用于调压器内电流感测的系统和方法

文档序号:7342200
专利名称:用于调压器内电流感测的系统和方法
技术领域
本发明涉及电流感测放大器,尤其涉及用于检测通过调压器的高侧开关晶体管和低侧开关晶体管的电流的电流感测放大器。
背景技术
集成有峰电流模式的降压FET调节器(buck FET regulator)响应于输入电压提供经调节的输出电压。降压调节器具有约150纳秒的最小导通时间限制。这ー导通时间限制取决于在降压调节器内使用的电流感测方案。降压调节器内的最小导通时间限制随通过降压调节器的低电流增大而増大。因此,需要提供一种减小降压调节器的最小导通时间的电流感测方案,这会极大地改进降压调节器的操作。

发明内容
如本文所公开和描述的,在ー个方面,本发明包括电流感测放大器,它包括高侧电流感测放大器电路和低侧电流感测放大器电路。高侧电流感测放大器电路感测通过调压器高侧开关晶体管的第一电流,并响应于此提供电流传感器输出。低侧电流感测放大器感测通过调压器低侧开关晶体管的第二电流。


为了更全面地理解,现參照以下结合附图进行的描述,在附图中图I是具有电流感测放大器的降压调节器的框图;图2示出用于降压调节器的电流感测放大器实施例的框图。图3示出与图2的电路操作相关联的波形。图4是包括包含本文所述电路的电子/电气电路/设备的电子/电气系统的框图。
具体实施例方式现在參考附图,其中在本文中通篇使用类似的附图标记来指代类似的元素,示出和描述了电流感测放大器的各种视图和实施例,并且还描述了其它可能的实施例。这些附图不一定是按比例绘制的,而且仅为说明目的,在某些实例中有几处已将附图放大和/或简化。本领域普通技术人员可以基于以下可能实施例的示例意识到许多可能的应用和变型。集成有峰电流模式的降压FET调节器响应于输入电压提供经调节的输出电压。降压调节器具有约150纳秒的最小导通时间限制。该导通时间限制取决于在降压调节器内使用的电流感测方案。降压调节器内的最小导通时间限制随负载电流增大而增大。因此,提供进一步减小降压调节器的最小导通时间的电流感测方案的能力会极大地改进降压调节器的操作。现参考附图,更具体地参考图I,示出了调压器以及关联电流传感器和控制电路的框图。调压器102被连接成接收输入电压Vin并驱动来自关联驱动器电路104的控制信号以生成经调节的输出电压VQUT。驱动器电路104响应于来自PWM控制器106的PWM控制信号向调压器102生成驱动器信号。PWM控制器106响应于来自误差放大器108的误差电压信号和所提供的斜坡电压生成PWM控制信号。误差放大器108响应于所提供的参考电压Vkef 以及输出电压Vott和由高侧电流感测放大器110提供的电流感测电压信号生成误差电压。如以下充分描述的,高侧电流感测放大器110向误差放大器108提供电流感测信号,并且在第二操作模式中检测跨调压器102内高侧开关晶体管的电流。低侧电流感测放大器112检测跨调压器102的低侧开关晶体管的电流,并且向高侧电流感测放大器110提供该信息用于生成电流控制信号(第一操作模式中的电流感测电压信号)。现在参照图2,示出了包括高侧电流感测放大器204和低侧电流感测放大器206的降压调节器202的控制方案。该方案使用附加的谷电流传感器作为低侧电流感测放大器206,用于检测低侧开关晶体管208上的电流以提供用于低侧开关晶体管208和高侧开关晶体管210的电感器电流信息。高侧开关晶体管210的源极/漏极路径连接在输入电压节点212与相位节点214之间。低侧开关晶体管208的源极/漏极路径连接在相位节点214与接地之间。电感器216连接在节点214与输出电压节点218之间。负载电容器220连接在输出电压节点218与接地之间。高侧开关晶体管210由从驱动器电路211提供的控制信号SW_HS来驱动。驱动器电路211附加地提供用于驱动低侧开关晶体管208的SW_LS控制信号。驱动器电路211响应于来自PWM控制器213的PWM控制信号生成驱动器控制信号。PWM控制器213响应于从误差放大器215接收的误差电压信号和斜坡电压信号Vkamp生成PWM控制信号。误差放大器215响应于参考电压Vkef以及输出电压Votit和从高侧电流感测放大器204的节点232提供的电压VLD生成误差电压,如下文中详细描述的。高侧电流感测放大器204在节点212和节点214连接到降压调节器202。开关222连接在输入电压节点212与节点224之间。感测晶体管226的源极/漏极路径连接在节点224与节点228之间。开关222响应于控制信号SW_HS接通和关断。开关222消除了当高侧开关晶体管210接通时PVIN节点212上的激振(ringing)效应。当高侧开关晶体管210接通时,开关222通过响应于控制信号SW_HS的适当延迟而接通。开关222在开关210关断期间(即开关208接通期间)接通,以防止高侧电流感测电路在低侧电流感测时间(使低侧电流感测电路不发挥作用)内断电。因此,除了在围绕高侧开关210接通时刻的每个开关循环中的很短时间之外,在开关循环的大部分期间开关222是接通的。晶体管226的栅极接地。晶体管230的源极/漏极路径连接在节点228与节点232之间。节点232包括提供高侧电流感测放大器204的输出的VLD节点。
VLD是在峰电流模式控制中使用的电感器电流的度量。电阻器234连接在节点232与接地之间。电容器236在节点232和接地之间与电阻器234并联。误差放大器238的输出连接到晶体管230的栅极。误差放大器238的反相输入连接到节点228,且非反相输入连接到节点240。开关242连接在节点240与节点244之间。开关242响应于控制信号SW_HS。开关242在高侧开关晶体管210接通时闭合,从而将节点240连接到节点244。当高侧开关晶体管210关断吋,开关242断开。当节点240连接到节点244吋,高侧偏移电压VQFF_HS源246连接在相位节点214与误差放大器238的非反相输入之间。低侧电流感测放大器206在相位节点214和Vdd节点250处连接到降压调节器。低侧电流感测放大器206通过三个分立开关连接到降压调节器202和高侧电流感测放大器
204。它们包括连接节点250与节点224的开关252。开关252响应于SW_LS信号,并且在低侧开关晶体管208接通时闭合,而在低侧开关晶体管208关断时断开。开关254连接在高侧电流感测放大器204的节点240与低侧电流感测放大器206的节点256之间。最終,开关258将低侧电流感测放大器206的节点260连接到相位节点214。晶体管262的栅极接地,且其源极/漏极路径连接在节点250 (Vdd)和节点256之间。由晶体管264和266组成的电流镜将晶体管264的漏极/源极路径连接在节点250与节点256之间并且其栅极连接到晶体管266。晶体管266的源极/漏极路径连接在节点250与节点268之间。晶体管270的源极/漏极路径连接在节点268与节点272之间。晶体管274的源极/漏极路径连接在节点272与接地之间。晶体管274的栅极连接到VIN,因为它是LG的感测M0SFET。偏移电压源Iqff_LS 276连接在接地与节点256之间。电压源276的负端子连接到节点256,并且正端子接地。误差放大器278的输出连接到晶体管270的栅极。误差放大器278的反相输入连接到节点272,并且其非反相输入连接到节点280。电压源282连接在节点280处的误差放大器278的非反相输入与节点260之间。电压源Vt^iLS的正端子连接到节点280,并且电压源282的负端子连接到节点260。当高侧开关210接通并且低侧开关208关断吋,开关242和开关222闭合,而开关252、开关258和开关254各自断开,使得高侧电流感测放大器204监视高侧开关210的电流。当高侧开关210关断时,开关242和222断开,并且代替将VLD拉向接地,开关252、254和258闭合,使得低侧电流感测放大器206提供与节点VLD 232处高侧电流感测放大器204—致的电流信息。低侧电流感测放大器206内的放大器278使跨开关晶体管274压降等于跨低侧晶体管208的压降加上电压源282的偏移电压Vqff_LS。通过晶体管262的电流I2等于K(ILxIx2),其中Ix2由V^LS和I^LS确定。放大器278还使得I1 = I2 =K(ILxIx2) ο通过适当修整,Ixl的值可以等于Ix2,并且电感器电流被持续反射(mirror)至Ij晶体管226 现在參照图3,相对于图2的电路示出波形操作。SW_LS信号302指示由SW_LS控制信号控制的低开关晶体管和开关何时接通和关断。这些开关响应于SW_LS上的逻辑高条件接通,并且响应于逻辑低信号关断。类似地,SW_HS信号指示由SW_HS控制信号控制的高开关晶体管210和开关何时接通和关断。这些开关响应于逻辑高条件接通,并且响应于逻辑低条件关断。电感器电流306由所示波形表示。电感器电流306在高开关晶体管210接通且低开关晶体管208关断时増大。电感器电流306在高开关晶体管210关断且低开关晶体管208接通时减小。在高侧电流感测放大器304的节点232处提供理想的VLD信号308。高侧电流感测放大器输出VLD信号308以与电感器电流306类似的方式增大和减小。实际VLD 310信号的操作在实际操作模式中从高侧电流感测放大器304的输出提供。在实际操作模式中,当SW_HS信号走低且SW_LS信号走高从而接通低侧开关晶体管并关断高侧开关晶体管时,实际VLD信号310在点312处被稍稍拉低。随着电路从使用高侧电流感测放大器204转变到使用低侧电流感测放大器206来监视电感器电流,实际VLD信号310从312稍稍下降到314。从点314到点316的实际VLD 信号310是响应于向高侧电流感测放大器204提供的低侧电流感测放大器206输出而生成的,从而可以提供对所感测电感器电流的更精确表示。在没有来自低侧电流感测放大器206的输入的情况下,当高侧开关晶体管210关断且低侧开关晶体管208接通时,实际VLD信号310会降到零。因此,经由VLD信号310提供对所感测电感器电流的更精确表示。根据本公开实施例的调压器和关联电路可具体化为多种不同类型的电子设备和系统,例如计算机、蜂窝电话、个人数字助理以及工业系统和设备。具体而言,一些应用包括,但不限于,CPU功率调节器、芯片调节器、负载点功率调节器和存储器调节器。图4是包括包含参照图1-3描述的具有高侧和低侧电流感测放大器404的调压器的电子/电气电路/设备402的电子/电气系统400的框图。电子/电气电路/设备402包括用于执行给定系统所需的各种功能的电路,诸如在电子系统是计算机系统的情况下执行具体软件以进行具体计算或任务。另外,电子/电气系统400可包括耦合于电子电路/设备402以使操作员与系统交互的一个或多个输入设备406,例如键盘、鼠标或触摸垫。典型地,电子/电气系统400还包括I禹合于电子/电气电路/设备402的一个或多个输出设备408,该输出设备一般包括例如LCD显示器的视频显示器。一个或多个数据存储设备410也通常耦合于电子/电气电路/设备402以存储数据或从存储介质检索数据。典型的存储设备410的示例包括磁盘驱动器、磁带盒、紧凑盘只读(CD-ROMS)和紧凑盘(CD R/W)存储器以及数字视频盘(DVD)、闪存驱动器等等。应当理解的是,本文中的附图和详细描述应被认为是说明性而非限制性的,并且不旨在受限于所公开的特定形式和示例。相反,如所附权利要求所限定的,在不背离本发明的精神和范围的情况下,包括了对本领域的普通技术人员而言显而易见的任何进一步修改、变化、重排、替换、替代、设计选择以及实施例。因此,旨在使所附权利要求被解释为涵盖所有这些进一步修改、变化、重排、替换、替代、设计选择以及实施例。
权利要求
1.ー种装置,包括 调压器,用于响应于输入电压和驱动控制信号生成经调节的输出电压,所述调压器包括闻侧开关晶体管和低侧开关晶体管; 驱动器电路,用于响应于PWM控制信号生成驱动控制信号; PWM控制器,用于响应于误差电压和斜坡电压生成PWM控制信号; 误差放大器,用于响应于參考电压、所述经调节的输出电压和电流感测电压信号生成误差电压; 低侧电流感测放大器,用于当所述低侧开关晶体管接通且所述高侧开关晶体管关断时,在第一操作模式中感测通过所述低侧开关晶体管的第一电流并且响应于此生成第一电流感测信号;以及 高侧电流感测放大器,用于在所述第一操作模式中响应于所述第一电流感测信号提供电流感测电压信号,并且当所述高侧开关晶体管接通且低侧开关晶体管关断时,在第二操作模式中感测通过所述高侧开关晶体管的第二电流并响应于此提供电流感测电压信号。
2.如权利要求I所述的装置,其特征在于,还包括多个开关,用于在第二操作模式中连接所述高侧电流感测放大器以监视通过所述高侧开关晶体管的所述第二电流,并且用于在第一操作模式中连接所述高侧电流感测放大器和所述低侧电流感测放大器以监视通过所述低侧开关晶体管的所述第一电流。
3.如权利要求I所述的装置,其特征在于,所述高侧电流感测放大器还包括 第一晶体管; 第一误差放大器,用于在第二操作模式中使跨所述第一晶体管的第一电压等于跨所述高侧开关晶体管的第二电压加上偏移电压;以及 电压源,用于生成偏移电压。
4.如权利要求3所述的装置,其特征在于,通过所述高侧开关晶体管的所述第一电流被反射到所述高侧电流感测放大器的所述第一晶体管。
5.如权利要求4所述的装置,其特征在干,电流感测输出响应于通过所述第一晶体管的所反射电流而生成。
6.如权利要求3所述的装置,其特征在于,所述低侧电流感测放大器还包括 第二晶体管; 第三晶体管; 第二放大器,用于使跨所述第二晶体管的第三电压等于跨所述低侧开关晶体管的第四电压加上第二偏移电压并生成通过所述第三晶体管的第一电流,其中在第一操作模式中所述第二放大器还反射通过所述第三晶体管的第一电流以等于通过所述第一晶体管的第二电流。
7.如权利要求6所述的装置,其特征在干,电流感测输出响应于通过所述第一晶体管的所反射电流而生成。
8.ー种电流感测放大器,包括 高侧电流感测放大器,用于提供用于调压器的电流感测电压信号,当所述调压器的高侧开关晶体管接通且所述调压器的低侧开关晶体管关断时,所述高侧电流感测放大器在第一操作模式中响应于通过所述高侧开关晶体管所感测的第一电流生成所述电流感测电压信号,当所述低侧开关晶体管接通且所述高侧开关晶体管关断时,所述高侧电流感测放大器在第二操作模式中响应于通过所述低侧开关晶体管的第二电流生成所述电流感测电压信号; 低侧电流感测放大器,用于在第二操作模式中感测通过所述调压器的所述低侧开关晶体管的第二电流并且向所述高侧电流感测放大器生成电流控制信号。
9.如权利要求8所述的电流感测放大器,其特征在于,还包括多个开关,用于在第一操作模式中连接所述高侧电流感测放大器以监视通过所述高侧开关晶体管的第一电流,以及用于在第二操作模式中连接所述高侧电流感测放大器和所述低侧电流感测放大器以监视通过所述低侧开关晶体管的第二电流。
10.如权利要求8所述的电流感测放大器,其特征在于,所述高侧电流感测放大器还包括 第一晶体管; 第一误差放大器,用于在第一操作模式中使跨所述第一晶体管的第一电压等于跨所述高侧开关晶体管的第二电压加上偏移电压;以及电压源,用于生成偏移电压。
11.如权利要求10所述的电流感测放大器,其特征在于,通过所述高侧开关晶体管的所述第一电流被反射到所述高侧电流感测放大器的所述第一晶体管。
12.如权利要求11所述的电流感测放大器,其特征在干,电流感测输出是响应于通过所述第一晶体管的所反射电流而生成的。
13.如权利要求10所述的电流感测放大器,其特征在于,所述低侧电流感测放大器还包括 第二晶体管; 第三晶体管; 第二放大器,用于使跨所述第二晶体管的第三电压等于跨所述低侧开关晶体管的第四电压加上第二偏移电压并生成通过所述第三晶体管的第一电流,其中在第二操作模式中所述第二放大器还反射通过所述第三晶体管的第一电流以等于通过所述第一晶体管的第二电流。
14.如权利要求13所述的电流感测放大器,其特征在干,电流感测输出是响应于通过所述第一晶体管的所反射电流而生成的。
15.一种用于感测调压器中电流的方法,包括 当高侧开关晶体管接通且低侧开关晶体管关断时,在第一操作模式中感测通过所述调压器的高侧开关晶体管的第一电流; 在第一操作模式中响应于所述第一电流生成所感测的电流电压信号; 当所述低侧开关晶体管接通且所述高侧开关晶体管关断时,在第二操作模式中感测通过所述低侧开关晶体管的第二电流; 响应于所感测的第二电流生成电流控制信号;以及 在所述第二操作模式中响应于所述电流控制信号生成所感测的电流电压信号;
16.如权利要求15所述的方法,其特征在于,还包括 在所述第一操作模式中,连接高侧电流感测放大器以监视通过所述高侧开关晶体管的第一电流;以及 在第二操作模式中,连接所述高侧电流感测放大器和低侧电流感测放大器以监视通过所述低侧开关晶体管的第二电流。
17.如权利要求15所述的方法,其特征在于,感测第一电流还包括在所述第一操作模式中使跨所述高侧电流感测放大器中第一晶体管的第一电压等于跨所述高侧开关晶体管的第二电压加上偏移电压。
18.如权利要求17所述的方法,其特征在于,还包括将通过所述高侧开关晶体管的第ー电流反射到所述高侧电流感测放大器的第一晶体管。
19.如权利要求18所述的方法,其特征在于,生成电流感测输出还包括响应于通过所述第一晶体管的所反射电流生成所述电流感测输出。
20.如权利要求15所述的方法,其特征在于,感测第二电流还包括 使跨所述低侧电流感测放大器内的晶体管的第三电压等于跨所述低侧开关晶体管的电压加上第二偏移电压; 生成通过所述低侧电流感测放大器内第二晶体管的第一电流;以及在所述第二操作模式中,反射通过所述低侧电流感测放大器内第二晶体管的第一电流以等于通过所述高侧电流感测放大器内第一晶体管的第二电流。
21.如权利要求20所述的方法,其特征在于,生成电流感测输出还包括响应于通过所述高侧电流感测放大器内所述第一晶体管的所反射电流生成所述电流感测输出。
22.如权利要求15所述的方法,其特征在于,还包括 响应于所感测的电流电压信号、参考电压和经调节的输出电压,生成误差电压; 响应于误差电压信号和斜坡电压信号生成PWM控制信号; 响应于所述PWM控制信号产生驱动控制信号; 通过响应于所述驱动控制信号和输入电压控制所述高侧开关晶体管和所述低侧开关晶体管,提供所述经调节的输出电压。
23.—种系统,包括 调压器,用于响应于输入电压和驱动控制信号生成经调节的输出电压,所述调压器包括闻侧开关晶体管和低侧开关晶体管; 驱动器电路,用于响应于PWM控制信号生成所述驱动控制信号; PWM控制器,用于响应于误差电压和斜坡电压生成PWM控制信号; 误差放大器,用于响应于參考电压、所述经调节的输出电压和电流感测电压信号生成误差电压; 高侧电流感测放大器,用于提供电流感测电压信号,当高侧开关晶体管接通且所述调压器的低侧开关晶体管关断时,所述高侧电流感测放大器在第一操作模式中响应于通过所述高侧开关晶体管所感测的第一电流生成所述电流感测电压信号,当所述低侧开关晶体管接通且所述高侧开关晶体管关断时,所述高侧电流感测放大器在第二操作模式中响应于通过所述低侧开关晶体管的第二电流生成所述电流感测电压信号; 低侧电流感测放大器,用于在第二操作模式中感测通过所述调压器的所述低侧开关晶体管的第二电流并且向所述高侧电流感测放大器生成电流控制信号;以及负载,耦合于所述调压器的输出。
24.如权利要求23所述的系统,其特征在于,所述负载是从包括处理器、存储器、输入设备、输出设备和存储设备的组中选择的。
全文摘要
描述了一种用于调压器内电流感测的系统和方法。一种电流感测放大器包括高侧电流感测放大器和低侧电流感测放大器。高侧电流感测放大器提供用于调压器的电流感测电压信号。当高侧开关晶体管接通且调压器的低侧开关晶体管关断时,高侧电流感测放大器在第一操作模式中响应于通过调压器的高侧开关晶体管的所感测的第一电流生成电流感测电压信号。当低侧开关晶体管接通且高侧开关晶体管关断时,高侧电流感测放大器在第二操作模式中响应于通过低侧开关晶体管的第二电流生成电流感测电压信号。低侧电流感测放大器在第二操作模式中感测通过调压器的低侧开关晶体管的第二电流并且向高侧电流感测放大器生成电流控制信号。
文档编号H02M5/293GK102684508SQ20111043067
公开日2012年9月19日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年3月11日
发明者S·佩崔赛克, 陈思成, 黄丛中 申请人:英特赛尔美国股份有限公司
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