TWI536138B - Current detection circuit and the use of its switching regulator - Google Patents

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Description

電流檢測電路以及應用其的開關型調節器
本發明係關於開關電源領域，更具體的說，關於一種應用於開關型調節器中的電流檢測電路以及應用其的一種開關型調節器。
開關型調節器，用來提供穩定的電壓源或者電流源給各種各樣的電系統。開關型調節器把輸入直流電壓轉換成高頻率電壓，再對高頻輸出電壓進行濾波進而轉換成直流輸出電壓或者輸出電流。具體的說，開關型調節器通常包括一個開關器件、一個輸出濾波器和一個控制器，開關器件與一個輸入直流電壓源(如電池)交替性的連接和斷開以提供電源供應給負載。由電感和電容組成的輸出濾波器連接在輸入電壓源和負載之間，用於對開關器件的輸出信號進行濾波進而提供直流輸出電壓。控制器(例如脈衝寬度調製器或者頻率脈衝調製器等)根據輸出信號的狀態來控制上述開關器件的開關狀態，以此輸出一個相對穩定的直流電壓或者直流電流。
在這樣的開關型調節器結構中，為了實現對輸出電流 的精確控制，必須要對輸出電流進行採樣以獲得輸出電流的資訊，進而透過電流控制環路來維持輸出電流基本恆定。現有技術中，對輸出電流的採樣通常也是在輸出電流環路上串聯一小電阻或者利用輸出電感自身的DCR(電感直流電阻)，透過電阻上的壓降來獲得輸出電流資訊。
參考圖1A，所示為採用現有技術的一種在開關型調節器中檢測輸出電流的電流檢測電路的原理框圖。這裡，開關電晶體QT，開關電晶體QB，輸出電感L0和輸出電容Cout組成一降壓型拓撲結構，因此，可以得知，該開關型調節器的輸出電流Iout等於流過輸出電感L0的電感電流iL的平均值。為了實現對輸出電流Iout的檢測，與輸出電感L0串聯連接電阻Rsout來檢測電感電流iL，獲得表徵電感電流資訊的檢測信號Vsen，然後對檢測信號Vsen進行平均值運算，從而獲得了輸出電流資訊。採用這種實現方式，能夠很準確的實現對輸出電流的檢測，但是，由於需要採樣電感電流，因此，對積體電路的設計帶來了諸多不利影響。
參考圖1B，所示為採用現有技術的另一種在開關型調節器中檢測輸出電流的電流檢測電路的原理框圖。這裡，開關型調節器仍然以降壓型拓撲結構為例，輸出電流Iout為流過主功率開關電晶體QT的電流的平均值和流過同步功率開關電晶體QB或者同步整流管(二極體)的電流的平均值之和。因此，採樣流過主功率開關電晶體QT的電流iQT，並透過濾波電路101進行濾波，以獲得平均值 電流i1；類似的，採樣流過同步功率開關電晶體QB的電流iQB，並透過濾波電路102進行濾波，以獲得平均值電流i2；然後透過加法電路103對兩者進行和運算，從而獲得輸出電流Iout。採用這種實現方式，採樣的是流過開關電晶體的電流，因此，可以很方便的用積體電路的方式來實現，但是，兩套電流採樣電路的使用還是增加了晶片的面積，不利於積體電路的小型化。另外，時間常數較大的兩套濾波電路以及加法電路同樣需要較多的積體電路週邊器件。
有鑒於此，本發明的目的在於提供一種新型的應用於開關型調節器中的電流檢測電路，以解決現有技術中的電流檢測電路的電路體積大，實現成本高以及不利於電路的集成等問題。
依據本發明一實施例的電流檢測電路，應用於一開關型調節器中，用以獲得該開關型調節器的輸出電流，包括回饋信號發生電路和回饋控制電路；其中，該回饋信號發生電路根據接收到的該回饋控制電路的輸出信號和該開關型調節器中的電感電流的上升時間和電感電流的下降時間，以產生與該輸出信號成正比例關係的一回饋信號；該回饋控制電路接收該回饋信號和一基準信號，並控制該回饋信號與該基準信號維持一致。
較佳的，該基準信號與該開關型調節器的輸入電流成正比例關係，該輸出信號與該開關型調節器的輸出電流成正比例關係。
較佳的，該基準信號與該開關型調節器的輸出電流成正比例關係，該輸出信號與該開關型調節器的輸入電流成正比例關係。
進一步的，該回饋信號發生電路包括有第一開關電路和濾波電路，該第一開關電路包括串聯連接在該輸出信號和地電位之間的第一開關和第二開關，該濾波電路包括串聯連接在該第一開關和該第二開關的公共連接點和地電位之間的濾波電阻和濾波電容，該濾波電阻和該濾波電容的公共連接點上的輸出信號作為該回饋信號。
較佳的，在每一開關週期內，該第一開關的導通時間與該開關型調節器的電感電流的上升時間一致；該第二開關的導通時間與該開關型調節器的電感電流的下降時間一致。
較佳的，在每一開關週期內，該第一開關的導通時間與該開關型調節器的電感電流的下降時間一致；該第二開關的導通時間與該開關型調節器的電感電流的上升時間一致。
進一步的，該回饋信號發生電路還包括連接在該濾波電阻和該濾波電容之間的第三開關，該第三開關的導通時間為該開關週期內除去該上升時間和該下降時間外的剩餘時間。
進一步的，該回饋控制電路包括運算放大器，其第一輸入端接收該回饋信號，第二輸入端接收該基準信號，輸出端的輸出信號作為該回饋控制電路的輸出信號。
進一步的，該回饋控制電路包括跨導放大器和第一充電電容，該跨導放大器的第一輸入端接收該回饋信號，第二輸入端接收該基準信號，輸出端連接至該第一充電電容，該第一充電電容兩端的電壓作為該回饋控制電路的輸出信號。
進一步的，該回饋控制電路包括比較器，由串聯連接在一電壓源和地電位之間的第三開關和第四開關組成的第二開關電路和第二充電電容，該比較器的第一輸入端接收該回饋信號，第二輸入端接收該基準信號；該第三開關和該第四開關的開關狀態分別由該比較器的輸出信號及其非信號進行控制，該第二充電電容連接至該第三開關和該第四開關的公共連接點，該第二充電電容兩端的電壓作為該回饋控制電路的輸出信號。
較佳的，該開關型調節器為非同步型拓撲結構或者同步型電源拓撲結構。
較佳的，該開關型調節器工作在電感電流連續工作模式或者電感電流斷續工作模式或者電感電流臨界工作模式。
依據本發明一實施例的一種開關型調節器，包括上述的電流檢測電路，還包括，功率級電路、輸入電流檢測電路，輸出恆流控制電路以及邏輯和驅動電路；其中， 該輸入電流檢測電路與該功率級電路的輸入端連接，以獲得該開關型調節器的輸入電流；該電流檢測電路用以根據該輸入電流獲得與輸出電流成正比例關係的檢測信號；該輸出恆流控制電路根據該檢測信號和表徵該開關型調節器的期望輸出電流的基準信號，以產生相應的控制信號；該邏輯和驅動電路根據該控制信號產生相應的驅動信號來驅動該功率級電路中的功率開關電晶體，從而保證該輸出電流與該開關型調節器的期望輸出電流一致。
較佳的，該功率級電路中的功率開關電晶體、該輸入電流檢測電路、該電流檢測電路，該輸出恆流控制電路和該邏輯和驅動電路集成於一晶片中。
依據本發明一實施例的一種開關型調節器，包括上述的電流檢測電路，還包括，功率級電路、輸出電流檢測電路，輸出恆流控制電路、輸入限流電路以及邏輯和驅動電路；其中，該輸出電流檢測與該功率級電路的輸出端連接，以獲得該開關型調節器的輸出電流；該電流檢測電路用以根據該開關型調節器的輸出電流獲得與輸入電流成正比例關係的檢測信號；該輸出恆流控制電路與該輸出電流檢測電路連接，以接收該輸出電流和表徵該開關型調節器的期望輸出電流的基準信號，以產生相應的控制信號； 該輸入限流電路與該電流檢測電路連接，以接收該檢測信號和一電流限值；該邏輯和驅動電路分別與該輸出恆流控制電路和該輸入限流電路連接，以根據該控制信號產生相應的驅動信號來驅動該功率級電路中的功率開關電晶體，從而保證該輸出電流與該開關型調節器的期望輸出電流一致；以及當該輸入電流大於該電流限值時，關斷該功率級電路中的功率開關電晶體。
較佳的，該功率級電路中的功率開關電晶體、該輸出電流檢測電路、該電流檢測電路，該輸出恆流控制電路、該輸入限流電路和該邏輯和驅動電路集成於一晶片中。
依據本發明實施例的應用於開關型調節器中的電流檢測電路，根據開關型調節器的拓撲結構，僅透過採集開關型調節器的輸入側或者輸出側的電流資訊，來相應的獲得輸出側或者輸入側的電流資訊。具體的，根據輸入電流和輸出電流之間的比例關係，透過回饋信號發生電路來獲得該比例係數，然後透過回饋控制來實現一類比除法電路，進而間接獲得了輸出電流或者輸入電流資訊，具有很好的通用性，可適用於降壓型或者升壓型或者升壓降壓型拓撲結構。尤其對積體電路而言，這樣的電流檢測電路的實現方式為電路的集成提供了很大的便利，不僅節省了晶片的引腳數目，減小了晶片面積，同時也簡化了電路結構，提高了系統的可靠性，實現了最大程度的單片集成，最大化的簡化了晶片週邊電路。
101‧‧‧濾波電路
102‧‧‧濾波電路
103‧‧‧加法電路
200‧‧‧開關型調節器
201‧‧‧第一開關電路
202‧‧‧濾波電路
203‧‧‧回饋控制電路
204‧‧‧回饋信號發生電路
205‧‧‧降壓型功率級電路
400‧‧‧開關型調節器
401‧‧‧第一開關電路
402‧‧‧濾波電路
403‧‧‧回饋控制電路
404‧‧‧回饋信號發生電路
405‧‧‧升壓型功率級電路
500‧‧‧開關型調節器
501‧‧‧輸入電流檢測電路
502‧‧‧電流檢測電路
503‧‧‧輸出恆流控制電路
504‧‧‧邏輯和驅動電路
505‧‧‧晶片
506‧‧‧控制電路
600‧‧‧開關型調節器
601‧‧‧輸出電流檢測電路
602‧‧‧電流檢測電路
603‧‧‧輸出恆流控制電路
604‧‧‧邏輯和驅動電路
605‧‧‧輸入限流電路
606‧‧‧控制電路
607‧‧‧晶片
圖1A所示為採用現有技術的一種在開關型調節器中檢測輸出電流的電流檢測電路的原理框圖；圖1B所示為採用現有技術的另一種在開關型調節器中檢測輸出電流的電流檢測電路的原理框圖；圖2A所示為依據本發明第一實施例的應用於開關型調節器的電流檢測電路的原理框圖；圖2B所示為圖2A所示的電流檢測電路在電感電流連續模式(CCM)時的工作波形圖；圖2C所示為圖2A所示的電流檢測電路在電感電流斷續模式(DCM)時的工作波形圖；圖3所示為依據本發明第二實施例的應用於開關型調節器的電流檢測電路的原理框圖；圖4A所示為依據本發明第三實施例的應用於開關型調節器中的電流檢測電路的原理框圖；圖4B所示為圖4A所示的應用於開關型調節器中的電流檢測電路的工作波形圖；圖5所示為依據本發明一實施例的採用積體電路實現的開關型調節器的原理框圖；圖6所示為依據本發明另一實施例的採用積體電路實現的開關型調節器的原理框圖。
以下結合附圖對本發明的幾個較佳實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明較佳實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。
參考圖2A，所示為依據本發明第一實施例的應用於開關型調節器的電流檢測電路的原理框圖。在該實施例中，開關型調節器200包括功率級電路和電流檢測電路，這裡，以開關型調節器的功率級電路為降壓型拓撲結構為例進行說明。主功率開關電晶體QT，同步開關電晶體SB，輸出電感L0和輸出電容Cout組成一降壓型功率級電路205。其中，降壓型功率級電路205可以為同步型或者非同步型，相應的，同步開關電晶體SB應選擇為可控開關或者二極體。
在該實施例中，電流檢測電路不直接採樣降壓型功率級電路205的輸出電流，而是根據降壓型功率級電路205的輸入電流Iin，來間接產生一表徵降壓型功率級電路205的輸出電流Iout的檢測信號。
具體的，電流檢測電路包括由第一開關電路201和濾波電路202組成的回饋信號發生電路204以及回饋控制電路203，這裡，回饋控制電路203的輸出信號VIOUT作為電流檢測電路輸出的檢測信號，來表徵開關型調節器的輸出電流資訊。
其中，回饋信號發生電路204接收回饋控制電路203的輸出信號VIOUT和降壓型功率級電路中的電感電流iL的上升時間ton和下降時間toff資訊，並據以產生回饋信號VFB。
回饋控制電路203接收回饋信號VFB和基準信號VREF，並控制回饋信號VFB與基準信號VREF維持一致。其中，基準信號VREF表徵降壓型功率級電路205的輸入電流Iin，基準信號VREF的實現方式可以為已知的或者改進的輸入電流檢測方式，在此不再進行詳細說明。透過這種回饋控制，保證回饋控制電路203的輸出信號VIOUT表徵輸出電流Iout。
這裡，第一開關電路201接收回饋控制電路203的輸出信號VIOUT，並基於電感電流iL的上升時間ton和下降時間toff之間的比值，產生一方波信號VS；濾波電路202對接收到的方波信號VS進行濾波，以獲得回饋信號VFB。
圖2A中示出了第一開關電路201和濾波電路202，以及回饋控制電路203的一種具體實現方式。具體的，第一開關電路201包括串聯連接在回饋控制電路203的輸出端和地電位之間的開關Q1和開關Q2，其公共連接點A處的信號作為方波信號VS。在每一開關週期內，開關Q1的導通時間為電感電流的上升時間ton，開關Q2的導通時間為電感電流的下降時間toff。濾波電路202包括串聯連接在公共連接點A和地電位之間的電阻R1和電容C1，兩 者的公共連接點B處的信號作為回饋信號VFB，以傳遞至回饋控制電路203。回饋控制電路203包括一運算放大器A1，其同相輸入端接收基準信號VREF，反相輸入端接收回饋信號VFB，輸出端的輸出信號作為電流檢測電路的輸出信號VIOUT。
以下將結合圖2B和圖2C所示的圖2A所示的開關型調節器在不同工作模式時的工作波形圖對電流檢測電路的工作原理進行詳細說明。輸入電流Iin為流過主功率開關電晶體QT的開關電晶體電流IQ的平均值，在主功率開關電晶體QT導通時，開關電晶體電流IQ與電感電流iL一致。也就是說，輸入電流Iin為電感電流iL中所有上升部分的平均值。而輸出電流Iout則為電感電流iL不為零值的所有部分(包括上升部分和下降部分)的平均值。因此，輸出電流Iout和輸入電流Iin之間的比值為上升時間ton與上升時間ton和下降時間toff之和的比值。
參考圖2B，所示為開關型調節器200在電感電流連續模式(CCM)時的工作波形圖。在每一開關週期T內，當主功率開關電晶體QT處於導通狀態時，電感電流iL呈連續線性上升狀態，主功率開關電晶體QT的導通時間與電感電流的上升時間ton一致；當主功率開關電晶體QT處於關斷狀態時(下降時間toff)，電感電流iL呈連續線性下降狀態，主功率開關電晶體QT的關斷時間與電感電流的下降時間toff一致。因此，第一開關電路201中的開關Q1的開關狀態可以由主功率開關電晶體QT的控制信號 TG進行控制，開關Q1與主功率開關電晶體QT的開關狀態維持一致；開關Q2的開關狀態可以由控制信號TG的非信號進行控制，開關Q1與主功率開關電晶體QT的開關狀態相反。
透過上述對第一開關電路201的控制，假設主功率開關電晶體QT的導通占空比為D，則回饋信號VFB可以透過以下公式(1)進行表示：V FB =V IOUT ×D (1)
與輸入電流Iin成比例的基準信號VREF可以表示為：V REF =I in ×k 2 (2)
這裡，k2表示兩者之間的比例係數。
根據運算放大器的虛擬短路原理，運算放大器A1的兩個輸入端的基準信號VREF與回饋信號VFB相等，綜合公式(1)和公式(2)，可以得出：V IOUT ×D=I in ×k 2 (3)
而根據降壓型拓撲結構的工作原理，當電感電流iL不為斷續工作模式(連續工作模式或者臨界工作模式)時，輸入電流Iin和輸出電流Iout之間的關係為：I in =D×I out (4)
結合公式(3)和公式(4)，可以得出：V IOUT =I out ×k 2 (5)
即輸出信號VIOUT與輸出電流Iout成正比例關係，透過圖2A所示的實施例獲得了表徵輸出電流的輸出信號 VIOUT，實現了對輸出電流Iout的檢測。
透過對圖2B的說明，可以得知當開關型調節器工作在電感電流連續模式(CCM)以及電感電流臨界模式(BCM)時，電感電流的上升時間ton和電感電流的下降時間toff資訊可以僅透過功率級電路中的主功率開關電晶體的占空比來獲得，因此，此時開關型調節器的功率級電路可以為同步型或者非同步型拓撲結構。
參考圖2C，所示為圖2A所示的開關型調節器200在電感電流斷續工作模式(DCM)時的工作波形圖。在電感電流工作在斷續工作模式時，輸入電流Iin和輸出電流Iout不再符合上述公式(4)所表示的關係，電感電流的上升時間ton和電感電流的下降時間toff資訊與主功率開關電晶體的占空比不一致。當降壓型功率級電路205為同步型拓撲結構時，即同步開關電晶體SB為可控的同步功率開關電晶體時，電感電流iL的上升時間ton與主功率開關電晶體QT的導通時間一致，電感電流iL的下降時間toff與同步開關電晶體SB的導通時間一致。因此，第一開關電路201中開關Q1的開關狀態可由主功率開關電晶體QT的控制信號TG進行控制，開關Q2的開關狀態可由同步開關電晶體SB的控制信號BG進行控制。
在主功率開關電晶體QT和同步開關電晶體SB均處於關斷狀態的空閒時間tidle內，電感電流iL保持為零值。如果主功率開關電晶體QT和同步開關電晶體SB的開關阻抗較大，則電容C1不會放電，電容C1上的能量能夠維 持。而當主功率開關電晶體QT和同步開關電晶體SB的開關阻抗不夠大時，為了防止電容C1放電，則可以在電阻R1和電容C1之間串接第三開關Q3。在空閒時間tidle內，切斷電容C1的放電路徑，維持電容C1上的能量。
透過以上對依據本發明實施例的圖2A所示的電流檢測電路的詳細說明，根據電感電流工作模式以及開關型調節器中的功率級電路的拓撲結構對開關Q1和開關Q2的控制信號進行相應的設置。例如以圖2B所示的電感電流連續模式工作時，電感電流的上升時間和下降時間與主功率開關電晶體的導通時間和關斷時間一致，因此，此時開關Q1和開關Q2的控制信號可以選擇為主功率開關電晶體的控制信號以及該控制信號的非信號。開關型調節器可以為同步或者非同步拓撲結構，即圖2A中同步開關電晶體可以為可控電晶體，也可以為單向導通的二極體。而以圖2C所示的電感電流斷續模式工作時，電感電流的上升時間和下降時間分別與主功率開關電晶體的導通時間以及同步開關電晶體的導通時間一致，此時，此時開關Q1和開關Q2的控制信號可以選擇為主功率開關電晶體的控制信號和同步開關電晶體的控制信號，開關型調節器為同步型拓撲結構，同步開關電晶體為可控電晶體。
參考圖3，所示為依據本發明第二實施例的應用於開關型調節器中的電流檢測電路的原理框圖。在該實施例中，仍以降壓型拓撲結構為例進行說明。與圖2A所示的實施例相同的部分不再在圖3中示出，以及進行詳細說 明，例如功率級電路等。
在該實施例中，回饋控制電路包括比較器CMP1以及由開關Q3和開關Q4組成的第二開關電路。其中，比較器CMP1用以比較接收到的基準信號VREF和回饋信號VFB，並根據比較結果控制第二開關電路中開關Q3和開關Q4的開關狀態，從而透過第二開關電路控制電容CCHG的充放電動作，來維持電容CCHG兩端的電壓V1為一恆定值。這裡，電壓V1作為電流檢測電路的輸出信號。
具體的，回饋信號發生電路的輸入端連接至電容CCHG，以接收電壓V1。然後，透過第一開關電路和濾波電路，生成回饋信號VFB。基準信號VREF與輸入電流Iin成正比例關係。當回饋信號VFB大於基準信號VREF時，電容CCHG透過開關Q4進行放電，以釋放電容CCHG的儲能，使得電壓V1下降。反之，當回饋信號VFB小於基準信號VREF時，電壓源VCC透過開關Q3對電容CCHG進行充電，使得電壓V1上升。周而復始，透過如上回饋控制，控制回饋信號VFB與基準信號VREF維持一致。與以上對圖2A所示的實施例的描述類似，回饋信號VFB和電壓V1之間的比值關係與由開關型調節器的功率級電路的拓撲結構所確定的輸出電流和輸入電流之間的比值關係一致，因此，電壓V1與輸出電流Iout成正比例關係，從而實現了對輸出電流的檢測。
以上實施例以降壓型拓撲結構為例，對基於本發明思想的電流檢測電路進行了說明。本領域技術人員根據本發 明所公開的實施例的教導，可以推知回饋信號發生電路和回饋控制電路可以為任何合適的電路結構，並不限於上述公開的實施例，例如，圖3所示的電流檢測電路的實施例，也可以直接利用比較器CMP1的輸出信號控制一壓控電流源，該壓控電流源的電流對電容CCHG的充放電操作進行控制，調節電容CCHG兩端的電壓V1。
參考圖4A，所示為依據本發明第三實施例的應用於開關型調節器中的電流檢測電路的原理框圖。主功率開關電晶體QT1，同步開關電晶體SB1，輸出電感L01和輸出電容Cout1組成一升壓型功率級電路405。其中，升壓型功率級電路405可以為同步型或者非同步型，相應的，同步開關電晶體SB應選擇為可控開關(例如LDMOS電晶體或者雙極型電晶體)或者二極體。
在該實施例中，電流檢測電路不直接採樣升壓型功率級電路405的輸入電流，而是根據升壓型功率級電路405的輸出電流Iout，來間接產生一表徵升壓型功率級電路405的輸入電流Iin的檢測信號。
這裡，回饋控制電路403包括跨導放大器A2和充電電容CCHG1。跨導放大器A2的同相輸入端接收與輸出電流Iout成正比例關係的基準信號VREF1，反相輸入端接收回饋信號發生電路輸出的回饋信號VFB1；充電電容CCHG1連接在跨導放大器A2的輸出端和地電位之間，充電電容CCHG1兩端的電壓V1作為電流檢測電路的輸出信號。當基準信號大於回饋信號時，跨導放大器A2輸出端的輸出 電流對充電電容CCHG1進行充電，電壓V1上升；當基準信號小於回饋信號時，充電電容CCHG1透過跨導放大器A2進行放電，電壓V1下降，透過這種回饋控制，維持電壓V1基本恆定。
回饋信號發生電路404包括第一開關電路401和濾波電路402，其實現方式和工作原理與圖2A所示的實施例類似，不同的是，在每一開關週期內，開關Q1的導通時間與電感電流的下降時間toff一致，開關Q2的導通時間與電感電流的上升時間ton一致。
參考圖4B所示的圖4A所示的應用於開關型調節器中的電流檢測電路的工作波形圖，當電感電流iL處於連續模式時，輸入電流Iout為電感電流iL的平均值，輸出電流Iout為流過同步開關電晶體SB1的電流IS的平均值，即電感電流iL在下降時間區間內的平均值。電感電流的上升時間ton可以表示為主功率開關電晶體QT1的導通時間，即導通占空比D與開關週期T的乘積；電感電流的下降時間toff可以表示為主功率開關電晶體QT1的關斷時間，即截止占空比(1-D)與開關週期T的乘積。因此，開關Q1的開關狀態可由主功率開關電晶體QT1的控制信號TG的非信號進行控制，開關Q2的開關狀態可由主功率開關電晶體QT1的控制信號TG進行控制。
因此，電壓V1，回饋信號VFB1和基準信號VREF1之間的關係如下公式(6)所示：V FB1=V 1×(1-D)=V REF1=k 1×I out (6)
其中，k1為基準信號VREF1和輸出電流Iout之間的比例係數。
根據升壓型拓撲結構的工作原理，輸入電流Iin和輸出電流Iout之間的關係如下式(7)所示：I in ×(1-D)=I out (7)
將公式(7)代入公式(6)，可以推知下公式(8)：V 1=k 1×I in (8)
可見，透過上述電流檢測電路，僅需要採樣輸出電流，即獲得了輸入電流Iin成正比例的檢測信號，即電壓V1。
對於電感電流斷續(DCM)的工作模式，參照對圖2C的說明可以推知圖4A所示的電流檢測電路在該工作模式時的工作原理，在此不再贅述。
以上結合具體實施例對開關型調節器的不同拓撲結構以及開關型調節器的不同的電感電流工作模式下的電流檢測電路進行了詳細說明，根據以上公開的實施例的教導，本領域技術人員可以得知其他基於本發明基本原理的合適的電路結構，例如，回饋信號發生電路和回饋控制電路。
參考圖5，所示為依據本發明一實施例的包含一電流檢測電路的開關型調節器的原理框圖。在該實施例中，仍以開關型調節器500為同步降壓型拓撲結構為例，主功率開關電晶體QT，同步功率開關電晶體QB，電感Lout和電容Cout組成一降壓型功率級電路。
提高電路的集成化是開關電源的追求之一，對中小功率開關電源來說是實現單片集成化，即將控制電路、功率開關電晶體和保護電路等集成在一個晶片內。這樣的單片集成調節器由於不需要控制電路、驅動電路和功率器件之間的引線連接，因此器件間的引線寄生電阻和寄生電感減小。這種方案與各個功能元件相互分離的分立元件解決方案相比較，功能元件間的較低的引線寄生電阻和寄生電感使得單片集成開關型調節器可以容納更大的電流密度，並且可以工作在較高的開關頻率。
在圖5所示的實施例中，主功率開關電晶體QT，同步功率開關電晶體QB和控制電路506集成於一單顆的晶片505中，晶片505包括引腳IN，引腳GND和引腳LX。控制電路506包括電流檢測電路502，輸出恆流控制電路503以及邏輯和驅動電路504。
引腳IN連接至主功率開關電晶體QT的第一功率端，並接收外部輸入電壓Vin，以提供電源供應給開關型調節器500。引腳GND連接至同步功率開關電晶體QB的第二功率端，並連接至地電位。引腳LX的一端連接至主功率開關電晶體QT和同步功率開關電晶體QB的公共連接點，另一端依次連接電感Lout和電容Cout。
電流檢測電路502接收源自引腳IN的輸入電流資訊(Iin)，以據以產生與輸出電流Iout成正比例的輸出信號，其實現方式可以為任何合適依據本發明實施例的電流檢測電路，例如圖2A或者圖3所示的電流檢測電路。這 裡，輸入電流Iin可以透過一輸入電流檢測電路501來獲得，其可以透過多種實現方式來獲得，例如，串接採樣電阻或者霍爾電流感測器或者其他合適的電路結構。
輸出恆流控制電路503接收表徵輸出電流Iout的輸出信號和表徵開關型調節器500的期望輸出電流的基準信號IREF，以根據兩者之間的誤差產生具有相應的占空比的控制信號Vctrl。
邏輯和驅動電路504接收控制信號Vctrl，以產生驅動信號TG來驅動主功率開關電晶體QT，以及驅動信號BG來驅動同步功率開關電晶體QB。
主功率開關電晶體QT和同步功率開關電晶體QB週期性的閉合和斷開，控制流過電感Lout的電感電流，從而維持開關型調節器的輸出電流Iout與期望輸出電流一致。
可見，圖5所示的開關型調節器的實施例由於不需要直接採樣輸出電流Iout，因此，不需要單獨的晶片週邊電路來採樣輸出電流資訊，也不再需要一個單獨的引腳來接收該輸出電流資訊。圖5中的開關型調節器直接利用引腳IN來獲取輸入電流資訊，進而透過電流檢測電路來獲取輸出電流資訊，不僅節省了晶片的引腳數目，減小了晶片面積，同時也簡化了電路結構，提高了系統的可靠性，實現了最大程度的單片集成，最大化的簡化了晶片週邊電路。
參考圖6，所示為依據本發明另一實施例的包含一電流檢測電路的開關型調節器的原理框圖。在該實施例中， 開關型調節器600為同步升壓型拓撲結構為例，主功率開關電晶體QT1，同步功率開關電晶體QB1，輸入電感Lin和電容Cout1組成一升壓型功率級電路。控制電路606包括輸出電流檢測電路601，電流檢測電路602，輸入限流電路605，輸出恆流控制電路603以及邏輯和驅動電路604。
其中，主功率開關電晶體QT1，同步功率開關電晶體QB1和控制電路606集成於一單顆的晶片607中。晶片607包括引腳LX，引腳GND和引腳OUT。輸入電壓Vin透過輸入電感Lin和引腳LX傳遞至主功率開關電晶體QT1，同步功率開關電晶體QB1的公共連接端。引腳OUT透過輸出電容Cout連接至負載。引腳GND連接至地電位。
輸出電流檢測電路601與引腳OUT連接，以採集引腳OUT的電流資訊，並獲得輸出電流資訊。
電流檢測電路602接收輸出電流Iout資訊，並據以產生輸入電流資訊(例如可以是與輸入電流成正比例關係的檢測信號)。
輸入限流電路605接收輸入電流資訊和一電流限值IREF2，並根據兩者的大小關係產生限流信號Vlim。
輸出恆流控制電路603接收輸出電流資訊和表徵期望輸出電流的基準信號IREF1，以根據兩者之間的誤差生成具有相應占空比的控制信號Vctrl。
邏輯和驅動電路604分別與輸出恆流控制電路603和 輸入限流電路605連接，以根據控制信號Vctrl產生驅動信號TG1來驅動主功率開關電晶體QT1和驅動信號BG1來驅動同步功率開關電晶體QB1，保證該輸出電流與該開關型調節器的期望輸出電流一致。同時，當輸入電流Iin大於該電流限值IREF2時，關斷該功率級電路中的主功率開關電晶體QT1。
對於其他拓撲結構的開關型調節器，本領域技術人員根據圖5所示的實施例的教導，可以推知其具體的實現方式。
另外，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，並不排除在包括該要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敍述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本 發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受申請專利範圍及其全部範圍和等效物的限制。
200‧‧‧開關型調節器
201‧‧‧第一開關電路
202‧‧‧濾波電路
203‧‧‧回饋控制電路
204‧‧‧回饋信號發生電路
205‧‧‧降壓型功率級電路

Claims (15)

  1. 一種電流檢測電路，應用於一開關型調節器中，其特徵在於，包括回饋信號發生電路和回饋控制電路；其中，該回饋信號發生電路根據接收到的該回饋控制電路的輸出信號和該開關型調節器中的電感電流的上升時間和電感電流的下降時間，以產生與該輸出信號成正比例關係的一回饋信號；該回饋控制電路接收該回饋信號和一基準信號，並控制該回饋信號與該基準信號維持一致，其中，該回饋信號發生電路包括第一開關電路和濾波電路，該第一開關電路包括串聯連接在該輸出信號和地電位之間的第一開關和第二開關，該濾波電路包括串聯連接在該第一開關和該第二開關的公共連接點和地電位之間的濾波電阻和濾波電容，該濾波電阻和該濾波電容的公共連接點上的輸出信號作為該回饋信號。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，該基準信號與該開關型調節器的輸入電流成正比例關係，該輸出信號與該開關型調節器的輸出電流成正比例關係。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，該基準信號與該開關型調節器的輸出電流成正比例關係，該輸出信號與該開關型調節器的輸入電流成正比例關係。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，在每一開關週期內，該第一開關的導通時間與該開關型調節器的電感電流的上升時間一致；該第二開關的導通時間與該開關型調節器的電感電流的下降時間一致。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，在每一開關週期內，該第一開關的導通時間與該開關型調節器的電感電流的下降時間一致；該第二開關的導通時間與該開關型調節器的電感電流的上升時間一致。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，該回饋信號發生電路還包括連接在該濾波電阻和該濾波電容之間的第三開關，該第三開關的導通時間為該開關週期內除去該上升時間和該下降時間外的剩餘時間。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，該回饋控制電路包括運算放大器，其第一輸入端接收該回饋信號，第二輸入端接收該基準信號，輸出端的輸出信號作為該回饋控制電路的輸出信號。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，該回饋控制電路包括跨導放大器和第一充電電容，該跨導放大器的第一輸入端接收該回饋信號，第二輸入端接收該基準信號，輸出端連接至該第一充電電容，該第一充電電容兩端的電壓作為該回饋控制電路的輸出信號。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，該回饋控制電路包括比較器，由串聯連接在一電壓源和地電位之間的第三開關和第四開關組成的第二開關電 路和第二充電電容，該比較器的第一輸入端接收該回饋信號，第二輸入端接收該基準信號；該第三開關和該第四開關的開關狀態分別由該比較器的輸出信號及其非信號進行控制，該第二充電電容連接至該第三開關和該第四開關的公共連接點，該第二充電電容兩端的電壓作為該回饋控制電路的輸出信號。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，該開關型調節器為非同步型拓撲結構或者同步型電源拓撲結構。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，該開關型調節器工作在電感電流連續工作模式或者電感電流斷續工作模式或者電感電流臨界工作模式。
  12. 一種開關型調節器，其特徵在於，包括申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，還包括，功率級電路、輸入電流檢測電路，輸出恆流控制電路以及邏輯和驅動電路；其中，該輸入電流檢測電路與該功率級電路的輸入端連接，以獲得該開關型調節器的輸入電流；該電流檢測電路用以根據該輸入電流獲得與輸出電流成正比例關係的檢測信號；該輸出恆流控制電路根據該檢測信號和表徵該開關型調節器的期望輸出電流的基準信號，以產生相應的控制信號；該邏輯和驅動電路根據該控制信號產生相應的驅動信 號來驅動該功率級電路中的功率開關電晶體，從而保證該輸出電流與該開關型調節器的期望輸出電流一致。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述的開關型調節器，其中，該功率級電路中的功率開關電晶體、該輸入電流檢測電路、該電流檢測電路，該輸出恆流控制電路和該邏輯和驅動電路集成於一晶片中。
  14. 一種開關型調節器，其特徵在於，包括申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，還包括，功率級電路、輸出電流檢測電路，輸出恆流控制電路、輸入限流電路以及邏輯和驅動電路；其中，該輸出電流檢測與該功率級電路的輸出端連接，以獲得該開關型調節器的輸出電流；該電流檢測電路用以根據該開關型調節器的輸出電流獲得與輸入電流成正比例關係的檢測信號；該輸出恆流控制電路與該輸出電流檢測電路連接，以接收該輸出電流和表徵該開關型調節器的期望輸出電流的基準信號，以產生相應的控制信號；該輸入限流電路與該電流檢測電路連接，以接收該檢測信號和一電流限值；該邏輯和驅動電路分別與該輸出恆流控制電路和該輸入限流電路連接，以根據該控制信號產生相應的驅動信號來驅動該功率級電路中的功率開關電晶體，從而保證該輸出電流與該開關型調節器的期望輸出電流一致；以及當該輸入電流大於該電流限值時，關斷該功率級電路中的功率 開關電晶體。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的開關型調節器，其中，該功率級電路中的功率開關電晶體、該輸出電流檢測電路、該電流檢測電路，該輸出恆流控制電路、該輸入限流電路和該邏輯和驅動電路集成於一晶片中。
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