开关调节电路及其均值电流检测电路的制作方法
【专利摘要】公开了开关调节电路及其均值电流检测电路。通过检测在导通时刻和关断时刻检测电阻两端的电压降，获得均值电压。并将均值电压乘以比例因子以获得均值电流信息。该均值电流检测电路的电路简单，效率高且精度也高。
【专利说明】开关调节电路及其均值电流检测电路
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及电子电路，尤其涉及开关调节电路及其均值电流检测电路。
【背景技术】
[0002]在开关调节电路中，常需要了解其输出电流信息，例如，通过了解输出电流信息来判断负载状况。一种了解输出电流信息的电路是通过检测流过输出电感器的电流的平均值来实现的。而现有的均值电流检测电路要么电路庞大复杂，要么需要利用快速电路，如高带宽的放大器来实现，这样的快速电路将消耗大量功率。
实用新型内容
[0003]针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供能够检测开关调节电路输出电流信息的均值电流检测电路及其开关调节电路。
[0004]根据本实用新型实施例的一种用于开关调节电路的均值电流检测电路，其中，开关调节电路包括开关电路和控制电路，开关电路包括开关管和输出电感器，均值电流检测电路包括:均值电压检测电路，包括检测电阻，检测电阻具有第一端和第二端，所述第一端接收流经输出电感器的电感电流，其中，均值电压检测电路分别检测开关管在导通和关断时刻检测电阻两端的电压降，并计算导通时刻电压降和关断时刻电压降的平均值以获得均值电压；以及电压至电流转换电路，耦接至均值电压检测电路以接收均值电压，且通过将均值电压乘以比例因子获得均值电流。
[0005]根据本实用新型实施例的一种开关调节电路，包括:开关电路，包括开关管和输出电感器，开关电路接收输入电压，并将输入电压转换为输出电压；控制电路，产生控制信号以控制开关电路中开关管的导通和关断；以及均值电流检测电路。其中，该均值电流检测电路包括:均值电压检测电路，包括检测电阻，检测电阻具有第一端和第二端，所述第一端接收流经输出电感器的电感电流，其中，均值电压检测电路分别检测开关管在导通和关断时刻检测电阻两端的电压降，并计算导通时刻电压降和关断时刻电压降的平均值以获得均值电压；以及电压至电流转换电路，耦接至均值电压检测电路以接收均值电压，且通过将均值电压乘以比例因子获得均值电流。
[0006]在本实用新型的实施例中，通过检测在导通时刻和关断时刻检测电阻两端的电压降，获得均值电压；并将均值电压乘以比例因子以获得均值电流。该均值电流检测电路的电路简单，效率高且精度也高。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1示出依据本实用新型实施例的开关调节电路10。
[0008]图2示出依据本实用新型实施例的均值电压检测电路213。
[0009]图3示出图2所示开关电路201中下开关管M2的电流波形和导通电压波形。
[0010]图4(a)?4(e)示出图2中所示均值电压检测电路213的工作状态图。
[0011]图5示出依据本实用新型实施例的电压至电流转换电路523。
[0012]图6示出依据本实用新型另一实施例的电压至电流转换电路623。
[0013]图7示出依据本实用新型实施例的开关调节电路70。
[0014]图8示出图7所示控制电路702输出的信号波形示意图。
[0015]图9(a)?9(c)示出图7中所示均值电压检测电路723的工作状态图。
【具体实施方式】
[0016]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或材料。
[0017]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。
[0018]图1示出依据本实用新型实施例的开关调节电路10。如图1所示，开关调节电路10包括开关电路101、控制电路102和均值电流检测电路103。
[0019]开关电路101包括开关管和输出电感器L，开关电路101接收输入电压VIN且通过开关管的导通和关断将输入电压VIN转换为输出电压V0UT。开关电路101可以采用任何适合的电路拓扑结构，如同步或非同步的降压式开关电路、正激变换器等等。开关电路101中的开关管可以为任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
[0020]控制电路102产生逻辑信号CTRL以控制开关电路101中开关管的导通和关断，控制电路102还产生开关信号SS。在一个实施例中，控制电路202可以采用脉冲宽度调制(PWM)方式或脉冲频率调制(PFM)方式，例如，固定导通时间控制方式或固定关断时间控制方式。
[0021]均值电流检测电路103包括均值电压检测电路113和电压至电流转换电路123。均值电压检测电路113包括检测电阻R，其具有第一端和第二端，且第一端接收耦接至开关电路101以接收流经输出电感器L的电感电流Ip电感电流L在检测电阻R的两端产生检测电压V。均值电压检测电路113耦接至控制电路102以接收开关信号SS，且在开关管导通和关断时刻，均值电压检测电路113根据开关信号SS的控制获取检测电压V。均值电压检测电路113计算导通时刻检测电压和关断时刻检测电压的平均值，以获得均值电压Vaver。
[0022]在一个实施例中，开关电路中的开关管可以包括上开关管和下开关管，开关管导通和关断时刻为上开关管的导通和关断时刻或下开关管的导通和关断时刻。在另一实施例中，检测电阻R可以是开关管的导通电阻，或是与开关管串联连接的电阻，或是电感电流込所流过的通路中的任意电阻。在又一实施例中，若导通时刻检测电压和关断时刻检测电压为负值，均值电压检测电路先将其转换为正值再计算平均值。
[0023]电压至电流转换电路123耦接至均值电压检测电路以接收均值电压Vaver，并将均值电压Vaver乘以比例因子K，从而产生均值电流Iaver。其中，比例因子K和检测电阻R阻值的倒数成正比。在一个实施例中，比例因子K和检测电阻R阻值的倒数相等。这样，均值电流Iaver为开关调节电路10的实际输出电流。
[0024]由于检测电阻R两端的实时电压和流经检测电阻R的实时电流(即电感电流I)成正比，其比例因子即为检测电阻R的阻值，因而均值电压Vaver和电感电流込的平均值成正比。另一方面，由于均值电流Iaver和均值电压Vaver成正比,而其比例因子和检测电阻R阻值的倒数成正比，因此，即使检测电阻R的阻值发生变化，均值电流Iaver也能够反映开关调节电路的输出电流信息。
[0025]图2示出依据本实用新型实施例的均值电压检测电路213。在图2所示实施例中，均值电压检测电路213耦接至开关电路201。开关电路201采用降压式拓扑结构，包括上开关管Ml、下开关管M2、输出电感器L以及输出电容器C。上开关管Ml具有第一端、第二端和控制端，其中，第一端接收输入电压VIN。下开关管M2具有第一端、第二端和控制端,其中，第一端耦接至上开关管Ml的第二端并与上开关管Ml的第二端形成开关节点SW，第二端连接至参考地GND。输出电感器L具有第一端和第二端，其中，第一端耦接至开关节点SW。输出电容器C耦接于输出电感器L的第二端与参考地GND之间。输出电容器C两端的电压即为开关电路201的输出电压VOUT。
[0026]均值电压检测电路213包括开关Sll?S14和S21?S24以及电容器Cl?C3。开关Sll具有第一端和第二端，其第一端耦接至开关节点SW。开关S12具有第一端和第二端，其第一端耦接至开关Sll的第二端，其第二端连接至参考地GND。开关S13具有第一端和第二端，其第一端连接至参考地GND。开关S14具有第一端和第二端，其第一端耦接至开关S13的第二端。电容器Cl具有第一端和第二端，其中，第一端耦接至开关Sll的第二端，第二端耦接至开关S13的第二端。开关S21具有第一端和第二端，其第一端耦接至开关节点SW。开关S22具有第一端和第二端，其第一端耦接至开关S21的第二端，其第二端连接至参考地GND。开关S23具有第一端和第二端，其第一端耦接至参考地GND。开关S24具有第一端和第二端，其第一端耦接至开关S23的第二端，其第二端耦接至开关S14的第二端并与开关S14的第二端形成均值电压检测电路的输出端SUM。电容器C2具有第一端和第二端，其中，第一端耦接至开关S21的第二端，第二端耦接至开关S23的第二端，其中，电容器C2的容值和电容器Cl的容值相同。电容器C3耦接于均值电压检测电路的输出端SUM和参考地GND之间。均值电压检测电路的输出端SUM处的电压即为均值电压检测电路213输出的均值电压Vaver。
[0027]本领域技术人员应当理解，图2所示开关电路只是示例性的，在其它实施例中，开关电路可采用其它合适的拓扑结构，如正激变换器。另外，在图2所示电路中，开关Sll和S21的第一端耦接至开关节点SW，且开关S13和S23的第一端耦接至参考地GND以检测下开关管M2的导通电阻两端的电压降。然而，本领域技术人员应当理解，在另一实施例中，如前所述，下开关管M2的导通电阻可由其它形式的检测电阻代替，该检测电阻具有第一端和第二端，其第一端接收输出电感器L中流过的电感电流Ip在此实施例中，开关Sll和S21的第一端耦接至检测电阻的第二端，且开关S13和S23的第一端耦接至检测电阻的第一端。
[0028]图3示出图2所示开关电路201中下开关管M2的电流波形和导通电压波形，其中Ils代表下开关管M2上流经的电流，代表下开关管M2两端的导通压降。在图2和图3所示图形中，设tl为下开关管M2导通的时刻，t2为下开关管M2关断的时刻，tm为下开关管M2的导通中点时刻。tl’为tl时刻起一小段时间之后的某个时刻，t2’时刻为t2时刻一小段时间之前的某个时刻。设下开关管M2在tl时刻的导通电压绝对值为VI，在t2时刻的导通电压绝对值为V2。在tl时刻，流经下开关管M2的电流为Il ;在t2时刻，流经下开关管M2的电流为12。
[0029]在tl时刻，如图4(a)所示，将开关Sll和S13导通，开关S12和S14断开。这样，电容器Cl采样下开关管M2两端的电压降Vl，由图2所示电压Vu的方向可知，电容器Cl第一端处的电压为-VI，其第二端处的电压为O。
[0030]在tl’时刻，如图4(b)所示，将开关Sll和S13断开，开关S12导通，开关S14导通或断开。这样，在tl’时刻，电容器Cl将tl时刻采样到的电压降进行方向转换，电容器Cl第一端处的电压为0，其第二端处的电压为VI。
[0031]在七2’时刻，如图4(0)所示，将开关521和523导通，开关522和524断开。这样，电容器C2采样下开关管M2两端的电压降V2，由图2所示电压L的方向可知，电容器C2第一端处的电压为-V2，其第二端处的电压为O。
[0032]在t2时亥IJ，如图4 (d)所示，将开关S21和S23断开，开关S22导通，开关S24导通或断开。这样，在t2时刻，电容器C2将t2’时刻采样到的电压降进行方向转换，电容器C2第一端处的电压为0，其第二端处的电压为V2。
[0033]在t2时刻或t2之后且下开关管M2再次导通之前的某一时刻，如图4 (e)所示，将开关S12、S14、S22和S24导通，由于电容器Cl和C2的容值相同，则在输出节点SUM处得到电压降Vl和电压降V2的平均值，即均值电压Vaver。从而，经过多个周期后，电容器C3上的电压即为下开关管M2在导通中点时刻tm的导通电压。
[0034]图5示出依据本实用新型实施例的电压至电流转换电路523。电压至电流转换电路523包括误差放大器AMP、晶体管M3、M4以及电流镜CM。放大器AMP具有同相输入端、反相输入端以及输出端，其同相输入端耦接至均值电压检测电路113以接收均值电压Vaver。晶体管M3具有第一端、第二端和控制端，其控制端耦接至放大器AMP的输出端。晶体管M4具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至晶体管M3的第二端以及误差放大器AMP的反相输入端，其第二端连接至参考地GND，其控制端连接至其第一端。晶体管M4的导通电阻和均值电压检测电路113中的检测电阻R的阻值成正比，具有比例因子K1。因此，流经晶体管M4的电流为Vaver/(K1*R)，电流镜CM具有第一端和第二端，其第一端耦接至晶体管M3的第一端以接收流经晶体管M4的电流，其第二端输出均值电流Iaver。由电流镜的工作原理可知，电流镜CM的第二端输出的均值电流Iaver即为第一端接收的流经晶体管M4的电流，即Iaver = Vaver/(K1*R)。在一个实施例中，晶体管M4的导通电阻与检测电阻R的阻值相同，贝1J有Iaver = Vaver/R。这样,均值电流Iaver为开关电路的实际输出电流。
[0035]图6示出依据本实用新型另一实施例的电压至电流转换电路623。和图5所示电压至电流转换电路523相比，图6所示的电压至电流转换电路623还包括开关S3和电容C4。开关S3具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电流镜CM的第二端，其控制端从控制电路102接收逻辑信号以使得开关S3在开关电路101中开关管都关断时关断，其第二端输出均值电流Iaver。电容C4耦接于开关S3的第二端和参考地GND之间。对于图6所示的电压至电流转换电路623，即使当降压式开关调节电路工作在不连续工作模式时，其获得的均值电流精度仍较高。
[0036]图7示出依据本实用新型实施例的开关调节电路70。如图7所示，开关调节电路70包括开关电路701、控制电路702以及均值电流检测电路703。开关电路701和图2所示开关电路201结构相同，此处不再详细描述。
[0037]控制电路702包括逻辑电路7021、延迟电路7022、脉冲产生电路7023以及反相器INVl和INV2。逻辑电路7021产生逻辑信号Q。延迟电路7022耦接至逻辑电路7021以接收逻辑信号Q，并将逻辑信号Q的下降沿进行延时，从而产生控制信号QH和QL以分别提供至上开关管Ml和下开关管M2的控制端，通过控制上开关管Ml和下开关管M2的导通与关断将输入电压VIN转换为输出电压V0UT。脉冲产生电路7023耦接至逻辑电路7021以接收逻辑信号Q，并在逻辑信号Q的上升沿时刻产生脉冲信号P。反相器INVl耦接至脉冲产生电路7023以接收脉冲信号P，并产生和脉冲信号P反相的反相脉冲信号P’。反相器INV2耦接至逻辑电路7021以接收逻辑信号Q，并产生和逻辑信号Q反相的反相逻辑信号Q’。本领域的技术人员应当理解，图7所示控制电路702只是示例性的，在其它实施例中，控制电路可采用其它合适的拓扑结构。
[0038]图8示出图7所示控制电路702输出的信号波形图。图8所示信号波形从上至下依次示出逻辑信号Q，反相逻辑信号Q’，控制信号QH和QL，脉冲信号P和反相脉冲信号P’。
[0039]均值电流检测电路703包括均值电压检测电路713以及电压至电流转换电路723。电压至电流转换电路723和图5所示电压至电流转换电路523结构相似，此处不再详细描述。
[0040]均值电压检测电路713和图2所示均值电压检测电路213的结构相类似，对其相同的部分，此处不再详细描述。和图2所示均值电压检测电路213所不同的地方在于，在均值电压检测电路713中，开关Sll的控制端接收脉冲信号P ;开关S12的控制端接收反相脉冲信号P’ ；开关S13的控制端接收脉冲信号P ;开关S14的控制端接收反相逻辑信号Q’ ；开关S21的控制端接收逻辑信号Q ;开关S22的控制端接收反相逻辑信号Q’;开关S23的控制端接收逻辑信号Q ;开关S24的控制端接收反相逻辑信号Q’。电压至电流转换电路723和图5所示电压至电流转换电路523的结构相类似，此处不再详细描述。
[0041]接下来，将对均值电压检测电路713的工作原理进行详细描述。设在tl时刻，开关Sll?S14以及S21?S24具有第一状态MODl ;在tl’时刻以及t2’时刻，开关Sll?S14以及S21?S24具有第二状态M0D2 ;在t2时刻，开关Sll?S14以及S21?S24具有第三状态M0D3。
[0042]如图9 (a)所不,在MODl状态下,逻辑信号Q和脉冲信号P为高电平，反相逻辑信号Q’和反相脉冲信号P’为低电平，从而使开关Sll、S13、S21和S23导通，且开关S12、S14、S22和S24关断。从而，电容器Cl与下开关管M2并联，采样下开关管M2上的导通电压，电容器Cl第一端处的电压为-VI，其第二端处的电压为O。
[0043]如图9(b)所示，在M0D2状态下，逻辑信号Q和反相脉冲信号P’为高电平，反相逻辑信号Q’和脉冲信号P为低电平，从而使开关S12、S21和S23导通，且开关S11、S13、S14、S22和S24关断。由于开关S12的第二端连接至参考地GND，且电容器Cl上的电压不能突变，因而电容器Cl的第二端提供正电压VI，且该正电压Vl被保持。另外，在M0D2状态下，电容器C2采样下开关管M2上的导通电压，则在t2’时刻，电容器C2第一端处的电压为-V2，其第二端处的电压为O。
[0044]如图9 (C)所示，在M0D3状态下，逻辑信号Q和脉冲信号P为低电平，反相逻辑信号Q’和反相脉冲信号P’为高电平，从而开关S12、S14、S22和S24导通，且使开关Sll、S13、S21和S23关断。由于开关S22的第二端连接至参考地GND，且电容器C2上的电压不能突变，因而电容器C2的第二端提供正电压V2。并且，在输出节点SUM处得到电压Vl和电压V2的平均值。从上述分析可见，均值电压检测电路713检测下开关管M2在导通时刻tl和关断时刻t2两处的电压值，并将其转换成为中点时刻tm的电压值。从而，经过多个周期后，电容器C3上的电压即为均值电压Vaver。
[0045]虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种用于开关调节电路的均值电流检测电路，开关调节电路包括开关电路和控制电路，开关电路包括开关管和输出电感器，其特征在于，均值电流检测电路包括: 均值电压检测电路，包括检测电阻，检测电阻具有第一端和第二端，所述第一端接收流经输出电感器的电感电流，其中，均值电压检测电路分别检测开关管在导通和关断时刻检测电阻两端的电压降，并计算导通时刻电压降和关断时刻电压降的平均值以获得均值电压；以及 电压至电流转换电路，耦接至均值电压检测电路以接收均值电压，且通过将均值电压乘以比例因子获得均值电流。
2.如权利要求1所述的均值电流检测电路，其特征在于，比例因子和检测电阻阻值的倒数成正比。
3.如权利要求1所述的均值电流检测电路，其特征在于，检测电阻是开关管的导通电阻、与开关管串联连接的电阻或电感电流所流经通路中的电阻。
4.如权利要求1所述的均值电流检测电路，其特征在于，开关电路包括上开关管和下开关管，上开关管具有第一端和第二端，所述第一端接收输入电压，下开关管具有第一端和第二端，所述第一端耦接至上开关管的第二端，所述第二端耦接至参考地，开关管导通和关断时刻为上开关管的导通和关断时刻或下开关管的导通和关断时刻。
5.如权利要求1所述的均值电流检测电路，其特征在于，均值电压检测电路包括: 第一开关，具有第一端和第二端，第一端耦接至检测电阻的第二端； 第二开关，具有第一端和第二端，第一端耦接至第一开关的第二端，第二端连接至参考地； 第三开关，具有第一端和第二端，第一端连接至检测电阻的第一端； 第四开关，具有第一端和第二端，第一端耦接至第三开关的第一端； 第一电容，耦接于第一开关的第二端与第三开关的第二端之间； 第五开关，具有第一端和第二端，第一端耦接至检测电阻的第二端； 第六开关，具有第一端和第二端，第一端耦接至第五开关的第二端，第二端连接至参考地； 第七开关，具有第一端和第二端，第一端连接至检测电阻的第一端； 第八开关，具有第一端和第二端，第一端耦接至第七开关的第二端，第二端耦接至第四开关的第二端； 第二电容，耦接于第五开关的第二端与第七开关的第二端之间；以及第三电容，具有第一端和第二端，第一端耦接至第四开关的第二端且作为均值电压检测电路的输出端以提供均值电压，第二端连接至参考地。
6.如权利要求5所述的均值电流检测电路，其特征在于，控制电路包括: 逻辑电路，产生逻辑信号以控制第五开关和第七开关的导通和关断； 延迟电路，耦接至逻辑电路以接收逻辑信号，并将逻辑信号的下降沿进行延迟得到延迟信号以控制开关管的导通和关断； 脉冲产生电路，耦接至逻辑电路以接收逻辑信号，并依据逻辑信号产生脉冲信号以控制第一开关和第三开关的导通和关断； 第一反相器，耦接至脉冲产生电路以接收脉冲信号，并依据脉冲信号产生反相脉冲信号以控制第二开关的导通和关断；以及 第二反相器，耦接至逻辑电路以接收逻辑信号，并依据逻辑信号产生反相逻辑信号以控制第四开关、第六开关和第八开关的导通和关断。
7.如权利要求1所述的均值电流检测电路，其特征在于，电压至电流转换电路包括: 误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一输入端稱接至均值电压检测电路以接收均值电压； 第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，控制端耦接至误差放大器的输出端，第二端耦接至误差放大器的第二输入端； 第二晶体管，具有第一端、第二端和控制端，第一端耦接至控制端并耦接至第一晶体管的第二端，第二端连接至参考地；以及 电流镜，具有第一端和第二端，第一端耦接至第一晶体管的第一端，第二端提供均值电流。
8.如权利要求7所述的均值电流检测电路，其特征在于，电压至电流转换电路还包括: 第九开关，具有第一端和第二端，第一端耦接至电流镜的第二端，第二端提供均值电流，其中，第九开关在上开关管和下开关管均关断时关断；以及第四电容，耦接于第九开关的第二端和参考地之间。
9.如权利要求7所述的均值电流检测电路，其特征在于，第二晶体管的导通电阻和检测电阻阻值的倒数成正比。
10.一种开关调节电路，其特征在于，包括: 开关电路，包括开关管和输出电感器，开关电路接收输入电压，并将输入电压转换为输出电压； 控制电路，产生控制信号以控制开关电路中开关管的导通和关断；以及 如权利要求第I至9中任一项所述的均值电流检测电路。
【文档编号】G01R19/00GK203967977SQ201420355830
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】李伊珂 申请人:成都芯源系统有限公司