CN115932363B - 一种失调电压可调的高边电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种失调电压可调的高边电流检测电路，包括：采样电路(100)，用于提供采样电压；电压采样放大电路(101)，与所述采样电路(100)连接，用于放大采样电压；滤波电路(102)，与所述电压采样放大电路(101)连接，用于过滤高频噪声。本发明的检测电路通过设置一个数值确定的失调电压，便于MCU的ADC对电流检测电路输出信号采样时减去这个确定的失调电压，进而降低随机失调电压对检测精度的影响。同时可根据MCU的需要调整该确定的失调电压以及电流检测电路的电压增益，进而提高对功率驱动芯片的电流检测精度。

Description

一种失调电压可调的高边电流检测电路

技术领域

本发明属于模拟集成电路中的无线充电技术领域，特别是涉及一种失调电压可调的高边电流检测电路。

背景技术

电流检测电路在高效率电流模式电源管理芯片或者其他功率电子等模拟应用中起着至关重要的作用。对于目前应用广泛的小功率设备的无线充电系统，异物检测功能是在无线充电过程中，为避免意外来物导致系统温升过高的一种技术检测手段。

无线充电不同于有线充电，后者物理硬连接后才可以工作，而无线充电是通过磁场将独立的两个物体进行连接，因此路径中有可能存在金属导体等异物，在交变的磁场中会激发感应电动势，使金属导体内部形成感应电流，而此时金属相当于一个电阻，由此高热产生，引发危害。因此异物检测技术在无线充电应用中必不可少，并且相当重要。无线充电系统中异物检测功能可通过检测功率损耗实现，即检测功率发射端与功率接收端的功率差值，当功率差值大于所设置的阈值，触发异物检测功能，停止功率发射。

为了提高功率发射端和功率接收端的功率检测效率，通常在功率发射端和功率接收端的驱动芯片中集成一个电流检测电路。通过实时检测驱动芯片消耗的电流，完成功率损耗的检测，进而实现无线充电的异物检测功能，提高无线充电的安全性、可靠性。

常用的驱动芯片电流检测电路分为高边电流检测电路和低边电流检测电路。低边电流检测电路检测电阻的位置介于负载和地之间，负载的参考点位随着负载电流变化，影响系统稳定性。抗噪声能力差。负载短路时，电流检测功能失效。高边电流检测电路检测电阻的位置介于电源和负载之间，检测电阻靠近电源，可以避免引入从地面到电源的干扰，稳定性好。但高边电流检测电路需要宽共模输入电压范围，且检测精度受失调电压影响较大。

发明内容

为了克服现有高边电流检测电路需要宽共模输入电压范围，且检测精度受失调电压影响较大的问题，本发明提出一种失调电压可调的高边电流检测电路，该检测电路通过设置数值确定的失调电压，便于MCU的ADC对电流检测电路输出信号采样时减去这个确定的失调电压，进而降低随机失调电压对检测精度的影响。同时可根据MCU的需要调整该确定的失调电压以及电流检测电路的电压增益，进而提高对功率驱动芯片的电流检测精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种失调电压可调的高边电流检测电路，包括：

采样电路，用于提供采样电压；

电压采样放大电路，与所述采样电路连接，用于放大采样电压；

滤波电路，与所述电压采样放大电路，用于过滤高频噪声。

优选地，所述采样电路包括第六电阻、第一电源、负载；

第六电阻的一端与第一电源连接，第六电阻的另一端通过负载接地。

优选地，所述电压采样放大电路包括电流镜电路、第一电阻、第二电阻、转换电阻、第一NMOS管；

所述电流镜电路的正向输入端通过第一电阻连接在第六电阻的正极，电流镜电路的反向输入端通过第二电阻连接在第六电阻的负极，电流镜电路的输出端通过第一NMOS管连接转换电阻的正极，转换电阻的负极接地；

其中第一NMOS管的漏端与第一电阻的负极连接，第一NMOS管的栅极与电流镜电路的输出端连接，第一NMOS管的源端连接在转换电阻的正极。

优选地，滤波电路包括第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容；

所述第五电阻的正极通过第四电阻连接在转换电阻的正极，第五电阻的负极与总输出端连接，所述第一电容的一端与第五电阻的正极、第四电阻的负极相连接，所述第一电容的另一端接地。所述第二电容的一端与第五电阻的负极、总输出端连接，所述第二电容的另一端接地。

优选地，所述电流镜电路包括第一电流镜；

所述第一电流镜包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一PNP晶体管、第二PNP晶体管、第三PNP晶体管、第四PNP晶体管；

其中，所述第一PNP晶体管的发射极和第二PNP晶体管的发射极分别与第二电阻的负极连接；

所述第三PNP晶体管的发射极和第四PNP晶体管的发射极分别与第一电阻的负极连接；

所述第一PNP晶体管的基极与第一PNP晶体管的集电极、第二PNP晶体管的基极、第三PNP晶体管的基极、第四PNP晶体管的基极、第四PNP晶体管的集电极连接在第一PMOS管的源端；

所述第二PNP晶体管的集电极与第二PMOS管的源端连接；

所述第三PNP晶体管的集电极与第三PMOS管的源端连接；

所述第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极与第一PMOS管的漏端连接。

优选地，所述电流镜电路还包括第二电流镜；

所述第二电流镜包括第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第二电源；

其中，所述第五NMOS管的漏端与第一PMOS管的漏端连接；

所述第五NMOS管的源端与第四NMOS管的漏端连接；

所述第三NMOS管的源端与第二NMOS管的漏端、第二NMOS管的栅极、第四NMOS管的栅极连接；

所述第三NMOS管的漏端、第三NMOS管的栅极、第五NMOS管的栅极与第二电源连接，第二电源提供的电流与第一PNP晶体管的集电极电流相等；

所述第二NMOS管的源端和第四NMOS管的源端接地。

优选地，所述电流镜电路还包括第三电流镜；

所述第三电流镜包括第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管；

其中，所述第九NMOS管的漏端与第三PMOS管的漏端连接；

所述第九NMOS管的源端与第八NMOS管的漏端连接；

所述第七NMOS管的栅极、第七NMOS管的漏端、第九NMOS管的栅极与第二PMOS管的漏端连接；

所述第六NMOS管的漏端、第六NMOS管的栅极、第八NMOS管的栅极与第七NMOS管的源端连接；

所述第六NMOS管的源端和第八NMOS管的源端接地。

本发明公开了以下技术效果：

(1)电路结构简单，易于集成；(2)通过调节电阻R1、R2、R3，可改变电压增益和失调电压，以匹配不同的MCU，提高检测精度；(3)使用PNP型晶体管的发射级作为电压采样信号的输入端，且下方加高耐压的P沟道场效应管，组成共源共栅级结构的电流镜，提高了电流复制的精度；高耐压的P沟道场效应管可承受较高的共模电压，拓展了共模输入电压范围；(4)使用PNP型晶体管组成的共源共栅电流镜，具有响应速度快的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，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他的附图。

图1为本发明实施例的高边电流检测电路的功能原理框图；

图2为本发明实施例的高边电流检测电路硬件原理图；

图中：100-采样电路、101-电压采样放大电路、102-滤波电路、201-电流镜电路、R1-第一电阻、R2-第二电阻、R3-转换电阻、R4-第四电阻、R5-第五电阻、Rs-第六电阻、RL-负载、Vdd-第一电源、IQ-第二电源、Vout-总输出端、C1-第一电容、C2-第二电容、NM1-第一NMOS管、NM2-第二NMOS管、NM3-第三NMOS管、NM4-第四NMOS管、NM5-第五NMOS管、NM6-第六NMOS管、NM7-第七NMOS管、NM8-第八NMOS管、NM9-第九NMOS管、PM1-第一PMOS管、PM2-第二PMOS管、PM3-第三PMOS管、Q1-第一PNP晶体管、Q2-第二PNP晶体管、Q3-第三PNP晶体管、Q4-第四PNP晶体管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-2所示，本发明提供的一种失调电压可调的高边电流检测电路，包括采样电路100、电压采样放大电路101、滤波电路102。

所述采样电路100中的第六电阻Rs一端同时与高边供电电源VDD和电压采样放大电路101的正输入端相连，所述第六电阻Rs另一端与同时与负载和电压采样放大电路101的负输入端相连。所述电压采样放大电路101的输出与滤波电路102的输入端相连。所述滤波电路102的输出Vout电压作为高边电流检测电路的输出信号。

所述电压采样放大电路101，包括第一电阻R1、第二电阻R2、电流镜电路201、第一NMOS管NM1、转换电阻R3。

所述第一电阻R1一端与高边供电电源VDD和第六电阻Rs相连，所述第一电阻R1另一端与电流镜电路201的正输入端相连。所述第二电阻R2一端与负载和第六电阻Rs相连，所述第一电阻R1另一端与电流镜电路201的负输入端相连。所述电流镜电路201的输出与第一NMOS管NM1的栅端相连，所述第一NMOS管NM1的漏端与电流镜电路201的正输入端相连，所述第一NMOS管NM1的源端与转换电阻R3的一端相连。所述转换电阻R3的另一端接地。

所述滤波电路102，包括第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2。R4、R5、C1、C2组成一个二阶低通滤波器，滤波电路102可以实现过滤电压采样放大电路101输出信号的高频噪声，减小高频噪声干扰，提高检测精度。

所述电流镜电路201如图2，包括第二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、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第一PNP晶体管Q1、第二PNP晶体管Q2、第三PNP晶体管Q3、第四PNP晶体管Q4。

进一步地，NM2、NM3、NM4、NM5组成一组共源共栅电流镜，NM6、NM7、NM8、NM9组成一另组共源共栅电流镜，Q1、Q2、Q3、Q4、PM1、PM2、PM3组成一另组共源共栅电流镜。

进一步地，高边电流检测电路工作原理如下：

采样电阻Rs用于采集负载上流过的电流，并在采样电阻Rs上产生一个电压差Vsense，电压采样放大电路101用于采集采样电阻Rs上电压Vsense，并将这个电压放大一定倍数后输出。滤波电路102用于滤除高频噪声，提高电流检测电路的抗干扰能力。

采样电阻Rs两端电压分别为V1、V2，即Vsense＝V1-V2。采样电阻R1上电流为I1,采样电阻R2上电流为I2。由于第一NMOS管NM1与电流镜电路201连接成负反馈环路，使得Q2、Q3发射极电压相等，该电压为V0，则电压V1＝I1*R1+V0，电压V2＝I2*R2+V0，即Vsense＝V1-V2＝I1*R1-I2*R2。

进一步地，通过选择电阻R1、R2的比例为1：n，即R2＝n*R1。则Vsense＝V1-V2＝I1*R1-I2*R2＝(I1-n*I2)R1。

进一步地，由于电流镜电路201的镜像作用，使得流过Q1、Q2、Q3、Q4的电流IQ1、IQ2、IQ3、IQ4相等，所以IQ＝IQ1＝IQ2＝IQ3＝IQ4。

流过采样电阻R2的电流I2＝IQ1+IQ2＝2*IQ，流过采样电阻R1的电流I1＝IQ3+IQ4+I3＝2*IQ+I3，所以流过第一NMOS管NM1和转换电阻R3的电流I3＝I1-I2。所以转换电阻R3上的电压：V3＝I3*R3＝(I1-I2)*R3＝(I1-n*I2)R3+(n-1)I2*R3。

上式中，(n-1)I2*R3为所设置的输出失调电压Vos，Vos＝(n-1)I2*R3＝2(R2/R1-1)IQ*R3，在计算电压增益时需减去这个固定时失调电压Vos，所以高边电流检测电路的电压增益为Vout/Vsense＝(V3-Vos)/(v1-v2)＝[(I1-n*I2)R3]/[(I1-n*I2)R1]＝R3/R1，即调节电阻R3/R1的比值可改变电压增益。

进一步地，所述电流镜电路总输出电压Vout+Vos与流经所述采样电阻Rs电流Is的关系为：

Vout+Vos＝I_S*R_S*(R3/R1)+2(R2/R1-1)IQ*R3。

进一步地，所述滤波电路102中电阻R4＝R5，电容C1＝C2，输出电压的低通截止频率为f＝1/(5.344π*R4*C1)。

根据上述内容可知以下具体实施方式：

本发明的高边电流检测电路的电流采样方法如下：

负载消耗的待检测电流流过第六电阻Rs的压差Vsense＝Is*Rs＝V1-V2。

电压采样放大电路101第六电阻Rs上电压，并放大一定倍数后输出。由于电流镜电路201使晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的电流相等，且第一NMOS管NM1与电流镜电路201组成负反馈环路，使晶体管Q1、Q2、Q3、Q4得发射极电流相等且为IQ，则I2＝2*IQ。所以检测电阻R1与第二电阻R2的电流之差流过转换电阻R3。设R2＝n*R1，则检测电阻Rs上电压：

Vsense＝Is*Rs＝V1-V2＝II*R1-I2*R2＝(I1-n*I2)R1

转换电阻R3上电压：

V3＝I3*R3＝(I1-I2)*R3＝(I1-n*I2)R3+(n-1)I2*R3

所加失调电压：Vos＝(n-1)I2*R3＝2(R2/R1-1)*IQ*R3

输出电压：Vout＝V3-Vos＝(I1-n*I2)R3

电压增益倍数：Vout/Vsense＝R3/R1

待检测电流：Is＝(Vout*R1)/(RS*R3)

由上述所得，R1、R2、R3、RS、IQ值已知，通过设置电阻比值R2/R1、基准电流IQ可得确定的失调电压，通过设置电阻比值R3/R1改变电压增益。可根据MCU的需要调整该确定的失调电压以及电流检测电路的电压增益，进而提高对功率驱动芯片的电流检测精度。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种失调电压可调的高边电流检测电路，其特征在于，包括：

采样电路（100），用于提供采样电压；

电压采样放大电路（101），与所述采样电路（100）连接，用于放大采样电压；

滤波电路（102），与所述电压采样放大电路（101）连接，用于过滤高频噪声；

所述采样电路（100）包括第六电阻（Rs）、第一电源（Vdd）、负载（RL）；

所述第六电阻（Rs）的一端与第一电源（Vdd）连接，第六电阻（Rs）的另一端通过负载（RL）接地；

所述电压采样放大电路（101）包括电流镜电路（201）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、转换电阻（R3）、第一NMOS管（NM1）；

所述电流镜电路（201）的正向输入端通过第一电阻（R1）连接在第六电阻（Rs）的正极，电流镜电路（201）的反向输入端通过第二电阻（R2）连接在第六电阻（Rs）的负极，电流镜电路（201）的输出端通过第一NMOS管（NM1）连接转换电阻（R3）的正极，转换电阻（R3）的负极接地；

其中第一NMOS管（NM1）的漏端与第一电阻（R1）的负极连接，第一NMOS管（NM1）的栅极与电流镜电路（201）的输出端连接，第一NMOS管（NM1）的源端连接在转换电阻（R3）的正极；

所述电流镜电路（201）包括第一电流镜；

所述第一电流镜包括第一PMOS管（PM1）、第二PMOS管（PM2）、第三PMOS管（PM3）、第一PNP晶体管（Q1）、第二PNP晶体管（Q2）、第三PNP晶体管（Q3）、第四PNP晶体管（Q4）；

其中，所述第一PNP晶体管（Q1）的发射极和第二PNP晶体管（Q2）的发射极分别与第二电阻（R2）的负极连接；

所述第三PNP晶体管（Q3）的发射极和第四PNP晶体管（Q4）的发射极分别与第一电阻（R1）的负极连接；

所述第一PNP晶体管（Q1）的基极与第一PNP晶体管（Q1）的集电极、第二PNP晶体管（Q2）的基极、第三PNP晶体管（Q3）的基极、第四PNP晶体管（Q4）的基极、第四PNP晶体管（Q4）的集电极连接在第一PMOS管（PM1）的源端；

所述第二PNP晶体管（Q2）的集电极与第二PMOS管（PM2）的源端连接；

所述第三PNP晶体管（Q3）的集电极与第三PMOS管（PM3）的源端连接；

所述第一PMOS管（PM1）的栅极、第二PMOS管（PM2）的栅极和第三PMOS管（PM3）的栅极与第一PMOS管（PM1）的漏端连接；

所述电流镜电路（201）还包括第二电流镜；

所述第二电流镜包括第二NMOS管（NM2）、第三NMOS管（NM3）、第四NMOS管（NM4）、第五NMOS管（NM5）、第二电源（IQ）；

其中，所述第五NMOS管（NM5）的漏端与第一PMOS管（PM1）的漏端连接；

所述第五NMOS管（NM5）的源端与第四NMOS管（NM4）的漏端连接；

所述第三NMOS管（NM3）的源端与第二NMOS管（NM2）的漏端、第二NMOS管（NM2）的栅极、第四NMOS管（NM4）的栅极连接；

所述第三NMOS管（NM3）的漏端、第三NMOS管（NM3）的栅极、第五NMOS管（NM5）的栅极与第二电源（IQ）连接，第二电源（IQ）提供的电流与第一PNP晶体管（Q1）的集电极电流相等；

所述第二NMOS管（NM2）的源端和第四NMOS管（NM4）的源端接地；

所述电流镜电路（201）还包括第三电流镜；

所述第三电流镜包括第六NMOS管（NM6）、第七NMOS管（NM7）、第八NMOS管（NM8）、第九NMOS管（NM9）；

其中，所述第九NMOS管（NM9）的漏端、第三PMOS管（PM3）的漏端与第一NMOS管（NM1）的栅极连接；

所述第九NMOS管（NM9）的源端与第八NMOS管（NM8）的漏端连接；

所述第七NMOS管（NM7）的栅极、第七NMOS管（NM7）的漏端、第九NMOS管（NM9）的栅极与第二PMOS管（PM2）的漏端连接；

所述第六NMOS管（NM6）的漏端、第六NMOS管（NM6）的栅极、第八NMOS管（NM8）的栅极与第七NMOS管（NM7）的源端连接；

所述第六NMOS管（NM6）的源端和第八NMOS管（NM8）的源端接地。

2.根据权利要求1所述的失调电压可调的高边电流检测电路，其特征在于，

所述滤波电路（102）包括第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第一电容（C1）、第二电容（C2）；

所述第五电阻（R5）的正极通过第四电阻（R4）连接在转换电阻（R3）的正极，第五电阻（R5）的负极与总输出端（Vout）连接，所述第一电容（C1）的一端与第五电阻（R5）的正极、第四电阻（R4）的负极相连接，所述第一电容（C1）的另一端接地，所述第二电容（C2）的一端与第五电阻（R5）的负极、总输出端（Vout）连接，所述第二电容（C2）的另一端接地。