专利名称：开关变换器电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及开关变换器电路，更具体地说，本实用新型涉及开关变换器电路中的电流检测电路。
背景技术：
如今的开关变换器电路通常将电流引入控制环路中，进而实现电压电流双环控制，因此需要用到电流检测及控制技术。在采用自适应电压定位(Adaptive VoltagePosition)控制和和电流过流保护(Over Current Protection)控制的开关变换器电路中，
电流的检测和控制尤其重要。自适应电压定位控制是近几年来在开关变换器电路中应用相当广泛的控制方法。采用自适应电压定位控制的开关变换器电路具有较好的瞬态特性。自适应电压定位控制的基本数学关系可参看图I。如图I所示，其纵坐标为稳压器输出电压V0,横坐标为稳压器输出电流Ic并且稳压器输出电压\与输出电流Itj呈函数关系V0 = Vsst-P*10(I)其中R为其变化斜率，Vset, R均为定值。图2A是现有的自适应电压定位控制电路的电感电流检测电路。如图2A所示，开关变换器电路通过并联在电感L上的电容Cs和电阻Rs来检测电感直流电阻DCR (directcurrent resistor)中的电流,从而实现检测输出电流的目的。具体原理如下当时间常数CsXRs等于时间常数L/DCR时，电容Cs上的电压Vcs等于电感直流电阻DCR上的电压，SPVcs=iLXDCR(2)电感电流k与Vcs/DCR成正比。当电感L选定后，电感直流电阻DCR是确定的，因此通过检测电容Cs上的电压Vcs即可确定电感电流k的值。然而，图2A中的电路需要芯片提供两个额外的引脚接收电容Cs两端电压差；并且，电感直流电阻DCR会随着温度的变化而变化，这将会影响电感电流值的检测。图2B示出了电感电流中间值采样电路中的各信号波形，其中k代表电感电流，Spulse代表样脉冲，is代表采样电流。电感电流中间值采样电路在下功率管开启时段的中间时间点采样下功率管中的电流，然后将采样得到的电流值保持到下个周期采样时。通过这个方法采样得到的电流值近似于电感电流平均值。然而采样保持电路将会在反馈环路中产生较大的延迟，从而影响电路的瞬态特性。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决现有技术的上述问题，提供一种适用于开关变换器电路的电流检测电路，该电流检测电路具有结构简单、精度高，且无需芯片提供额外引脚等优点。为实现上述目的，本实用新型公开了一种开关变换器电路，包括功率级电路，包括串联耦接的第一功率管和第二功率管，所述功率级电路接收输入电压，在所述第一功率管和所述第二功率管之间的节点提供输出电压；实时电流检测电路，具有输入端和第一输出端，该输入端耦接至所述第一功率管，在所述第一输出端提供表征第一功率管开启时所述第一功率管上的电流的实时电流检测信号；虚拟电流检测电路，在其输出端提供表征第二功率管上的电流的虚拟电流检测信号；检测电容，第一端接地，第二端可选择地耦接至所述实时电流检测电路的第一输出端和所述虚拟电流检测电路的输出端，当第一功率管开启时接收实时电流检测信号，当第二功率管开启时接收虚拟电流检测信号；控制器，其输入端耦接到所述检测电容的所述第二端，在其第一输出端产生第一控制信号，在其第二输出端产生第二控制信号；驱动器，其第一输入端和第二输入端分别耦接至控制器的第一输出端和第二输出端，分别接收所述第一控制信号和所述第二控制信号，其第一输出端耦接至所述第一功率管的控制端，其第二输出端耦接至所述第二功率管的控制端。根据本实用新型的实施例，所述开关变换器电路还包括第一检测开关，耦接在所述实时电流检测电路的输出端和所述检测电容的第二端之间，所述第一检测开关的控制端耦接至所述驱动器的第一输出端，所述第一检测开关在所述第一功率管开启时闭合，将实时电流检测信号耦合到所述检测电容上；第二检测开关，耦接在所述虚拟电流检测电路的输出端和所述检测电容的第二端之间，所述第二检测开关的控制端耦接至所述驱动器的第二输出端，所述第二检测开关在所述第二功率管开启时闭合，将虚拟电流检测信号耦合到所述检测电容上。根据本实用新型的实施例，所述开关变换器电路还包括选择开关，耦接在所述检测电容与实时电流检测电路和所述虚拟电流检测电路二者之间，第一控制端耦接耦接至所述驱动器的第一输出端，第二控制端耦接至所述驱动器的第二输出端，当所述第一功率管开启时，所述选择开关连接实时电流检测电路和检测电容，将实时电流检测信号耦合到检测电容上，当所述第二功率管开启时，所述选择开关连接虚拟电流检测电路和检测电容，将虚拟电流检测信号耦合到检测电容上。根据本实用新型的实施例，所述虚拟电流检测电路包括电流源，该电流源一端接地，另一端提供所述虚拟电路检测信号。根据本实用新型的实施例，所述开关变换器电路还包括电阻器，该电阻器的一端耦接至所述电流源的控制端，另一端接地。根据本实用新型的实施例，所述实时电流检测电路还具备第二输出端和第三输出端，所述虚拟电流检测电路还具备第一输入端、第二输入端和第三输入端，所述实时电流检测电路的第二输出端和第三输出端分别连接至所述虚拟电流检测电路的第二输入端和第三输入端，在第一功率管开启时将表征流过第一功率管的电流峰值的最大值信号和表征流过第一功率管的电流谷值的最小值信号提供给所述虚拟电流检测电路，并且所述虚拟电流检测电路的第一输出端接收一个表征第二功率管开启时长的时间信号，当第二功率管开启时，在其输出端提供表示所述最大值信号与所述最小值信号之间的差除以所述时间信号的商的信号，作为虚拟电流检测信号。
图I为自适应电压定位控制的基本数学关系图；图2A是现有的自适应电压定位控制电路的电感电流检测电路的示意图；图2B示出了电感电流中间值采样电路中的各信号波形；[0020]图3为采用本实用新型一实施例的电感电流检测电路的开关变换器电路100的示意图；图4为开关变换器电路100中电流检测信号Is，第一功率管的驱动信号Ghs和第二功率管的驱动信号Qs的波形的示意图；图5为采用本实用新型一实施例的电感电流检测电路的开关变换器电路200的示意图；图6为采用本实用新型一实施例的电感电流检测电路的开关变换器电路300的示意图；图7为开关变换器电路300中电流检测信号Is，第一功率管的驱动信号Ghs和第二功率管的驱动信号Qs的波形的示意图；图8为采用本实用新型一实施例的电感电流检测电路的开关变换器电路400的示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路、材料或方法。在整个说明书中，对“ 一个实施例”、“实施例”、“ 一个示例”或“示例”的提及意味着结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。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。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。图3为采用本实用新型一实施例的电流检测电路的开关变换器电路100的示意图。如图3所示，开关变换器电路100包括功率级电路，所述功率级电路包括串联耦接的第一功率管101和第二功率管102，所述功率级电路接收输入电压VIN，在驱动信号Ghs和Gu的控制下将输入电压转换成输出电压提供给负载，在第一功率管101和第二功率管102之间的节点提供该输出电压；实时电流检测电路103，具有输入端和第一输出端，其输入端耦接至第二功率管102，当第二功率管102开启时，所述实时电流检测电路103检测第二功率管102上的电流，并且提供表征第二功率管102上的电流的实时电流检测信号到其输出端；虚拟电流检测电路105，当第一功率管101开启时，所述虚拟电流检测电路105在其输出端提供表征第一功率管101上的电流的虚拟电流检测信号；检测电容107，第一端接地，第二端可选择地耦接至所述实时电流检测电路103的第一输出端和虚拟电流检测电路105的输出端，当第二功率管102开启时，所述检测电容107耦接至所述实时电流检测电路103，以接收实时电流检测信号，当第一功率管101开启时，所述检测电容107耦接至所述虚拟电流检测电路105，以接收虚拟电流检测信号，基于所述实时电流检测信号和虚拟电流检测信号，所述检测电容107提供电流检测信号；控制器108，输入端耦接到所述检测电容107的第二端，接收电流检测信号，并基于电流检测信号，在其第一输出端产生第一控制信号，在其第二输出端产生第二控制信号；驱动器109，其第一输入端和第二输入端分别耦接至控制器108的第一输出端和第二输出端，分别接收所述第一控制信号和第二控制信号，并基于所述第一和第二控制信号，提供驱动信号Ghs和Gu到所述功率级电路。例如，驱动器的第一输出端耦接至第一功率管的控制端，其第二输出端耦接至第二功率管的控制端。在图3所示实施例中，开关变换器电路100还包括第一检测开关104，耦接在所述实时电流检测电路103的输出端和检测电容107的第二端之间，所述第一检测开关的控制端耦接至所述驱动器的第一输出端，当所述第二功率管102开启时，所述第一检测开关104闭合，将实时电流检测信号耦合到检测电容107上；第二检测开关106，耦接在虚拟电流检测电路105的输出端和检测电容107的第二端之间，述第二检测开关的控制端耦接至所述驱动器的第二输出端，当所述第一功率管101开启时，所述第二检测开关106闭合，将虚拟电流检测信号耦合到检测电容107上。本领域普通技术人员应该知道，所述第一检测开关104和第二检测开关106可以由选择开关来替代。该选择开关可以耦接至检测电容107与实时电流检测电路103和虚拟电流检测电路105 二者之间。第一控制端耦接耦接至所述驱动器的第一输出端，第二控制端耦接至所述驱动器的第二输出端。当所述的第二功率管102开启时，所述选择开关连接实时电流检测电路103和检测电容107，将实时电流检测信号耦合到检测电容107上；当所述第一功率管101开启时，所述选择开关连接虚拟电流检测电路105和检测电容107，将虚拟电流检测信号耦合到检测电容107上。在一个实施例中，所述虚拟电流检测电路105包括电流源10。该电流源10 —端接地，另一端提供该虚拟电路检测信号。在一个实施例中，所述开关变换器电路100还包括片外电阻110。该电阻器的一端耦接至所述电流源的控制端，另一端接地。通过改变电阻110的阻值，可以调节虚拟电流检测电路105中的电流源10的电流。图4为开关变换器电路100中的电流检测信号Is，第一功率管101的驱动信号Ghs和第二功率管102的驱动信号Gu的波形示意图。下面结合图3和图4详细阐述图3中的开关变换器电路100的工作原理。图3中所示实施例中，第一功率管101和第二功率管102均采用N型场效应管来实现，并且第一功率管101和第二功率管102是同步开关管，两者交替导通，因此驱动信号Ghs和Gu相位正好相反。本领域普通技术人员应该知道，第一功率管101和第二功率管102均可以采用N型场效应管，P型场效应管，二极管或三极管来实现。当采用不同的晶体管时，驱动信号有可能是同相也有可能是反相的。例如当第一功率管101采用P型场效应管，而第二功率管米用N型场效应管时,驱动信号Ghs和G15就是同相的，即当驱动信号Ghs和G15为低电平时，第一功率管101开启，第二功率管102关闭，开关变换器电路的电感中的电流等同于第一功率管101中的电流，当驱动信号Ghs和Gu为高电平时，第一功率管101关闭，第二功率管102开启，电感中的电流等同于第二功率管102中的电流；当第一功率管101采用P型场效应管，而第二功率管采用二极管时，驱动信号Gu就不再需要了，即当驱动信号Ghs为低电平时，第一功率管101开启，电感中的电流等同于第一功率管101中的电流，当驱动信号Ghs为高电平时，第一功率管101关闭，电感中的电流等同于第二功率管102中的电流。图4中，当驱动信号Ghs为低电平，驱动信号k为高电平时，第一功率管101关闭，第二功率管102开启。此时实时检测电路103检测流过第二功率管102的电流，输出实时电流检测信号；同时第一检测开关104闭合，将实时电流检测信号耦合到检测电容107上。由于此时第二功率管102中的电流是以一定斜率下降的，因此电流检测信号以及检测电容107上的电压也以相同的斜率下降，如图4中波形Is的实线段所示。当驱动信号Ghs为高电平，驱动信号Gu为低电平时，第一功率管101开启，第二功率管102关闭，同时第二检测开关106闭合，虚拟检测电路103中的电流源10给检测电容107充电，检测电容107上的电压以一定的斜率上升，相当于虚拟检测电路105向检测电容107输出一个虚拟电流检测信号，如图4中波形Is的虚线所示。通过调整电流源10的电流和检测电容107的值，可以使检测电容107上的电压跟随第一功率管101中的电流的上升斜率，并且具有和实时电流检测信号相一致的幅值。通过上述描述可以知道，检测电容107上的电压即为电流检测信号Is，可以在整个周期内完全反映第一功率管101和第二功率管102中的电流。实时电流检测电路103为本领域普通技术人员熟知的电路结构，在此处不作详细说明。如图4所示，电流检测信号Is具有最大值Ipeak和最小值Ivalley,因此当第一功率管101开启时，虚拟电流检测信号的斜率可以根据下式确定(3)其中Lnss为第一功率管开启的时长。图5为采用本实用新型一实施例的电感电流检测电路的开关变换器电路200的示意图。在一个实施例中，图5中的虚拟电流检测电路205实现以上等式(3)中的功能，即根据第二功率管中的电流峰值Ipeak，谷值Ivalley以及第一功率管的开启时长t。-产生斜率为di/dt的虚拟电流检测信号。具体来说，开关变换器电路200与开关变换器电路100的区别在于实时电流检测电路和虚拟电流检测电路的结构和连接方式不同。即当第二功率管202开启时，实时电流检测电路203除了提供实时电流检测信号外，还提供表征流过第二功率管202的电流峰值的最大值信号Ipeak和表征流过第二功率管202的电流谷值的最小值信号Ivalley ;虚拟电流检测电路205接收所述最大值信号Ipeak，所述最小值信号Ivalley以及表征第一功率管201开启时长的时间信号t。-，当第一功率管201开启时，基于所述最大值信号Ipeak，所述最小值信号Ivalley以及所述时间信号t。—，所述虚拟电流检测电路205提供虚拟电流检测信号。在一个实施例中，所述表征第一功率管201开启时长的时间信号t。—是根据上一周期中第一功率管201开启时长得到的。与开关变换器电路100类似，开关变换器电路200通过选择开关或者第一检测开关和第二检测开关将实时电流检测信号和虚拟电流检测信号耦合到检测电容207上。因此，检测电容207上将产生表征整个周期内的第一功率管201和第二功率管202中的电流的电流检测信号I s。控制器208耦接到检测电容207，接收电流检测信号I s，基于该电流检测信号Is,输出控制信号到驱动器209。驱动器将控制信号加强后输出驱动信号Ghs和G15来控制第一功率管201和第二功率管202。图6为采用本实用新型一实施例的电流检测电路的开关变换器电路300。与图3中的开关变换器电路100相比，图6中的实时电流检测电路303的输入端耦接至第一功率管301，当第一功率管301开启时，所述实时检测电路303检测第一功率管301上的电流，并且提供表征流过第一功率管301的电流的实时电流检测信号到其输出端；当第二功率管302开启时，虚拟电流检测电路305提供表征流过第二功率管302上的电流的虚拟电流检测信号到其输出端。检测电容307可选择地耦接至所述实时电流检测电路303的输出端和虚拟电流检测电路305的输出端，当第一功率管301开启时，所述检测电容307耦接至所述实时电流检测电路303，以接收实时电流检测信号，当第二功率管302开启时，所述检测电容307耦接至所述虚拟电流检测电路305，以接收虚拟电流检测信号，基于所述实时电流检测信号和虚拟电流检测信号，所述检测电容307提供电流检测信号Is。开关变换器电路300的其它电路结构与开关变换器电路100 —致，为叙述简明，这里不再详述。在开关变换器电路300中，所述虚拟电流检测电路305包括电流源30。在一个实施例中，所述开关变换器电路300还包括片外电阻310。通过改变电阻310的阻值，可以调节虚拟电流检测电路305中的电流源30的电流。图7为开关变换器电路300中电流检测信号Is，第一功率管的驱动信号Ghs和第二功率管的驱动信号Gu的波形。下面结合图6和图7详细阐述图6中的开关变换器电路300的工作原理。驱动信号Ghs和驱动信号Gu分别为第一功率管101和第二功率管102的驱动信号。当驱动信号Ghs为高电平,驱动信号G15为低电平时,第一功率管301开启，第二功率管302关闭。此时实时检测电路303检测流过第一功率管301的电流，输出实时电流检测信号；同时第一检测开关304闭合,将实时电流检测信号稱合到检测电容307上。由于此时第一检测开关304中的电流是以一定斜率上升的，因此电流检测信号以及检测电容307上的电压也以相同的斜率上升。当驱动信号Ghs为低电平，驱动信号为高电平时，第一功率管301关闭，第二功率管302开启，同时第二检测开关306闭合，虚拟检测电路中的电流源30给检测电容307放电，检测电容307上的电压以与电感电流下降斜率一致的斜率下降，相当于虚拟检测电路305向检测电容307输出一个虚拟电流检测信号。通过调整电流源30的电流和检测电容307的值，可以使检测电容307上的电压值跟随第二功率管302中的电流的下降斜率，并且具有和实时电流检测信号相一致的幅值。通过上述描述可以知道，检测电容107上的电压可以在整个周期内完全反映第一功率管301和第二功率管302中的电流，如图7所示。检测电容307上的电压即为电流检测信号Is。实时电流检测电路303为本领域普通技术人员熟知的电路结构，此处不再说明。开关变换器电路300的工作原理与开关变换器电路100的工作原理相同，为叙述简明，此处不再说详细明。如图7中所示，电流检测信号Is具有最大值Ipeak和最小值Ivalley,因此当第二功率管开启时，虚拟电流检测信号的斜率可以根据下式确定
权利要求1.一种开关变换器电路，其特征在于，所述开关变换器电路包括 功率级电路，包括串联耦接的第一功率管和第二功率管，所述功率级电路接收输入电压，在所述第一功率管和所述第二功率管之间的节点提供输出电压； 实时电流检测电路，具有输入端和第一输出端，该输入端耦接至所述第一功率管，在所述第一输出端提供表征第一功率管开启时所述第一功率管上的电流的实时电流检测信号; 虚拟电流检测电路，在其输出端提供表征第二功率管上的电流的虚拟电流检测信号； 检测电容，第一端接地，第二端可选择地耦接至所述实时电流检测电路的第一输出端和所述虚拟电流检测电路的输出端，当第一功率管开启时接收实时电流检测信号，当第二功率管开启时接收虚拟电流检测信号； 控制器，其输入端耦接到所述检测电容的所述第二端，在其第一输出端产生第一控制信号，在其第二输出端产生第二控制信号； 驱动器，其第一输入端和第二输入端分别耦接至控制器的第一输出端和第二输出端，分别接收所述第一控制信号和所述第二控制信号，其第一输出端耦接至所述第一功率管的控制端，其第二输出端耦接至所述第二功率管的控制端。
2.如权利要求I所述的开关变换器电路，其特征在于，所述开关变换器电路还包括 第一检测开关，耦接在所述实时电流检测电路的输出端和所述检测电容的第二端之间，所述第一检测开关的控制端耦接至所述驱动器的第一输出端，所述第一检测开关在所述第一功率管开启时闭合，将实时电流检测信号耦合到所述检测电容上； 第二检测开关，耦接在所述虚拟电流检测电路的输出端和所述检测电容的第二端之间，所述第二检测开关的控制端耦接至所述驱动器的第二输出端，所述第二检测开关在所述第二功率管开启时闭合，将虚拟电流检测信号耦合到所述检测电容上。
3.如权利要求I所述的开关变换器电路，其特征在于，所述开关变换器电路还包括选择开关，耦接在所述检测电容与实时电流检测电路和所述虚拟电流检测电路二者之间，第一控制端耦接耦接至所述驱动器的第一输出端，第二控制端耦接至所述驱动器的第二输出端，当所述第一功率管开启时，所述选择开关连接实时电流检测电路和检测电容，将实时电流检测信号耦合到检测电容上，当所述第二功率管开启时，所述选择开关连接虚拟电流检测电路和检测电容，将虚拟电流检测信号耦合到检测电容上。
4.如权利要求I所述的开关变换器电路，其特征在于，所述虚拟电流检测电路包括电流源，该电流源一端接地，另一端提供所述虚拟电路检测信号。
5.如权利要求4所述的开关变换器电路，其特征在于，所述开关变换器电路还包括电阻器，该电阻器的一端耦接至所述电流源的控制端，另一端接地。
6.如权利要求I所述的开关变换器电路，其特征在于，所述实时电流检测电路还具备第二输出端和第三输出端，所述虚拟电流检测电路还具备第一输入端、第二输入端和第三输入端，所述实时电流检测电路的第二输出端和第三输出端分别连接至所述虚拟电流检测电路的第二输入端和第三输入端，在第一功率管开启时将表征流过第一功率管的电流峰值的最大值信号和表征流过第一功率管的电流谷值的最小值信号提供给所述虚拟电流检测电路，并且所述虚拟电流检测电路的第一输出端接收一个表征第二功率管开启时长的时间信号，当第二功率管开启时，在其输出端提供表示所述最大值信号与所述最小值信号之间的差除以所述时间信号的商的信号，作为虚拟电流检测信号 。
专利摘要本实用新型公开了一种开关变换器电路。该开关变换器电路包括功率级电路。所述功率级电路包括串联连接的第一功率管和第二功率管。当第一功率管开通时，实时电流检测电路实时采样第一功率管上的电流，生成实时电流检测信号；当第二功率管开通时，虚拟电流检测电路通过计算生成虚拟电流检测信号。检测电容将实时电流检测信号和虚拟电流检测信号相结合，生成电流检测信号，控制电路接收检测信号，生成控制信号来控制第一功率管和第二功率管的开关。该电流检测电路内部结构简单，外部所需引脚少，尤其适用于采用自适应电压定位控制的电路和采用过流保护控制的电路。
文档编号H02M3/155GK202818098SQ20122009086
公开日2013年3月20日 申请日期2012年3月13日 优先权日2011年3月16日
发明者盛洪刚, 周景海, 徐鹏, 张加欣 申请人:成都芯源系统有限公司