CN117650761A - 一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，涉及模拟集成电路技术领域，该电路包括：低压输入采样电路、高压输入采样电路、比较器COMP1和比较器COMP2，比较器COMP1正端输入信号为参考电压VREF，比较器COMP1负端输入信号为输入电压VP，COMP1输出端分别与低压输入采样电路和高压输入采样电路一端连接，低压输入采样电路和高压输入采样电路另一端均与比较器COMP2输入端连接，COMP2输出端用于输出VOUT信号，COMP1基于参考电压VREF和输入电压VP的大小，启动低压输入采样电路或高压输入采样电路。本发明用于开关电源的电感电流采样放大，通过复合比较器的输入结构可以实现输入范围从0到电源电压，能适用于各类需要宽输入范围的电源管理芯片中，具有很强的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体地，涉及一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路。
背景技术
开关电源中电感电流通常采用电感的DCR电阻来采样，此种采样方式的基本原理为RC低通网络与电感并联，然后用一个低失调的运算放大器对电容两端的压降进行放大，最后实现电流信号输出。对于宽输入范围的开关电源来说，电感电流采样放大电路的输入电压范围从0V到接近电源电压，对于高输入电压常采用浮动栅技术来实现该运算放大器的设计，但是浮动栅技术无法同时满足0到电源电压的宽输入应用。
所以，现在亟需一种电感电流采样放大电路，实现从0V输入到接近电源电压的宽输入范围的应用。
发明内容
为解决现有开关电源中电感电流采样存在的输入电压范围有限的问题，本发明提供了一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路。
本发明目的是通过以下技术方案来实现的：
该电路包括：低压输入采样电路、高压输入采样电路、比较器COMP1和比较器COMP2，所述比较器COMP1正端输入信号为参考电压VREF，所述比较器COMP1负端输入信号为输入电压VP，所述比较器COMP1输出端分别与所述低压输入采样电路一端和所述高压输入采样电路一端连接，所述低压输入采样电路另一端和所述高压输入采样电路另一端均与所述比较器COMP2输入端连接，所述比较器COMP2输出端用于输出VOUT信号，所述比较器COMP1基于所述参考电压VREF和所述输入电压VP的大小，启动所述低压输入采样电路或所述高压输入采样电路。
本方案通过设计比较器COMP1来比较输入电压是否大于参考电压，并设计低压输入采样电路和高压输入采样电路的复合型输入结构，当输入电压大于参考电压时，输入电压此时为高电压，此时比较器COMP1的输出信号为低电平，低电平信号经过高压输入采样电路中的反相器INV1反相后为高电平，此时高电平信号去启动高压输入采样电路进行采样放大，由于比较器COMP1输出为低电平，此时低压输入采样电路关断；而当输入电压小于参考电压时，输入电压此时为低电压，此时比较器COMP1的输出信号为高电平，此时高电平信号去启动低压输入采样电路进行采样放大，而由于高压输入采样电路中存在反相器INV1的缘由，会将比较器COMP1输出的高电平转换为低电平，导致高压输入采样电路关断。从而解决现有开关电源中电感电流采样存在的输入电压范围有限的问题，可以适用于各类需要宽输入范围的电源管理芯片中，具有很强的通用性。
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明用于开关电源的电感电流采样放大，通过复合比较器的结构可以实现输入范围从0V到电源电压，NPN型MOS管组成的输入电路可以提升比较器的响应速度，减小失调，PNP型三极管组成的后续电路可以减小输入电流，进一步降低失调和输入电流，使该电感电流采样放大电路可以适用于各类需要宽电压输入范围的电源管理芯片中，具有很强的通用性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是现有技术中DCR电阻采样的电路示意图；
图2是本发明中电感电流采样放大电路示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
请参考图1，图1为现有技术中DCR电阻采样的电路示意图，开关电源芯片SW与电感L一端和电阻R一端连接，电感L另一端与电阻DCR一端连接，电阻DCR另一端分别与电容C一端、电容CLOAD一端和电阻RLOAD一端连接，电容CLOAD另一端与电阻RLOAD另一端连接，电阻RLOAD接地，电阻R另一端与电容C另一端和运算放大器的正输入端连接，电容C一端还与运算放大器的负输入端连接。
从图1可知，电感L上的压降为：
（1）
其中，RDCR为电感上的等效阻抗，L为电磁线圈的电感值，s为线圈横截面积，iL为电感电流，从式（1）可得出电容正极板电压为：
（2）
其中，VL为电感电压，Cs为电容C的电容值，VO为图1上连接点处的电压，Ls为电感L的电感值。
通过设置采样网络的值，可以使电容正极板电压简化为：
（3）
可以看到当电压VO很低或者开关电源启动阶段，普通的运算放大器无法满足要求，因此本发明基于此设计了一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，请参考图2，图2是本发明中电感电流采样放大电路示意图，该电路包括：
低压输入采样电路、高压输入采样电路、比较器COMP1和比较器COMP2，所述比较器COMP1正端输入信号为参考电压VREF，所述比较器COMP1负端输入信号为输入电压VP，所述比较器COMP1输出端分别与所述低压输入采样电路一端和所述高压输入采样电路一端连接，所述低压输入采样电路另一端和所述高压输入采样电路另一端均与所述比较器COMP2输入端连接，所述比较器COMP2输出端用于输出VOUT信号，所述比较器COMP1基于所述参考电压VREF和所述输入电压VP的大小，启动所述低压输入采样电路或所述高压输入采样电路。
本发明提供的技术方案包括：当输入电压VP低于参考电压VREF时，比较器COMP1输出高电平，晶体管MN3开启，晶体管MN6和晶体管MN7关断，由电阻R1、三极管Q1、晶体管MN3和晶体管MN2组成的支路开始工作，三极管Q1输出电流到三极管Q6和三极管Q7的基极，此时由于晶体管MN6和晶体管MN7关断，因此由电阻R4、三极管Q6、二极管D1和三极管Q2组成的支路以及由电阻R5、三极管Q7、二极管D2和三极管Q5组成的支路开始工作，此时比较器COMP2正端输入电压为VP+VBE（Q5）+VD2，VBE（Q5）表示三极管Q5中基极与发射极之间的电压差，VD2表示二极管D2两端电压，比较器COPM2负端输入电压为VN+VBE（Q2）+VD1，VBE（Q2）表示三极管Q2中基极与发射极之间的电压差，VD1表示二极管D1两端的电压差，当输入电压VP大于输入电压VN时，VOUT输出为高，输入电压VP小于输入电压VN时，VOUT输出为低，即当输入电压为低压时，实现电感电流采样放大。
当输入电压VP高于参考电压VREF时，比较器COMP1输出低电平，晶体管MN3关断，晶体管MN6和晶体管MN7开启，由电阻R1、三极管Q1、晶体管MN3和晶体管MN2组成的支路关断，三极管Q6和三极管Q7的基极无电流，因此由三极管Q3、晶体管MN4和晶体管MN7组成的支路以及由三极管Q4、晶体管MN5和晶体管MN6组成的支路开始工作，此时比较器COMP2正端输入电压为VP-VBE（Q4），VBE（Q4）表示三极管Q4的基极与发射极之间的电压差，比较器COMP2负端输入电压为VN-VBE（Q3），VBE（Q3）表示三极管Q3的基极与发射极之间的电压差，当输入电压VP大于输入电压VN时，VOUT输出为高，输入电压VP小于输入电压VN时，VOUT输出为低，即当输入电压为高压时，实现电感电流采样放大。
所述比较器COMP1基于所述参考电压VREF和所述输入电压VP的大小，启动所述低压输入采样电路或所述高压输入采样电路的方式为：
当输入电压VP＜参考电压VREF时，启动所述低压输入采样电路；当输入电压VP＞参考电压VREF时，启动所述高压输入采样电路。
其中，当输入电压VP低于参考电压VREF时，比较器COMP1输出高电平，由于晶体管MN3、晶体管MN6和晶体管MN7都属于N型MOS管，N型MOS管当栅极为高电平时导通，低电平关断，输入到晶体管MN3栅极的电平为高电平，而在高压输入采样电路中还存在有反相器INV1，此时输入到晶体管MN6和晶体管MN7栅极的电平为低电平，因此晶体管MN3开启，而晶体管MN6和晶体管MN7关断，此时启动低压输入采样电路；而当输入电压VP高于参考电压VREF时，比较器COMP1输出低电平，同理，晶体管MN1关断，晶体管MN6和晶体管MN7开启，此时启动高压输入采样电路。
所述电路还包括高压电压源VDD、偏置电流源IBIAS和晶体管MN1，所述高压电压源VDD与所述偏置电流源IBIAS正端连接，所述偏置电流源IBIAS负端与所述晶体管MN1的漏极连接，所述晶体管MN1的栅极和漏极均用于与所述低压输入采样电路和所述高压输入采样电路连接，所述晶体管MN1的源极接地。
其中，通过高压电源VDD、偏置电流源IBIAS和晶体管MN1构成偏置电路，为低压输入采样电路和高压输入采样电路提供偏置电流，提高电路稳定性。
所述低压输入采样电路包括：晶体管MN2、晶体管MN3、三极管Q1、电阻R1、三极管Q6、三极管Q7、电阻R4、电阻R5、二极管D1、二极管D2、三极管Q2和三极管Q5；
所述晶体管MN2的栅极与所述晶体管MN1的栅极和漏极连接，所述晶体管MN2的漏极与所述晶体管MN3的源极连接，所述晶体管MN2的源极接地，所述晶体管MN3的栅极与所述比较器COMP1的输出端连接，所述晶体管MN3的漏极与所述三极管Q1的基极和集电极连接，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端与所述高压电压源VDD连接，所述三极管Q6的基极和所述三极管Q7的基极均与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q6的发射极与所述电阻R4的一端连接，所述三极管Q7的发射极与所述电阻R5的一端连接，所述电阻R4的另一端和所述电阻R5的另一端均与所述高压电压源VDD连接，所述三极管Q2的基极与输入电压VN连接，所述三极管Q2的集电极接地，所述三极管Q2的发射极与所述二极管D1的负端连接，所述二极管D1的正端和所述三极管Q6的集电极均与所述比较器COMP2的负输入端连接，所述三极管Q5的基极与所述输入电压VP连接，所述三极管Q5的集电极接地，所述三极管Q5的发射极与所述二极管D2的负端连接，所述二极管D2的正端和所述三极管Q7的集电极均与所述比较器COMP2的正输入端连接。
其中，当负端输入电压VP低于正端参考电压VREF时，比较器COMP1输出为高电平，高电平经过反相器INV1反相后为低电平，因此晶体管MN6和晶体管MN7关断，而比较器COMP1输出端直接与晶体管MN3的栅极连接，高电平信号此时启动晶体管MN3开启，此时由电阻R1、三极管Q1、晶体管MN2和晶体管MN3构成的支路开始工作，三极管Q1输出电流信号到三极管Q6和Q7的基极，驱动三极管Q6和Q7开启，此时由电阻R4、三极管Q6、二极管D1和三极管Q2组成的支路，以及由电阻R5、三极管Q7、二极管D2和三极管Q5组成的支路开始工作，由于三极管Q2为PNP型三极管，因此三极管Q2基极与发射极之间电压差应该为VBE，二极管D1两端电压差为VD1，因此输入到比较器COMP2的负端输入电压应为VN+VBE（Q2）+VD1，同理，输入到比较器COMP2的正端输入电压应为VP+VBE（Q5）+VD2，当输入电压VP大于输入电压VN时，VOUT输出为高，输入电压VP小于输入电压VN时，VOUT输出为低，当输入电压为低电压时，能实现电感电流采样放大。
所述高压输入采样电路包括：反相器INV1、晶体管MN4、晶体管MN5、晶体管MN6、晶体管MN7、三极管Q3、三极管Q4、电阻R2和电阻R3；
所述反相器INV1的输入端与所述比较器COMP1的输出端连接，所述晶体管MN6的栅极和所述晶体管MN7的栅极均与所述反相器INV1的输出端连接，所述晶体管MN1的栅极和漏极均与所述晶体管MN4的栅极和所述晶体管MN5的栅极连接，所述晶体MN7的源极与所述晶体管MN4的漏极连接，所述晶体管MN6的源极与所述晶体管MN5的漏极连接，晶体管MN4的源极和所述晶体管MN5的源极均接地，所述三极管Q3的基极与所述输入电压VN连接，所述三极管Q3的集电极与所述电阻R2一端连接，所述电阻R2的另一端与所述高压电压源VDD连接，所述三极管Q3的发射极和所述晶体管MN7的漏极均与所述比较器COMP2的负输入端连接，所述三极管Q4的基极与所述输入电压VP连接，所述三极管Q4的集电极与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端与所述高压电压源VDD连接，所述三极管Q4的发射极和所述晶体管MN6的漏极均与所述比较器COMP2的正输入端连接。
其中，当负端输入电压VP高于正端参考电压VREF时，比较器COMP1输出为低电平，低电平信号经过反相器INV1反相后为高电平，反相器INV1输出端与晶体管MN6和晶体管MN7栅极连接，高电平信号此时启动晶体管MN6和晶体管MN7开启，此时晶体管MN4、晶体管MN7和三极管Q3组成的支路，以及晶体管MN5、晶体管MN6和三极管Q4组成的支路开始工作，由于三极管Q3为NPN型，三极管Q3基极与发射极之间电压应为-Vbe（Q3），因此输入到比较器COMP2的负端输入电压应为VN- Vbe（Q3）的差值，同理，输入到比较器COMP2的正端输入电压应为VP-VBE（Q4）。当输入电压VP大于输入电压VN时，VOUT输出为高，输入电压VP小于输入电压VN时，VOUT输出为低，因此当输入电压为高压时，能实现电感电流采样放大。
三极管Q1、三极管Q2、三极管Q5、三极管Q6和三极管Q7均为PNP型三极管。
其中，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q5、三极管Q6和三极管Q7均属于低压输入采样电路，三极管Q1、三极管Q6和三极管Q7采用PNP型三极管，可以减小输入电流，进一步降低失调和输入电流，而此时输入电压VP和输入电压VN为低电平，因此要使三极管Q2和三极管Q5导通，需要将三极管Q2和三极管Q5的型号设计为PNP型三极管。
三极管Q3和三极管Q4均为NPN型三极管。
其中，三极管Q3和三极管Q4属于高压输入采样电路，此时输入电压VP和输入电压VN为高电平，因此要使三极管Q3和Q4导通，需要将三极管Q3和Q4型号设计为NPN型三极管。
晶体管MN1、晶体管MN2、晶体管MN3、晶体管MN4、晶体管MN5、晶体管MN6和晶体管MN7均为N型MOS管。
其中，N型MOS管相较于P型MOS管具有响应速度更快和耐压更高的优点。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，其特征在于，包括：低压输入采样电路、高压输入采样电路、比较器COMP1和比较器COMP2，所述比较器COMP1正端输入信号为参考电压VREF，所述比较器COMP1负端输入信号为输入电压VP，所述比较器COMP1输出端分别与所述低压输入采样电路一端和所述高压输入采样电路一端连接，所述低压输入采样电路另一端和所述高压输入采样电路另一端均与所述比较器COMP2输入端连接，所述比较器COMP2输出端用于输出VOUT信号，所述比较器COMP1基于所述参考电压VREF和所述输入电压VP的大小，启动所述低压输入采样电路或所述高压输入采样电路。
2.根据权利要求1所述的一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，其特征在于，所述比较器COMP1基于所述参考电压VREF和所述输入电压VP的大小，启动所述低压输入采样电路或所述高压输入采样电路的方式为：
当所述输入电压VP＜所述参考电压VREF时，启动所述低压输入采样电路；当所述输入电压VP＞所述参考电压VREF时，启动所述高压输入采样电路。
3.根据权利要求1所述的一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，其特征在于，还包括高压电压源VDD、偏置电流源IBIAS和晶体管MN1，所述高压电压源VDD与所述偏置电流源IBIAS正端连接，所述偏置电流源IBIAS负端与所述晶体管MN1的漏极连接，所述晶体管MN1的栅极和漏极均用于与所述低压输入采样电路和所述高压输入采样电路连接，所述晶体管MN1的源极接地。
4.根据权利要求3所述的一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，其特征在于，所述低压输入采样电路包括：晶体管MN2、晶体管MN3、三极管Q1、电阻R1、三极管Q6、三极管Q7、电阻R4、电阻R5、二极管D1、二极管D2、三极管Q2和三极管Q5；
所述晶体管MN2的栅极与所述晶体管MN1的栅极和漏极连接，所述晶体管MN2的漏极与所述晶体管MN3的源极连接，所述晶体管MN2的源极接地，所述晶体管MN3的栅极与所述比较器COMP1的输出端连接，所述晶体管MN3的漏极与所述三极管Q1的基极和集电极连接，所述三极管Q1的发射极与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端与所述高压电压源VDD连接，所述三极管Q6的基极和所述三极管Q7的基极均与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q6的发射极与所述电阻R4的一端连接，所述三极管Q7的发射极与所述电阻R5的一端连接，所述电阻R4的另一端和所述电阻R5的另一端均与所述高压电压源VDD连接，所述三极管Q2的基极与输入电压VN连接，所述三极管Q2的集电极接地，所述三极管Q2的发射极与所述二极管D1的负端连接，所述二极管D1的正端和所述三极管Q6的集电极均与所述比较器COMP2的负输入端连接，所述三极管Q5的基极与所述输入电压VP连接，所述三极管Q5的集电极接地，所述三极管Q5的发射极与所述二极管D2的负端连接，所述二极管D2的正端和所述三极管Q7的集电极均与所述比较器COMP2的正输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，其特征在于，所述高压输入采样电路包括：反相器INV1、晶体管MN4、晶体管MN5、晶体管MN6、晶体管MN7、三极管Q3、三极管Q4、电阻R2和电阻R3；
所述反相器INV1的输入端与所述比较器COMP1的输出端连接，所述晶体管MN6的栅极和所述晶体管MN7的栅极均与所述反相器INV1的输出端连接，所述晶体管MN1的栅极和漏极均与所述晶体管MN4的栅极和所述晶体管MN5的栅极连接，所述晶体MN7的源极与所述晶体管MN4的漏极连接，所述晶体管MN6的源极与所述晶体管MN5的漏极连接，晶体管MN4的源极和所述晶体管MN5的源极均接地，所述三极管Q3的基极与所述输入电压VN连接，所述三极管Q3的集电极与所述电阻R2一端连接，所述电阻R2的另一端与所述高压电压源VDD连接，所述三极管Q3的发射极和所述晶体管MN7的漏极均与所述比较器COMP2的负输入端连接，所述三极管Q4的基极与所述输入电压VP连接，所述三极管Q4的集电极与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端与所述高压电压源VDD连接，所述三极管Q4的发射极和所述晶体管MN6的漏极均与所述比较器COMP2的正输入端连接。
6.根据权利要求4所述的一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，其特征在于，所述三极管Q1、所述三极管Q2、所述三极管Q5、所述三极管Q6和所述三极管Q7均为PNP型三极管。
7.根据权利要求5所述的一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，其特征在于，所述三极管Q3和所述三极管Q4均为NPN型三极管。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种宽输入电压范围的电感电流采样放大电路，其特征在于，晶体管MN1、晶体管MN2、晶体管MN3、晶体管MN4、晶体管MN5、晶体管MN6及晶体管MN7均为N型MOS管。
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