CN116223885B - 一种电流采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电感直流电阻采样技术领域，公开了一种电流采样电路，滤波电路对每相的电感电流高通信号滤波，得到每相的电感电流低通信号，所有相位的电感电流低通信号都被放大，其输出分别与高通信号相结合，从而重建比例放大的电流采样信号。本发明用分时复用的方法消除了各相位之间采样电路的失配引起的电流失配，并且提高了低DCR情况下的采样增益，增大了采样电压的幅值，减小了开关噪声的影响。

Description

一种电流采样电路

技术领域

本发明涉及电感直流电阻采样技术领域，具体涉及一种电流采样电路。

背景技术

面对低压大电流负载，大负载跳变的应用场景，多相DC-DC转换器成为研究的热门领域之一。多相架构相比于单相的优势主要在于其相位交错并联的特性可以将大的负载电流均匀分配至各相位的电感，能极大提高转换器的带载能力，并且提高大电流负载下的转换效率以及增强转换器的瞬态响应。电流是多相DC-DC转换器电流环路的控制信号，直接影响反馈环路的控制。并且，对于多相拓扑来说，电感电流采样的精度直接影响电流均衡和相位管理的能力。

电感直流电阻(direct current resistance，DCR)采样技术通过简单的滤波网络，可得到与电感电流成正比的检测电压VSENSE，实现电感电流的I-V转换。DCR采样可以采样得到高精度的瞬态电流，但是在大电流的应用场景下，电感DCR太大会大大降低转化器的效率，而使用小DCR电感会降低电感电流采样增益，使检测电压只有mV级别，而开关引入的噪声和失调的量级都在mV级别，使电流采样的精度的下降和开关噪声引起的抖动变得不可接受。因此，传统的DCR检测不适用于大电流的多相的拓扑。

发明内容

因此，本发明提供了一种电流采样电路，以解决传统的DCR检测不适用于大电流的多相的拓扑的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种电流采样电路，应用于多相DC-DC转换器，电流采样电路包括：滤波电路、多个放大电路、多个采样电路、多个合相电路、多个分相电路及多个叠加电路，其中，每个采样电路，其输入端与一相DC-DC转换器的电感并联连接，其用于引出电感电流高通信号；每个合相电路，其输入端与一个采样电路的输出端连接，其用于将接收的电感电流高通信号进行合相；滤波电路，其输入端与每个合相电路的输出端连接，其用于基于分时复用方法，对每相的电感电流高通信号滤波，得到每相的电感电流低通信号；每个放大电路，其输入端与滤波电路的输出端连接，其用于将一相的电感电流低通信号进行放大；每个叠加电路，其输入端与一个放大电路的输出端连接，其用于将电感电流高通信号与放大后的电感电流低通信号叠加，得到一相的全频率的电感电流信号。

在一种可选的实施方式中，采样电路包括：串联连接的采样电阻及采样电容，其中，合相电路的两个输入端与采样电容的两端对应连接。

在一种可选的实施方式中，合相电路包括：第一合相器及第二合相器，其中，第一合相器，其输入端与采样电路的一个输出端连接，其输出端与滤波电路的一个输入端连接；第二合相器，其输入端与采样电路的另一个输出端连接，其输出端与滤波电路的另一个输入端连接。

在一种可选的实施方式中，滤波电路包括：第一跨导放大器、第二跨导放大器及跨导电容，其中，第一跨导放大器，其同相输入端及反相输入端与合相电路的两个输出端对应连接，其两个输出端与跨导电容并联连接；第二跨导放大器，其同相输入端及反相输入端与第一跨导放大器的两个输出端对应连接，其两个输出端与每个分相电路的两个输入端对应连接，其两个输出端还分别与其同相输入端及反相输入端对应连接。

在一种可选的实施方式中，分相电路包括：第一分相器及第二分相器，其中，第一分相器，其第一端与滤波电路的一个输出端连接，其第二端与放大电路的一个输入端连接；第二分相器，其第一端与滤波电路的另一个输出端连接，其第二端与放大电路的另一个输入端连接。

在一种可选的实施方式中，放大电路包括：第一运算放大器及第一电容，其中，第一运算放大器，其同相输入端与反相输入端分别与分相电路的两个输出端对应连接，其输出端与叠加电路的输入端连接；第一电容，其输入端与第一运算放大器的输出端连接，其输出端接地。

在一种可选的实施方式中，叠加电路包括：第二运算放大器及加法器，其中，第二运算放大器，其输入端输入电感电流高通信号，其输出端与加法器的一个输入端连接；加法器，其另一个输入端与放大电路的输出端连接，其输出端输出一相的全频率的电感电流信号。

在一种可选的实施方式中，滤波电路的阶数为一阶。

在一种可选的实施方式中，采样电路的时间常数比电感的时间常数小预设倍数；滤波电路的增益为预设倍数减1。

在一种可选的实施方式中，第一跨导放大器的增益及第二跨导放大器的增益满足以下关系式：

其中，gm1、gm2分别为第一跨导放大器的增益及第二跨导放大器的增益，L为电感值，DCR为电感电阻，K为预设倍数。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的电流采样电路，滤波电路对每相的电感电流高通信号滤波，得到每相的电感电流低通信号，所有相位的电感电流低通信号都被放大，其输出分别与高通信号相结合，从而重建比例放大的电流采样信号。本发明用分时复用的方法消除了各相位之间采样电路的失配引起的电流失配，并且提高了低DCR情况下的采样增益，增大了采样电压的幅值，减小了开关噪声的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为根据本发明实施例的电流采样电路的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的电流采样信号传递函数图；

图3为根据本发明实施例的电流采样电路的电路拓扑图；

图4为根据本发明实施例的Gm-C滤波器的幅频特性图；

图5为根据本发明实施例的电流采样网络以及瞬态波形图；

图6为根据本发明实施例的分时电流采样复用和解复用的使能时序图；

图7为根据本发明实施例的电流采样电路的幅频特性图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在DCR电流采样中，将RC时间常数与电感时间常数不匹配是得到更大采样电压的有效方法，可以有效提高采样信息的信噪比。该方法存在的问题是低频传感增益低于高频传感增益。当负载跳变时，RC时间常数小于L/DCR的情况下确实可以得到更大的电流传感信号，但是由于此时的传递函数呈现高通的特性，电流采样信号在负载跳变时会有过冲，这降低了瞬态采样的精度。

为了解决上述问题，本实施例提供一种电流采样电路，应用于多相DC-DC转换器，如图1所示，电流采样电路包括：滤波电路1、多个放大电路2、多个采样电路3、多个合相电路4、多个分相电路5及多个叠加电路6，其中，图1中以两相DC-DC转换器为例，DCR1为电感L1的直流电阻，DCR2为电感L2的直流电阻。

如图1所示，每个采样电路3，其输入端与一相DC-DC转换器的电感并联连接，其用于引出电感电流高通信号。

如图1所示，每个合相电路4，其输入端与一个采样电路3的输出端连接，其用于将接收的电感电流高通信号进行合相。

如图1所示，滤波电路1，其输入端与每个合相电路4的输出端连接，其用于基于分时复用方法，对每相的电感电流高通信号滤波，得到每相的电感电流低通信号。

如图1所示，每个放大电路2，其输入端与滤波电路1的输出端连接，其用于将一相的电感电流低通信号进行放大。

如图1所示，每个叠加电路6，其输入端与一个放大电路2的输出端连接，其用于将电感电流高通信号与放大后的电感电流低通信号叠加，得到一相的全频率的电感电流信号。

具体地，本实施例的采样电路3的时间常数与电感的时间常数不匹配以获得更大的采样增益，为了在所有频率上获得一致的电流采样增益，电感电流高通信号经过低通滤波器后，再按照预设增益进行放大后与原电感电流高通信号叠加抵消采样的高通特性，重建比例放大的电流采样信号，从而填补图2中传递函数波特图的阴影部分，最终得到所有频率一致的更高的增益。

具体地，本实施例的电流采样电路3，所有相位的低频电流信号都被分时放大，其输出分别与高频信号相结合，重建比例放大的电流采样信号。该方案用分时复用滤波电路1的方法消除了各相位之间采样电路3的失配引起的电流失配，并且提高了低DCR情况下的采样增益，增大了采样电压的幅值，减小了开关噪声的影响。

在一些可选的实施方式中，如图3所示，采样电路3包括：串联连接的采样电阻Ri及采样电容Ci，其中，合相电路4的两个输入端与采样电容Ci的两端对应连接。

在一些可选的实施方式中，如图3所示，合相电路4包括：第一合相器Φi_M1及第二合相器Φi_M2，其中，第一合相器Φi_M1，其输入端与采样电路3的一个输出端连接，其输出端与滤波电路1的一个输入端连接；第二合相器Φi_M2，其输入端与采样电路3的另一个输出端连接，其输出端与滤波电路1的另一个输入端连接。

在一些可选的实施方式中，如图3所示，滤波电路1包括：第一跨导放大器Gm1、第二跨导放大器Gm2及跨导电容Cg，其中，第一跨导放大器Gm1，其同相输入端及反相输入端与合相电路4的两个输出端对应连接，其两个输出端与跨导电容Cg并联连接；第二跨导放大器Gm2，其同相输入端及反相输入端与第一跨导放大器Gm1的两个输出端对应连接，其两个输出端与每个分相电路5的两个输入端对应连接，其两个输出端还分别与其同相输入端及反相输入端对应连接。

具体地，虽然无源RC滤波器可以得到很好的线性度，但超低的角频率需要的RC量级无法集成在芯片内部，而使用开关电容器滤波器或跨导电容Cg滤波器（Gm-C滤波器）的有源滤波器电路可以大幅降低滤波元件的面积，其高集成度更适合用于模拟集成电路中的应用。由于Gm-C滤波器相比于比SC滤波器在面积和功耗方面更优，并且更容易在连续时间内工作，因此更适合用于连续时间的时序滤波器。

如图3所示，Gm-C滤波器由两个Gm单元（跨导放大器）和电容组成。为了提高匹配性，将第二跨导放大器Gm2接成单位增益负反馈的形式可以得到等效值为1/gm的电阻，同样的结构也可以用全差分的方式实现。由于滤波电路1的输入为DCR采样网络上电容两端的电压，其共模电平为DC-DC转换器的输出电压，滤波器需要较好的共模抑制比，因此Gm-C滤波器的结构选择全差分的结构。Gm-C滤波器从输入到输出的小信号传递函数为：

(1)

其中，gm1、gm2分别为第一跨导放大器Gm1的增益及第二跨导放大器Gm2的增益。

基于式(1)可知Gm-C滤波器幅频特性，如图4所示。

在一些可选的实施方式中，如图3所示，分相电路5包括：第一分相器Φi_D1及第二分相器Φi_D2，其中，第一分相器Φi_D1，其第一端与滤波电路1的一个输出端连接，其第二端与放大电路2的一个输入端连接；第二分相器Φi_D2，其第一端与滤波电路1的另一个输出端连接，其第二端与放大电路2的另一个输入端连接。

在一些可选的实施方式中，如图3所示，放大电路2包括：第一运算放大器OP1及第一电容CHi，其中，第一运算放大器OP1，其同相输入端与反相输入端分别与分相电路5的两个输出端对应连接，其输出端与叠加电路6的输入端连接；第一电容CHi，其输入端与第一运算放大器OP1的输出端连接，其输出端接地。

在一些可选的实施方式中，如图3所示，叠加电路6包括：第二运算放大器OP2及加法器Add，其中，第二运算放大器OP2，其输入端输入电感电流高通信号，其输出端与加法器Add的一个输入端连接；加法器Add，其另一个输入端与放大电路2的输出端连接，其输出端输出一相的全频率的电感电流信号。

在一些可选的实施方式中，采样电路3的时间常数比电感的时间常数小预设倍数；滤波电路1的增益为预设倍数减1。

具体地，本实施例中，由采样电阻Ri与采样电容Ci组成的采样电路3与电感并联，与传统的DCR采样不同，为了增大采样信号的幅值，Ri×Ci时间常数被设计为比电感时间常数L/DCR小K倍（K>1）：

(2)

而要得到全频率为K×DCR的瞬态电感电流采样增益，低通滤波器的阶数设计为一阶，第一跨导放大器Gm1的增益及第二跨导放大器Gm2的增益满足以下关系式：

(3)

(4)

其中，gm1、gm2分别为第一跨导放大器Gm1的增益及第二跨导放大器Gm2的增益，L为电感值，DCR为电感电阻，K为预设倍数。

基于上述参数设置，如图5所示，采样电容Ci两端的电压vSENSE_AC的幅值为ΔIL_pk-pk·DCR的K倍，ΔIL_pk-pk为电感峰值电流与电感谷值电流的差值。增大K倍的vSENSE_AC幅值增大了电流采样信息，为低抖动PWM调制提供了一个高信噪比的采样信号。为了得到一个低通的平均电流采样信号，用Gm-C滤波器构成低通滤波器，在第i相的电容第一电容CHi上采集到与平均电流相关的信号vSENSE_avg。

Gm-C滤波器的增益设置为（K－1），滤波器的主极点设置为ω_(Gm-C)。vSENSE_avg的低通信号与vSENSE_AC的高通信号叠加，组成一个全频率增益为K×DCR的采样信号。

在多相位的情况下，将相位i的平均电流传感信号vSENSEi_avg与相应相位的vSENSEi_AC叠加，形成一个增益为K×iL×DCR放大的瞬时电流传感信号vSENSEi。以四相为例，第i相电容两端的电压采样电容Ci（i=1，2，3，4）被同一个分时复用Gm-C滤波器进行低通滤波并放大。如图6所示，每个开关周期，第i相的采样电容Ci两端的平均电流采样信号在1/4个开关周期的采样周期内保存在第i相的第一电容CHi上。在采样周期结束后，采样信息储存在电容中进入保持态，直到下一个采样周期到来之前，第一电容CHi上的电压作为第i相的平均电流采样信号提供给后级电路，并且第一电容CHi上的电压用于构建第i相的瞬态电流采样信号vSENSEi。

参考图3所示拓扑，从电感电流到vSENSEi_AC的小信号传递函数在低频处有1个零点和1极点：

(5)

其中，ω_DCR=DCR/L，ω_RiCi=1/RiCi，为了增大采样电压幅值以提高信噪比，设计ω_RiCi= K×ω_DCR，由图2可得：

(6)

对于频率低于ωRiCi和高于ωRiCi，电流传感增益可表示为：

(7)

(8)

为了得到一个不随频率变化电流传感增益，电流采样信号处理电路需要一个低通滤波器。低通滤波器Gm-C衰减vSENSEi_AC的高频信号，其传递函数：

(9)

则经过Gm-C滤波器的传递函数可以表示为：

(10)

将高通的传递函数与低通的传递函数相加，输出信号为vSENSEi。根据公式推导，当设置ω _Gm-C=K×RiCi时，vSENSEi最终的传递函数可以表示为：

(11)

即电流采样的增益在全频率内为K×DCR，电流采样信号的幅频特性如图7所示。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种电流采样电路，其特征在于，应用于多相DC-DC转换器，所述电流采样电路包括：滤波电路、多个放大电路、多个采样电路、多个合相电路、多个分相电路及多个叠加电路，其中，

每个采样电路，其输入端与一相DC-DC转换器的电感并联连接，其用于引出电感电流高通信号；

每个合相电路，其输入端与一个采样电路的输出端连接，其用于将接收的电感电流高通信号进行合相；所述合相电路包括：第一合相器及第二合相器，其中，第一合相器，其输入端与采样电路的一个输出端连接，其输出端与所述滤波电路的一个输入端连接；第二合相器，其输入端与采样电路的另一个输出端连接，其输出端与所述滤波电路的另一个输入端连接；

滤波电路，其输入端与每个合相电路的输出端连接，其用于基于分时复用方法，对每相的电感电流高通信号滤波，得到每相的电感电流低通信号；所述滤波电路包括：第一跨导放大器、第二跨导放大器及跨导电容，其中，第一跨导放大器，其同相输入端及反相输入端与所述合相电路的两个输出端对应连接，其两个输出端与所述跨导电容并联连接；第二跨导放大器，其同相输入端及反相输入端与所述第一跨导放大器的两个输出端对应连接，其两个输出端与每个所述分相电路的两个输入端对应连接，其两个输出端还分别与其同相输入端及反相输入端对应连接；

每个放大电路，其输入端与所述滤波电路的输出端连接，其用于将一相的电感电流低通信号进行放大；

每个叠加电路，其输入端与一个放大电路的输出端连接，其用于将所述电感电流高通信号与放大后的电感电流低通信号叠加，得到一相的全频率的电感电流信号。

2.根据权利要求1所述的电流采样电路，其特征在于，所述采样电路包括：串联连接的采样电阻及采样电容，其中，

所述合相电路的两个输入端与所述采样电容的两端对应连接。

3.根据权利要求1所述的电流采样电路，其特征在于，所述分相电路包括：第一分相器及第二分相器，其中，

第一分相器，其第一端与所述滤波电路的一个输出端连接，其第二端与所述放大电路的一个输入端连接；

第二分相器，其第一端与所述滤波电路的另一个输出端连接，其第二端与所述放大电路的另一个输入端连接。

4.根据权利要求1所述的电流采样电路，其特征在于，所述放大电路包括：第一运算放大器及第一电容，其中，

第一运算放大器，其同相输入端与反相输入端分别与所述分相电路的两个输出端对应连接，其输出端与所述叠加电路的输入端连接；

第一电容，其输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，其输出端接地。

5.根据权利要求1所述的电流采样电路，其特征在于，所述叠加电路包括：第二运算放大器及加法器，其中，

第二运算放大器，其输入端输入所述电感电流高通信号，其输出端与所述加法器的一个输入端连接；

加法器，其另一个输入端与所述放大电路的输出端连接，其输出端输出一相的全频率的电感电流信号。

6.根据权利要求1所述的电流采样电路，其特征在于，所述滤波电路的阶数为一阶。

7.根据权利要求6所述的电流采样电路，其特征在于，

所述采样电路的时间常数比所述电感的时间常数小预设倍数；

所述滤波电路的增益为预设倍数减1。

8.根据权利要求7所述的电流采样电路，其特征在于，第一跨导放大器的增益及第二跨导放大器的增益满足以下关系式：

其中，gm1、gm2分别为第一跨导放大器的增益及第二跨导放大器的增益，Cg为跨导电容的容值，L为电感直流电阻采样电路中的电感值，DCR为电感电阻，K为预设倍数。