电压检测电路、开关变换器及集成电路的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，更具体的说，涉及电压检测电路、开关变换器及集成电路。


背景技术：

2.图1所示为现有技术的一种应用于开关变换器的电压检测电路。如图所示，开关变换器为反激变换器，开关管采用下位拓扑，电压检测电路包括电阻分压器以采样输出电压，以提供给同步整流控制器，从而控制开关管的工作状态。
3.当开关管采用上位拓扑时(图中未示出)，即开关管qs连接在变压器绕组 l
s
和正输出端o+之间，同步整流控制器的参考地未与输出的参考地连接。因此，无法根据以输出地为电压参考点的输出电压控制开关管的工作状态。为此，本发明提供了一种电压检测电路及应用其的开关变换器，无需增加额外引脚，不需要多余的外部电路就能进行电压采样，同时在开关管控制电路的参考地在浮动情况下也能进行电压采样。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了电压检测电路、开关变换器及集成电路，通过低通滤波器获取表征开关管两端电压的平均值以实现电压采样，同时在开关管控制电路的参考地浮动时也能实现电压采样。
5.根据本发明的第一方面，提出了一种电压检测电路，应用于开关变换器，其中所述开关变换器包括串联连接的开关管与磁性元件，且所述开关管的一端和所述磁性元件的一端共同连接于公共节点。所述电压检测电路包括低通滤波器，用以接收所述开关管两端的第一电压，并输出表征所述第一电压的平均值的第二电压，其中，所述第二电压用以表征所述开关变换器在稳态下的所述开关管的另一端与所述磁性器件的另一端之间的电压。
6.优选地，所述第二电压用以表征所述开关变换器的输入电压或输出电压或所述输入电压和所述输出电压的差值。
7.优选地，所述低通滤波器的参考地以及所述开关变换器的控制电路的参考地均连接至所述开关管的第二端。
8.优选地，所述磁性元件为电感或变压器绕组。
9.优选地，所述开关变换器被配置为boost变换器，所述开关管连接在所述公共节点和所述开关变换器的负输入端之间，所述磁性元件连接在所述开关变换器的正输入端和所述公共节点之间，且所述第二电压用以表征所述开关变换器的输入电压。
10.优选地，所述开关变换器被配置为buck变换器，所述开关管连接在所述开关变换器的正输入端和所述公共节点之间，所述磁性元件连接在所述公共节点和所述开关变换器的正输出端之间，且所述第二电压用以表征所述开关变换器的输入电压与输出电压的差值。
11.优选地，所述开关变换器被配置为buck变换器，所述开关管连接在所述公共节点
和所述开关变换器的负输入端之间，所述磁性元件连接在所述公共节点和所述开关变换器的负输出端之间，且所述第二电压用以表征所述开关变换器的输入电压与输出电压的差值。
12.优选地，所述开关变换器被配置为buck
‑
boost变换器，所述开关管连接在所述开关变换器的正输入端和所述公共节点之间，所述磁性元件连接在所述公共节点和所述开关变换器的负输入端之间，所述第二电压用以表征开关变换器的输入电压。
13.优选地，所述开关变换器被配置为flyback变换器，当所述低通滤波器用于检测原边开关管两端的电压时，所述低通滤波器输出的第二电压用以表征所述开关变换器的输入电压；当所述低通滤波器用于检测副边开关管两端的电压时，所述低通滤波器输出的第二电压用以表征开关变换器的输出电压。
14.优选地，所述磁性元件为原边绕组，连接在所述开关变换器的正输入端和所述公共节点之间，所述原边开关管连接在所述公共节点和所述开关变换器的负输入端之间。
15.优选地，所述磁性元件为副边绕组，连接在所述公共节点和所述开关变换器的负输出端之间，所述副边开关管连接在所述公共节点和所述开关变换器的正输出端之间。
16.优选地，所述磁性元件为副边绕组，连接在所述公共节点和所述开关变换器的正输出端之间，所述副边开关管连接在所述公共节点和所述开关变换器的负输出端之间。
17.根据本发明的第二方面，提出了一种开关变换器。所述开关变换器包括功率级电路以及上述任一所述电压检测电路。
18.根据本发明的第三方面，提出了一种集成电路。所述集成电路包括开关变换器中的开关管；和
19.电压检测电路，以在集成电路内部生成表征输入电压或输出电压或所述输入电压和所述输出电压的差值之一的电压检测信号。
20.本发明提供了电压检测电路、开关变换器及集成电路，其中所述开关变换器包括串联连接的开关管与磁性元件，且所述开关管的一端和所述磁性元件的一端共同连接于公共节点。所述电压检测电路包括低通滤波器，用以接收所述开关管两端的第一电压，并输出表征所述第一电压的平均值的第二电压，其中，所述第二电压用以表征所述开关变换器在稳态下的所述开关管的另一端与所述电感的另一端之间的电压。依据本发明的电压检测电路及应用其的开关变换器，无需增加额外引脚，不需要多余的外部电路就能进行电压采样，同时在开关管控制电路的参考地在浮动情况下也能进行电压采样。
附图说明
21.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
22.图1为现有技术的一种应用于开关变换器的电压检测电路；
23.图2为本发明开关变换器实施例一的具体电路图；
24.图3为本发明开关变换器实施例二的具体电路图；
25.图4为本发明开关变换器实施例三的具体电路图；
26.图5为本发明开关变换器实施例四的具体电路图；
27.图6为本发明开关变换器实施例五的具体电路图；以及
28.图7为本发明开关变换器实施例六的具体电路图。
具体实施方式
29.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
30.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
31.同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
32.除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
34.本发明实施例的一种电压检测电路，应用于开关变换器，其中所述开关变换器包括串联连接的开关管与磁性元件，且所述开关管的一端和所述磁性元件的一端共同连接于公共节点，其特征在于，包括：低通滤波器，用以接收所述开关管两端的第一电压，并输出表征所述第一电压的平均值的第二电压，其中，所述第二电压用以表征所述开关变换器在稳态下的所述开关管的另一端与所述磁性器件的另一端之间的电压。
35.图2为本发明开关变换器实施例一的具体电路图。如图2所示，在本发明实施例中，开关变换器被配置为boost变换器。开关变换器1包括：
36.功率级电路11、电压检测电路12以及控制电路13。具体地，功率级电路11包括串联连接的开关管(即主功率管qm)以及电感l，电感l的第一端和主功率管qm的第一端连接于公共节点，电感l的第二端与正输入端i+连接，主功率管qm的第二端与负输入端i
‑
连接。此外，开关变换器1的正输入端i+ 与负输入端i
‑
接收输入电压vin以及正输出端o+与负输出o
‑
端产生输出电压vo，开关变换器1的负输入端i
‑
与负输出端o
‑
连接至同一参考地。在本发明实施例中，可选地，主功率管为mosfet，其第一端为漏极，第二端为源极，栅极为控制端。电压检测电路12连接在主功率管qm的第一端和第二端之间，以检测主功率管qm两端的电压。在本发明实施例中，电压检测电路12包括低通滤波器，低通滤波器的参考地以及开关变换器1的控制电路13的参考地均连接至主功率管qm的第二端。也即，低通滤波器的参考地以及控制电路13的参考地与负输入端i
‑
连接。在本发明实施例中，低通滤波器具有一时间常数，其输出的电压为其接收的电压的平均值。具体地，低通滤波器，用以接收主功率管两端的第一电压v
ds
，并输出表征第一电压v
ds
的平均值的第二电压va。可选地，在本发明实施例中，低通
滤波器为rc滤波器。应理解，其他任何形式的低通滤波器均可应用于本发明实施例中。在本发明实施例中，可选地，控制电路13用以根据第二电压va控制主功率管的开关状态。
37.当开关变换器处于稳态时，根据伏秒平衡的原理可知：δvon*ton＝δ voff*toff，这里，ton为主功率管导通时间，toff为主功率管关断时间，δvon 为主功率管导通时电感l两端的压降，δvoff为主功率管关断时电感l两端的压降。
38.在主功率管导通时，根据kvl定律：v
ds_on
＝vin
‑
δvon；在主功率管关断时，根据kvl定律：v
ds_off
＝vin+δvoff。
39.进一步地，第二电压满足下式：va＝(ton*v
ds_on
+toff*v
ds_off
)/t，这里t为主功率管开关周期。
40.根据上述关系式可得到va＝vin。综上所述，在本发明实施例中，第二电压 va表征稳态下主功率管qm的未与电感l相连的另一端(即第二端)与电感l 的未与主功率管qm相连的另一端(即第二端)之间的电压，即开关变换器1 的输入电压vin，至此实现了对开关变换器输入电压的采样。
41.图3为本发明开关变换器实施例二的具体电路图。如图3所示，在本发明实施例中，开关变换器为配置为buck变换器。在本发明实施例中，开关管采用上位拓扑。开关变换器2包括：
42.功率级电路21、电压检测电路22以及控制电路23。具体地，功率级电路 21包括串联连接的开关管(即主功率管qm)以及电感l，电感l的第一端和主功率管qm的第二端连接于公共节点，电感l的第二端与正输出端o+连接，主功率管的第一端与正输入端i+连接。此外，开关变换器2的正输入端i+与负输入端i
‑
接收输入电压vin以及正输出端o+与负输出端o
‑
产生输出电压vo，开关变换器2的负输入端i
‑
与负输出端o
‑
连接至同一参考地。在本发明实施例中，可选地，主功率管为mosfet，其第一端为漏极，第二端为源极，栅极为控制端。电压检测电路12连接在主功率管qm的第一端和第二端之间，以检测主功率管qm两端的电压。在本发明实施例中，电压检测电路22包括低通滤波器，低通滤波器的参考地以及控制电路的参考地均连接至主功率管qm的第二端。在本发明实施例中，低通滤波器具有一时间常数，其输出的电压为其接收的电压的平均值。具体地，低通滤波器，用以接收主功率管qm两端的第一电压v
ds
，并输出表征第一电压v
ds
的平均值的第二电压va。在本发明实施例中，可选地，控制电路23用以根据第二电压va控制主功率管的开关状态。可选地，在本发明实施例中，低通滤波器为rc滤波器。当开关变换器处于稳态时，基于与实施例一类似的推导过程，可知：在本发明实施例中，第二电压va表征稳态下开关变换器1的输入电压vin与输出电压vo的差值，即va＝vin
‑
vo。综上所述，在本发明实施例中，第二电压va表征稳态下主功率管qm的第一端与电感l的第二端之间的电压，即开关变换器2的输入电压vin与输出电压vo的差值，至此实现了对开关变换器输入电压与输出电压差值的采样。
43.图4为本发明开关变换器实施例三的具体电路图。如图4所示，在本发明实施例中，开关变换器被配置为buck变换器。在本发明实施例中，开关管采用下位拓扑。开关变换器3包括：
44.功率级电路31、电压检测电路32以及控制电路33。具体地，功率级电路 31包括串联连接的开关管(即主功率管qm)以及电感l，电感l的第一端和主功率管qm的第一端连接于公共节点，电感l的第二端与负输出端o+连接，主功率管的第二端与负输入端i
‑
连接。此外，
开关变换器3的正输入端i+与负输入端i
‑
接收输入电压vin以及正输出端o+与负输出端o
‑
输出输出电压vo，开关变换器3的负输入端i
‑
与负输出端o
‑
连接至不同参考地。
45.在本发明实施例中，可选地，主功率管为mosfet，其第一端为漏极，第二端为源极，栅极为控制端。在本发明实施例中，电压检测电路32包括低通滤波器，低通滤波器的参考地以及开关变换器的控制电路的参考地均连接至主功率管qm的第二端。也即，低通滤波器的参考地和控制电路33的参考地与负输入端i
‑
连接。在本发明实施例中，低通滤波器具有一时间常数，使得其输出的电压为其接收的电压的平均值。具体地，低通滤波器，用以接收主功率管两端的第一电压v
ds
，并输出表征第一电压v
ds
的平均值的第二电压va。在本发明实施例中，可选地，控制电路33用以根据第二电压va控制主功率管的开关状态。可选地，在本发明实施例中，低通滤波器为rc滤波器。当开关变换器处于稳态时，基于与实施例一类似的推导过程，可知：在本发明实施例中，第二电压va 表征稳态下开关变换器3的输入电压vin与输出电压vo的差值，即va＝vin
‑
vo。综上所述，在本发明实施例中，第二电压va表征稳态下主功率管qm的第二端与电感l的第二端之间的电压，即开关变换器3的输入电压vin与输出电压vo 的差值，至此实现了对开关变换器输入电压与输出电压差值的采样。
46.图5为本发明开关变换器实施例四的具体电路图。如图5所示，在本发明实施例中，开关变换器被配置为buck
‑
boost变换器。开关变换器4包括：
47.功率级电路41、电压检测电路42以及控制电路43。具体地，功率级电路 41包括串联连接的开关管(即主功率管qm)以及电感l，电感l的第一端和主功率管qm的第二端连接于公共节点，电感l的第二端与负输出端o
‑
连接，主功率管qm的第一端与正输入端i+连接。此外，开关变换器4的正输入端i+ 与负输入端i
‑
接收输入电压vin以及正输出端o+与负输出端o
‑
产生输出电压vo，开关变换器4的负输入端i
‑
与负输出端o
‑
连接至相同参考地。
48.在本发明实施例中，可选地，主功率管为mosfet，其第一端为漏极，第二端为源极，栅极为控制端。在本发明实施例中，电压检测电路42包括低通滤波器，低通滤波器的参考地以及开关变换器的控制电路的参考地均连接至主功率管qm的第二端。在本发明实施例中，低通滤波器具有一时间常数，其输出的电压为其接收的电压的平均值。具体地，低通滤波器，用以接收主功率管两端的第一电压v
ds
，并输出表征第一电压v
ds
的平均值的第二电压va。在本发明实施例中，可选地，控制电路43用以根据第二电压va控制主功率管的开关状态。可选地，在本发明实施例中，低通滤波器为rc滤波器。当开关变换器处于稳态时，基于与实施例一类似的推导过程，可知：在本发明实施例中，第二电压va表征稳态下开关变换器4的输入电压vin，即va＝vin。综上所述，在本发明实施例中，第二电压va表征稳态下主功率管qm的第一端与电感l的第二端之间的电压，即开关变换器4的输入电压vin，至此实现了对开关变换器输入电压的采样。
49.图6为本发明开关变换器实施例五的具体电路图。如图6所示，在本发明实施例中，开关变换器被配置为flyback变换器。开关变换器5包括：
50.功率级电路51。具体地，功率级电路51包括变压器t(包括原边绕组l
p
、副边绕组l
s
)、主功率管qm以及整流管qs。进一步地，主功率管qm与原边绕组l
p
串联连接，原边绕组的第二端(即非同名端)和主功率管的第一端连接于公共节点，原边绕组的第一端(同名端)与正输入端连接，主功率管的第二端与负输入端i
‑
连接；整流管qs与副边绕组l
s
串联连接，副边绕组的第一端(即非同名端)和整流管qs的第二端连接于公共节点，副边绕组的第二端
(即同名端)与负输出端o
‑
连接，整流管qs的第一端与正输出端o+连接。此外，开关变换器5的正输入端i+与负输入端i
‑
接收输入电压vin以及正输出端o+与负输出端o
‑
产生输出电压vo，开关变换器5的负输入端i
‑
与负输出端o
‑
连接至不同参考地。可选地，主功率管与整流管均为mosfet，其第一端为漏极，第二端为源极，栅极为控制端。
51.在本发明实施例中，可选地，flyback变换器还包括：原边电压检测电路52 以及原边控制电路53。原边电压检测电路52包括低通滤波器，低通滤波器的参考地以及开关变换器的原边控制电路的参考地均连接至主功率管qm的第二端。也即，低通滤波器的参考地和控制电路53的参考地与负输入端i
‑
连接。在本发明实施例中，低通滤波器具有一时间常数，其输出的电压为其接收的电压的平均值。具体地，低通滤波器，用以接收主功率管qm两端的第一电压v
ds1
，并输出表征第一电压v
ds1
的平均值的第二电压va1。可选地，低通滤波器为rc 滤波器。在本发明实施例中，可选地，原边控制电路53用以根据第二电压va1 控制主功率管qm的开关状态。当开关变换器处于稳态时，基于与实施例一类似的推导过程，可知：在本发明实施例中，第二电压va1表征稳态下开关变换器5的输入电压vin，即va1＝vin。综上所述，在本发明实施例中，第二电压va1 表征稳态下主功率管qm的第二端与原边绕组lp的第一端之间的电压，即开关变换器5的输入电压vin，至此实现了对开关变换器输入电压的采样。
52.在本发明实施例中，可选地，flyback变换器还包括：副边电压检测电路54 以及副边控制电路55。副边电压检测电路54包括低通滤波器，低通滤波器的参考地以及整流管qs的第二端同时连接至开关变换器的副边控制电路的参考地。在本发明实施例中，低通滤波器具有一时间常数，其输出的电压为其接收的电压的平均值。具体地，低通滤波器，用以接收主功率管两端的第一电压v
ds2
，并输出表征第一电压v
ds2
的平均值的第二电压va2。可选地，低通滤波器为rc 滤波器。在本发明实施例中，可选地，副边控制电路55用以根据第二电压va2 控制整流管qs的开关状态。当开关变换器处于稳态时，基于与实施例一类似的推导过程，可知：在本发明实施例中，第二电压va2表征稳态下开关变换器5 的输出电压vo，即va2＝vo。综上所述，在本发明实施例中，第二电压va2表征稳态下整流管qs的第二端与副边绕组ls的第二端之间的电压，即开关变换器5 的输出电压vo，至此实现了对开关变换器输出电压的采样。
53.图7为本发明开关变换器实施例六的具体电路图。如图7所示，其原边电路部分结构以及输入电压采集过程与实施例五所述相同，在此不再赘述。本发明实施例与实施例五区别之处在于：
54.副边绕组的第二端(即同名端)和整流管的第一端连接于公共节点，副边绕组的第一端与正输出端o+连接，整流管的第二端与负输出端o
‑
连接。可选地， flyback变换器还包括：副边电压检测电路64以及副边控制电路65。副边电压检测电路64包括低通滤波器，低通滤波器的参考地以及整流管qs的第二端同时连接至开关变换器的副边控制电路的参考地。其中，副边控制电路65的参考地与负输出端o
‑
连接的参考地相同。在本发明实施例中，低通滤波器具有一时间常数，其输出的电压为其接收的电压的平均值。具体地，低通滤波器，用以接收主功率管两端的第一电压v
ds
，并输出表征第一电压v
ds
的平均值的第二电压va。在本发明实施例中，可选地，副边控制电路65用以根据第一电压v
ds
控制整流管qs的开关状态。当开关变换器处于稳态时，基于与实施例一类似的推导过程，可知：在本发明实施例中，第二电压va表征稳态下开关变换器6的输出电压vo，即va＝vo。综上所述，在本发明实施例中，第
二电压va表征稳态下整流管qs的第二端与副边绕组ls的第二端之间的电压，即开关变换器6的输出电压vo，至此实现了对开关变换器输出电压的采样。
55.综上所述，本发明提供了一种电压检测电路、开关变换器及集成电路。其中所述开关变换器包括串联连接的开关管与磁性元件，且所述开关管的一端和所述磁性元件的一端共同连接于公共节点。所述电压检测电路包括：低通滤波器，用以接收所述开关管两端的第一电压，并输出表征所述第一电压的平均值的第二电压，其中，所述第二电压用以表征所述开关变换器在稳态下的所述开关管的另一端与所述磁性器件的另一端之间的电压。依据本发明的电压检测电路及应用其的开关变换器，通过低通滤波器获取表征开关管两端电压的平均值以实现电压采样，无需增加额外引脚，不需要多余的外部电路。同时在开关管控制电路的参考地在浮动情况下也能进行电压采样。
56.依照本发明实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。