将检流电压vRS转换成电流信号i；
步骤S3：在参考电压的基础上，将电流信号i转换成基于第二电位Vref的第二电压作为检流电压信号，其中，参考电压设置在控制芯片的耐压范围内，以使第二电位在控制芯片检流电压引脚的耐压范围以内。
2.根据权利要求1所述的开关电源高边电流检测方法，其特征在于，通过在检流电阻Rs的两端并接电位平移电路实现，所述电位平移电路用于将检流电阻Rs两端基于第一电位Vo的第一电压转化为基于第二电位Vref的第二电压并输出给控制芯片，至少包括信号取样模块、压控电流源、参考电压源和电压复现模块，其中，
信号取样模块用于提取检流电阻Rs两端的第一电压，即检流电压vRS；
压控电流源用于将检流电压vRS转换成电流信号i；
参考电压源用于给输出检流电压信号提供参考电压，即第二电位Vref；
电压复现模块用于在参考电压的基础上，将电流信号i转换成基于第二电位Vref的第二电压作为检流电压信号输出给控制芯片。
3.根据权利要求2所述的开关电源高边电流检测方法，其特征在于，压控电流源具有大阻抗以承担第一电位与第二电位的共摸电压差异。
4.根据权利要求2所述的开关电源高边电流检测方法，其特征在于，参考电压源提供的参考电压为地电平。
5.根据权利要求2所述的开关电源高边电流检测方法，其特征在于，电压复现模块用于设置电压/电流传输比，以灵活配置检流电压信号大小来匹配控制芯片检流电压范围。
6.根据权利要求2所述的开关电源高边电流检测方法，其特征在于，信号取样模块至少包括三极管Q1、三极管Q2和电阻R2，其中，三极管Q1和三极管Q2为相同型号的PNP三极管，三极管Q1的发射极与检流电阻Rs的负端相连接，三极管Q2的发射极与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端与检流电阻Rs的正端相连接，三极管Q2的基极与三极管Q1的基极和集电极相连接，并通过电阻R1接地；三极管Q2的集电极与电压复现模块相连接。
7.根据权利要求6所述的开关电源高边电流检测方法，其特征在于，压控电流源通过三极管Q2和电阻R2实现。
8.根据权利要求7所述的开关电源高边电流检测方法，其特征在于，电压复现模块通过电阻R3实现，其中，电阻R3的一端与三极管Q2的集电极相连接并作为第二电压输出正端，电阻R3的另一端与参考电压源的输出端相连接作为第二电压输出负端。
9.根据权利要求8所述的开关电源高边电流检测方法，其特征在于，通过电阻R3的阻值来选择电压/电流传输比，以灵活配置检流电压信号大小来匹配控制芯片检流电压范围。
10.根据权利要求8所述的开关电源高边电流检测方法，其特征在于，电阻R3与电阻R2采用相同阻值。
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