CN201159746Y - 一种电流检测电路 - Google Patents

Abstract

一种电流检测电路，该检测电路包括待测功率管N1，与待测功率管N1镜像的NMOS管N2，以及放大电路，偏置电流I_bias，电源V_CC，NMOS管N3，四个PMOS管P3、P4、P5、P6以及输出负载电阻，其中PMOS管P3、NMOS管N3与NMOS管N2依次串行连接，同时PMOS管P3与P4镜像连接，PMOS管P5与P6镜像连接，PMOS管P6的漏端接偏置电流I_bias，PMOS管P4和PMOS管P5的漏端相连后接在输出负载电阻一端，输出负载电阻的另一端接地。该检测电路消除了待测功率管导通电阻非线性和温度特性对检测精度的影响，且不产生额外的损耗，具有检测精度高，温度特性好，易于集成的优点。

Description

一种电流检测电路

技术领域

本实用新型涉及一种模拟电路，特别是涉及一种模拟检测电路。

背景技术

电源是一切电力设备的动力心脏，其性能的优劣直接影响到电子设备的安全性和可靠性。开关电源以其效率高，体积小，使用灵活等优点，在通信、计算机及家用电器等领域得到了广泛的应用。就其拓扑结构来说可分为电压型控制模式和电流型控制模式，传统的开关稳压电源采用电压型控制模式，只对输出电压采样并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压，仅用电压采样的方法来实现稳压，优点是电路简单，易于实现；缺点是响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变化时产生振荡。

电流型控制模式正是针对电压型控制模式的缺点发展起来的，既保留了电压型控制模式的输出电压反馈控制部分，同时增加了电流反馈环。使电压型控制模式引起的绝大部分问题都能得到满意解决，且不影响其优势的发挥。

电流型控制模式需要精确的检测功率管上的电流，现有的电流检测技术主要有串联电阻检测法、分流检测法、功率管压降检测法这三种方法。它们都有自己的优点和缺点。以下简单介绍现有技术中所述的三种检测方法。

(1)串联电阻检测法

串联电阻检测法是目前最常用的一种方法，其电路结构如图1所示，在待测功率管N1下串联一个几十毫欧的电阻，通过检测电阻上的压降来检测电流I。该方法的优点是检测精度高，缺点在于电阻会产生额外的损耗，特别是功率管上流过大电流时，这个损耗是很大的，严重影响芯片的效率，而且在集成电路工艺中精确的集成几十毫欧的电阻是很难的。

(2)分流检测法

分流检测法也是目前一种常用的方法，该方法的电路结构如图2所示，待测功率管N1和NMOS管N0镜像连接，且工艺和其它参数一致，使待测功率管N1和NMOS管N0的宽长比为M，则待测功率管N1和NMOS管N0上电流比为M∶1，通过检测与NMOS管N0管串联的电阻上流过的电流，从而得到待测功率管N1上的电流，检测出电流I，所述方法减小了损耗，但由于NMOS管N0下面存在检测电阻，待测功率管N1和NMOS管N0上的电流比不能严格等于M∶1，因此会存在一定的误差，使检测精度较低。

(3)检测功率管的压降法

检测功率管的压降法的电路结构如图3所示。当功率管导通时，它工作在深度线性区，电流可表示为公式(1)：

$I_D=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}[2(V_{\mathrm{GS}}-V_T)V_{\mathrm{DS}}-{V_{\mathrm{DS}}}^2]---\left(1\right)$

其中，μ为沟道电子的迁移率，C_OX为单位面积栅电容，V_T为功率管的阈值电压，V_GS为功率管的栅源电压，V_DS为功率管漏源电压，W、L分别为沟道的宽度和长度。

由于功率管工作在线性区，漏源电压很小，V_DS＜＜V_GS-V_T，忽略V_DS ²的影响，可以得到公式(2)：

$I_D=\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{GS}}-V_T)V_{\mathrm{DS}}---\left(2\right)$

由欧姆定律得到功率管的等效电阻，用公式(3)表示：

$R_{\mathrm{DS}}=\frac{L}{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}W(V_{\mathrm{GS}}-V_T)}---\left(3\right)$

若已知MOS管的等效电阻，可以通过检测功率管的漏源电压V_DS从而得到功率管上的电流。从理论上讲，这种方法很完美，不引入额外损耗，不影响芯片效率，然而实际应用中却存在很大缺陷，检测的精度很低，原因有以下两点：

第一、非线性的影响。通过公式(1)可以看出，我们忽略了V_DS ²，把电流电压的关系看成线性，从而推导出的公式(3)，但在被检测电流峰值附近，V_DS并不能忽略。

第二、温度特性的影响。从公式(3)可以看出，电阻R_DS受参数μ、C_OX、V_T的影响，而所述参数μ、C_OX、V_T都与温度相关，故电阻R_DS受温度影响比较大，因此所述方法虽然设计巧妙，但通常只应用在检测精度不高的场合。

以上三种现有的电流检测方法都不能很好地平衡检测精度与损耗之间的矛盾，因此应用受到很大局限，业内迫切需求一种低损耗，高精度，受工艺和温度影响小，并且易于集成的电流检测电路。

发明内容

为解决上述背景技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提出一种电流检测电路，在保证检测精度高的同时，受温度的影响较小，且易于集成。

一种电流检测电路，该检测电路包括待测功率管N1以及与待测功率管N1镜像的NMOS管N2，还包括放大电路，偏置电流I_bias，电源V_CC，NMOS管N3，四个PMOS管P3、P4、P5、P6以及输出负载电阻，其中PMOS管P3、NMOS管N3与NMOS管N2依次串行连接，同时PMOS管P3与PMOS管P4镜像连接，PMOS管P5与PMOS管P6镜像连接，PMOS管P6的漏端接偏置电流I_bias，四个PMOS管P3、P4、P5、P6的源端连接到电源V_CC上，PMOS管P4和PMOS管P5的漏端相连后接在输出负载电阻一端，输出负载电阻的另一端接地，放大电路的两个输入端分别与待测功率管N1和NMOS管N2的漏端相连，且放大器的输出端与NMOS管N3的栅极相连，电源端接电源V_CC。

所述放大电路由两个PMOS管P1和P2以及两个三极管Q1和Q2组成，所述PMOS管P1和PMOS管P2镜像连接，三极管Q1和三极管Q2的栅极相连，另外PMOS管P1和三极管Q1串联，PMOS管P2和三极管Q2串连，三极管Q1的基极和集电极相连，所述两个三极管Q1和Q2的发射极作为放大电路的所述两个输入端，三极管Q2的集电极作为所述放大电路的输出端，两个PMOS管的源端接放大电路的电源端。

所述PMOS管P1与PMOS管P2的工艺参数相同，宽长比成比例；三极管Q1与三极管Q2的工艺参数也相同，宽长比成比例。

所述两个镜像连接的PMOS管P3和P4工艺参数相同，宽长比成比例；所述两个镜像连接的PMOS管P5和P6工艺参数相同，宽长比成比例。

所述待测功率管N1和NMOS管N2工艺参数相同，宽长比成比例。

所述三极管Q1和三极管Q2均为NPN型。

本实用新型的有益效果在于：该检测电路也采用了直接检测功率管压降的方法，但利用电流放大器的两输入端电压相等的原理，用电流放大器的两输入端口分别接在待测功率管N1和NMOS管N2，来保证两个MOS管的V_DS完全相等，从而保证电流完全成比例的镜像，克服了现有技术中由于V_DS的差异和沟道调制效应导致的电流镜像不精确的问题，消除了功率管导通电阻非线性和温度特性对检测精度的影响，且该检测电路不产生额外的损耗，具有检测精度高，温度特性好，易于集成的优点。

附图说明

图1为现有技术中串联电压电流检测法的电路图；

图2为现有技术中分流检测法的电路图；

图3为现有技术中检测功率管的压降法的电路图；

图4为本实用新型具体实施例中检测电路所在的电流控制模式的开关电源电路图；

图5为本实用新型具体实施例中包含电流检测电路及待测功率管的检测电路图；

图6本实用新型具体实施例电流检测电路中电流放大器的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式详细描述。

附图4为电流型控制模式开关稳压电源中一种降压型的电路结构图，该电路结构包括：电感L、误差放大器EA、比较器comp、晶振OSC、RS锁存器、待测功率管N1、电流检测电路、电阻R、电容C和二极管D。其中，输入电压V_in经电感L与二极管D相连，再经并联连接的电阻R和电容C后接地，构成一个回路，通过电容C的充放电作用得到输出电压V_out，二极管D的作用是利用其单向导电特性防止电感L上的电流反向引起突变。

另外，在电感L与二极管D之间接入待测功率管N1源极，待测功率管N1漏极经电流检测电路接地，电流检测电路的另一端与比较器comp的一个输入端相连，输出电压V_out和参考电压V_ref经误差放大器后的输出端V_e连接到比较器comp的另一输入端，所述比较器comp的输出端与RS锁存器的R端相连，锁存器S端与晶振OSC相连，其输出端Q与待测功率管N1的栅极相连，从而控制待测功率管N1的关断。

所述电流控制模式开关稳压电源的工作原理为：设定在初始状态，RS锁存器的输出信号V_dri为低电平，待测功率管N1截止，输入电压V_in经电感L给电容C充电，使输出电压V_out不断上升，而输出电压V_out和参考电压V_ref的差值经误差放大器EA放大后，得到误差信号V_e。

若电流检测电路检测到的输出电流对应的电压V_dec达到误差放大器输出电压值V_e后，RS锁存器则重新置位，输出V_dri变成高电平，待测功率管N1导通，电感L中的电流经待测功率管N1和电流检测电路形成的回路产生分流，使输出电压V_out下降；当流经待测功率管N1中的电流继续增大，以致电流检测电路输出的电压V_dec达到误差放大器的输出电压V_e时，比较器comp再次翻转，RS锁存器复位，输出V_dri低电平，再次关断了待测功率管N1，输入电压V_in又经电感L给电容C充电，从而使输出电压V_out又进入了上升阶段。所以，电流检测电路对于待测功率管N1的通断起了很大的作用，且电流检测电路的精度直接影响了输出电压与参考电压的逼近程度以及输出电压的稳定性，因此，本实用新型提出了一种结构简单、检测精度高且相对稳定的电流检测电路。

附图5即为本实用新型所述的一种电流检测电路的具体电路图，除待测功率管N1外，该检测电路包括由两个PMOS管P1和P2以及两个NPN三极管Q1和Q2组成的放大电路、NMOS管N2、NMOS管N3、四个PMOS管P3，P4，P5，P6以及输出负载电阻。其中，如附图5所示，NMOS管N2与待测功率管N1镜像连接，四个PMOS管P3，P4，P5，P6中P3管和P4管、P5管和P6管分别镜像连接，故待测功率管N1上的漏源电流与NMOS管N2上的漏源电流镜像；I_bias为电路偏置电流连接到PMOS管P6的漏端，NMOS管N3与NMOS管N2串行连接，检测待测功率管N1上的电流转化为检测如图5所示的I_out。

由于待测功率管N1的漏端电压V₁和NMOS管N2的漏端电压V₂不一定相同，则影响待测功率管N1和NMOS管N2的电流不能严格地镜像，所以，本实用新型中增加了电流放大器，使V₁和V₂的电压值相同。

附图6为本实用新型中电流放大器的具体电路图，该电路包括两个PMOS管P1和P2，两个NPN三极管Q1和Q2。其中，PMOS管P1和PMOS管P2镜像连接，相互匹配，本实施例中取其宽长比相同，则电流I1＝I2，对于两个NPN三极管Q1和Q2，流过集电极的电流可用公式(4)表示：

$I=\mathrm{Is}*\exp \left(\frac{V_{\mathrm{BE}}}{V_T}\right)---\left(4\right)$

因此，基极-射极电压V_BE可用公式(5)表示：

$V_{\mathrm{BE}}=V_T*\ln \left(\frac{I}{I_S}\right)---\left(5\right)$

由于三极管Q1和三极管Q2相匹配，则两个三极管的饱和电流I_S1＝I_S2，从而使两个三极管的基极-射极电压也相等V_BE1＝V_BE2，代入公式(6)和公式(7)中，

V_BE1＝Vg-Vs1            (6)

V_BE2＝Vg-Vs2            (7)

得到电压Vs1＝Vs2，因此，电流放大器的两输入端电压相等。其中Vg为附图6中三极管Q1和三极管Q2的基极电压，如附图5虚线框中所示为本实用新型电流检测电路中的电流放大器电路，其两个输入端分别与NMOS管N2和待测功率管N1的漏端相连，从而使两管的漏端电压相等。

以下详细介绍本实用电流检测电路的具体检测过程，本实用新型中，NMOS管N2与待测功率管N1的工艺参数相同，宽长比成比例，本实用新型中，取定待测功率管N1和NMOS管N2的宽长比为M∶1，其中M取整数。待测功率管N1和NMOS管N2的漏端分别与电流放大器的两输入端口相连，由电流放大器的原理分析可知，电流放大器的两输入端电压相等，从而使待测功率管N1和NMOS管N2的漏源电压相等，又如公式(8)所示：

$R_{\mathrm{DS}}=\frac{L}{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}W(V_{\mathrm{GS}}-V_T)}---\left(8\right)$

其中，由于待测功率管N1和NMOS管N2漏源电压相等，因此消除了非线性的影响，同时两管的工艺参数相同，则μ、C_OX、V_T也相同，且与温度无关，可以得到如公式(9)所示的待测功率管N1和NMOS管N2的漏源等效电阻比值，且所述比值是恒定的，不受温度影响。

R_DS(N1)∶R_DS(N2)＝1∶M         (9)

同时，由于电流放大器输入端电压相等，根据欧姆定律有：

(I1+I2)*R_DS(N2)＝(I3+I)*R_DS(N1)

带入公式(9)，则：

$I1=\frac{I3+I}{M}-I2---\left(10\right)$

其中，I、I1、I2、I3为如附图5所示的支路电流，且有电路关系可知，I3是微安级，I是安培级，I＞＞I3，可以近似得到：

$I1=\frac{I}{M}-I2$

同时，由于PMOS管P4与PMOS管P3镜像，PMOS管P5和P6与电流放大器中PMOS管P1、P2镜像，则由镜像电路的原理，可以得到如公式(11)所示的电流关系：

$I_{\mathrm{out}}=I1+I2=\frac{I}{M}---\left(11\right)$

由公式(11)可知，I_out和待测电流I成简单的线性关系，与偏置电流无关，克服了偏置电流对检测精度的影响，从而可以通过检测I_out检测待测电流I，而且非常方便准确，不受温度等外界可变因素的影响，检测精度很高。

Claims (6)

1、一种电流检测电路，该检测电路包括待测功率管N1以及与待测功率管N1镜像的NMOS管N2，其特征在于，该检测电路还包括放大电路，偏置电流I_bias，电源V_CC，NMOS管N3，四个PMOS管P3、P4、P5、P6以及输出负载电阻，其中PMOS管P3、NMOS管N3与NMOS管N2依次串行连接，同时PMOS管P3与PMOS管P4镜像连接，PMOS管P5与PMOS管P6镜像连接，PMOS管P6的漏端接偏置电流I_bias，四个PMOS管P3、P4、P5、P6的源端连接到电源V_CC上，PMOS管P4和PMOS管P5的漏端相连后接在输出负载电阻一端，输出负载电阻的另一端接地，放大电路的两个输入端分别与待测功率管N1和NMOS管N2的漏端相连，且放大器的输出端与NMOS管N3的栅极相连，电源端接电源V_CC。

2、根据权利要求1所述的一种电流检测电路，其特征在于，所述放大电路由两个PMOS管P1和P2以及两个三极管Q1和Q2组成，所述PMOS管P1和PMOS管P2镜像连接，三极管Q1和三极管Q2的栅极相连，另外PMOS管P1和三极管Q1串联，PMOS管P2和三极管Q2串联，三极管Q1的基极和集电极相连，所述两个三极管Q1和Q2的发射极作为放大电路的所述两个输入端，三极管Q2的集电极作为所述放大电路的输出端，两个PMOS管的源端接放大电路的电源端。

3、根据权利要求2所述的一种电流检测电路，其特征在于，所述PMOS管P1与PMOS管P2的工艺参数相同，宽长比成比例；三极管Q1与三极管Q2的工艺参数也相同，宽长比成比例。

4、根据权利要求1所述的一种电流检测电路，其特征在于，所述两个镜像连接的PMOS管P3和P4工艺参数相同，宽长比成比例；所述两个镜像连接的PMOS管P5和P6工艺参数相同，宽长比成比例。

5、根据权利要求1或2所述的一种电流检测电路，其特征在于，所述待测功率管N1和NMOS管N2工艺参数相同，宽长比成比例。

6、根据权利要求3所述的一种电流检测电路，其特征在于，所述三极管Q1和三极管Q2均为NPN型。

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