CN117155070B - 一种高频dcdc开关电源的检测电路 - Google Patents

一种高频dcdc开关电源的检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于DCDC开关电源检测技术领域,具体涉及一种高频DCDC开关电源的检测电路,该一种高频DCDC开关电源的检测电路,包括驱动模块,驱动模块用于控制开关元件的脉冲信号。该发明,在电流输入至驱动模块中时,将生成LX电流信号,使得第一触发子单元动作,控制滤波单元运行,使得进入滤波单元中的LX电流信号,滤波成VCF的平稳电压,能够不需要外接电流检测电阻和逐周期电流检测的特点,实现了恒流输出,减少了器件的使用,降低了成本,同时提高了整体效率和精度,且适用于高频大电流和对体积要求较高的应用场景,并通过第一触发子单元控制补偿单元运行,使得LX电压信号进行补偿,方便后级处理。

Description

一种高频DCDC开关电源的检测电路
技术领域
本发明属于DCDC开关电源检测技术领域,具体涉及一种高频DCDC开关电源的检测电路。
背景技术
随着电子技术的不断发展,高频DCDC(直流-直流)开关电源是现代电子设备中广泛应用的电源拓扑结构之一,其在各种应用领域中提供了高效、紧凑和可调的电源转换功能。在高频DCDC开关电源中,准确测量和控制输出电流是至关重要的,以确保电源系统的稳定性、效率和性能。为了确保DCDC开关电源的正常运行,需要对电源的输出电流进行实时检测。
目前,常用的电流检测方法是通过外部串联小电阻来检测电感电流,但这种方案存在一些缺点。首先,外部串联小电阻会降低整个系统的效率,因为电阻会消耗一部分电能。其次,这种方案需要额外的芯片管脚来连接外部电阻,增加了芯片的复杂性。此外,外部电阻的精度和温度稳定性都会影响电流检测的准确性,需要进行复杂的校准和测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频DCDC开关电源的检测电路,能够实现精确的平均电流检测,同时不需要外部串联小电阻来检测电感电流,不会降低系统的效率,也不需要额外的芯片管脚数,简化了芯片的设计和制造过程。
本发明采取的技术方案具体如下:
一种高频DCDC开关电源的检测电路,包括:
驱动模块,所述驱动模块用于控制开关元件的脉冲信号;
采样保持模块,所述采样保持模块与驱动模块相连接,所述采样保持模块用于在单位时间内捕获驱动模块的电流信号;
运算放大器OP,所述运算放大器OP与采样保持模块相连接,所述运算放大器OP用于放大采样保持模块捕获的电流信号;
PWM产生器U2,所述PWM产生器U2与运算放大器OP和驱动模块相连接,所述PWM产生器U2用于接收运算放大器OP电流信号并控制驱动模块内的开关元件的通断。
在一种优选方案中,所述驱动模块包括驱动器U1、PMOS管、NMOS管、电感L1和电容C1,所述驱动器U1与PMOS管的栅极和NMOS管的栅极连接,所述PMOS管的源极与NMOS管的漏极、电感L1的一端和采样保持模块连接,所述NMOS管的源极接地,所述电感L1的另一端与电容C1连接。
在一种优选方案中,所述采样保持模块包括滤波单元、补偿单元和触发单元,所述触发单元包括第一触发子单元和第二触发子单元,所述第一触发子单元与滤波单元和驱动模块相连接,所述第二触发子单元与滤波单元、补偿单元和运算放大器OP相连接。
在一种优选方案中,所述滤波单元包括电阻R1、电容CF和电阻R2,所述电阻R1的一端与第一触发子单元连接,所述电阻R1的另一端与电容CF的一端和第二触发子单元连接,所述电容CF的另一端与电阻R2的一端和第二触发子单元连接,所述电阻R2的另一端与第一触发子单元连接。
在一种优选方案中,所述第一触发子单元包括开关S1和开关S2,所述开关S1的一端与电阻R1的一端连接,所述开关S2的一端与电阻R2的另一端连接,所述开关S2的另一端与电感L1的一端连接。
在一种优选方案中,所述补偿单元包括电源DC和电容CO,所述电源DC与第二触发子单元连接,所述电容CO与第二触发子单元和运算放大器OP连接。
在一种优选方案中,所述第二触发子单元包括开关S3和开关S4,所述开关S3的一端与电源DC连接,所述开关S3的另一端与电阻R1的另一端连接,所述开关S4的一端与电阻R2的一端连接,所述开关S4的另一端与电容CO和运算放大器OP连接。
本发明取得的技术效果为:
本发明,在电流输入至驱动模块中时,将生成LX电流信号,通过驱动模块对第一触发子单元和第二触发子单元提供的信号,使得第一触发子单元动作,控制滤波单元运行,使得进入滤波单元中的LX电流信号,滤波成VCF的平稳电压,能够不需要外接电流检测电阻和逐周期电流检测的特点,实现了恒流输出,减少了器件的使用,降低了成本,同时提高了整体效率和精度,且适用于高频大电流和对体积要求较高的应用场景,并通过第一触发子单元控制补偿单元运行,使得LX电压信号进行补偿,方便后级处理。
附图说明
图1是本发明的电路原理图;
图2是本发明的电流采样保持电路原理图;
图3是本发明的电感L1、PMOS管和NMOS管电流波形图;
图4是本发明的采样保持时序以及信号示意图;
图5是现有的具有增益误差TRIM功能基准产生电路原理。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个较佳的实施方式中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次,本发明结合示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。
请参阅附图1和图2所示,提供了一种高频DCDC开关电源的检测电路,包括:
驱动模块,驱动模块用于控制开关元件的脉冲信号;
采样保持模块,采样保持模块与驱动模块相连接,采样保持模块用于在单位时间内捕获驱动模块的电流信号;
运算放大器OP,运算放大器OP与采样保持模块相连接,运算放大器OP用于放大采样保持模块捕获的电流信号;
PWM产生器U2,PWM产生器U2与运算放大器OP和驱动模块相连接,PWM产生器U2用于接收运算放大器OP电流信号并控制驱动模块内的开关元件的通断。
具体的,在电流输入至驱动模块中时,将生成LX电流信号,通过驱动模块对采样保持模块提供的信号,使得采样保持模块内部动作运行,使得的LX电流信号,滤波成VCF的平稳电压,同时,对LX电压信号进行补偿,方便后级处理。
驱动模块包括驱动器U1、PMOS管、NMOS管、电感L1和电容C1,驱动器U1与PMOS管的栅极和NMOS管的栅极连接,PMOS管的源极与NMOS管的漏极、电感L1的一端和采样保持模块连接,NMOS管的源极接地,电感L1的另一端与电容C1连接。
采样保持模块包括滤波单元、补偿单元和触发单元,触发单元包括第一触发子单元和第二触发子单元,第一触发子单元与滤波单元和驱动模块相连接,第二触发子单元与滤波单元、补偿单元和运算放大器OP相连接。
具体的,在电流输入至驱动模块中时,将生成LX电流信号,通过驱动模块对第一触发子单元和第二触发子单元提供的信号,使得第一触发子单元动作,控制滤波单元运行,使得进入滤波单元中的LX电流信号,滤波成VCF的平稳电压,并通过第一触发子单元控制补偿单元运行,使得LX电压信号进行补偿,方便后级处理。
滤波单元包括电阻R1、电容CF和电阻R2,电阻R1的一端与第一触发子单元连接,电阻R1的另一端与电容CF的一端和第二触发子单元连接,电容CF的另一端与电阻R2的一端和第二触发子单元连接,电阻R2的另一端与第一触发子单元连接。
第一触发子单元包括开关S1和开关S2,开关S1的一端与电阻R1的一端连接,开关S2的一端与电阻R2的另一端连接,开关S2的另一端与电感L1的一端连接。
补偿单元包括电源DC和电容CO,电源DC与第二触发子单元连接,电容CO与第二触发子单元和运算放大器OP连接。
第二触发子单元包括开关S3和开关S4,开关S3的一端与电源DC连接,开关S3的另一端与电阻R1的另一端连接,开关S4的一端与电阻R2的一端连接,开关S4的另一端与电容CO和运算放大器OP连接。
需要说明的是,当打开PMOS管关闭NMOS管时,开关S1和开关S2闭合,开关S3和开关S4打开,当关闭PMOS管打开NMOS管时,开关S1和开关S2打开,开关S3和开关S4闭合,开关S1和开关S2与开关S3和开关S4的工作状态方式相反。
值得一提的是,开关S4的另一端与运算放大器OP的同相输入端相连接,运算放大器OP的输出端与PWM产生器U2相连接。
在检测电感L1上的电流,PMOS管和NMOS管上的电流时,电流信号如图3所示;
电感电流的平均值为:
(1)
PMOS管和NMOS管在各自有电流的相位中,平均电流根据积分公式,和电感L1电流相同:
(2)
只要将PMOS管或者NMOS管在开通周期内的电流检测出来,在不开通的周期保持,用积分器做平均,即可以得到电感L1电流的平均值。
PMOS管或者NMOS管是开关MOS,有一定的阻抗,所以,电流大小的信息最直接的反映在各自开通周期的LX电压上,如果确定PMOS管或者NMOS管的导通阻抗RDS-ON,只需要将该VOUT-VLX电压(PMOS管)或者GND-LX(NMOS管)电压做采样保持,并且积分,即可以得到VDS的平均值。
在非SOI工艺中,因为NMOS管采样涉及负电压的问题,阱漏电将损失采样精度,所以采用PMOS管高侧采样,如图4所示,每个周期将OUT和LX的电压差值VDS采样并平均到VCS上,VCS的电压幅度需要小于0.1*VDS幅度。
在P1相位,就是PMOS管开启相位,开关S1和开关S2闭合,VOUT-VLX经过电阻R1电容CF和电阻R2电容CF的滤波,将PMOS管开通期间的VDS电压积分信息存储在电容CF中,电容CF两端的电压波形如图4的VCF所示;
在P2相位,就是NMOS管开启相位,开关S3和开关S4闭合,将VDC的电压介入电容CF的一端,电容CF另一端接电容CO。
根据电容两端电压不能突变的原理,
(3)
因为:
(4)
将式1、式2和式4代入式3得到:
(5)
式5中的RDS需要根据芯片不同进行修调,调整VCO的增益误差,VDC需要修调,体现在VCO的失调。
由于VCO只在环路中用到,而VCO本身信号比较微弱,如果经过其他的运算电路,会增加噪声,所以采用环路基准校准增益,VDC来校准失调的方法,顺便将环路失调也一同矫正回来。
设基准电压组VREF_CC_BASE,用于设定不同恒流电流:
(6)
其中IL_respect为期望的输出电流值,有不同档位可调,RDS_respect为预期PMOS管的RDS,允许和实际有差异。
产生基于VDC的基准电压(1.0V)的电压:
(7)
其中RGR为调节增益的电阻,和R3一起构成增益调节器。
由于在VCO的直流分量VDC中加入了失调的TRIM项,所以式5改写为:
(8)
由于环路稳定后:
(9)
其中VOS为开关电源环路系统/随机失调。
将式6、式7和式8代入式9得到:
(10)
化简得到:
(11)
式11中可以看出,如果:
(12)
就可以在所有电流范围内达成IL_respect=IL1-AV
其中,和RTRIM_GR以及VREF_CC相关的电路原理如图5所示,为现有常规技术,在此不在过度赘述。
本发明的工作原理为:在电流输入至驱动模块中时,将生成LX电流信号,通过驱动模块对第一触发子单元和第二触发子单元提供的信号,使得第一触发子单元动作,控制滤波单元运行,使得进入滤波单元中的LX电流信号,滤波成VCF的平稳电压,能够不需要外接电流检测电阻和逐周期电流检测的特点,实现了恒流输出,减少了器件的使用,降低了成本,同时提高了整体效率和精度,且适用于高频大电流和对体积要求较高的应用场景,并通过第一触发子单元控制补偿单元运行,使得LX电压信号进行补偿,方便后级处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,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,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法,如无特别说明和限定,均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (1)

1.一种高频DCDC开关电源的检测电路,其特征在于,包括:
驱动模块,所述驱动模块用于控制开关元件的脉冲信号;
采样保持模块,所述采样保持模块与驱动模块相连接,所述采样保持模块用于在单位时间内捕获驱动模块的电流信号;
运算放大器OP,所述运算放大器OP与采样保持模块相连接,所述运算放大器OP用于放大采样保持模块捕获的电流信号;
PWM产生器U2,所述PWM产生器U2与运算放大器OP和驱动模块相连接,所述PWM产生器U2用于接收运算放大器OP电流信号并控制驱动模块内的开关元件的通断;
所述驱动模块包括驱动器U1、PMOS管、NMOS管、电感L1和电容C1,所述驱动器U1与PMOS管的栅极和NMOS管的栅极连接,所述PMOS管的源极与NMOS管的漏极、电感L1的一端和采样保持模块连接,所述NMOS管的源极接地,所述电感L1的另一端与电容C1连接;
所述采样保持模块包括滤波单元、补偿单元和触发单元,所述触发单元包括第一触发子单元和第二触发子单元,所述第一触发子单元与滤波单元和驱动模块相连接,所述第二触发子单元与滤波单元、补偿单元和运算放大器OP相连接;
所述滤波单元包括电阻R1、电容CF和电阻R2,所述电阻R1的一端与第一触发子单元连接,所述电阻R1的另一端与电容CF的一端和第二触发子单元连接,所述电容CF的另一端与电阻R2的一端和第二触发子单元连接,所述电阻R2的另一端与第一触发子单元连接;
所述第一触发子单元包括开关S1和开关S2,所述开关S1的一端与电阻R1的一端连接,所述开关S2的一端与电阻R2的另一端连接,所述开关S2的另一端与电感L1的一端连接;
所述补偿单元包括电源DC和电容CO,所述电源DC与第二触发子单元连接,所述电容CO与第二触发子单元和运算放大器OP连接;
所述第二触发子单元包括开关S3和开关S4,所述开关S3的一端与电源DC连接,所述开关S3的另一端与电阻R1的另一端连接,所述开关S4的一端与电阻R2的一端连接,所述开关S4的另一端与电容CO和运算放大器OP连接。
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