开关式功率转换器电流感测装置和方法
【技术领域】
[0001] 本申请设及功率转换电路，并且更具体地设及用于在没有串联感测组件的情况下 感测开关式功率转换器电流的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 功率转换电路被用于许多应用，如用在使用来自通用串行总线扣SB)连接的外部 功率来操作设备和/或为内部电池充电的便携式设备中。在许多实例中，例如根据针对 从USB连接汲取功率的设备所公开的说明书，可能需要限制从电源汲取的电流。例如，便 携式设备被限制为从USB 2. 0连接汲取最多100mA，除非协商了更高的限值（例如，高达 500mA)。类似地，USB 3.0连接通常被限制为汲取150mA，除非协商了更高的量（例如，高达 900mA)。相应地，许多便携式设备中的功率管理电路借助连接在功率输入端子和高压侧功 率FET之间的感测电阻器或感测FET使用板上输入电流感测来提供具有电流极限的输入功 率转换。在其他类型的功率转换器中，高压侧电流感测可能也是很重要的，例如用于感测和 调节来自升压转换器或降压/升压转换器的输出电流。然而，常规电流感测方法W通过传 导流过感测设备的高压侧电流所生成的热量的方式引发显著的功率损耗。此外，感测组件 (例如，电阻器或FET)必须被确定尺寸W适应最高水平的输入电流，并且相应地，感测设备 W集成电路管巧面积和/或外部板面积的形式占据大量空间，由此增加成本。因此，改进的 电流感测装置和技术令人期望，通过其可W减少感测组件功率耗散和/或感测组件尺寸和 成本。
【发明内容】
[0003] 本申请描述了使用与功率FET并联禪合的感测电路感测功率转换器电流的集成 电路W及感测装置和方法。相应地，实施例可W有利于在不使用如过去所做的那样串联连 接的感测组件的情况下减小感测设备尺寸和功率损耗。因此，所公开的装置和技术在W下 各项中具有特别的实用性；便携式电子设备如便携式计算机、膝上计算机、笔记本计算机、 PDA、便携式电话、平板计算机、MP3播放器等W及其功率管理集成电路（1C)，所述功率管理 1C对通过USB或其他外部连接所接收到的功率进行转换。而且，本公开在其中有待测量流 过功率转换晶体管的电流的各种应用中具有实用性。
[0004] 本文公开了用于感测流过开关式转换器的功率FET的电流的集成电路及其感测 装置。该感测装置包括串联连接的第一和第二FET、并联功率FET W及感测电路，该感测电 路至少部分基于第一 FET两端的电压提供表示在功率FET中流动的电流的输出。在某些实 施例中，该第一 FET被连接在高压侧功率FET端子与第一电路节点之间，其中该第一 FET由 恒定电压栅极信号驱动。某些实施例提供了禪合在该第一电路节点与电路接地端之间的电 容。在某些实施方式中，该第二FET被连接在该第一电路节点与该第二高压侧功率FET端 子之间，其中该第二FET由用于高压侧功率FET的同一栅极信号所驱动。
[0005] 某些实施例中的感测装置包括感测FET，该感测FET被连接在该第一高压侧功率 FET端子与第二电路节点之间并且具有与该第一 FET的栅极连接的栅极端子；W及放大器 电路，该放大器电路包括带有禪合至该第一和第二电路节点的输入端的运算放大器；W及 输出P型FET，该输出P型FET具有连接至运算放大器输出端的栅极、连接至第二电路节点 的源极W及提供表示在该功率晶体管中流动的电流的电流输出的漏极。在一些实施例中， 一个或多个电阻器被禪合在放大器输出端与电路接地端之间W从该放大器电路接收电流 输出。此外，在某些实施例中，可W横跨电阻器布置滤波电路组件（例如，RC组件）。
[0006] 在某些实施例中，功率FET和感测电路中的所有FET都是使用在集成电路的半导 体主体中形成的相应整数个匹配晶体管单元构建而成的。该些整数被选择为使得感测比和 感测准确度都能够相对较高，并且整体感测电路能够具有小的管巧面积。因此，操作中的感 测组件损失与串联连接的感测设备的常规使用相比可W被显著减小，并且专用于电流感测 组件的管巧和/或电路板面积可W被减小。
[0007] 本文还公开了用于感测在开关式功率转换器高压侧功率FET中流动的电流的方 法，其包括；感测连接在与高压侧功率FET并联的串联电路支路中的第一 FET两端的电压， W及至少部分基于该感测电压提供输出信号W指示在该高压侧功率FET中流动的电流。在 某些实施例中，该方法包括根据脉宽调制（PWM)信号同时接通在串联电路支路中连接的功 率FET和第二FET，W及感测第一 FET两端的电压。此外，可W至少部分根据该感测电压使 用运算放大器来控制输出FET的栅极端子，从而提供表示在高压侧功率FET中流动的平均 电流的电流输出。某些实施例还设及用在感测电压时提供给第一 FET的栅极的恒定电压来 控制连接在第一高压侧功率FET端子与输出FET之间的感测FET。
[000引本文提供了集成电路，其包括具有至少一个功率晶体管的开关式转换器电路W及 如上所述的感测装置。
【附图说明】
[0009] 图1是示出具有与高压侧功率FET并联连接的改进的低损耗电流感测电路的开关 式降压转换器的示意图；
[0010] 图2是示出图1的转换器中的各种电压和电流波形的图表；
[0011] 图3是示出具有另一电流感测电路实施例的降压转换器的示意图；
[0012] 图4和图5是示出具有感测电路W感测流过升压转换器的高压侧功率FET的输出 电流的开关式升压转换器的示意图；
[0013] 图6是示意性示出利用匹配的单元晶体管在集成电路半导体主体中单独形成的 感测电路的场效应晶体管的部分侧视图；W及
[0014] 图7是示出包括降压转换器和用于反向阻塞及充电电流感测的功率FET怕6)的示 例性开关式充电器电路的示意图。
【具体实施方式】
[0015] 图1示出了包括开关式降压转换器2的集成电路（1C) 200,该开关式降压转换器具 有与高压侧功率FET Q1并联连接的输入电流感测装置30。转换器2可W是在便携式电子 设备（例如，膝上计算机、便携式电话等）中采用的功率管理1C 200的一部分，并且具有输 入端子或节点4 (1脚，高压侧功率FET Q1从该输入端子或节点汲取电流Ip。该种降压转换 器应用通常出于遥测的目的而需要输入电流感测，如在膝上PMIC应用中。图示的实施例中 的高压侧功率FET Q1是N沟道LDMOS，尽管可W使用其他形式和类型的功率晶体管。在图 示的示例中，Q1的漏极值）与输入端子4连接，并且Q1的源极（巧与开关节点（SW) 6连接， 其中低压侧N沟道LDMOS Q0禪合在开关节点6与电路接地端之间。开关节点6经由降压 转换器电感器L连接至输出端或电池端子8。在图示的示例中，高压侧器件Q1和低压侧器 件Q0使用电感L形成降压转换器W便在降压转换器驱动器电路10的控制下向输出端子8 提供稳压DC输出，该降压转换器驱动器电路具有连接在输出节点8与电路接地端之间的输 出电容器C2。如图所示，驱动器10向Q1提供栅极驱动信号12,并向Q0提供低压侧栅极驱 动信号14。可W使用其他降压转换器拓扑结构，例如，其中低压侧晶体管Q0用二极管（未 示出）来代替，该二极管具有与电路接地端连接的阳极和与开关节点6连接的阴极。
[0016] 在某些实施例中，降压驱动器10根据来自转换器控制器28的脉宽调制（PWM)信 号或值11提供交变的栅极驱动信号12和14。为了有效地接通高压侧功率晶体管Q1，需要 低漏码（LDO)调节器、二极管D2和电容器C3。在操作中，降压驱动器10提供信号14 W在 Q1关断时接通Q0,从而将电容器C3充电至高达LDO输出电压值（例如，在某些实施方式中 为5V)。一旦Q0被关断，BOOT节点16处于比开关节点6高出近似5V的电压（例如，在Q1 被接通之后并且输入为5V时为10V)，并且驱动器电路10提供高压侧栅极驱动信号12, W 便正栅极-源极电压电平足W接通高压侧晶体管Q1。而且，如在图1中所见，BOOT节点16 经由第一二极管D1连接至感测电路栅极驱动信号节点17,并且第二二极管D2具有与BOOT 节点16连接的阴极和与稳压电源电压节点18连接的阳极（LD0,例如，在一个示例中为5V DC)，其中电容器C4连接在电源节点18与电路接地端之间。
[0017] 可W为转换器控制器28提供一个或多个反馈信号或值，W便调节输出节点