一种应用于dc-dc转换器的新型电感电流检测电路的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】-种应用于DC-DC转换器的新型电感电流检测电路
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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M0S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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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Ml和M3, M2是与Ml匹配的检测管。为了减少功耗，M2的长宽比至少为Ml 的千分之一，由于两管栅源电压相等，且运放的钳位作用使乂 4和％相等，所以镜像电流13可 以较为精确地和电感电流k成比例。在忽略偏置电流Ib影响的情况下，可在Ms处获得与 I s基本相等的检测电流Ism。
[0006] 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1和％，从而加大了设计难度；2)M2和Ml的版图失配误差较大；3)在轻载或断续导 通模式下，I sm将降至较低值，其精度容易受到偏置电流Ib的影响。
【发明内容】
[0007] 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M0S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。
[0008] 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PM0S功率管和NM0S功率管的电流，适用于DC-DC转换 器的不同拓扑结构，包括：
[0009] 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；
[0010] 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 压谢位，从而提1?输出的检测电流精度；
[0011] 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。
[0012] 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PM0S功率管电流 时的各个场效应管类型与检测NM0S功率管电流时的对应场效应管类型相反。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 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。
[0020] 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PM0S功率管电流的电路原理图。
[0021] 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。
[0022] 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NM0S功率管电流的电路原理图。
[0023] 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】
[0024] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0025] 实施例1
[0026] 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PM0S功率管的电流，包括：
[0027] 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；
[0028] 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 压谢位，从而提1?输出的检测电流精度；
[0029] 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。
[0030] 所述功率管电流检测模块主要由第一场效应管Ml、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Mcl和第九场效应管Mc2连 接构成。
[0031] 所述第一场效应管Ml的源极与输入电压Vin相连，第一场效应管Ml的栅极接地， 第一场效应管Ml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Mcl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i 场效应管Mil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Mcl的栅极分别与偏置电压和外围电路的第十一场效应管Mil、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Mcl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。
[0032] 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L。由于第一场效应管Ml的长宽比远大于第七场效应管Ms,所以第一场效 应管Ml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 = & :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L和IP，则Ip山=& :1。
[0033] 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Ib，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Mil、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i 场效应管Mil、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Ib，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：
[0034] !2Rds2 - IbRds3+l3Rdsl ⑴
[0035] 其中，电阻Rdsl_Rds3分别为第一场效应管Ml、第二场效应管M2、第三场效应管M3的 导通电阻，电流1 2和电流13分别为流过第二场效应管M2和第一场效应管Ml的电流。由于 第一场效应管Ml、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M0S管，其电阻的表达式为：
[0036]
【权利要求】
1. 一种应用于DC-DC转换器的新型电感电流检测电路，其特征在于，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1?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。
2. 根据权利要求1所述的一种应用于DC-DC转换器的新型电感电流检测电路，其特征 在于：所述功率管电流检测模块主要由第一场效应管（Ml)、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（Mcl)和 第九场效应管（Mc2)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。
3. 根据权利要求2所述的一种应用于DC-DC转换器的新型电感电流检测电路，其特征 在于：所述第一场效应管（Ml)的源极与输入电压（Vin)相连，第一场效应管（Ml)的栅极接 地，第一场效应管（Ml)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（Mcl)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（Mil)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（Mcl)的栅极分别与偏置 电压和外围电路的第^ 场效应管（Mil)、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（Mcl)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。
4. 根据权利要求2所述的一种应用于DC-DC转换器的新型电感电流检测电路，其特征 在于：所述第七场效应管（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（Ml)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（Ml)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（Ml)、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（Mcl)的漏极与第九场效应管（Mc2)的源极相连；第八场效应管（Mcl)的栅极分别与 外围电路的第十四场效应管（M15)、第^ 场效应管（Mil)、第十三场效应管（M12)的栅极 相连，第八场效应管（Mcl)的源极与电源电压相连。
【文档编号】G01R19/00GK104101764SQ201410286406
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】邓婉玲, 饶远, 黄君凯 申请人:暨南大学