CN1588271A - 微处理器多相开关电源的电流检测装置中的虚地电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微处理器多相开关电源的电流检测装置中的虚地电路，属于计算机设备技术领域。包括：用于接收与电感电流成比例的电流信号电阻；用于与NMOS管M₂相匹配的NMOS管M₁；用于使NMOS管M₁和NMOS管M₂的栅极电压相等、并连接成跟随器的运算放大器；用于保证流过NMOS管M₁和NMOS管M₂的电流相等的PMOS管M₃、M₄；用于电流取样和保持的开关S和电容C；用于将由虚地电路检测到的电流送到电路中其他模块的PMOS管M₅。本发明的虚地电路，利用运算放大器、电流镜、电阻对和NMOS管对构成虚地电路，实现虚地点的虚地电压。运算放大器采用较大的输入管和负载管，因此减小了虚地电路的失调电压，提高了电感电流的检测精度。

Description

微处理器多相开关电源的电流检测装置中的虚地电路

技术领域

本发明涉及一种微处理器多相开关电源的电流检测装置中的虚地电路，属于计算机设备技术领域。

背景技术

多相开关电源是个人计算机和笔记本电脑主板上最重要的电源器件。为了满足人们对个人计算机和工作站性能不断提高的要求，英特尔公司和超微公司都研制了性能优越，集成度更高的微处理器CPU。CPU的集成规模越大，所消耗的电流也越大，目前最大的工作电流已经达到了90A；为了降低功耗和解决散热的问题，CPU的工作电压将会降得更低；同时在CPU的工作过程中，对工作电压的瞬态响应也提出相应的要求。由于功率管的特性所限，传统的单相电源已经不能满足这种要求，多相电源则是把几个单相电源正交并联，各相电源依次工作，从而可以提供大电流和快速的负载瞬态响应。

在多相电源系统中，由于以下两个方面的原因，需要精确的检测各相电源的电感电流，一是，电感、电感寄生电阻、功率管的导通电阻、PCB板上布线电阻的微小差异，都可能导致并联的各相电源的电感电流值有很大的差异。要保证并联的各相电源精确的均分负载电流，就需要精确的检测各相电源的电感电流。二是，CPU不能工作在过流情况下，一旦CPU出现过流，就需要停止向CPU供电。CPU上的电流等于各相电源的电感电流相加，判断CPU过流也需要精确的检测电感电流。

已有技术中，利用下功率管导通来检测多相开关电源的电感电流的电路如图1所示，图中所示为上功率管完全断开的情况，没有任何电流从输入电压流到P点；下功率管完全导通，相当于电阻R_dson，电阻值为下功率管的导通电阻，该电阻起续流作用，即流过R_dson的电流为电感电流I_L。此时P点的电压为：

    V_P＝-I_L×R_dson                             (1)

虚线内所示为电流检测电路，如果虚地电路能保证虚地点的电压为0，则检测电阻R_sense相当于与R_dson并联，从虚地点流到P端点的电流大小为：

$I_{\mathrm{sense}}=\frac{I_L\×R_{\mathrm{dson}}}{R_{\mathrm{sense}}}---\left(2\right)$

在功率管的设计中，功率管导通以后的电阻R_dson一般很精确，如果选用高精度的检测电阻R_sense，那么就可以精确的检测到电感上的电流I_L。

已有的微处理器多相开关电源电流检测装置中的虚地电路，如图2中，虚地电路是利用斩波稳零电路来实现的，其缺点是电路复杂，实现困难。

发明内容

本发明的目的是提出一种微处理器多相开关电源的电流检测装置中的虚地电路，改变已有的虚地电路，以简化电路结构，并精确检测到电感上的电流。

本发明提出的微处理器多相开关电源的电流检测装置中的虚地电路，包括：

(1)用于接收与电感电流成比例的电流信号的R₁，电阻R₁与接地电阻R₂相匹配；

(2)用于与NMOS管M₂相匹配的NMOS管M₁，NMOS管M₁的源端与电阻R₁相连，NMOS管M₂的源端与电阻R₂相连；

(3)用于使NMOS管M₁和NMOS管M₂的栅极电压相等、并连接成跟随器的运算放大器，运算放大器的输出端与NMOS管M₁的栅极相连，其正端输入与NMOS管M₂的栅极相连；

(4)用于保证流过NMOS管M₁和NMOS管M₂的电流相等的PMOS管M₃、M₄，PMOS管M₃的漏端与NMOS管M₁的漏端相连，PMOS管M₄的漏端与NMOS管M₂的漏端相连；

(5)用于电流取样和保持的开关S和电容C，开关S一端与PMOS管M₃的漏端相连，另一端与PMOS管M₄的栅极相连，电容C的一端与PMOS管M₄的栅极相连，另一端与工作电压相连；

(6)用于将由虚地电路检测到的电流送到电路中其他模块的PMOS管M₅，PMOS管M₅的栅极与PMOS管M₄的栅极相连，PMOS管M₅的源端与工作电压相连，漏端送出检测电流。

本发明提出的微处理器多相开关电源的电流检测装置中的虚地电路，具有以下特点和优点：

1、利用运算放大器、电流镜、电阻对和NMOS管对构成虚地电路，实现虚地点的虚地电压。

3、运算放大器采用较大的输入管和负载管，因此减小了虚地电路的失调电压，使得失调电压减小到1mV左右，提高了电感电流的检测精度。

4、利用开关电容实现电流信号的取样和保持，提高了电感电流的检测准确性。

附图说明

图1是已有的微处理器多相开关电源的降压型开关电源下功率管导通电路图。

图2是已有功率管导通电路中的虚地电路图。

图3是本发明提出的功率管导通电路中的虚地电路图。

上述图2和图3中的ISEN即为图1中的虚地点。

具体实施方式

本发明提出的微处理器多相开关电源的电流检测装置中的虚地电路，其电路图如图3所示，包括：用于接收与电感电流成比例的电流信号的R₁，电阻R₁与接地电阻R₂相匹配；用于与NMOS管M₂相匹配的NMOS管M₁，NMOS管M₁的源端与电阻R₁相连，NMOS管M₂的源端与电阻R₂相连；用于使NMOS管M₁和NMOS管M₂的栅极电压相等、并连接成跟随器的运算放大器，运算放大器的输出端与NMOS管M₁的栅极相连，其正端输入与NMOS管M₂的栅极相连；用于保证流过NMOS管M₁和NMOS管M₂的电流相等的PMOS管M₃、M₄，PMOS管M₃的漏端与NMOS管M₁的漏端相连，PMOS管M₄的漏端与NMOS管M₂的漏端相连；用于电流取样和保持的开关S和电容C，开关S一端与PMOS管M₃的漏端相连，另一端与PMOS管M₄的栅极相连，电容C的一端与PMOS管M₄的栅极相连，另一端与工作电压相连；用于将由虚地电路检测到的电流送到电路中其他模块的PMOS管M₅，PMOS管M₅的栅极与PMOS管M₄的栅极相连，PMOS管M₅的源端与工作电压相连，漏端送出检测电流。

以下介绍本发明电路的原理：

如图3所示的虚地电路，在该电路中，PMOS管M₃和M₄的宽长比相同：

${\left(\frac{W}{L}\right)}_{M3}={\left(\frac{W}{L}\right)}_{M4}---\left(3\right)$

M₃和M₄组成电流镜电路。另外NMOS管M₁和M₂的宽长比相同：

${\left(\frac{W}{L}\right)}_{M1}={\left(\frac{W}{L}\right)}_{M2}---\left(4\right)$

电阻R1和R2相等。当开关S闭合以后，开始采样电流，放大器做成跟随器结构，保证A点和B点的电压相等，由于有电流镜的存在，因此流过M₁和M₂的电流相等。M₁和M₂的宽长比相等，由萨方程

$I=\frac{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}}{2}\left(\frac{W}{L}\right){(V_{\mathrm{GS}}-V_T)}^2---\left(5\right)$

可知，栅源电压Vgs1和Vgs2也相等。因为R1和R2相等，在虚地点可以实现虚地。

在电路设计中，运算放大器存在失调电压，如果不消除失调电压，则会影响电流检测的精度。失调电压对电流检测精度的影响可以考虑如下：负载满负荷工作时，电感电流大约是25A，下功率管的导通电阻大约为4mΩ，P端的电压大约是-100mV；假设运算放大器的失调电压为50mV，则检测到的电感电流可能是12A或者37A，将不能用来平衡电感电流和做过流检测信号。消除失调电压一般采用斩波稳零电路，缺点是电路实现起来很麻烦，尤其在电路中涉及到较多的时钟信号的情况下更是如此。本文采取在运算放大器中利用较大的输入管和负载管的方法，可以有效的较小失调电压，使得失调电压的值大约降到1mV左右。此外为了减小M₁和M₂的工艺偏差对电流检测精度的影响，需要两个MOS管的W和L均大一些。

在电流检测模块中，有两个环路需要注意，一个是运算放大器本身，要求增益、相位裕度和增益裕度符合一定的要求，第二个环路是运算放大器、电流镜和电阻R1、R2组成的电流检测环路，要求相位等于-180度的时候，增益是负的，这样才不会产生振荡。

检测时钟信号控制电流检测的时刻，这个信号的脉宽比较小，其高电平基本处于PWM反相信号的高电平的中部。当检测时钟为高的时候，开关S闭合，电路处于电流取样阶段；当检测时钟变低，开关S打开，电流信号储存在电容C上，电路处于电流保持阶段。

Claims (1)

1、一种微处理器多相开关电源的电流检测装置中的虚地电路，其特征在于该电路包括：

(1)用于接收与电感电流成比例的电流信号的R₁，电阻R₁与接地电阻R₂相匹配；

(2)用于与NMOS管M₂相匹配的NMOS管M₁，NMOS管M₁的源端与电阻R₁相连，NMOS管M₂的源端与电阻R₂相连；

(3)用于使NMOS管M₁和NMOS管M₂的栅极电压相等、并连接成跟随器的运算放大器，运算放大器的输出端与NMOS管M₁的栅极相连，其正端输入与NMOS管M₂的栅极相连；

(4)用于保证流过NMOS管M₁和NMOS管M₂的电流相等的PMOS管M₃、M₄，PMOS管M₃的漏端与NMOS管M₁的漏端相连，PMOS管M₄的漏端与NMOS管M₂的漏端相连；

(5)用于电流取样和保持的开关S和电容C，开关S一端与PMOS管M₃的漏端相连，另一端与PMOS管M₄的栅极相连，电容C的一端与PMOS管M₄的栅极相连，另一端与工作电压相连；

(6)用于将由虚地电路检测到的电流送到电路中其他模块的PMOS管M₅，PMOS管M₅的栅极与PMOS管M₄的栅极相连，PMOS管M₅的源端与工作电压相连，漏端送出检测电流。

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