CN117097124A - 具有集成电流测量功能的智能半导体开关 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有集成电流测量功能的智能半导体开关。本文描述了一种开关转换器中的电流测量的方法。根据一个实施例，该方法包括根据逻辑信号接通和关断第一晶体管，其中负载电流在第一晶体管接通时通过第一晶体管。该方法还包括通过第二晶体管提供指示负载电流的感测电流，其中第二晶体管耦合到第一晶体管，使得第一晶体管和第二晶体管同时接通和关断。此外，该方法还包括确定第二晶体管的接通阶段的结束，并提供表示第一时刻和第二时刻之间的感测电流的电流感测信号，第一时刻与所确定的接通阶段的结束相对应，在第二时刻逻辑信号标示第一晶体管(TL)的关断。

Description

具有集成电流测量功能的智能半导体开关
技术领域
本公开涉及智能半导体开关领域，尤其涉及一种集成半导体电路，该集成半导体电路包括作为开关器件的晶体管和电流测量电路。本公开还涉及用于电压转换的开关转换器领域，在这些开关转换器中可以使用一个或多个智能半导体开关。
背景技术
在各种应用中，智能半导体开关正日益取代“普通”的功率晶体管。开关转换器，诸如可用于供应各种电气负载的降压转换器，就是这样一个示例。在照明应用中，例如，发光二极管(LED)可以使用降压转换器供电。
电流感测对于控制开关转换器中的电路的功能而言是一项重要能力。在开关转换器中，通常使用电流感测电阻器来获取与通过(pass through)开关转换器的电感器的电感器电流(inductor current)有关的信息。有关电感器电流的信息用于实现所谓的负载电流控制。
需要与电感器耦合的电流感测电阻器是单独的电路部件，需要在开关转换器的集成控制电路上有专用的输入引脚。为了提高集成度，外部电流感测电阻器和功率晶体管，以及部分控制电路，可以被集成在一个半导体设备中。然而，集成的电流感测电路只有在功率晶体管处于活动状态(接通)时才能够传递电流信息。当功率晶体管处于非活动状态(关断)时，电感器电流无法被测量。
发明内容
本文描述了一种在开关转换器中测量电流的方法。根据一个实施例，该方法包括根据逻辑信号接通和关断第一晶体管，其中负载电流在第一晶体管接通时通过第一晶体管。该方法还包括借助于第二晶体管提供指示负载电流的感测电流，其中第二晶体管耦合到第一晶体管，使得第一晶体管和第二晶体管同时接通和关断。此外，该方法还包括确定第二晶体管的接通阶段的结束，并提供电流感测信号，该信号表示在第一时刻和第二时刻之间的感测电流，该第一时刻与所确定的接通阶段的结束相对应，在第二时刻逻辑信号标示(signal)第一晶体管(TL)的关断。
此外，本文还描述了用于开关转换器控制器的电路。根据一个实施例，该电路包括：第一晶体管，被配置为根据逻辑信号提供负载电流；感测晶体管，耦合到第一晶体管并被配置为提供指示负载电流的感测电流；以及控制电路，被配置为：确定感测晶体管的接通阶段的结束，并提供电流感测信号，该信号表示在第一时刻和第二时刻之间的感测电流，该第一时刻与所确定的接通阶段的结束相对应，在第二时刻逻辑信号标示第一晶体管的关断。
附图说明
下面描述的实施例，可以通过参考下面的附图和描述来更好地理解。图中的组件不必按比例；相反，重点放在说明本文所述实施例的原理上。此外，在图中，相似的附图标记指定相应的部分。
图1图示了将功率晶体管、电流测量及控制电路装置(circuitry)集成在一个半导体芯片中的降压转换器的一个示例。
图2图示了在晶体管接通时晶体管的栅极电容的充电阶段。
图3图示了可以用于确定栅极电容的充电阶段的持续时间的电路的示例。
图4图示了被配置为确定表示用于控制开关转换器的平均负载电流的测量值的电路的示例。
图5包括了图示图4的电路的功能的时序图。
图6是图示本文所述的可由开关转换器的控制器执行的方法的示例的流程图。
具体实施方式
图1图示了降压转换器的一个示例，该降压转换器将功率晶体管、电流测量及控制电路装置集成在称为控制器芯片10的一个半导体芯片中。从图1中可以看出，仅有的分立电路部件为电感器LO、续流元件(二极管DF)、电容器CB，并且当然还有电气负载20，电气负载20在本示例中为LED。
控制器芯片10包括功率晶体管TL，功率晶体管TL所具有的负载电流路径(漏极-源极电流路径)耦合在控制器芯片10的电源引脚VS和输出引脚OUT之间。在操作期间，在电源引脚VS上施加电源电压VS。电感器LO连接在负载20的一个端子(例如LED的阳极(cathode))和输出引脚OUT之间。负载20的另一端子(例如LED的阴极(anode))可以连接到地电位。二极管DF连接在输出引脚OUT和地电位之间。在某些应用中，二极管DF由第二功率晶体管代替。在一些实施例中，二极管DF(或者替代地，晶体管)可以被集成在控制器芯片中。在这种情况下，术语“引脚”是指任何常见的芯片接触部。相应地，“引脚”可以指定用于到电路板上的芯片的表面安装的焊料引脚或焊料球。或者，引脚可以被配置用于通孔安装。
控制器芯片10还包括所谓的感测晶体管TS。两个晶体管TS和TL的漏极和栅极相互连接，其中电流感测电阻器RS连接在感测晶体管TS的源极和输出引脚OUT之间。与此相比，功率晶体管TL的源极直接连接到输出引脚OUT。在本示例中，通过功率晶体管TL的电流被记为iL(负载电流)，而通过感测晶体管TS和电阻器RS的电流被记为iS(感测电流)。当晶体管处于活动状态(接通，时间间隔TON)时，电感器电流iOUT等于晶体管电流iL+iS的总和。当晶体管关断时，电感器电流iOUT通过续流二极管DF。
两个晶体管TS和TL可以在同一个晶体管单元阵列中实现，其中组成功率晶体管TL的单元的数目NL远高于组成感测晶体管TS的单元的数目NS。由于这两个晶体管TS和TL在近似相同的操作点上被操作，比值iL/iS近似等于比值k＝NL/NS。因此，负载电流iL可以根据等式iL＝k·iS＝k·VSENSE/RS从电流感测信号VSENSE推断出来。输出电流iOUT等于(k+1)·iS。
施加到晶体管TL和TS的栅极的栅极电压VG由栅极驱动器电路11生成，栅极驱动器电路11被配置为根据逻辑信号ON生成栅极电压VG(或生成引起相应栅极电压的栅极电流iG)。逻辑信号ON是指示晶体管TL的期望开关状态(接通或关断)的控制信号，在本示例中，逻辑信号ON由控制电路12提供，控制电路12被配置为基于电流感测信号VSENSE和其他参数生成逻辑信号ON。开关转换器的控制，特别是降压转换器的控制，是众所周知的，并且因此在此不再进一步讨论。
上述等式iL＝k·VSENSE/RS在晶体管TL和TS的接通过程期间并不完全有效，因为在晶体管TS的接通期间，通过感测晶体管TS的栅极-源极电容CGS的位移电流也流经(flowthrough)感测电阻器RS并且促进(contribute to)跨感测电阻器RS的压降VSENSE，这可能会导致测量误差。需要注意的是，这种系统测量误差的来源是电流感测电阻器RS被集成在控制器芯片10中的结果。将外部电流感测电阻器与电感器LO串联使用，将不会造成这样的系统误差。参照图2进一步解释这种情况。
图2包括以示例的方式图示了晶体管TL和TS的接通过程的三个时序图。图2的顶部时序图图示了逻辑信号ON的示例，中间时序图图示了相应的栅极电压VG的示例，而底部时序图图示了脉冲，该脉冲的长度与晶体管TS和TL的接通过程的(时间)长度相对应。从图2中可以看出，控制电路12在时刻t0将逻辑信号ON设置为高电平(指示晶体管TL和TS将被接通)，并在时刻t2返回到低电平(指示晶体管TL和TS将被关断)。然而，晶体管TL和TS不能瞬间变得导电。在所描绘的示例中，需要从时刻t0到时刻t1给栅极-源极电容充电。当栅极-源极电容被充电时，栅极电压斜升到完全接通晶体管TS和TL所需的值。在图2的示例中，这个接通过程的持续时间被表示为TGCP＝t1-t0。
为了获得精确的电流测量，根据本文所述的概念将时间间隔TGCP消去(blankout)。然而，时间间隔TGCP不是恒定的，并且可能会根据不同的参数(例如温度、老化等)以及制造工艺的公差而变化。图3图示了电路的一个示例，该电路可用于确定时间间隔TGCP，并在控制器芯片10的操作期间对时间间隔TGCP适应性地调整。
图3图示了栅极驱动器11以及控制电路12的一部分(也参见图1)。脉冲发生器20根据信号SWPM(其可以是脉冲宽度调制的PWM信号)生成逻辑信号ON，并且还输出具有如图2的时序图所示的脉冲的信号PLS，该脉冲具有长度TGCP。信号ON基本上是信号SPWM的副本。因此，逻辑信号ON中脉冲的上升沿和信号PLS中相应脉冲的上升沿实际上是一致的。脉冲PLS的长度TGCP取决于提供给脉冲发生器20的输入信号SGCP。也就是说，输入信号SGCP决定了信号PLS中当前生成的脉冲的持续时间TGCP。
信号PLS作为控制信号被提供给采样及保持电路21的控制输入端，采样及保持电路21接收栅极电压VG作为输入信号，并提供信号VSMP作为输出信号。在本示例中，只要控制输入端“历经(see)”高电平，输出信号VSMP就等于输入信号VG，而当控制输入端变为低电平时，输出信号VSWP保持在其当前电平。换句话说，采样及保持电路21在脉冲信号PLS呈现下降沿的时刻(参见图2，时刻t1)对栅极电压VG进行采样。
图3的电路还包括控制器22，控制器22接收被采样电压VG和参考电压VG,REF(设定点)，并生成作为输出信号的控制信号SGCP。控制器22可以是差分放大器，其操作P控制器(P表示“成比例(proportional)”)。如前所述，控制信号SGCP被提供给脉冲发生器20，其中控制信号SGCP的电平决定了脉冲PLS的脉冲长度TGCP pf。
从图3可以看出，所描绘的电路实现了控制环路，该控制环路迭代调整脉冲长度TGCP，直到被采样栅极电压VSMP与参考值VG,REF相对应。当电路上电时，TGCP的初始值可以被使用，该初始值处于其可能范围的下限，因此TGCP最初往往太短，从而控制环路将在一个PWM周期内将TGCP调整到正确的值。因此，每个脉冲PLS指示栅极充电周期的持续时间，即时刻t0和时刻t1之间的持续时间，在时刻t0信号ON指示接通，并且在时刻t1晶体管TL实际接通(也参见图2)。
如上所述，在栅极充电周期TGCP期间，电流感测电阻器RS基本上“历经”通过栅极-源极电容CGS的位移电流(参见图1)。因此，根据本文所述的实施例，为了测量电流，时间间隔TCGP被消去，这是借助电流感测电阻器RS完成的。
图4图示了可用于控制图1的降压转换器的电路示例。图4的电路可以看作是图1的控制电路12的一部分。根据图5，该电路接收作为如图4所示的输入信号的电流感测信号VSENSE(跨电阻器RS的电压降)，电流感测信号VSENSE是第一部分和第二部分的叠加，该第一部分与栅极电流iG(在时间间隔TGCP期间的)相对应，第二部分与通过负载晶体管TL的负载电流iL(在时间间隔TGCP之后，只要信号ON为高电平，参见图2)相对应。电流感测信号VSENSE经由开关110提供给通滤波器111。
只要逻辑连接(logic conjunction)ON&为真，开关110就闭合。也就是说，如果时间间隔TGCP已经过去，当信号ON(或SPWM)指示功率晶体管TL的接通时，开关110闭合。本质上，开关110在脉冲PLS的下降沿被接通(即，当逆信号(inverse signal)/>在时刻t1处从高转变到低时，参见图2)。因此，滤波器111历经作为输入信号的梯形波形，该梯形波形是第一部分(与栅极电流iG相对应)被消去的电流感测信号。
滤波器被111被配置为在其输出处提供信号VAVG，这近似对应于开关110闭合的时间间隔期间的输入信号(信号VSENSE)的平均值(即从t1到t2,见图2)。例如，滤波器可以被实现为低通滤波器，特别是简单的一阶RC低通滤波器(例如电阻器RF、电容器CF)。从图4可以看出，低通滤波器111在本质上，在从t1到t2(参见图2)的时间间隔(即TON-TGCP)内对(开关)电流感测信号VCS求平均值。在时间间隔TOFF期间(参见图5)，即当开关110断开时，平均信号VAVG基本保持恒定，因为存储在低通滤波器111的电容CF中的电荷保持恒定(假设误差放大器112具有高输入阻抗)。由于接通时和关断时负载电流的波形近似梯形，并且由于时钟频率恒定，因此接通时和关断时的平均电流值是相同的。
误差放大器112接收平均电流感测信号VAVG和表示电流设定点/期望负载电流的参考信号VREF。误差放大器112基本上是差分放大器，并生成基于VAVG-VREF之差(例如，与VAVG-VREF成比例)的输出信号(误差信号VE)。误差信号VE和三角形信号VRAMP(例如锯齿/斜坡信号)被提供给比较器114的输入端，比较器114被配置为比较误差信号VE和斜坡信号VRAMP并在其输出端生成PWM信号SPWM。如图4所示，当斜坡信号VRAMP低于误差信号VE时，比较器114提供的PWM信号SPWM处于高电平，否则处于低电平。
提供斜坡信号VRAMP的斜坡发生器113通常以固定频率fPWM操作。也就是说，PWM周期的开始(图2中的时刻t0)是由时钟信号CLK(例如上升沿)触发的(参见图5，图4中未示出)，其中接通时间TON的结束由比较器114确定。值得注意的是，通过使用误差放大器和斜坡发生器来生成用于控制开关转换器的PWM信号的概念是众所周知的，因此此处不作更详细的解释。然而，与已知方法不同的是，图4的示例允许控制开关转换器的输出电流iOUT，而无需实际测量通过负载的输出电流iOUT，而是仅在接通时间TON期间测量通过功率晶体管TL的负载电流iL，这可以通过集成电流感测电阻器RS来实现。
图5图示了进一步说明图4电路的功能的时序图。图5顶部的时序图图示出了上述时钟信号CLK的示例性波形。图5中部的时序图图示了在关断时间TOFF期间负载电流iL和通过续流二极管DF的电流iF，底部的时序图图示了由此生成的信号ON(与SPWM相对应)。可以在图5中看到，接通时间TON期间电流iL的平均值iAVG等于关断时间TOFF期间的电流iF，并且也等于PWM周期(TPWM＝TON+TOFF)期间的总输出电流iOUT。如上所述，为进行电流测量而被消去的时间段TGCP在图5中为灰色阴影部分。
本文所描述的概念将以示例的方式在下面进行总结。应当理解，以下内容不应理解为技术特征的详尽清单，而应理解为示例性总结。根据一个实施例，用于开关转换器的控制器芯片包括第一晶体管(功率晶体管TL)和第二晶体管(感测晶体管TS)，第一晶体管被配置为根据逻辑信号(参见图1和图3，信号SPWM和信号ON)提供负载电流，第二晶体管与第一晶体管耦合并被配置为提供指示负载电流的感测电流。控制器芯片还包括控制电路(参见图1，控制电路12)，该控制电路被配置为确定感测晶体管的接通阶段的结束(参见图2，在时刻t1脉冲PLS的下降沿)，并提供电流感测信号(参见图5，信号VSENSE)，该电流感测信号表示在第一时刻(参见图2，时刻t1)和第二时刻(参见图2，时刻t2)之间的感测电流，第一时刻与所确定的接通阶段的结束相对应，在第二时刻逻辑信号标示第一晶体管的关断。
控制电路可包括低通滤波器和误差放大器，低通滤波器被配置为对电流感测信号进行滤波(参见图4，滤波器111)，误差放大器被配置为生成误差信号(参见图4，误差放大器112和信号VE)，误差信号表示经滤波的电流感测信号与参考值之间的差值。斜坡发生器，被配置为生成包括在每个周期中的三角脉冲的周期信号(参见图5，斜坡发生器113)。比较器，被配置为将周期信号与上述误差信号进行比较(参见图5，比较器114)，其中控制电路被配置为基于比较器的输出信号(参见图4，PWM信号SPWM)生成逻辑信号(参见图3，信号ON)。
为了形成降压转换器，电感器连接到第一晶体管，使得负载电流在第一晶体管接通时通过电感器(参见图1，电感器LO，以及图5，负载电流iL)，以及续流元件(参见图1，二极管DF)，耦合到电感器，使得电感器电流可以在第一晶体管关断时(参见图5，二极管电流iF)通过续流元件。电气负载，可以是发光二极管(或发光二极管的串联电路)，经由电感器耦合到第一晶体管(参见图1，功率晶体管TL)。
另一个实施例涉及可用于开关转换器的方法。该方法还由图6的流程图表示。相应地，该方法包括根据逻辑信号接通和关断第一晶体管(参见图1，功率晶体管TL)(参见图6，框S1)，使得负载电流(参见图1，电流iL)在第一晶体管接通时通过第一晶体管。该方法还包括通过第二晶体管(参见图1，感测晶体管TS)提供指示负载电流的感测电流(参见图1，电流iS)，第二晶体管耦合到第一晶体管，使得第一晶体管和第二晶体管同时接通和关断(图6，框S2)，因此确定第二晶体管的接通阶段的结束(图6，框S3)，并提供电流感测信号(参见图5，信号VSENSE)，该电流感测信号表示在第一时刻(参见图2，时间t1)和第二时刻(参见图2，时间t2)之间的感测电流，该第一时刻与所确定的接通阶段的结束相对应，在该第二时刻逻辑信号标示第一晶体管的关断(参见图6，框S4)。
在一个实施例中，该方法可包括：使用低通滤波器(参见图4，滤波器111)对电流感测信号进行滤波。生成误差信号，该误差信号表示经滤波的电流感测信号与参考值之间的差值(参见图4，误差放大器113，误差信号VE)。该方法还包括：生成周期信号，该周期信号在每个周期中包括三角脉冲(参见图4，斜坡信号VRAMP)，以及使用比较器(参见图4，比较器114)将周期信号与所述误差信号进行比较。
上述逻辑信号可以基于比较器的输出信号来生成。此外，在一个实施例中，逻辑信号是指示第一晶体管的接通时间和关断时间(参见图5，TON和TOFF)的调制信号，其中每个接通时间的开始触发第二晶体管的相应接通阶段(参见图3，脉冲PLS)。
为了确定第二晶体管的接通阶段的结束，该方法可以包括：基于在前一个接通阶段的结束处被采样的第一晶体管的栅极电压的电压值和参考值(参见图3，被采样电压值VSMP和参考电压VG,REF)，修改时间值(参见图2和图3，时间间隔TGCP)，所述时间值(参见图2和图3，时间间隔TGCP)指示导通阶段的结束。
尽管本发明已经就一个或多个实施例进行了说明和描述，但是可以对所示的实施例进行更改和/或修改，而不会偏离所附权利要求书的精神和范围。特别是关于上述所描述的组件或结构(单元、组件、装置、电路、系统等)所执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这些组件的术语(包括提及“部件(means)”)旨在与执行所描述组件的指定功能的任何组件或结构(例如，功能等效)相对应，即使在结构上不等同于公开的结构，其也执行在本文所示的本发明的示例性实施例中的功能。

Claims (12)

1.一种方法，包括：
根据逻辑信号(ON)接通和关断第一晶体管(TL)，其中负载电流(iL)在所述第一晶体管接通时通过所述第一晶体管(TL)；
借助于第二晶体管(TS)提供指示所述负载电流(iL)的感测电流(iS)，所述第二晶体管(TS)耦合到所述第一晶体管(TL)，使得所述第一晶体管(TL)和所述第二晶体管(TS)同时接通和关断；
确定所述第二晶体管(TS)的接通阶段的结束；
提供电流感测信号(VSENSE)，所述电流感测信号(VSENSE)表示在第一时刻(t1)和第二时刻(t2)之间的所述感测电流(iS)，所述第一时刻(t1)与所确定的所述接通阶段的所述结束相对应，在所述第二时刻(t2)所述逻辑信号(ON)标示所述第一晶体管(TL)的关断。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用低通滤波器对所述电流感测信号(VSENSE)进行滤波。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
生成误差信号(VE)，所述误差信号(VE)表示经滤波的所述电流感测信号(VSENSE)与参考值(VREF)之间的差值。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
生成周期信号(VRAMP)，所述周期信号(VRAMP)包括在每个周期中的三角脉冲；
使用比较器将所述周期信号(VRAMP)与所述误差信号(VE)进行比较；以及
基于所述比较器的输出信号(SPWM)生成所述逻辑信号(ON)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，
其中所述逻辑信号(ON)是指示所述第一晶体管(TL)的接通时间(TON)和关断时间(TOFF)的调制信号，每个接通时间(TON)的开始触发所述第二晶体管(TS)的相应接通阶段。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中确定所述第二晶体管(TS)的所述接通阶段的所述结束包括：
基于所述第一晶体管(TL)的栅极电压的电压值(VSMP)和参考值(VG,REF)，修改时间值(TGCP)，所述时间值(TGCP)指示所述接通阶段的所述结束，所述电压值(VSMP)在前一个接通阶段的结束处被采样。
7.一种电路，包括：
第一晶体管(TL)，被配置为根据逻辑信号(ON)提供负载电流(iL)；
感测晶体管(TS)，耦合到所述第一晶体管(TL)，并且被配置为提供指示所述负载电流(iL)的感测电流(iS)；
控制电路(10)，被配置为：
确定所述感测晶体管(TS)的接通阶段的结束；以及
提供电流感测信号(VSENSE)，所述电流感测信号(VSENSE)表示在第一时刻(t1)和第二时刻(t2)之间的所述感测电流(iS)，所述第一时刻(t1)与所确定的所述接通阶段的所述结束相对应，在所述第二时刻(t2)所述逻辑信号(ON)标示所述第一晶体管(TL)的关断。
8.根据权利要求书7所述的电路，其中所述控制电路(10)包括：
开关(110)，被配置为消去从时刻(t0)到所述第一时刻(t1)的所述电流感测信号(VSENSE)，在所述时刻(t0)所述逻辑信号(ON)标示所述第一晶体管(tL)的接通。
9.根据权利要求7或8所述的电路，其中控制电路(10)包括:
低通滤波器(111)，被配置为对电流感测信号(VCS)进行滤波。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述控制电路(10)还包括：
误差放大器(112)，被配置为生成误差信号(VE)，所述误差信号(VE)表示经滤波的所述电流感测信号(VCS)与参考值(VREF)之间的差值。
11.根据权利要求10所述的电路，其中所述控制电路(10)还包括：
斜坡发生器(113)，被配置为生成周期信号(VRAMP)，所述周期信号(VRAMP)包括在每个周期中的三角脉冲；
比较器(114)，被配置为将所述周期信号(VRAMP)与所述误差信号(VE)进行比较；
其中所述控制电路(10)被配置为基于所述比较器(114)的输出信号(SPWM)生成所述逻辑信号(ON)。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的电路，还包括：
电感器，连接到所述第一晶体管(TL)，使得所述负载电流(iL)在所述第一晶体管(TL)接通时通过所述电感器(LO)；
续流元件(DF)，耦合到所述电感器(LO)，使得电感器电流在第一晶体管(TL)关断时能够通过所述续流元件(DF)；以及
电负载(20)，经由所述电感器(LO)耦合到所述第一晶体管(TL)。
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