一种应用于DC-DC转换器的新型电感电流检测电路

摘要

本发明公开了一种应用于DC-DC转换器的新型电感电流检测电路，可分别用于检测PMOS功率管和NMOS功率管的电流，适用于DC-DC转换器的不同拓扑结构，包括功率管电流检测模块，用于采样功率管上的电流，并按比例分配至电流检测输出端；带有改进型共栅级放大器的负反馈回路，用于增大环路增益，并可精确地进行电压钳位，从而提高输出的检测电流精度；偏置电流补偿支路，用于消除在低电感电流情况下偏置电流引入的误差，进一步提高轻载下输出的检测电流精度。本发明电路不采用运放，因此相比传统的片上电流检测电路，其结构更为简单，采用改进型共栅放大器，既可为负反馈回路提供增益并保证电流的检测精度，又可降低检测电流的时延，采用偏置电流补偿支路，提高检测精度。

说明书

技术领域

本发明涉及电感电流检测电路的技术领域，尤其是指一种应用于DC-DC转 换器的新型电感电流检测电路。

背景技术

在电流模式DC-DC转换器中，电感电流检测电路可用于检测电感或功率 MOS管的电流，并反馈至系统环路中实现了闭环控制，从而已成为电流模式 DC-DC转换器中不可或缺的核心电路。

传统的电流检测方法有串联电阻法、滤波网络法和镜像法。其中，串联电 阻法通过在功率级电流通路中串联小阻值的电阻来检测其压降，进而获得电感 电流或功率管电流的大小。但这种方法的弊端是功耗大且效率低，尤其应用在 输出电压低的便携式设备时更为明显。

滤波网络法采用并联于电感两端的RC低通网络来检测电感压降，并通过电 感的ESR来计算所流过的电流；但这种技术由于需要精确匹配电感和RC低通 网络的时间常数，因此在电感规格未知的情况下不适用，从而其成品电路在应 用上存在局限性。

镜像法利用与功率管相匹配的检测管来等比例镜像功率管的电流，这种方 法的主要优势是易于片内集成且功耗小，基于镜像法的传统片上电感电流检测 电路如图5所示。其中，功率管为M1和M3，M2是与M1匹配的检测管。为 了减少功耗，M2的长宽比至少为M1的千分之一，由于两管栅源电压相等，且 运放的钳位作用使V_A和V_B相等，所以镜像电流I_s可以较为精确地和电感电流 I_L成比例。在忽略偏置电流I_b影响的情况下，可在Ms处获得与I_s基本相等的检 测电流I_sen。

上述传统的片上电感电流检测方法存在的缺点是：1)需要设计高性能的运 放用于钳位V_A和V_B，从而加大了设计难度；2)M2和M1的版图失配误差较 大；3)在轻载或断续导通模式下，I_sen将降至较低值，其精度容易受到偏置电流 I_b的影响。

发明内容

本发明的目的在于减少传统电感电流检测方法在电路设计和实现上的复杂 度，提高电感电流的检测精度，同时降低电感电流检测电路的延时问题。本发 明提供一种高精度、低功耗的应用于DC-DC转换器的新型电感电流检测电路， 利用与MOS功率管匹配的检测管来检测电感电流，并提出采用改进型共栅型放 大器和负反馈回路构成良好的钳位电路，用于取代传统电感电流检测电路中的 运算放大器，提高了检测精度和降低检测时延；同时，采用偏置电流补偿支路， 在电感电流极低的情况下，进一步提高了电流检测精度。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种应用于DC-DC转换器 的新型电感电流检测电路，可分别用于检测PMOS功率管和NMOS功率管的电 流，适用于DC-DC转换器的不同拓扑结构，包括：

功率管电流检测模块，用于采样功率管上的电流，并按比例分配至电流检 测输出端；

带有改进型共栅级放大器的负反馈回路，用于增大环路增益，并可精确地 进行电压钳位，从而提高输出的检测电流精度；

偏置电流补偿支路，用于消除在低电感电流情况下偏置电流引入的误差， 进一步提高轻载下输出的检测电流精度。

所述功率管电流检测模块主要由第一场效应管、第二场效应管、第三场效 应管、第七场效应管连接构成；所述负反馈回路主要由第四场效应管、第五场 效应管、第六场效应管连接构成，且所述第四场效应管和第五场效应管连接构 成改进型共栅级放大器；所述偏置电流补偿支路主要由第八场效应管和第九场 效应管连接构成；其中，检测PMOS功率管电流时的各个场效应管类型与检测 NMOS功率管电流时的对应场效应管类型相反。

所述第一场效应管的源极与输入电压相连，第一场效应管的栅极接地，第 一场效应管的漏极分别与第七场效应管的源极及第三场效应管的源极相连；第 七场效应管的漏极与外围电路的第十场效应管的漏极相连，第七场效应管的栅 极与第十场效应管的栅极相连，接入功率管驱动信号；第二场效应管的源极与 输入电压相连，第二场效应管的栅极和第三场效应管的栅极均接地；第四场效 应管和第五场效应管的栅极相连，并连接于第四场效应管的漏极；第四场效应 管的衬底与第五场效应管的源极相连，第五场效应管的源极与第三场效应管的 漏极相连；第四场效应管的源极分别与第五场效应管的衬底、第二场效应管的 漏极、第八场效应管的漏极及第六场效应管的源极相连，第四场效应管的漏极 与外围电路的第十一场效应管的漏极相连；第六场效应管的栅极与第五场效应 管的漏极相连，第六场效应管的漏极与外围电路的第十二场效应管的漏极相连； 第八场效应管的栅极分别与偏置电压和外围电路的第十一场效应管、第十三场 效应管、第十八场效应管的栅极相连，第八场效应管的源极与第九场效应管的 漏极相连；第九场效应管的栅极分别与外围电路的第十四场效应管、第十五场 效应管、第十六场效应管的栅极相连，第九场效应管的源极接地。

所述第七场效应管的漏极与外围电路的第十场效应管的漏极相连，第七场 效应管的栅极与第十场效应管的栅极相连，接入功率管的栅极控制信号；第一 场效应管的漏极分别与第七场效应管的源极及第三场效应管的源极相连，第一 场效应管的源极接地；第三场效应管的漏极与第五场效应管的源极相连；第二 场效应管的漏极与第四场效应管的源极相连，第二场效应管的源极接地；第一 场效应管、第二场效应管和第三场效应管的栅极均与电源电压相连；第四场效 应管和第五场效应管的栅极相连，并连接于第四场效应管的漏极；第四场效应 管的衬底与第五场效应管的源极相连，第五场效应管的源极与第三场效应管的 漏极相连；第四场效应管的源极分别与第五场效应管的衬底、第二场效应管的 漏极、第九场效应管的漏极及第六场效应管的源极相连，第四场效应管的漏极 与外围电路的第十六场效应管的漏极相连；第六场效应管的栅极与第五场效应 管的漏极相连，第六场效应管的漏极与外围电路的第十七场效应管的漏极相连； 第九场效应管的栅极分别与偏置电压和外围电路的第十六场效应管及第十五场 效应管的栅极相连，第八场效应管的漏极与第九场效应管的源极相连；第八场 效应管的栅极分别与外围电路的第十四场效应管、第十一场效应管、第十三场 效应管的栅极相连，第八场效应管的源极与电源电压相连。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明所述的新型电感电流检测电路不采用运放，因此相比传统的片上 电流检测电路，其结构更为简单；

2、本发明所述的新型电感电流检测电路采用改进型共栅放大器，既可为负 反馈回路提供增益并保证电流的检测精度，又可降低检测电流的时延；

3、本发明所述的新型电感电流检测电路采用偏置电流补偿支路，降低了轻 载或断续导通模式下偏置电流对输出检测电流的影响，进一步提高检测精度。

附图说明

图1为实施例1中所述新型电感电流检测电路的电路原理图。

图2为实施例1中所述新型电感电流检测电路应用于检测Buck型DC-DC 转换器中的电感电流及其PMOS功率管电流的电路原理图。

图3为实施例2中所述新型电感电流检测电路的电路原理图。

图4为实施例2中所述新型电感电流检测电路应用于检测Boost型DC-DC 转换器中的电感电流及其NMOS功率管电流的电路原理图。

图5为传统的片上电感电流检测电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的应用于DC-DC转换器的新型电感电流检测电 路，用于检测PMOS功率管的电流，包括：

功率管电流检测模块，用于采样功率管上的电流，并按比例分配至电流检 测输出端；

带有改进型共栅级放大器的负反馈回路，用于增大环路增益，并可精确地 进行电压钳位，从而提高输出的检测电流精度；

偏置电流补偿支路，用于消除在低电感电流情况下偏置电流引入的误差， 进一步提高轻载下输出的检测电流精度。

所述功率管电流检测模块主要由第一场效应管M1、第二场效应管M2、第 三场效应管M3、第七场效应管Ms连接构成；所述负反馈回路主要由第四场效 应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6连接构成，且所述第四场效应 管M4和第五场效应管M5连接构成改进型共栅级放大器；所述偏置电流补偿支 路主要由第八场效应管Mc1和第九场效应管Mc2连接构成。

所述第一场效应管M1的源极与输入电压Vin相连，第一场效应管M1的栅 极接地，第一场效应管M1的漏极分别与第七场效应管Ms的源极及第三场效应 管M3的源极相连；第七场效应管Ms的漏极与外围电路的第十场效应管M17 的漏极相连，第七场效应管Ms的栅极与第十场效应管M17的栅极相连，接入 功率管驱动信号；第二场效应管M2的源极与输入电压Vin相连，第二场效应管 M2的栅极和第三场效应管M3的栅极均接地；第四场效应管M4和第五场效应 管M5的栅极相连，并连接于第四场效应管M4的漏极；第四场效应管M4的衬 底与第五场效应管M5的源极相连，第五场效应管M5的源极与第三场效应管 M3的漏极相连；第四场效应管M4的源极分别与第五场效应管M5的衬底、第 二场效应管M2的漏极、第八场效应管Mc1的漏极及第六场效应管M6的源极 相连，第四场效应管M4的漏极与外围电路的第十一场效应管M11的漏极相连； 第六场效应管M6的栅极与第五场效应管M5的漏极相连，第六场效应管M6的 漏极与外围电路的第十二场效应管M7的漏极相连；第八场效应管Mc1的栅极 分别与偏置电压和外围电路的第十一场效应管M11、第十三场效应管M12、第 十八场效应管M16的栅极相连，第八场效应管Mc1的源极与第九场效应管Mc2 的漏极相连；第九场效应管Mc2的栅极分别与外围电路的第十四场效应管M15、 第十五场效应管M14、第十六场效应管M13的栅极相连，第九场效应管Mc2 的源极接地。

在图1中，第十场效应管M17为DC-DC转换器拓扑结构中的P型功率开 关管，用于传递电感电流I_L。由于第一场效应管M1的长宽比远大于第七场效应 管Ms，所以第一场效应管M1上的压降很小，E点的电位十分接近输入电压Vin， 从而确保了第七场效应管Ms可以精确镜像第十场效应管M17上的电流。设定 两者的长宽比为(W/L)_M17：(W/L)_Ms＝K₁：1，第七场效应管Ms和第十场效应 管M17上流过的电流分别为I₁和I_P，则I_P：I₁＝K₁：1。

第五场效应管M5和第四场效应管M4两者的衬底分别交叉连接于A、B两 点，构成改进型共栅放大器，其作用是增大环路增益，使第四场效应管M4-Mp6 构成的负反馈回路可以精确地钳位A、B两点的电位。当第六场效应管M6上的 电流检测电路的输出电流Is减小时，A点电位升高，由于第四场效应管M4上 的电流等于偏置电流I_b，所以第四场效应管M4的栅极电压增大；同时，由于第 五场效应管M5上的电流也等于I_b，则B点电位也增大，因此A、B两点的电位 在负反馈回路控制下的变化趋势相同，大小也相等。第十一场效应管M11、第 十三场效应管M12、第十六场效应管M13、第十五场效应管M14、第十四场效 应管M15、第十八场效应管M16构成低压共源共栅电流镜，其中，第十四场效 应管M15和第十八场效应管M16产生偏置电流I_b，第十一场效应管M11、第十 三场效应管M12、第十六场效应管M13和第十五场效应管M14用于减小沟道调 制效应和精确镜像偏置电流I_b，并且提高改进型共栅放大器的输出阻抗，从而确 保了可以精确地钳位A、B两点的电位。综上所述，可以得到：

I₂R_ds2＝I_bR_ds3+I₃R_ds1    (1)

其中，电阻R_ds1-R_ds3分别为第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场 效应管M3的导通电阻，电流I₂和电流I₃分别为流过第二场效应管M2和第一场 效应管M1的电流。由于第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管 M3均被偏置于深线性区，并且工作于深线性区的MOS管，其电阻的表达式为：

$R_{\mathrm{ds}}=\frac{1}{\mu C_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{GS}}-V_T)}---\left(2\right)$

则设置第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3的长宽比 为(W/L)₁:(W/L)₂:(W/L)₃＝K₂:1:1，可以得到R_ds1:R_ds2:R_ds3＝1:K₂:K₂。因此，将 I₂＝I_c+I_b+I_s和I₃＝I₁+I_b代入式(2)，可得：

(I_c+I_s)K₂＝I₁+I_b    (3)

当DC-DC转换器处于轻载工作状态时，由于I_s较小，I_b的分流对I_s造成的 误差将增大。为了进一步减小这一误差，本发明中设计了偏置电流补偿支路， 其补偿电流I_c的大小为I_b/K₂。因此，将I_c＝I_b/K₂代入式(3)，则可化简为：

I₁＝K₂I_s    (4)

由于I₁+I_p＝I_L，所以电感电流检测电路的输出电流与电感电流的最终关系 式为：

$\frac{I_L}{I_s}=(1+K_1)·K_2=K---\left(5\right)$

由式(5)可知，I_L与I_s呈良好的线性关系，其比例值由K₁和K₂的大小决 定。最后，第十九场效应管M8与第二十场效应管M10，第十二场效应管M7 和第十七场效应管M9组成电流镜结构，并将电流I_s镜像输出，第十九场效应管 M8上的电流I_sen为最终输出的检测电流。当第十场效应管M17关断时，本发明 的电感电流检测电路不完全关断，仍有与偏置电流接近的微小电流流过，因此， 减小了电感电流检测电路中第十场效应管M17在下一个周期开启时的延时。

如图2所示，为本实施例所述的新型电感电流检测电路用于检测Buck型 DC-DC转换器中的电感电流及其PMOS功率管电流，其中，第七场效应管Ms 的栅极与Buck型DC-DC转换器中第十场效应管M17的栅极相连，第七场效应 管Ms的漏极与Buck型DC-DC转换器中第十场效应管M17的漏极相连，第一 场效应管M1的源极与Buck型DC-DC转换器中的输入电压相连。

实施例2

如图3所示，与实施例1不同的是本实施例所述的应用于DC-DC转换器的 新型电感电流检测电路用于检测NMOS功率管的电流，其中，第七场效应管 Ms的漏极与外围电路的第十场效应管M17的漏极相连，第七场效应管Ms的栅 极与第十场效应管M17的栅极相连，接入功率管的栅极控制信号；第一场效应 管M1的漏极分别与第七场效应管Ms的源极及第三场效应管M3的源极相连， 第一场效应管M1的源极接地；第三场效应管M3的漏极与第五场效应管M5的 源极相连；第二场效应管M2的漏极与第四场效应管M4的源极相连，第二场效 应管M2的源极接地；第一场效应管M1、第二场效应管M2和第三场效应管 M3的栅极均与电源电压相连；第四场效应管M4和第五场效应管M5的栅极相 连，并连接于第四场效应管M4的漏极；第四场效应管M4的衬底与第五场效应 管M5的源极相连，第五场效应管M5的源极与第三场效应管M3的漏极相连； 第四场效应管M4的源极分别与第五场效应管M5的衬底、第二场效应管M2的 漏极、第九场效应管Mc2的漏极及第六场效应管M6的源极相连，第四场效应 管M4的漏极与外围电路的第十六场效应管M13的漏极相连；第六场效应管M6 的栅极与第五场效应管M5的漏极相连，第六场效应管M6的漏极与外围电路的 第十七场效应管M9的漏极相连；第九场效应管Mc2的栅极分别与偏置电压和 外围电路的第十六场效应管M13及第十五场效应管M14的栅极相连，第八场效 应管Mc1的漏极与第九场效应管Mc2的源极相连；第八场效应管Mc1的栅极 分别与外围电路的第十四场效应管M15、第十一场效应管M11、第十三场效应 管M12的栅极相连，第八场效应管Mc1的源极与电源电压相连。图3给出的新 型电感电流检测电路其工作原理和计算表达式均与图1给出的电路相同，因此， 图3给出的电感电流检测电路的输出电流与电感电流的最终关系式，也同样是 实施例1的公式(5)；但在图3中，各个MOS管的类型与图1中对应的MOS 管相反，例如对于其中的改进型共栅级放大器和功率管电流检测模块，在图1 中由PMOS场效应管构成，在图3中则由NMOS场效应管构成；而对于偏置电 流补偿支路，在图1中由NMOS场效应管构成，在图3中则由PMOS场效应管。

如图4所示，为本实施例所述的新型电感电流检测电路用于检测Boost型 DC-DC转换器中的电感电流及其NMOS功率管电流，其中，第十场效应管M17 为DC-DC转换器拓扑结构中的N型功率开关管，第七场效应管Ms的栅极与 Boost型DC-DC转换器中第十场效应管M17的栅极相连，第七场效应管Ms的 栅极的漏极与Boost型DC-DC转换器中第十场效应管M17的漏极相连，第一场 效应管M1的源极接地。

此外，本发明所述的新型电感电流检测电路，也同样可以应用在非同步整 流型的Buck型DC-DC转换器和Boost型DC-DC转换器，以及Buck-boost型 DC-DC转换器，适用于DC-DC转换器的不同拓扑结构。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实 施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范 围内。