专利名称：一种用于开关电源的电感电流检测电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种模拟电路，特别是涉及一种模拟检测电路。
背景技术：
随着超大规模集成电路(VLSI)的不断发展，开关电源芯片的集成得到了迅猛的发展，并广泛应用于各种设备尤其是便携式电子产品。由于电流控制型开关电源具有自动过流保护、高度的稳定性、高精度的输出电压，快速的瞬态响应和内在的对功率开关电流的控制及限流能力，因此现在的开关电源多采用电流控制模式，如图1所示为一种电流型DC/DC降压转换器，其工作原理是输出电压VO经电阻分压得到的反馈电压bVO与参考电压Vref进行比较后，误差放大器输出Vea。该Vea与电流检测电路检测到的电感电流转变成的电压进行比较，得到的脉冲信号控制开关管的导通和截止，从而调节输出电压。由此可见，电流检测电路的性能直接影响开关电源的性能。
现有技术中存在多种不同的电感电流检测技术，比较常用的有如图2(a)、图2(b)、图2(c)三种检测方式，都已经得到不同程度的实现和应用，具体的描述如下 (1)串联电阻检测法 串联电阻检测法的电路实现如图2(a)所示，在电感L上串联一个很小的电阻R，通过检测电阻上的压降来检测电流。所述检测方式的优点是检测精度高，但电阻会产生额外的损耗，特别是功率管上流过大电流时，这个损耗是很大的，严重影响电源的转换效率，而且在集成电路工艺中精确的集成几十毫欧的电阻是很难的。
(2)检测功率管压降法 检测功率管压降法的电路实现如图2(b)所示，在功率管两端并联一个电流放大器，当检测到放大器发生翻转时，则得到功率管两端电压。当已知功率管在线性区的等效电阻时，通过检测功率管的漏源电压VDS从而得到功率管上的电流。
当功率管工作在线性区时，其漏源电压很�。刃У缱璧募扑愎娇山朴霉�(1)表示。
其中μ为沟道电子的迁移率，COX为单位面积栅电容，VT为功率管的阈值电压，VGS为栅源电压，W、L分别为沟道的宽度和长度。
从理论上讲，所述检测方式很完美，不引入额外损耗，不影响芯片效率，然而实际应用中却存在很大缺陷，最主要的是检测的精度很低，原因有以下两点 第一、非线性的影响，由于忽略了漏源电压的非线性影响，把电流电压的关系看成线性，从而近似得到公式(1)，但当被检测电流位于峰值附近时，所述漏源电压的非线性影响并不能忽略。
第二、温度特性的影响，从公式(1)可以看出，电阻RDS受参数μ、COX、VT的影响，而所述参数μ、COX、VT都与温度相关，故电阻RDS受温度影响比较大，因此所述方法虽然设计巧妙，但通常只应用在检测精度不高的场合。
(3)等比例电流检测法 等比例电流检测法的电路实现如图2(c)所示，电流采样管M1和功率管M2通过放大器OP并联且镜像连接，则电流采样管M1和功率管M2具有相同的栅漏源电压，又因为MOS的电流如公式(2)所示 由公式(2)可知，当电流采样管M1和功率管M2的宽长比确定后，则电流采样管M1和功率管M2的电流就具有一定的比例关系，例如假设两个管子的宽长比为N倍关系 则 采用所述方法减小了损耗，但由于工艺偏差、放大器的有限增益等原因，使得电流采样管M1和功率管M2上的电流比不能严格等于1∶N，会存在一个误差。
由以上分析可以看出，所述检测方法都具有功耗大、电路实现复杂、需要额外的输入输出端口等局限性。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种电感电流检测电路，该电路在精确地检测电感电流的同时，还要使实现电路尽量简单，不需要增加额外的输入输出端口，且不受温度等外界因素的影响。
一种用于开关电源的电感电流检测电路，该电路包括开关电源系统中的功率管MP1，续流管MN1，电感L和电容C0，其中，功率管MP1和续流管MN1串联，电感L和电容C0串联，该电路还包括两个开关管MS1和MS2，基准电流源I1，采样电流管MR，以及由三个镜像连接的NMOS管M1、M2和M3，两个镜像连接的电流检测管MP2和MP3，及由两个镜像连接的PMOS管M4和M5组成的镜像电路，其中，所述三组镜像管中电流检测管MP2、PMOS管M4、NMOS管M3依次串联，电流检测管MP3、PMOS管M5、NMOS管M2依次串联，基准电流源I1与NMOS管M1串联提供所述镜像管的电流；开关管MS1与功率管MP1串联且共栅连接后，与开关管MS2并联连接且栅极电压相反，采样电流Isen从采样电流管MR的漏极输出，所述采样电流管MR的源极连接在电流检测管MP2的漏极，栅极与PMOS管M5的漏极相连。
所述电路还包括一补偿电容CC，该补偿电容CC连接于电流检测管MP3的源极和PMOS管M5的漏极之间。
所述镜像连接的三个NMOS管M1、M2和M3的工艺参数相同，宽长比相同。
所述镜像连接的两个PMOS管M4和M5的工艺参数相同，宽长比相同。
所述镜像连接的两个电流检测管MP2和MP3的工艺参数相同，宽长比相同。
所述两个PMOS管MS1和MS2为宽长比大于50的开关管。
所述基准电流源I1输出小于50微安的电流。
本实用新型的有益效果在于结构简单，只需要几个镜像的MOS管和电阻就可以精确地采样电感电流的大�。彝ü迪竦牡缌骷觳夤躆P2和电流检测管MP3的宽长比得到采样电流Isen和电感电流的比值，不存在温度特性的影响，而且功耗低，能够有效提高开关电源的效率，具有检测精度高，温度特性好，易于集成的优点。
图1为本实用新型具体实施方式
中所列举电流型DC/DC降压转换器的电路结构图。
图2(a)为本实用新型背景技术中所述串联电阻检测法检测电感电流的局部电路图。
图2(b)为本实用新型背景技术中所述检测功率管压降法检测电感电流的局部电路图。
图2(c)为本实用新型背景技术中所述等比例电流检测法检测电感电流的局部电路图。
图3为本实用新型所述电感电流检测的电路图。
具体实施方式
电流检测电路可用于多种领域，尤其是需要对电路进行保护的电路中。本实用新型以电流型的DC/DC降压转换器为例，结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行详细描述，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
图1为本实用新型所述电感电流检测电路所在的DC/DC降压转换器电路结构图，该电路结构包括电感L、误差放大器EA、电流检测电路、比较器comp、RS锁存器、待测功率管MP1、续流管MN1、电阻Rf、电容Co和反馈电阻R1和R2。其中，输入电压Vin经串联的功率管MP1和续流管MN1接地，两个反馈电阻R1和R2串联后与电容Co并联，所述并联支路再与电感L串联且接在续流管MN1漏源端。其中，串联的两个反馈电阻R1和R2两端的电压为所述DC/DC降压转换器的输出电压Vo。
所述误差放大器EA的一输入端接参考电压源Vref，另一输入端接在两个反馈电阻R1和R2之间，该误差放大器EA的输出端接比较器comp的正输入端，该比较器comp的负输入端接在电流检测电路的输出端和电阻Rf之间。
所述比较器comp的输出端接入RS触发器的R端，该RS触发器的S端输入时钟信号clock，所述RS触发器的反向输出端接功率管MP1和续流管MN1的栅极，即所述两个管子的栅极相连。
所述DC/DC降压转换器电路中，电源电压Vin通过功率管MP1经电感L给电容Co充电得到输出电压Vo，通过电流检测电路得到与电感电流IL成比例的检测电流Isen经电阻Rf得到的电压与误差电压Vea比较后产生控制信号Vreset，该控制信号Vreset经RS触发器后控制功率管的关断，从而通过电容Co的充放电控制输出电压Vo的大小。因此，所述电路中，如果电流检测电路能准确地将电感电流IL采样到采样电流Isen，则能迅速控制功率管MP1，得到更加稳定的输出电压Vo。
图3为本实用新型具体实施方式
的电路图，所述电路包括电感L和电容C0，两个开关管MS1和MS2、由三个镜像连接的NMOS管M1、M2和M3、两个镜像连接的电流检测管MP2和MP3及两个镜像连接的PMOS管M4和M5组成的镜像电路、基准电流源I1、采样电流管MR、功率管MP1，以及续流管MN1。
其中，电流检测电路所在DC/DC降压转换器部分电感L和电容Co串联，功率管MP1和续流管MN1串联，所述三组镜像管中电流检测管MP2、PMOS管M4、NMOS管M3依次串联，电流检测管MP3、PMOS管M5、NMOS管M2依次串联，基准电流源I1与NMOS管M1串联提供所述镜像管的电流；开关管MS1与功率管MP1串联且共栅连接后，与开关管MS2并联连接且栅极电压相反，采样电流Isen从采样电流管MR的漏极输出，所述采样电流管MR的源极连接在电流检测管MP2的漏极，栅极与PMOS管M5的漏极相连。
另外，所述电路还包括一补偿电容CC，该补偿电容CC连接于电流检测管MP3的源极和PMOS管M5的漏极之间。
所述图3所示电路中，电感电流的检测过程分为以下两种情况 当VQ＝0时，通过检测功率管MP1的电流从而得到电感电流。以下对所述检测电路具体的实现方法作详细分析。
由于VQ为低，则功率管MP1和开关管MS1均导通，续流管MN1和开关管MS2均截止，由于电流检测管MP2和电流检测管MP3镜像连接，同时PMOS管M4和M5镜像连接，NMOS管M1、M2和M3也镜像连接，且电流检测管MP2、PMOS管M4、NMOS管M3依次串联，电流检测管MP3、PMOS管M5、NMOS管M2也依次串联，基准电流源I1与NMOS管M1串联，由镜像电路的特性可知，基准电流源I1的电流镜像到NMOS管M2和NMOS管M3上，则流过两个PMOS管M4和M5的电流也相等，由于两个NMOS管M2和M3、两个PMOS管M4和M5的工艺参数都分别相同，且本实施例中取其宽长比也分别相同，则PMOS管M4的源极电压VA和PMOS管M5的源极电压VB相等。
由于本实用新型中基准电流源I1选取小于50微安的小电流，则相比功率管MP1的电流IP1可以忽略不计，因此可以通过检测功率管MP1上的电压实现检测所述电感电流IL。
另外，由于两个PMOS管MS1和MS2均为开关管，本实用新型中设定所述两个开关管MS1和MS2的宽长比大于50，则其沟道电阻很�。梢院雎钥毓躆S1的漏源电压，从而得到电流检测管MP2的漏源电压等于电流检测管MP3和功率管MP1的漏源电压之和。
由于电流检测管MP2、电流检测管MP3、功率管MP1都工作在线性区，即所述三个管子的电阻分别用Ron_MP1、Ron_MP2、Ron_MP3表示，则由欧姆定律可得到公式(3)。
Ip2Ron_MP2＝Ip1Ron_MP1+I1Ron_MP3 (3) 其中，Ip2、Ip1、I1为如图3所示的支路电流。由上面的分析还可得到公式(4)所示的关系式 Ip2＝Isen+I1(4) 其中Isen为如图所示的采样电流。将公式(4)代入公式(3)中可以得到如公式(5)所示的电流关系式 由于两个电流检测管MP2和MP3为镜像的MOS管，且宽长比相同，则在放大区时等效电阻近似相等，如公式(6)所示 Ron_MP2≈Ron_MP3(6) 所以得到公式(7) 又因为工作在深度线性区的功率管MP1的电流可用公式(8)表示 其中μ为沟道电子的迁移率，COX为单位面积栅电容，VT为功率管的阈值电压，W、L分别为沟道的宽度和长度，VGS为功率管MP1的栅源电压，VT为其阈值电压。
由于功率管MP1工作在线性区，其漏源电压很�。琕DS＜＜VGS-VT，忽略VDS2的影响，则公式(8)可以近似得到公式(9)。
故由欧姆定律即可得到所述功率管MP1的等效电阻，如背景技术中公式(1)所示，带入公式(7)即可得到如公式(10)所示的比例关系式，设定其比值用K表示。
由公式(10)可以得到，通过设计功率管MP1和电流检测管MP2的宽长比，就可以得到电感电流IL与采样电流Isen的比值K，因此，采用采样电流Isen来成比例等效电感电流IL，控制功率管MP1的关断，可以高速地反馈输出电压的大�。玫礁咝榷ǖ氖涑龅缪�。
所述检测电路的另一种工作情况为当VQ＝1时，此时，功率管MP1和开关管MS1截止，开关管MS2和续流管MN1导通。此时电容的充放电由RS触发器来触发，采样电流Isen与电感电流IL无关，即不需要检测电感电流，满足如下的关系式 IP2≈I1 则Isen≈0 由以上的分析可知，本实用新型所述检测电路能够精确快速地将电感电流IL成比例作用到采样电流Isen，从而控制两个开关管MS1和MS2的通断，也就是实现了电感电流间接控制开关管的通断，使整个电源系统快速输出稳定的电压。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
权利要求1、一种用于开关电源的电感电流检测电路，该电路包括开关电源系统中的功率管MP1，续流管MN1，电感L和电容C0，其中，功率管MP1和续流管MN1串联，电感L和电容C0串联，其特征在于，该电路还包括两个开关管MS1和MS2，基准电流源I1，采样电流管MR，以及由三个镜像连接的NMOS管M1、M2和M3，两个镜像连接的电流检测管MP2和MP3，及由两个镜像连接的PMOS管M4和M5组成的镜像电路，其中，所述三组镜像管中电流检测管MP2、PMOS管M4、NMOS管M3依次串联，电流检测管MP3、PMOS管M5、NMOS管M2依次串联，基准电流源I1与NMOS管M1串联提供所述镜像管的电流；开关管MS1与功率管MP1串联且共栅连接后，与开关管MS2并联连接且栅极电压相反，采样电流Isen从采样电流管MR的漏极输出，所述采样电流管MR的源极连接在电流检测管MP2的漏极，栅极与PMOS管M5的漏极相连。
2、根据权利要求1所述的一种用于开关电源的电感电流检测电路，其特征在于，所述电路还包括一补偿电容CC，该补偿电容CC连接于电流检测管MP3的源极和PMOS管M5的漏极之间。
3、根据权利要求1或2所述的一种用于开关电源的电感电流检测电路，其特征在于，所述镜像连接的三个NMOS管M1、M2和M3的工艺参数相同，宽长比相同。
4、根据权利要求3所述的一种用于开关电源的电感电流检测电路，其特征在于，所述镜像连接的两个PMOS管M4和M5的工艺参数相同，宽长比相同。
5、根据权利要求4所述的一种用于开关电源的电感电流检测电路，其特征在于，所述镜像连接的两个电流检测管MP2和MP3的工艺参数相同，宽长比相同。
6、根据权利要求1或5所述的一种用于开关电源的电感电流检测电路，其特征在于，所述两个PMOS管MS1和MS2为宽长比大于50的开关管。
7、根据权利要求1或5所述的一种用于开关电源的电感电流检测电路，其特征在于，所述基准电流源I1输出小于50微安的电流。
8、根据权利要求6所述的一种用于开关电源的电感电流检测电路，其特征在于，所述基准电流源I1输出小于50微安的电流。
专利摘要一种用于开关电源的电感电流检测电路，包括两个开关管MS1和MS2，基准电流源I1，采样电流管MR，三个镜像连接的NMOS管M1、M2和M3，两个镜像连接的电流检测管MP2和MP3及两个镜像连接的PMOS管M4和M5，且所述三组镜像管依次串联，基准电流源I1与NMOS管M1串联提供所述镜像管的电流；开关管MS1与功率管MP1串联且共栅连接后，与开关管MS2并联连接且栅极电压相反，输出采样电流Isen从采样电流管MR的漏极输出。所述检测电路结构简单，且不存在温度特性的影响，功耗比较低，能够有效提高开关电源的效率，具有检测精度高，温度特性好，易于集成的优点。
文档编号G01R31/28GK201159747SQ200820092098
公开日2008年12月3日 申请日期2008年2月3日 优先权日2008年2月3日
发明者吴玉强, 胡江鸣, 刘敬波, 常军锋, 岭 石 申请人:深圳艾科创新微电子有限公司
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
