CN117477910A - 一种功率管的负载电流检测电路 - Google Patents

一种功率管的负载电流检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种功率管的负载电流检测电路，包括：负载电阻检测模块，与负载电阻的高压侧连接，设置为在功率管导通前，采样得到与负载电阻的阻值成正比的采样电压值；振荡信号产生电路，设置为将采样电压值转变为振荡信号的频率并输出所述振荡信号，频率与采样电压值成反比；以及开关电容充放电模块，设置为利用振荡信号来驱动一个开关电容在充电状态和放电状态之间切换，开关电容在充电状态时与负载电阻的高压侧导通以利用输出电压充电，以得到与负载电流成正比的检测电流。本发明的负载电流检测电路通过实时检测负载电阻，并把包含负载电阻的信息与输出电压结合来得到与负载电流成正比的充电电流，实现了功率管的负载电流检测。

Description

一种功率管的负载电流检测电路
技术领域
本发明属于负载电流检测，具体涉及一种功率管的负载电流检测电路，用于实现在集成电路芯片外部的功率管上的负载电流检测，进而实现功率输出控制。
背景技术
目前，在功率输出控制环路中需要同时知道输出电压和负载电流，以实现对输出功率的控制。
功率输出控制环路通常采用一个开关放电控制类芯片及其外围电路来实现。功率输出控制环路例如可以是电子点烟器。
若功率输出控制环路的功率管在片内（即开关放电控制类芯片的内部），可直接通过镜像管来得到负载电流，二者类型相同，只须做好版图上的匹配即可满足一定的精度要求。
若功率输出控制环路的功率管在开关放电控制类芯片的外部，则无法通过镜像的方式来检测负载电流，因为片外的功率管是分立元件，与芯片内部的集成器件无法匹配，使得镜像的精度大大降低而失去意义。如图1所示，功率输出控制环路通过片外的功率管M1来实现放电，外置的功率管M1由开关放电控制类芯片来控制放电，芯片具有与功率管M1的源极连接的电池供电端BAT、与功率管M1的栅极连接的放电控制端GATE以及与功率管M1的漏极连接的电压输出端AT，且电压输出端AT通过负载电阻接地。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率管的负载电流检测电路，以在集成电路芯片外部的功率管上实现负载电流的检测，进而能够控制功率输出。
为了实现上述目的，本发明提供一种功率管的负载电流检测电路，所述功率管的栅极与一芯片的放电控制端连接且漏极与该芯片的电压输出端连接，该电压输出端在功率管导通时提供输出电压并通过负载电阻接地，所述负载电流检测电路包括：负载电阻检测模块，与负载电阻的高压侧连接，设置为在功率管导通前，采样得到与负载电阻的阻值成正比的采样电压值；振荡信号产生电路，设置为将采样电压值转变为振荡信号的频率并输出所述振荡信号，所述频率与采样电压值成反比；以及开关电容充放电模块，设置为利用所述振荡信号来驱动一个开关电容在充电状态和放电状态之间切换，开关电容在充电状态时与负载电阻的高压侧导通以接收输出电压，以得到与负载电流成正比的检测电流。
所述负载电阻检测模块包括通过第一开关与负载电阻的高压侧连接的第一恒流源、通过第二开关与负载电阻的高压侧连接的电压采样模块以及与第一开关和第二开关的驱动端均连接的逻辑模块，电压采样模块的输出端为所述负载电阻检测模块的输出端；所述逻辑模块用于使得所述负载电阻检测模块对负载电阻的采样发生在功率管导通前。
所述逻辑模块设置为：在功率管导通前，从第一开关和第二开关均断开的情况开始，先使得第一开关闭合以使得第一恒流源的电流流动经过负载电阻，然后使得第二开关闭合以采样得到负载电阻上的采样电压值作为采样结果，采样结束后先断开第二开关再断开第一开关。
所述振荡信号产生电路是以采样电压值作为参考电压的张弛振荡器。
所述张弛振荡器包括一个运算放大器，其中一个输入端与所述负载电阻检测模块的输出端连接，使得采样电压值作为参考电压，另一个输入端与一个第二恒流源连接并且通过一个充电电容接地，充电电容的两端分别与一个第三开关的两个接线端连接，所述运算放大器的输出端连接第三开关的驱动端且输出所述振荡信号。
所述振荡信号产生电路输出的振荡信号频率为：
，
其中，xI0为第二恒流源的电流，C0为充电电容，I0RL是采样电压值，I0是第一恒流源的电流，RL是负载电阻。
所述开关电容充放电模块通过一个波形整形模块与振荡信号产生电路的输出端连接，所述波形整形模块设置为对所述振荡信号进行二分频。
所述开关电容充放电模块包括与所述振荡信号产生电路的输出端连接的非交叠信号生成模块和一端接地的开关电容，开关电容的另一端通过第四开关与负载电阻的高压侧连接以使得开关电容在充电状态时通过第四开关的导通利用输出电压充电并且通过第五开关与一个接地电容连接以使得开关电容在放电状态时通过第五开关的导通向接地电容放电，接地电容的充电电流是负载电流的检测结果，非交叠信号生成模块的两个输出端分别与第四开关和第五开关的驱动端连接，以避免第四开关和第五开关同时导通。
所述接地电容的充电电流等于负载电流乘以设计常数，x是第二恒流源的电流与第一恒流源的电流的比值，n为充电电容与开关电容的比值。
所述设计常数的值为10-6~10-3。
本发明的功率管的负载电流检测电路通过实时检测负载电阻，并把包含负载电阻的信息与输出电压结合来得到与负载电流成正比的充电电流，实现了功率管尤其是在芯片外部的功率管的负载电流检测，得到的充电电流可用于芯片中功率输出控制部分的环路，实现输出能量的可控和恒定，进而实现功率输出控制。例如，电池电压或者负载电阻在一定范围内变化，如电池电压在使用中肯定会逐渐降低时，输出功率都是恒定不变的，以提高用户体验。此外，由于获取充电电流所需的电流镜匹配和电容匹配比较简单，因此可以满足较高的精度要求。
附图说明
图1是一种典型的利用片外功率管实现的功率输出控制环路的结构示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的功率管的负载电流检测电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
本发明提供了一种功率管的负载电流检测电路，所述功率管用于芯片，以通常实现在芯片外部的功率管（即外置的功率管）的负载电流检测，进而实现功率输出控制。具体来说，如图1所示为本发明的功率管的负载电流检测电路的应用场景，其中，在功率管是外置的情况下，芯片具有与功率管的源极连接的电池供电端BAT、与功率管的栅极连接的放电控制端GATE以及与功率管的漏极连接的电压输出端AT，且电压输出端AT在功率管导通时提供输出电压并通过负载电阻接地，使得一个负载电流经由所述负载电阻到地。
如图2所示，本发明的功率管的负载电流检测电路包括与负载电阻的高压侧连接的负载电阻检测模块100、与负载电阻检测模块100的输出端连接的振荡信号产生电路200、以及与振荡信号产生电路200的输出端连接的开关电容充放电模块300。
负载电阻检测模块100设置为在功率管导通前，采样负载电阻以将负载电阻的阻值转变为采样电压值，其中，采样电压值与负载电阻的阻值成正比。振荡信号产生电路200包括一个以所述采样电压值作为参考电压的张弛振荡器OSC，振荡信号产生电路200设置为将采样电压值转变为振荡信号的频率并输出所述振荡信号。其中，频率中包含了负载电阻的信息，负载电阻越大，频率越低，二者成反比。所述开关电容充放电模块300设置为利用所述振荡信号来驱动一个开关电容C1在充电状态和放电状态之间切换，开关电容C1在充电状态时与负载电阻的高压侧导通以接收输出电压，以得到与负载电流成正比的检测电流。
所述负载电阻检测模块100包括通过第一开关S1与负载电阻RL的高压侧连接的第一恒流源11、通过第二开关S2与负载电阻RL的高压侧连接的电压采样模块12以及与第一开关S1和第二开关S2的驱动端均连接的逻辑模块13，电压采样模块12的输出端为所述负载电阻检测模块100的输出端。
其中，第一恒流源11的电流是I0，第一恒流源11的电流I0是芯片内部产生的基准电流，这个第一恒流源11的电流I0不会随时间变化。电压采样模块12根据不同的应用或者工艺，可采用ADC或者电荷保持电路。
所述逻辑模块13用于使得所述负载电阻检测模块100对负载电阻的采样发生在功率管导通前。具体来说，所述逻辑模块13设置为：在功率管导通前，从第一开关S1和第二开关S2均断开的情况开始，先使得第一开关S1闭合以使得第一恒流源11的电流流动经过负载电阻RL，然后使得第二开关S2闭合以采样得到负载电阻RL上的采样电压值作为采样结果，采样结束后先断开第二开关S2再断开第一开关S1。
需要说明的是，功率管的导通是间断的，用于实现输出功率的间断输出，进而实现输出能量的控制，避免输出能量过高。由此，在每次功率输出（即每次功率管导通）之前，采用一个第一恒流源11注入到负载电阻RL上，使得负载电阻RL转变得到采样电压值I0RL，采样电压值I0RL被采样电路采样并保持，然后关掉此恒流源。这样每次输出前都会检测负载电阻，可以实时追踪负载电阻的变化。
所述振荡信号产生电路200是以采样电压值作为参考电压的张弛振荡器。具体来说，所述张弛振荡器包括一个运算放大器cp1，所述运算放大器cp1包括两个输入端和一个输出端。其中一个输入端与所述负载电阻检测模块100的输出端连接，使得采样电压值作为参考电压。另一个输入端与一个第二恒流源21连接并且通过一个充电电容C0接地，充电电容C0的两端分别与一个第三开关S3的两个接线端连接，所述运算放大器cp1的输出端连接第三开关S3的驱动端且输出所述振荡信号。
第二恒流源21的电流为xI0（x为第二恒流源的电流与第一恒流源的电流的比值，即电流镜像的比值），振荡器的充电电流为xI0，C0为充电电容，VC是充电电压，运算放大器cp1在VC>I0RL时，其输出的是高电平信号，输出的高电平信号使得第三开关S3闭合，从而放掉充电电容C0上的电荷。在放掉充电电容C0上的电荷后，充电电压降为0且运算放大器cp1的输出端恢复为低电平信号，第三开关S3断开，以重新开始充电过程。
那么可以得到，所述振荡信号产生电路200输出的振荡信号频率为：
（1）
其中，xI0为第二恒流源的电流，C0为充电电容，I0RL是采样电压值，I0是第一恒流源的电流，RL是负载电阻。
所述振荡信号产生电路200输出的振荡信号是周期性脉冲，脉冲宽度很短，不能直接用于下一级开关电容。因此，在本实施例中，开关电容充放电模块300通过一个波形整形模块400（Waveform shaping）与振荡信号产生电路200的输出端连接，所述波形整形模块400设置为对输出的振荡信号进行二分频，使得振荡信号的低电平和高电平的时长相等。所述波形整形模块400优选为D触发器。
由此，开关电容充放电模块300最终接收到的振荡信号的频率是/>，分母具有系数2是由于所述振荡信号产生电路200输出的振荡信号一般要经过波形整形模块400二分频后才能给下一级的开关电容充放电模块300使用。
所述开关电容充放电模块300包括与所述振荡信号产生电路200的输出端连接（即通过波形整形模块400连接）的非交叠信号生成模块31和一端接地的开关电容C1，开关电容C1的另一端通过第四开关S4与负载电阻RL的高压侧连接以使得开关电容C1在充电状态时通过第四开关S4的导通利用输出电压VAT充电，并且通过第五开关S5与一个接地电容C2连接以使得开关电容C1在放电状态时通过第五开关S5的导通向接地电容C2放电。接地电容C2需要被放电，其由后续电路控制，本文只涉及产生接地电容C2的充电电流，接地电容C2接后续电路的运算放大器一端，当其充电电压超过运放另一端设定的参考电压后，运放输出高电平控制开关对接地电容C2放电。接地电容C2与开关电容C1的比值从理论上来说越大越好，比例越大，误差越小，而实际中考虑到芯片的面积，不能做的很大，根据理论分析，接地电容C2与开关电容C1的比值为几百即可满足精度要求。接地电容C2的充电电流ION为负载电流的检测结果，非交叠信号生成模块31的两个输出端分别与第四开关S4和第五开关S5的驱动端连接，以避免第四开关S4和第五开关S5同时导通，从而避免穿通。非交叠信号生成模块31是时钟控制常用的模块，目的是不让后级的开关电容穿通。
需要说明的是，I0RL是功率管断开时在负载电阻的高压侧采样得到的，输出电压VAT是功率管闭合时在负载电阻的高压侧得到的。由此，含有负载电阻信息的振荡信号经由开关电容C1对接地电容C2充电。由开关电容理论可知，频率与电容乘积的倒数就相当于电阻，那么输出电压VAT经过此开关电容C1给一个接地电容C2充电就得到了与负载电流（即输出电压）有关的充电电流ION。接地电容C2的充电电流ION为：
（2）
其中，VAT是输出电压，是开关电容充放电模块300最终接收到的振荡信号的频率，是开关电容，xI0为第二恒流源的电流，C0为充电电容，I0RL是采样电压值，I0是第一恒流源的电流，RL是负载电阻。
化简后可得，接地电容C2的充电电流ION为：
（3）
其中，VAT是输出电压，RL是负载电阻，x是第二恒流源的电流与第一恒流源的电流的比值，n为充电电容C0与开关电容C1的比值。
可以看出，得到的接地电容C2的充电电流ION等于负载电流（即）乘以设计常数，因此在本发明中接地电容C2的充电电流ION（即开关电容的放电电流）作为检测电流，这个设计常数/>在电路上包含电流镜匹配和电容匹配，因为电流镜匹配和电容匹配这两个在比例不是很悬殊的情况下是比较好匹配的，因此可以满足较高的精度要求。这个设计常数的值是根据具体电路的实现来调节的，包括电流镜的比例系数，电容的比例系数，芯片的面积，恒流源的大小。由于负载电流一般为安培级，芯片中处理的电流可能是毫安或者微安级，因此，设计常数/>的可能的范围为10-6~10-3，即百万分之一到千分之一。
同理，本发明的功率管的负载电流检测电路也可用于芯片内部的功率管的负载电流检测，进而实现功率输出控制。
本发明的功率管的负载电流检测电路通过实时检测负载电阻，并把包含负载电阻的信息与输出电压结合来得到与负载电流成正比的充电电流ION，实现了在芯片外部的功率管（即外置的功率管）的负载电流检测，得到的充电电流ION可用于芯片中功率输出控制部分的环路，实现输出能量的可控和恒定，进而实现功率输出控制。例如，电池电压或者负载电阻在一定范围内变化，如电池电压在使用中肯定会逐渐降低时，输出功率都是恒定不变的，以提高用户体验。此外，由于获取充电电流所需的电流镜匹配和电容匹配比较简单，因此可以满足较高的精度要求。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规内容。

Claims (10)

1.一种功率管的负载电流检测电路，所述功率管的栅极与一芯片的放电控制端连接且漏极与该芯片的电压输出端连接，该电压输出端在功率管导通时提供输出电压并通过负载电阻接地，其特征在于，所述负载电流检测电路包括：
负载电阻检测模块，与负载电阻的高压侧连接，设置为在功率管导通前，采样得到与负载电阻的阻值成正比的采样电压值；
振荡信号产生电路，设置为将采样电压值转变为振荡信号的频率并输出所述振荡信号，所述频率与采样电压值成反比；以及
开关电容充放电模块，设置为利用所述振荡信号来驱动一个开关电容在充电状态和放电状态之间切换，开关电容在充电状态时与负载电阻的高压侧导通以利用输出电压充电，以得到与负载电流成正比的检测电流。
2.根据权利要求1所述的功率管的负载电流检测电路，其特征在于，所述负载电阻检测模块包括通过第一开关与负载电阻的高压侧连接的第一恒流源、通过第二开关与负载电阻的高压侧连接的电压采样模块以及与第一开关和第二开关的驱动端均连接的逻辑模块，电压采样模块的输出端为所述负载电阻检测模块的输出端；所述逻辑模块用于使得所述负载电阻检测模块对负载电阻的采样发生在功率管导通前。
3.根据权利要求1所述的功率管的负载电流检测电路，其特征在于，所述逻辑模块设置为：在功率管导通前，从第一开关和第二开关均断开的情况开始，先使得第一开关闭合以使得第一恒流源的电流流动经过负载电阻，然后使得第二开关闭合以采样得到负载电阻上的采样电压值作为采样结果，采样结束后先断开第二开关再断开第一开关。
4.根据权利要求2所述的功率管的负载电流检测电路，其特征在于，所述振荡信号产生电路是以采样电压值作为参考电压的张弛振荡器。
5.根据权利要求4所述的功率管的负载电流检测电路，其特征在于，所述张弛振荡器包括一个运算放大器，其中一个输入端与所述负载电阻检测模块的输出端连接，使得采样电压值作为参考电压，另一个输入端与一个第二恒流源连接并且通过一个充电电容接地，充电电容的两端分别与一个第三开关的两个接线端连接，所述运算放大器的输出端连接第三开关的驱动端且输出所述振荡信号。
6.根据权利要求5所述的功率管的负载电流检测电路，其特征在于，所述振荡信号产生电路输出的振荡信号频率为：
，
其中，xI0为第二恒流源的电流，C0为充电电容，I0RL是采样电压值，I0是第一恒流源的电流，RL是负载电阻。
7.根据权利要求1所述的功率管的负载电流检测电路，其特征在于，所述开关电容充放电模块通过一个波形整形模块与振荡信号产生电路的输出端连接，所述波形整形模块设置为对所述振荡信号进行二分频。
8.根据权利要求5所述的功率管的负载电流检测电路，其特征在于，所述开关电容充放电模块包括与所述振荡信号产生电路的输出端连接的非交叠信号生成模块和一端接地的开关电容，开关电容的另一端通过第四开关与负载电阻的高压侧连接以使得开关电容在充电状态时通过第四开关的导通利用输出电压充电并且通过第五开关与一个接地电容连接以使得开关电容在放电状态时通过第五开关的导通向接地电容放电，接地电容的充电电流是负载电流的检测结果，非交叠信号生成模块的两个输出端分别与第四开关和第五开关的驱动端连接，以避免第四开关和第五开关同时导通。
9.根据权利要求8所述的功率管的负载电流检测电路，其特征在于，所述接地电容的充电电流等于负载电流乘以设计常数，x是第二恒流源的电流与第一恒流源的电流的比值，n为充电电容与开关电容的比值。
10.根据权利要求9所述的功率管的负载电流检测电路，其特征在于，所述设计常数的值为10-6~10-3。
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