专利名称：一种电流检测电路以及应用其的开关型调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源领域，更具体的说，涉及一种应用于开关型调节器中的电流检测电路以及应用其的一种开关型调节器。
背景技术：
开关型调节器，用来给各种各样的电系统提供稳定的电压源或者电流源。开关型调节器把输入直流电压转换成高频率电压，在对高频输出电压进行滤波进而转换成直流输出电压或者输出电流。具体的说，开关型调节器通常包括一个开关器件、一个输出滤波器和一个控制器，开关器件与一个输入直流电压源(如电池)交替性的连接和断开以给负载(如集成电路)供电。输出滤波器连接在输入电压源和负载之间，由电感和电容组成，用于对开关器件的输出进行滤波进而提供直流输出电压。控制器(例如脉冲宽度调制器或者频率脉冲调制器等)根据输出信号的状态来控制上述开关器件的开关状态，以此输出一个相对稳定的直流电压或者直流电流。在这样的开关型调节器结构中，为了防止输出短路或者电路过流情况下弓I起输入侧电流过大，导致温度升高，过热使得器件损坏或者使其寿命降低，通常都会在电路中加入峰值电流限流电路部分，当瞬时电流过大时，峰值电流限流电路部分开始工作，以关断或者将该峰值电流限流使之减�。佣鸬奖；すβ士仄骷淖饔谩Ｈ欢鲜龅南蘖鞯缏方鼋鍪嵌钥匦偷鹘谄鞅旧斫斜；ぃ谑导视τ弥校允淙氲缭�(如USB 口供电)同样需要限流保护，有必要对输入电流的平均值进行限流操作。限流保护电路首先要有一个电流取样环节，一般的做法是串联一个小电阻或者采用霍尔元件来获得电流信号。当采样电流比较小的时候，这两种取样方法都是可取的。但当取样电流比较大时，电阻取样会有较大的损耗，降低了变换器的效率，而霍尔元件取样体积比较大，且价格昂贵，整个电源的成本增加。另一方面，为了实现对输出电流的精确控制，必须要对输出电流进行采样以获得输出电流的信息，进而通过电流控制环路来维持输出电流基本恒定。现有技术中，对输出电流的采样通常也是在输出电流环路上串联一小电阻，通过电阻上的压降来获得输出电流信
肩、O如图1所示，其为采用现有技术的一种在开关型调节器中采用外接电阻的方式来实现对输入电流和输出电流的采样的电流检测电路的原理框图。其中，电阻Rsin串联在开关型调节器的输入端Vin，电阻Rsin上的压降Vsin反映了开关型调节器的输入电流Iin的数值大小。类似的，电阻R_t串联在开关型调节器的输出端Vwt，电阻R_t上的压降V_t反映了开关型调节器的输出电流U的数值大小。显然，采用这种实现方式，在电阻Rsin和电阻R_t上不可避免的会产生一定的功率损耗，其数值大小与电阻Rsin和电阻R_t的阻值大小以及电路输入电流值的平方或者输出电流数值的平方成正比，从而降低了开关型调节器的效率。为了减小这种损耗，通常电阻Rsin和电阻R_t的电阻值会选择的尽可能的�。窃谡庵智榭鍪保蛐枰褪У鞯姆糯笃鰽l和放大器A2来对电阻上的压降进行放大，显然，放大器的使用不仅增加了电路的实现成本，而且由于放大器本身也存在一定的直流静态损耗，因此又进一步的增加了电路的功率损耗。例如，假设电路输入电流为1A，输入采样电阻为IOOm Ω时，则这时的电阻Rsin的功率损耗大约为IOOmW,显然其不能满足高效率应用场合的使用。另外，图1所示的采用现有技术的一种电流检测电路的实现方式需要在开关型调节器的外围外接采样电阻，以及放大器等部分，使得电路面积变大、噪声影响也较大，降低了系统的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型的应用于开关型调节器中的电流检测电路，以解决现有技术中的电流检测电路的功率损耗大，电路体积大以及实现成本高等问题。依据本发明一实施例的电流检测电路，应用于一开关型调节器中，用以获得所述开关型调节器的输入电流和输出电流，包括，镜像电路和电流发生电路，其中，所述镜像电路用以根据流过所述开关型调节器中的开关管的开关管电流，生成与所述开关管电流成比例的采样信号；所述电流发生电路对所述采样信号基于所述开关型调节器的开关周期进行平均值运算，以及基于所述开关管的导通占空比对所述采样信号进行平均值运算，以获得所述输入电流和所述输出电流。进一步的，所述镜像电路包括电流镜和电流-电压转换电路；所述电流镜与所述开关管连接，以获得一与所述开关管电流成比例的采样电流；所述电流-电压转换电路接收所述采样电流，并将其转换为一采样电压，以作为所述采样信号。进一步的，所述电流发生电路包括第一滤波电路和第二滤波电路；其中，所述第一滤波电路包括一由电阻和电容组成的RC滤波器；所述第二滤波电路包括串联连接的第一可控开关和一由电阻和电容组成的另一RC滤波器，所述第一可控开关的开关状态与所述开关管的开关状态一致。进一步的，所述电流发生电路还包括第三滤波电路，与所述第二滤波电路连接，以接收所述第二滤波电路的输出信号，并且基于所述开关型调节器中的电感电流的持续时间和所述开关型调节器的开关周期，对所述第二滤波电路的输出信号进行平均值运算。优选的，所述开关型调节器为降压型拓扑结构，所述开关管为所述开关型调节器的主功率开关管；所述第一滤波电路接收所述采样信号，并对所述采样信号进行滤波，以获得所述输入电流；当所述电感电流不为断续工作模式时，所述第二滤波电路接收所述采样信号，基于所述导通占空比以对所述采样信号进行滤波，以获得所述输出电流；当所述电感电流为断续工作模式时，所述第三滤波电路的输出信号作为所述输出电流。优选的，所述开关型调节器为非同步或者同步降压型拓扑结构。优选的，所述开关型调节器为同步升压型拓扑结构；所述开关管为所述开关型调节器的同步功率开关管；所述第一滤波电路接收所述采样信号，并对所述采样信号进行滤波，以获得所述输出电流；当所述电感电流不为断续工作模式时，所述第二滤波电路接收所述采样信号，基于所述导通占空比以对所述采样信号进行滤波，以获得所述输入电流；当所述电感电流为断续工作模式时，所述第三滤波电路的输出信号作为所述输入电流。进一步的，所述第三滤波电路包括第二可控开关，第三可控开关和第一 RC滤波器；其中，所述第二可控开关和所述第三可控开关串联连接在所述第二滤波电路的输出端和地电位之间；所述第一 RC滤波器连接至所述第二可控开关和所述第三可控开关的公共连接点；在每一开关周期内，所述第二可控开关的导通时间为所述电感电流的持续时间，所述第三可控开关在所述开关周期的剩余的时间区间内处于导通状态。进一步的，所述第三滤波电路还包括连接在所述第二滤波电路的输出端的缓冲器。优选的，所述开关型调节器为四开关降压-升压型拓扑结构，所述镜像电路分别采样所述开关型调节器中的降压型结构中的主功率开关管的开关电流以获得第一采样信号，以及所述开关型调节器中的升压型结构中的同步功率开关管的开关电流以获得第二采样信号;所述电流发生电路包括第二 RC滤波器和第三RC滤波器；所述第二 RC滤波器接收所述第一采样信号，并对所述第一采样信号进行滤波，以获得所述输入电流；所述第三RC滤波器接收所述第二采样信号，并对所述第二采样信号进行滤波，以获得所述输出电流。依据本发明的一种开关型调节器，包括上述的电流检测电路，还包括功率级电路，输出电流控制电路和输入电流限制电路；其中，所述输入电流限制电路与所述电流检测电路连接，以接收所述电流检测电路输出的输入电流，当所述输入电流大于一预设限值时，对所述输入电流进行限制；所述输出电流控制电路与所述电流检测电路连接，以接收所述电流检测电路输出的输出电流，并根据所述输出电流和一期望输出电流，产生相应的控制信号，以控制所述功率级电路，从而维持所述功率级电路的输出电流与所述期望输出电流一致。依据本发明实施例的应用于开关型调节器中的电流检测电路，不再采用通过在输入电流回路和输出电流回路中串联采样电阻来获取输入电流和输出电流信息，而是根据所述开关型调节器的输出电流和输入电流之间的关系，采样相应的开关型调节器中的开关管上的电流信息，来间接获得输入电流和输出电流信息。由于开关管上的电流信息可以很方便的通过电流镜的实现方式来获得，因此不会产生功率损耗。尤其对集成电路而言，这样的电流检测电路的实现方式为电路的集成提供了很大的便利，同时也降低了电路的实现成本。
图1所示为采用现有技术的一种在开关型调节器中的电流检测电路的原理框图；图2所示为依据本发明第一实施例的应用于开关型调节器中的电流检测电路的原理框图；图3A所示为依据本发明第二实施例的应用于开关型调节器中的电流检测电路的原理框图；图3B所示为图3A所示的依据本发明实施例的电流检测电路在电感电流连续时的工作波形图；图4A所示为依据本发明第三实施例的应用于开关型调节器中的电流检测电路的原理框图；图4B所示为图4A所示的电压检测电路在电感电流断续工作模式(DCM)时的工作波形图；图5A所示为依据本发明第四实施例的应用于开关型调节器中的电流检测电路的原理框图；图5B所示的图5A所示的电流检测电路在电感电流连续时的工作波形图；图6所示为依据本发明第五实施例的应用于开关型调节器中的电流检测电路的原理框图；图7所示为依据本发明一实施例的开关型调节器的原理框图。
具体实施例方式以下结合附图对 本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。以下结合具体实施例详细说明在不同的功率级电路拓扑结构中，依据本发明实施例的应用于开关型调节器中的电流检测电路的实现原理。参考图2，所示为依据本发明第一实施例的应用于采用降压型拓扑结构中的开关型调节器的电流检测电路的原理框图。在该实施例中，由于开关型调节器采用的是降压型拓扑结构，根据降压型调节器的工作原理，假设主功率开关管Qt的导通占空比为D，则开关型调节器的输出电流Iwt和输入电流Iin之间的关系如下公式(I)所示:Iin=1utXDCl)因此，在该实施例中，利用流过主功率开关管Qt的开关管电流Iq来间接获取输入电流和输出电流信息。具体的，在该实施例中，电流检测电路包括镜像电路101和电流发生电路104 ;其中，镜像电路101包括电流镜102和电流-电压转换电路103。电流镜102用以对流过主功率开关管Qt的开关管电流Iq进行镜像，以获得与开关管电流Iq成一定比例的采样电流Isen ;电流-电压转换电路103接收采样电流Isen，并将其转换为采样电压Vsen ;采样电压Vsm包含主功率开关管Qt的导通占空比D的信息；
电流发生电路104接收采样电压Vsen,并对其进行平均值运算，以及基于导通占空比D对采样电压Vsm进行平均值运算，从而获得输入电流Iin和输出电流Iwt。可见，依据本发明实施例的电流检测电路，根据开关型调节器的输出电流和输入电流之间的关系，采样相应的开关型调节器中的开关管上的电流信息，间接获取了输入电流和输出电流信息；不需要在输入电流回路和输出电流回路中串联采样电阻来获取输入电流和输出电流信息，降低了功率损耗，同时节省了实现成本。参考图3A，所示为依据本发明第二实施例的应用于开关型调节器中的电流检测电路的原理框图。在该实施例中，仍以降压型拓扑结构为例进行说明。其中，电流镜102包括与主功率开关管Qt类型相同的镜像开关管Qm。在该实施例中选用MOSFET晶体管，流过主功率开关管Qt和流过镜像开关管Qm两者的电流的比值关系为N: 1，一般来说，N大于10，这样镜像开关管Qm的电流要比流过主功率开关管Qt的电流小至少90%。为了进一步减小损耗，N—般取值1000以上。通过电流镜102获得了与开关管电流Iq成比例关系的检测电流Ism。在该实施例中，电流-电压转换电路包括一与电流镜102串联连接的电阻Rsm，从而在电阻Rsm两端产生与开关管电流Iq成比例关系的采样电压Vsm。电流发生电路包括第一滤波电路201和第二滤波电路202。在该实施例中，第一滤波电路201包括由电阻Rl和电容Cl组成的RC滤波器；第二滤波电路202包括串联连接的可控开关Qc以及由电阻R2和电容C2组成的RC滤波器，这里，可控开关Qc的开关状态与主功率开关管Qt的开关状态一致。可控开关Q。可以选择为MOSFET晶体管或者其他类型的晶体管。第一滤波电路201和第二滤波电路202分别接收采样电压Vsen，并分别对采样电压Vsen进行滤波。参考图3B，所示为图3A中的依据本发明实施例的电流检测电路在电感电流为连续导通模式(CCM)时的工作波形图。主功率开关管Qt的开关状态如波形图Ve所示，在每一开关周期T内，主功率开关管屮的导通时间为DXT。流过电感Ltl的电感电流的波形如波形图L所示，在主功率开关管Qt的导通时间内，电感电流k连续上升直至电感电流峰值；在主功率开关管Qt的关断时间内，电感电流k自电感电流峰值开始连续下降。由于电感电流工作在连续导通模式(CCM)，所以电感电流k在整个开关周期T内是连续的。流过主功率开关管Qt的电流如波形图1q所示。在主功率开关管Qt的导通时间内，开关管电流Iq与电感电流id呆持一致；在主功率开关管Qt的关断时间内，开关管电流Iq保持为零值。根据降压型拓扑结构的工作原理，输出电流Itjut为电感电流k的平均值，由于电感电流是连续的，所以电感电流k的平均值与开关管电流Iq在导通时间内的平均值相等。因此，利用第二滤波电路202计算开关管电流Iq在导通时间内的平均值，即获得了输出电流
1ut °具体的，由于可控开关Q。的开关状态与主功率开关管Qt的开关状态保持一致，电阻R2和电容C2组成的RC滤波器的时间常数设置为足够大，因此，第二滤波电路202的输出信号V2与输出电流Irat成正比例关系，两者之间的关系如下公式(2)所示。
权利要求
1.一种电流检测电路，应用于一开关型调节器中，以测量所述开关型调节器的输入电流和输出电流，其特征在于，包括，镜像电路和电流发生电路，其中， 所述镜像电路用以根据流过所述开关型调节器中的开关管的开关管电流，生成与所述开关管电流成比例的采样信号； 所述电流发生电路对所述采样信号基于所述开关型调节器的开关周期进行平均值运算，以及基于所述开关管的导通占空比对所述采样信号进行平均值运算，以获得所述输入电流和所述输出电流。
2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述镜像电路包括电流镜和电流-电压转换电路；所述电流镜与所述开关管连接，以获得一与所述开关管电流成比例的采样电流；所述电流-电压转换电路接收所述采样电流，并将其转换为一采样电压，以作为所述采样信号。
3.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流发生电路包括第一滤波电路和第二滤波电路；其中， 所述第一滤波电路包括一由电阻和电容组成的RC滤波器； 所述第二滤波电路包 括串联连接的第一可控开关和一由电阻和电容组成的另一 RC滤波器，所述第一可控开关的开关状态与所述开关管的开关状态一致。
4.根据权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流发生电路还包括第三滤波电路，与所述第 二滤波电路连接，以接收所述第二滤波电路的输出信号，并且基于所述开关型调节器中的电感电流的持续时间和所述开关型调节器的开关周期，对所述第二滤波电路的输出信号进行平均值运算。
5.根据权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于，所述开关型调节器为降压型拓扑结构，所述开关管为所述开关型调节器的主功率开关管； 所述第一滤波电路接收所述采样信号，并对所述采样信号进行滤波，以获得所述输入电流； 当所述电感电流不为断续工作模式时，所述第二滤波电路接收所述采样信号，基于所述导通占空比以对所述采样信号进行滤波，以获得所述输出电流； 当所述电感电流为断续工作模式时，所述第三滤波电路的输出信号作为所述输出电流。
6.根据权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于，所述开关型调节器为非同步或者同步降压型拓扑结构。
7.根据权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于，所述开关型调节器为同步升压型拓扑结构；所述开关管为所述开关型调节器的同步功率开关管； 所述第一滤波电路接收所述采样信号，并对所述采样信号进行滤波，以获得所述输出电流； 当所述电感电流不为断续工作模式时，所述第二滤波电路接收所述采样信号，基于所述导通占空比以对所述采样信号进行滤波，以获得所述输入电流； 当所述电感电流为断续工作模式时，所述第三滤波电路的输出信号作为所述输入电流。
8.根据权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于，所述第三滤波电路包括第二可控开关，第三可控开关和第一 RC滤波器；其中，所述第二可控开关和所述第三可控开关串联连接在所述第二滤波电路的输出端和地电位之间；所述第一 RC滤波器连接至所述第二可控开关和所述第三可控开关的公共连接点；在每一开关周期内，所述第二可控开关的导通时间为所述电感电流的持续时间，所述第三可控开关在所述开关周期的剩余的时间区间内处于导通状态。
9.根据权利要求8所述的电流检测电路，其特征在于，所述第三滤波电路还包括连接在所述第二滤波电路的输出端的缓冲器。
10.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述开关型调节器为四开关降压-升压型拓扑结构，所述镜像电路分别采样所述开关型调节器中的降压型结构中的主功率开关管的开关电流以获得第一采样信号，以及所述开关型调节器中的升压型结构中的同步功率开关管的开关电流以获得第二采样信号； 所述电流发生电路包括第二 Re滤波器和第三RC滤波器； 所述第二 RC滤波器接收所述第一采样信号，并对所述第一采样信号进行滤波，以获得所述输入电流； 所述第三RC滤波器接收所述第二采样信号，并对所述第二采样信号进行滤波，以获得所述输出电流。
11.一种开关型调节器，其特征在于，包括权利要求1-10所述的任一电流检测电路，还包括功率级电路，输出电流控制电路和输入电流限制电路；其中， 所述输入电流限制电路与所述电流检测电路连接，以接收所述电流检测电路输出的输入电流，当所述输入电流大于一预设限值时，对所述输入电流进行限制； 所述输出电流控 制电路与所述电流检测电路连接，以接收所述电流检测电路输出的输出电流，并根据所述输出电流和一期望输出电流，产生相应的控制信号，以控制所述功率级电路，从而维持所述功率级电路的输出电流与所述期望输出电流一致。
全文摘要
本发明涉及一种电流检测电路以及应用其的一种开关型调节器。依据本发明实施例的电流检测电路，利用镜像电路生成与开关管电流成比例的采样信号；利用电流发生电路对所述采样信号基于所述开关型调节器的开关周期进行平均值运算，以及基于所述开关管的导通占空比对所述采样信号进行平均值运算，以获得所述输入电流和所述输出电流。
文档编号G01R19/00GK103197121SQ20131011587
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者陈伟 申请人:矽力杰半导体技术(杭州)有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
