專利名稱：一種電流檢測電路以及應用其的開關型調節器的制作方法
技術領域：
本發明涉及開關電源領域，更具體的說，涉及一種應用于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。
背景技術：
開關型調節器，用來給各種各樣的電系統提供穩定的電壓源或者電流源。開關型調節器把輸入直流電壓轉換成高頻率電壓，在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給負載(如集成電路)供電。輸出濾波器連接在輸入電壓源和負載之間，由電感和電容組成，用于對開關器件的輸出進行濾波進而提供直流輸出電壓。控制器(例如脈沖寬度調制器或者頻率脈沖調制器等)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，為了防止輸出短路或者電路過流情況下弓I起輸入側電流過大，導致溫度升高，過熱使得器件損壞或者使其壽命降低，通常都會在電路中加入峰值電流限流電路部分，當瞬時電流過大時，峰值電流限流電路部分開始工作，以關斷或者將該峰值電流限流使之減小，從而起到保護功率開關器件的作用。然而，上述的限流電路僅僅是對開關型調節器本身進行保護，在實際應用中，對輸入電源(如USB 口供電)同樣需要限流保護，有必要對輸入電流的平均值進行限流操作。限流保護電路首先要有一個電流取樣環節，一般的做法是串聯一個小電阻或者采用霍爾元件來獲得電流信號。當采樣電流比較小的時候，這兩種取樣方法都是可取的。但當取樣電流比較大時，電阻取樣會有較大的損耗，降低了變換器的效率，而霍爾元件取樣體積比較大，且價格昂貴，整個電源的成本增加。另一方面，為了實現對輸出電流的精確控制，必須要對輸出電流進行采樣以獲得輸出電流的信息，進而通過電流控制環路來維持輸出電流基本恒定。現有技術中，對輸出電流的采樣通常也是在輸出電流環路上串聯一小電阻，通過電阻上的壓降來獲得輸出電流信
肩、O如圖1所示，其為采用現有技術的一種在開關型調節器中采用外接電阻的方式來實現對輸入電流和輸出電流的采樣的電流檢測電路的原理框圖。其中，電阻Rsin串聯在開關型調節器的輸入端Vin，電阻Rsin上的壓降Vsin反映了開關型調節器的輸入電流Iin的數值大小。類似的，電阻R_t串聯在開關型調節器的輸出端Vwt，電阻R_t上的壓降V_t反映了開關型調節器的輸出電流U的數值大小。顯然，采用這種實現方式，在電阻Rsin和電阻R_t上不可避免的會產生一定的功率損耗，其數值大小與電阻Rsin和電阻R_t的阻值大小以及電路輸入電流值的平方或者輸出電流數值的平方成正比，從而降低了開關型調節器的效率。為了減小這種損耗，通常電阻Rsin和電阻R_t的電阻值會選擇的盡可能的小，但是在這種情況時，則需要低失調的放大器Al和放大器A2來對電阻上的壓降進行放大，顯然，放大器的使用不僅增加了電路的實現成本，而且由于放大器本身也存在一定的直流靜態損耗，因此又進一步的增加了電路的功率損耗。例如，假設電路輸入電流為1A，輸入采樣電阻為IOOm Ω時，則這時的電阻Rsin的功率損耗大約為IOOmW,顯然其不能滿足高效率應用場合的使用。另外，圖1所示的采用現有技術的一種電流檢測電路的實現方式需要在開關型調節器的外圍外接采樣電阻，以及放大器等部分，使得電路面積變大、噪聲影響也較大，降低了系統的可靠性。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種新型的應用于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功率損耗大，電路體積大以及實現成本高等問題。依據本發明一實施例的電流檢測電路，應用于一開關型調節器中，用以獲得所述開關型調節器的輸入電流和輸出電流，包括，鏡像電路和電流發生電路，其中，所述鏡像電路用以根據流過所述開關型調節器中的開關管的開關管電流，生成與所述開關管電流成比例的采樣信號；所述電流發生電路對所述采樣信號基于所述開關型調節器的開關周期進行平均值運算，以及基于所述開關管的導通占空比對所述采樣信號進行平均值運算，以獲得所述輸入電流和所述輸出電流。進一步的，所述鏡像電路包括電流鏡和電流-電壓轉換電路；所述電流鏡與所述開關管連接，以獲得一與所述開關管電流成比例的采樣電流；所述電流-電壓轉換電路接收所述采樣電流，并將其轉換為一采樣電壓，以作為所述采樣信號。進一步的，所述電流發生電路包括第一濾波電路和第二濾波電路；其中，所述第一濾波電路包括一由電阻和電容組成的RC濾波器；所述第二濾波電路包括串聯連接的第一可控開關和一由電阻和電容組成的另一RC濾波器，所述第一可控開關的開關狀態與所述開關管的開關狀態一致。進一步的，所述電流發生電路還包括第三濾波電路，與所述第二濾波電路連接，以接收所述第二濾波電路的輸出信號，并且基于所述開關型調節器中的電感電流的持續時間和所述開關型調節器的開關周期，對所述第二濾波電路的輸出信號進行平均值運算。優選的，所述開關型調節器為降壓型拓撲結構，所述開關管為所述開關型調節器的主功率開關管；所述第一濾波電路接收所述采樣信號，并對所述采樣信號進行濾波，以獲得所述輸入電流；當所述電感電流不為斷續工作模式時，所述第二濾波電路接收所述采樣信號，基于所述導通占空比以對所述采樣信號進行濾波，以獲得所述輸出電流；當所述電感電流為斷續工作模式時，所述第三濾波電路的輸出信號作為所述輸出電流。優選的，所述開關型調節器為非同步或者同步降壓型拓撲結構。優選的，所述開關型調節器為同步升壓型拓撲結構；所述開關管為所述開關型調節器的同步功率開關管；所述第一濾波電路接收所述采樣信號，并對所述采樣信號進行濾波，以獲得所述輸出電流；當所述電感電流不為斷續工作模式時，所述第二濾波電路接收所述采樣信號，基于所述導通占空比以對所述采樣信號進行濾波，以獲得所述輸入電流；當所述電感電流為斷續工作模式時，所述第三濾波電路的輸出信號作為所述輸入電流。進一步的，所述第三濾波電路包括第二可控開關，第三可控開關和第一 RC濾波器；其中，所述第二可控開關和所述第三可控開關串聯連接在所述第二濾波電路的輸出端和地電位之間；所述第一 RC濾波器連接至所述第二可控開關和所述第三可控開關的公共連接點；在每一開關周期內，所述第二可控開關的導通時間為所述電感電流的持續時間，所述第三可控開關在所述開關周期的剩余的時間區間內處于導通狀態。進一步的，所述第三濾波電路還包括連接在所述第二濾波電路的輸出端的緩沖器。優選的，所述開關型調節器為四開關降壓-升壓型拓撲結構，所述鏡像電路分別采樣所述開關型調節器中的降壓型結構中的主功率開關管的開關電流以獲得第一采樣信號，以及所述開關型調節器中的升壓型結構中的同步功率開關管的開關電流以獲得第二采樣信號;所述電流發生電路包括第二 RC濾波器和第三RC濾波器；所述第二 RC濾波器接收所述第一采樣信號，并對所述第一采樣信號進行濾波，以獲得所述輸入電流；所述第三RC濾波器接收所述第二采樣信號，并對所述第二采樣信號進行濾波，以獲得所述輸出電流。依據本發明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，輸出電流控制電路和輸入電流限制電路；其中，所述輸入電流限制電路與所述電流檢測電路連接，以接收所述電流檢測電路輸出的輸入電流，當所述輸入電流大于一預設限值時，對所述輸入電流進行限制；所述輸出電流控制電路與所述電流檢測電路連接，以接收所述電流檢測電路輸出的輸出電流，并根據所述輸出電流和一期望輸出電流，產生相應的控制信號，以控制所述功率級電路，從而維持所述功率級電路的輸出電流與所述期望輸出電流一致。依據本發明實施例的應用于開關型調節器中的電流檢測電路，不再采用通過在輸入電流回路和輸出電流回路中串聯采樣電阻來獲取輸入電流和輸出電流信息，而是根據所述開關型調節器的輸出電流和輸入電流之間的關系，采樣相應的開關型調節器中的開關管上的電流信息，來間接獲得輸入電流和輸出電流信息。由于開關管上的電流信息可以很方便的通過電流鏡的實現方式來獲得，因此不會產生功率損耗。尤其對集成電路而言，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，同時也降低了電路的實現成本。
圖1所示為采用現有技術的一種在開關型調節器中的電流檢測電路的原理框圖；圖2所示為依據本發明第一實施例的應用于開關型調節器中的電流檢測電路的原理框圖；圖3A所示為依據本發明第二實施例的應用于開關型調節器中的電流檢測電路的原理框圖；圖3B所示為圖3A所示的依據本發明實施例的電流檢測電路在電感電流連續時的工作波形圖；圖4A所示為依據本發明第三實施例的應用于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所示的電壓檢測電路在電感電流斷續工作模式(DCM)時的工作波形圖；圖5A所示為依據本發明第四實施例的應用于開關型調節器中的電流檢測電路的原理框圖；圖5B所示的圖5A所示的電流檢測電路在電感電流連續時的工作波形圖；圖6所示為依據本發明第五實施例的應用于開關型調節器中的電流檢測電路的原理框圖；圖7所示為依據本發明一實施例的開關型調節器的原理框圖。
具體實施例方式以下結合附圖對 本發明的幾個優選實施例進行詳細描述，但本發明并不僅僅限于這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選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。以下結合具體實施例詳細說明在不同的功率級電路拓撲結構中，依據本發明實施例的應用于開關型調節器中的電流檢測電路的實現原理。參考圖2，所示為依據本發明第一實施例的應用于采用降壓型拓撲結構中的開關型調節器的電流檢測電路的原理框圖。在該實施例中，由于開關型調節器采用的是降壓型拓撲結構，根據降壓型調節器的工作原理，假設主功率開關管Qt的導通占空比為D，則開關型調節器的輸出電流Iwt和輸入電流Iin之間的關系如下公式(I)所示:Iin=1utXDCl)因此，在該實施例中，利用流過主功率開關管Qt的開關管電流Iq來間接獲取輸入電流和輸出電流信息。具體的，在該實施例中，電流檢測電路包括鏡像電路101和電流發生電路104 ;其中，鏡像電路101包括電流鏡102和電流-電壓轉換電路103。電流鏡102用以對流過主功率開關管Qt的開關管電流Iq進行鏡像，以獲得與開關管電流Iq成一定比例的采樣電流Isen ;電流-電壓轉換電路103接收采樣電流Isen，并將其轉換為采樣電壓Vsen ;采樣電壓Vsm包含主功率開關管Qt的導通占空比D的信息；
電流發生電路104接收采樣電壓Vsen,并對其進行平均值運算，以及基于導通占空比D對采樣電壓Vsm進行平均值運算，從而獲得輸入電流Iin和輸出電流Iwt。可見，依據本發明實施例的電流檢測電路，根據開關型調節器的輸出電流和輸入電流之間的關系，采樣相應的開關型調節器中的開關管上的電流信息，間接獲取了輸入電流和輸出電流信息；不需要在輸入電流回路和輸出電流回路中串聯采樣電阻來獲取輸入電流和輸出電流信息，降低了功率損耗，同時節省了實現成本。參考圖3A，所示為依據本發明第二實施例的應用于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。其中，電流鏡102包括與主功率開關管Qt類型相同的鏡像開關管Qm。在該實施例中選用MOSFET晶體管，流過主功率開關管Qt和流過鏡像開關管Qm兩者的電流的比值關系為N: 1，一般來說，N大于10，這樣鏡像開關管Qm的電流要比流過主功率開關管Qt的電流小至少90%。為了進一步減小損耗，N—般取值1000以上。通過電流鏡102獲得了與開關管電流Iq成比例關系的檢測電流Ism。在該實施例中，電流-電壓轉換電路包括一與電流鏡102串聯連接的電阻Rsm，從而在電阻Rsm兩端產生與開關管電流Iq成比例關系的采樣電壓Vsm。電流發生電路包括第一濾波電路201和第二濾波電路202。在該實施例中，第一濾波電路201包括由電阻Rl和電容Cl組成的RC濾波器；第二濾波電路202包括串聯連接的可控開關Qc以及由電阻R2和電容C2組成的RC濾波器，這里，可控開關Qc的開關狀態與主功率開關管Qt的開關狀態一致。可控開關Q。可以選擇為MOSFET晶體管或者其他類型的晶體管。第一濾波電路201和第二濾波電路202分別接收采樣電壓Vsen，并分別對采樣電壓Vsen進行濾波。參考圖3B，所示為圖3A中的依據本發明實施例的電流檢測電路在電感電流為連續導通模式(CCM)時的工作波形圖。主功率開關管Qt的開關狀態如波形圖Ve所示，在每一開關周期T內，主功率開關管屮的導通時間為DXT。流過電感Ltl的電感電流的波形如波形圖L所示，在主功率開關管Qt的導通時間內，電感電流k連續上升直至電感電流峰值；在主功率開關管Qt的關斷時間內，電感電流k自電感電流峰值開始連續下降。由于電感電流工作在連續導通模式(CCM)，所以電感電流k在整個開關周期T內是連續的。流過主功率開關管Qt的電流如波形圖1q所示。在主功率開關管Qt的導通時間內，開關管電流Iq與電感電流id呆持一致；在主功率開關管Qt的關斷時間內，開關管電流Iq保持為零值。根據降壓型拓撲結構的工作原理，輸出電流Itjut為電感電流k的平均值，由于電感電流是連續的，所以電感電流k的平均值與開關管電流Iq在導通時間內的平均值相等。因此，利用第二濾波電路202計算開關管電流Iq在導通時間內的平均值，即獲得了輸出電流
1ut °具體的，由于可控開關Q。的開關狀態與主功率開關管Qt的開關狀態保持一致，電阻R2和電容C2組成的RC濾波器的時間常數設置為足夠大，因此，第二濾波電路202的輸出信號V2與輸出電流Irat成正比例關系，兩者之間的關系如下公式(2)所示。
權利要求
1.一種電流檢測電路，應用于一開關型調節器中，以測量所述開關型調節器的輸入電流和輸出電流，其特征在于，包括，鏡像電路和電流發生電路，其中， 所述鏡像電路用以根據流過所述開關型調節器中的開關管的開關管電流，生成與所述開關管電流成比例的采樣信號； 所述電流發生電路對所述采樣信號基于所述開關型調節器的開關周期進行平均值運算，以及基于所述開關管的導通占空比對所述采樣信號進行平均值運算，以獲得所述輸入電流和所述輸出電流。
2.根據權利要求1所述的電流檢測電路，其特征在于，所述鏡像電路包括電流鏡和電流-電壓轉換電路；所述電流鏡與所述開關管連接，以獲得一與所述開關管電流成比例的采樣電流；所述電流-電壓轉換電路接收所述采樣電流，并將其轉換為一采樣電壓，以作為所述采樣信號。
3.根據權利要求1所述的電流檢測電路，其特征在于，所述電流發生電路包括第一濾波電路和第二濾波電路；其中， 所述第一濾波電路包括一由電阻和電容組成的RC濾波器； 所述第二濾波電路包 括串聯連接的第一可控開關和一由電阻和電容組成的另一 RC濾波器，所述第一可控開關的開關狀態與所述開關管的開關狀態一致。
4.根據權利要求3所述的電流檢測電路，其特征在于，所述電流發生電路還包括第三濾波電路，與所述第 二濾波電路連接，以接收所述第二濾波電路的輸出信號，并且基于所述開關型調節器中的電感電流的持續時間和所述開關型調節器的開關周期，對所述第二濾波電路的輸出信號進行平均值運算。
5.根據權利要求4所述的電流檢測電路，其特征在于，所述開關型調節器為降壓型拓撲結構，所述開關管為所述開關型調節器的主功率開關管； 所述第一濾波電路接收所述采樣信號，并對所述采樣信號進行濾波，以獲得所述輸入電流； 當所述電感電流不為斷續工作模式時，所述第二濾波電路接收所述采樣信號，基于所述導通占空比以對所述采樣信號進行濾波，以獲得所述輸出電流； 當所述電感電流為斷續工作模式時，所述第三濾波電路的輸出信號作為所述輸出電流。
6.根據權利要求5所述的電流檢測電路，其特征在于，所述開關型調節器為非同步或者同步降壓型拓撲結構。
7.根據權利要求4所述的電流檢測電路，其特征在于，所述開關型調節器為同步升壓型拓撲結構；所述開關管為所述開關型調節器的同步功率開關管； 所述第一濾波電路接收所述采樣信號，并對所述采樣信號進行濾波，以獲得所述輸出電流； 當所述電感電流不為斷續工作模式時，所述第二濾波電路接收所述采樣信號，基于所述導通占空比以對所述采樣信號進行濾波，以獲得所述輸入電流； 當所述電感電流為斷續工作模式時，所述第三濾波電路的輸出信號作為所述輸入電流。
8.根據權利要求4所述的電流檢測電路，其特征在于，所述第三濾波電路包括第二可控開關，第三可控開關和第一 RC濾波器；其中，所述第二可控開關和所述第三可控開關串聯連接在所述第二濾波電路的輸出端和地電位之間；所述第一 RC濾波器連接至所述第二可控開關和所述第三可控開關的公共連接點；在每一開關周期內，所述第二可控開關的導通時間為所述電感電流的持續時間，所述第三可控開關在所述開關周期的剩余的時間區間內處于導通狀態。
9.根據權利要求8所述的電流檢測電路，其特征在于，所述第三濾波電路還包括連接在所述第二濾波電路的輸出端的緩沖器。
10.根據權利要求1所述的電流檢測電路，其特征在于，所述開關型調節器為四開關降壓-升壓型拓撲結構，所述鏡像電路分別采樣所述開關型調節器中的降壓型結構中的主功率開關管的開關電流以獲得第一采樣信號，以及所述開關型調節器中的升壓型結構中的同步功率開關管的開關電流以獲得第二采樣信號； 所述電流發生電路包括第二 Re濾波器和第三RC濾波器； 所述第二 RC濾波器接收所述第一采樣信號，并對所述第一采樣信號進行濾波，以獲得所述輸入電流； 所述第三RC濾波器接收所述第二采樣信號，并對所述第二采樣信號進行濾波，以獲得所述輸出電流。
11.一種開關型調節器，其特征在于，包括權利要求1-10所述的任一電流檢測電路，還包括功率級電路，輸出電流控制電路和輸入電流限制電路；其中， 所述輸入電流限制電路與所述電流檢測電路連接，以接收所述電流檢測電路輸出的輸入電流，當所述輸入電流大于一預設限值時，對所述輸入電流進行限制； 所述輸出電流控 制電路與所述電流檢測電路連接，以接收所述電流檢測電路輸出的輸出電流，并根據所述輸出電流和一期望輸出電流，產生相應的控制信號，以控制所述功率級電路，從而維持所述功率級電路的輸出電流與所述期望輸出電流一致。
全文摘要
本發明涉及一種電流檢測電路以及應用其的一種開關型調節器。依據本發明實施例的電流檢測電路，利用鏡像電路生成與開關管電流成比例的采樣信號；利用電流發生電路對所述采樣信號基于所述開關型調節器的開關周期進行平均值運算，以及基于所述開關管的導通占空比對所述采樣信號進行平均值運算，以獲得所述輸入電流和所述輸出電流。
文檔編號G01R19/00GK103197121SQ20131011587
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者陳偉 申請人:矽力杰半導體技術(杭州)有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
