一種應用于dc-dc轉換器的新型電感電流檢測電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種應用于DC-DC轉換器的新型電感電流檢測電路，可分別用于檢測PMOS功率管和NMOS功率管的電流，適用于DC-DC轉換器的不同拓撲結構，包括功率管電流檢測模塊，用于采樣功率管上的電流，并按比例分配至電流檢測輸出端；帶有改進型共柵級放大器的負反饋回路，用于增大環路增益，并可精確地進行電壓鉗位，從而提高輸出的檢測電流精度；偏置電流補償支路，用于消除在低電感電流情況下偏置電流引入的誤差，進一步提高輕載下輸出的檢測電流精度。本發明電路不采用運放，因此相比傳統的片上電流檢測電路，其結構更為簡單，采用改進型共柵放大器，既可為負反饋回路提供增益并保證電流的檢測精度，又可降低檢測電流的時延，采用偏置電流補償支路，提高檢測精度。
【專利說明】-種應用于DC-DC轉換器的新型電感電流檢測電路
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電感電流檢測電路的【技術領域】，尤其是指一種應用于DC-DC轉換器的 新型電感電流檢測電路。
【背景技術】
[0002] 在電流模式DC-DC轉換器中，電感電流檢測電路可用于檢測電感或功率M0S管的 電流，并反饋至系統環路中實現了閉環控制，從而已成為電流模式DC-DC轉換器中不可或 缺的核心電路。
[0003] 傳統的電流檢測方法有串聯電阻法、濾波網絡法和鏡像法。其中，串聯電阻法通過 在功率級電流通路中串聯小阻值的電阻來檢測其壓降，進而獲得電感電流或功率管電流的 大小。但這種方法的弊端是功耗大且效率低，尤其應用在輸出電壓低的便攜式設備時更為 明顯。
[0004] 濾波網絡法采用并聯于電感兩端的RC低通網絡來檢測電感壓降，并通過電感的 ESR來計算所流過的電流；但這種技術由于需要精確匹配電感和RC低通網絡的時間常數， 因此在電感規格未知的情況下不適用，從而其成品電路在應用上存在局限性。
[0005] 鏡像法利用與功率管相匹配的檢測管來等比例鏡像功率管的電流，這種方法的主 要優勢是易于片內集成且功耗小，基于鏡像法的傳統片上電感電流檢測電路如圖5所示。 其中，功率管為Ml和M3, M2是與Ml匹配的檢測管。為了減少功耗，M2的長寬比至少為Ml 的千分之一，由于兩管柵源電壓相等，且運放的鉗位作用使乂 4和％相等，所以鏡像電流13可 以較為精確地和電感電流k成比例。在忽略偏置電流Ib影響的情況下，可在Ms處獲得與 I s基本相等的檢測電流Ism。
[0006] 上述傳統的片上電感電流檢測方法存在的缺點是：1)需要設計高性能的運放用 于鉗位1和％，從而加大了設計難度；2)M2和Ml的版圖失配誤差較大；3)在輕載或斷續導 通模式下，I sm將降至較低值，其精度容易受到偏置電流Ib的影響。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于減少傳統電感電流檢測方法在電路設計和實現上的復雜度，提 高電感電流的檢測精度，同時降低電感電流檢測電路的延時問題。本發明提供一種高精度、 低功耗的應用于DC-DC轉換器的新型電感電流檢測電路，利用與M0S功率管匹配的檢測管 來檢測電感電流，并提出采用改進型共柵型放大器和負反饋回路構成良好的鉗位電路，用 于取代傳統電感電流檢測電路中的運算放大器，提高了檢測精度和降低檢測時延；同時，采 用偏置電流補償支路，在電感電流極低的情況下，進一步提高了電流檢測精度。
[0008] 為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種應用于DC-DC轉換器的新型 電感電流檢測電路，可分別用于檢測PM0S功率管和NM0S功率管的電流，適用于DC-DC轉換 器的不同拓撲結構，包括：
[0009] 功率管電流檢測模塊，用于采樣功率管上的電流，并按比例分配至電流檢測輸出 端；
[0010] 帶有改進型共柵級放大器的負反饋回路，用于增大環路增益，并可精確地進行電 壓謝位，從而提1?輸出的檢測電流精度；
[0011] 偏置電流補償支路，用于消除在低電感電流情況下偏置電流引入的誤差，進一步 提高輕載下輸出的檢測電流精度。
[0012] 所述功率管電流檢測模塊主要由第一場效應管、第二場效應管、第三場效應管、第 七場效應管連接構成；所述負反饋回路主要由第四場效應管、第五場效應管、第六場效應管 連接構成，且所述第四場效應管和第五場效應管連接構成改進型共柵級放大器；所述偏置 電流補償支路主要由第八場效應管和第九場效應管連接構成；其中，檢測PM0S功率管電流 時的各個場效應管類型與檢測NM0S功率管電流時的對應場效應管類型相反。
[0013] 所述第一場效應管的源極與輸入電壓相連，第一場效應管的柵極接地，第一場效 應管的漏極分別與第七場效應管的源極及第三場效應管的源極相連；第七場效應管的漏 極與外圍電路的第十場效應管的漏極相連，第七場效應管的柵極與第十場效應管的柵極相 連，接入功率管驅動信號；第二場效應管的源極與輸入電壓相連，第二場效應管的柵極和第 三場效應管的柵極均接地；第四場效應管和第五場效應管的柵極相連，并連接于第四場效 應管的漏極；第四場效應管的襯底與第五場效應管的源極相連，第五場效應管的源極與第 三場效應管的漏極相連；第四場效應管的源極分別與第五場效應管的襯底、第二場效應管 的漏極、第八場效應管的漏極及第六場效應管的源極相連，第四場效應管的漏極與外圍電 路的第十一場效應管的漏極相連；第六場效應管的柵極與第五場效應管的漏極相連，第六 場效應管的漏極與外圍電路的第十二場效應管的漏極相連；第八場效應管的柵極分別與偏 置電壓和外圍電路的第十一場效應管、第十三場效應管、第十八場效應管的柵極相連，第八 場效應管的源極與第九場效應管的漏極相連；第九場效應管的柵極分別與外圍電路的第 十四場效應管、第十五場效應管、第十六場效應管的柵極相連，第九場效應管的源極接地。
[0014] 所述第七場效應管的漏極與外圍電路的第十場效應管的漏極相連，第七場效應管 的柵極與第十場效應管的柵極相連，接入功率管的柵極控制信號；第一場效應管的漏極分 別與第七場效應管的源極及第三場效應管的源極相連，第一場效應管的源極接地；第三場 效應管的漏極與第五場效應管的源極相連；第二場效應管的漏極與第四場效應管的源極相 連，第二場效應管的源極接地；第一場效應管、第二場效應管和第三場效應管的柵極均與電 源電壓相連；第四場效應管和第五場效應管的柵極相連，并連接于第四場效應管的漏極； 第四場效應管的襯底與第五場效應管的源極相連，第五場效應管的源極與第三場效應管的 漏極相連；第四場效應管的源極分別與第五場效應管的襯底、第二場效應管的漏極、第九場 效應管的漏極及第六場效應管的源極相連，第四場效應管的漏極與外圍電路的第十六場效 應管的漏極相連；第六場效應管的柵極與第五場效應管的漏極相連，第六場效應管的漏極 與外圍電路的第十七場效應管的漏極相連；第九場效應管的柵極分別與偏置電壓和外圍電 路的第十六場效應管及第十五場效應管的柵極相連，第八場效應管的漏極與第九場效應管 的源極相連；第八場效應管的柵極分別與外圍電路的第十四場效應管、第十一場效應管、第 十三場效應管的柵極相連，第八場效應管的源極與電源電壓相連。
[0015] 本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：
[0016] 1、本發明所述的新型電感電流檢測電路不采用運放，因此相比傳統的片上電流檢 測電路，其結構更為簡單；
[0017] 2、本發明所述的新型電感電流檢測電路采用改進型共柵放大器，既可為負反饋回 路提供增益并保證電流的檢測精度，又可降低檢測電流的時延；
[0018] 3、本發明所述的新型電感電流檢測電路采用偏置電流補償支路，降低了輕載或斷 續導通模式下偏置電流對輸出檢測電流的影響，進一步提高檢測精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為實施例1中所述新型電感電流檢測電路的電路原理圖。
[0020] 圖2為實施例1中所述新型電感電流檢測電路應用于檢測Buck型DC-DC轉換器 中的電感電流及其PM0S功率管電流的電路原理圖。
[0021] 圖3為實施例2中所述新型電感電流檢測電路的電路原理圖。
[0022] 圖4為實施例2中所述新型電感電流檢測電路應用于檢測Boost型DC-DC轉換器 中的電感電流及其NM0S功率管電流的電路原理圖。
[0023] 圖5為傳統的片上電感電流檢測電路原理圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0025] 實施例1
[0026] 如圖1所示，本實施例所述的應用于DC-DC轉換器的新型電感電流檢測電路，用于 檢測PM0S功率管的電流，包括：
[0027] 功率管電流檢測模塊，用于采樣功率管上的電流，并按比例分配至電流檢測輸出 端；
[0028] 帶有改進型共柵級放大器的負反饋回路，用于增大環路增益，并可精確地進行電 壓謝位，從而提1?輸出的檢測電流精度；
[0029] 偏置電流補償支路，用于消除在低電感電流情況下偏置電流引入的誤差，進一步 提高輕載下輸出的檢測電流精度。
[0030] 所述功率管電流檢測模塊主要由第一場效應管Ml、第二場效應管M2、第三場效應 管M3、第七場效應管Ms連接構成；所述負反饋回路主要由第四場效應管M4、第五場效應管 M5、第六場效應管M6連接構成，且所述第四場效應管M4和第五場效應管M5連接構成改進 型共柵級放大器；所述偏置電流補償支路主要由第八場效應管Mcl和第九場效應管Mc2連 接構成。
[0031] 所述第一場效應管Ml的源極與輸入電壓Vin相連，第一場效應管Ml的柵極接地， 第一場效應管Ml的漏極分別與第七場效應管Ms的源極及第三場效應管M3的源極相連；第 七場效應管Ms的漏極與外圍電路的第十場效應管M17的漏極相連，第七場效應管Ms的柵 極與第十場效應管M17的柵極相連，接入功率管驅動信號；第二場效應管M2的源極與輸入 電壓Vin相連，第二場效應管M2的柵極和第三場效應管M3的柵極均接地；第四場效應管 M4和第五場效應管M5的柵極相連，并連接于第四場效應管M4的漏極；第四場效應管M4的 襯底與第五場效應管M5的源極相連，第五場效應管M5的源極與第三場效應管M3的漏極相 連；第四場效應管M4的源極分別與第五場效應管M5的襯底、第二場效應管M2的漏極、第 八場效應管Mcl的漏極及第六場效應管M6的源極相連，第四場效應管M4的漏極與外圍電 路的第i 場效應管Mil的漏極相連；第六場效應管M6的柵極與第五場效應管M5的漏極 相連，第六場效應管M6的漏極與外圍電路的第十二場效應管M7的漏極相連；第八場效應 管Mcl的柵極分別與偏置電壓和外圍電路的第十一場效應管Mil、第十三場效應管M12、第 十八場效應管M16的柵極相連，第八場效應管Mcl的源極與第九場效應管Mc2的漏極相連； 第九場效應管Mc2的柵極分別與外圍電路的第十四場效應管M15、第十五場效應管M14、第 十六場效應管M13的柵極相連，第九場效應管Mc2的源極接地。
[0032] 在圖1中，第十場效應管M17為DC-DC轉換器拓撲結構中的P型功率開關管，用于 傳遞電感電流L。由于第一場效應管Ml的長寬比遠大于第七場效應管Ms,所以第一場效 應管Ml上的壓降很小，E點的電位十分接近輸入電壓Vin，從而確保了第七場效應管Ms可 以精確鏡像第十場效應管M17上的電流。設定兩者的長寬比為（W/L) M17 : (W/L)Ms = & :1，第 七場效應管Ms和第十場效應管M17上流過的電流分別為L和IP，則Ip山=& :1。
[0033] 第五場效應管M5和第四場效應管M4兩者的襯底分別交叉連接于A、B兩點，構成 改進型共柵放大器，其作用是增大環路增益，使第四場效應管M4-Mp6構成的負反饋回路可 以精確地鉗位A、B兩點的電位。當第六場效應管M6上的電流檢測電路的輸出電流Is減小 時，A點電位升高，由于第四場效應管M4上的電流等于偏置電流I b，所以第四場效應管M4的 柵極電壓增大；同時，由于第五場效應管M5上的電流也等于Ib，則B點電位也增大，因此A、 B兩點的電位在負反饋回路控制下的變化趨勢相同，大小也相等。第十一場效應管Mil、第 十三場效應管M12、第十六場效應管M13、第十五場效應管M14、第十四場效應管M15、第十八 場效應管M16構成低壓共源共柵電流鏡，其中，第十四場效應管M15和第十八場效應管M16 產生偏置電流I b，第i 場效應管Mil、第十三場效應管M12、第十六場效應管M13和第十五 場效應管M14用于減小溝道調制效應和精確鏡像偏置電流Ib，并且提高改進型共柵放大器 的輸出阻抗，從而確保了可以精確地鉗位A、B兩點的電位。綜上所述，可以得到：
[0034] !2Rds2 - IbRds3+l3Rdsl ⑴
[0035] 其中，電阻Rdsl_Rds3分別為第一場效應管Ml、第二場效應管M2、第三場效應管M3的 導通電阻，電流1 2和電流13分別為流過第二場效應管M2和第一場效應管Ml的電流。由于 第一場效應管Ml、第二場效應管M2、第三場效應管M3均被偏置于深線性區，并且工作于深 線性區的M0S管，其電阻的表達式為：
[0036]
【權利要求】
1. 一種應用于DC-DC轉換器的新型電感電流檢測電路，其特征在于，可分別用于檢測 PMOS功率管和NMOS功率管的電流，適用于DC-DC轉換器的不同拓撲結構，包括： 功率管電流檢測模塊，用于采樣功率管上的電流，并按比例分配至電流檢測輸出端； 帶有改進型共柵級放大器的負反饋回路，用于增大環路增益，并可精確地進行電壓鉗 位，從而提1?輸出的檢測電流精度； 偏置電流補償支路，用于消除在低電感電流情況下偏置電流引入的誤差，進一步提高 輕載下輸出的檢測電流精度。
2. 根據權利要求1所述的一種應用于DC-DC轉換器的新型電感電流檢測電路，其特征 在于：所述功率管電流檢測模塊主要由第一場效應管（Ml)、第二場效應管（M2)、第三場效 應管（M3)、第七場效應管（Ms)連接構成；所述負反饋回路主要由第四場效應管（M4)、第五 場效應管（M5)、第六場效應管（M6)連接構成，且所述第四場效應管（M4)和第五場效應管 (M5)連接構成改進型共柵級放大器；所述偏置電流補償支路主要由第八場效應管（Mcl)和 第九場效應管（Mc2)連接構成；其中，檢測PMOS功率管電流時的各個場效應管類型與檢測 NMOS功率管電流時的對應場效應管類型相反。
3. 根據權利要求2所述的一種應用于DC-DC轉換器的新型電感電流檢測電路，其特征 在于：所述第一場效應管（Ml)的源極與輸入電壓（Vin)相連，第一場效應管（Ml)的柵極接 地，第一場效應管（Ml)的漏極分別與第七場效應管（Ms)的源極及第三場效應管（M3)的源 極相連；第七場效應管（Ms)的漏極與外圍電路的第十場效應管（M17)的漏極相連，第七場 效應管（Ms)的柵極與第十場效應管（M17)的柵極相連，接入功率管驅動信號；第二場效應 管（M2)的源極與輸入電壓（Vin)相連，第二場效應管（M2)的柵極和第三場效應管（M3)的 柵極均接地；第四場效應管（M4)和第五場效應管（M5)的柵極相連，并連接于第四場效應管 (M4)的漏極；第四場效應管（M4)的襯底與第五場效應管（M5)的源極相連，第五場效應管 (M5)的源極與第三場效應管（M3)的漏極相連；第四場效應管（M4)的源極分別與第五場效 應管（M5)的襯底、第二場效應管（M2)的漏極、第八場效應管（Mcl)的漏極及第六場效應管 (M6)的源極相連，第四場效應管（M4)的漏極與外圍電路的第十一場效應管（Mil)的漏極相 連；第六場效應管（M6)的柵極與第五場效應管（M5)的漏極相連，第六場效應管（M6)的漏 極與外圍電路的第十二場效應管（M7)的漏極相連；第八場效應管（Mcl)的柵極分別與偏置 電壓和外圍電路的第^ 場效應管（Mil)、第十三場效應管（M12)、第十八場效應管（M16) 的柵極相連，第八場效應管（Mcl)的源極與第九場效應管（Mc2)的漏極相連；第九場效應管 (Mc2)的柵極分別與外圍電路的第十四場效應管（M15)、第十五場效應管（M14)、第十六場 效應管（M13)的柵極相連，第九場效應管（Mc2)的源極接地。
4. 根據權利要求2所述的一種應用于DC-DC轉換器的新型電感電流檢測電路，其特征 在于：所述第七場效應管（Ms)的漏極與外圍電路的第十場效應管（M17)的漏極相連，第七 場效應管（Ms)的柵極與第十場效應管（M17)的柵極相連，接入功率管的柵極控制信號；第 一場效應管（Ml)的漏極分別與第七場效應管（Ms)的源極及第三場效應管（M3)的源極相 連，第一場效應管（Ml)的源極接地；第三場效應管（M3)的漏極與第五場效應管（M5)的源 極相連；第二場效應管（M2)的漏極與第四場效應管（M4)的源極相連，第二場效應管（M2) 的源極接地；第一場效應管（Ml)、第二場效應管（M2)和第三場效應管（M3)的柵極均與電 源電壓相連；第四場效應管（M4)和第五場效應管（M5)的柵極相連，并連接于第四場效應管 (M4)的漏極；第四場效應管（M4)的襯底與第五場效應管（M5)的源極相連，第五場效應管 (M5)的源極與第三場效應管（M3)的漏極相連；第四場效應管（M4)的源極分別與第五場效 應管（M5)的襯底、第二場效應管（M2)的漏極、第九場效應管（Mc2)的漏極及第六場效應管 (M6)的源極相連，第四場效應管（M4)的漏極與外圍電路的第十六場效應管（M13)的漏極相 連；第六場效應管（M6)的柵極與第五場效應管（M5)的漏極相連，第六場效應管（M6)的漏 極與外圍電路的第十七場效應管（M9)的漏極相連；第九場效應管（Mc2)的柵極分別與偏置 電壓和外圍電路的第十六場效應管（M13)及第十五場效應管（M14)的柵極相連，第八場效 應管（Mcl)的漏極與第九場效應管（Mc2)的源極相連；第八場效應管（Mcl)的柵極分別與 外圍電路的第十四場效應管（M15)、第^ 場效應管（Mil)、第十三場效應管（M12)的柵極 相連，第八場效應管（Mcl)的源極與電源電壓相連。
【文檔編號】G01R19/00GK104101764SQ201410286406
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】鄧婉玲, 饒遠, 黃君凱 申請人:暨南大學
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
