开关电路的电流检测电路及开关电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种开关电路的电流检测电路及开关电路。

背景技术：

在开关电路中，现有方法为采样电阻对开关管的电流进行采样，通过检测开关管上的电流，从而控制开关管的开通和关断。由于开关管的开通和关断，采样电阻两端的电压一直在变化，而电流采样电路的电源是固定的，但是电流采样电路的输入电压一直在变化，这样会引起较大的共模噪声，导致电流采样存在误差，影响系统控制精度。在开关电路中，检测输入输出电流一般在输入侧和输出侧分别串联采样电阻。由于输入和输出侧的电阻及其余元器件不匹配，导致输入和输出的采样电流有误差。并且需要两套采样电路，增加了系统成本，两个采样电阻，降低了系统效率。

以四开关管Buck-Boost升降压电路为例，其拓扑结构如图1(a)所示。该电路包含Q01、Q02、Q03、Q04四个功率开关管、储能电感L、以及输入端电容C01，输出端电容C02。开关管Q01和开关管Q02串联，开关管Q01 和开关管Q02的公共端为第一节点SW1，开关管Q01连接到输入端，开关管Q02连接到地，输入端通过电容C01连接到地，开关管Q03和开关管Q04 串联，开关管Q03和开关管Q04的公共端为第二节点SW2，开关管Q03连接到输出端，开关管Q04连接到地，输出端通过电容C02连接到地，电感L 连接于第一节点SW1和第二节点SW2之间。

当输入电压V_IN比输出电压V_O大一定值时，此电路工作在Buck降压模式，开关管Q01、Q02工作在高频开关状态，开关管Q03管常导通，开关管 Q04管常关闭；当输入电压V_IN比输出电压V_O小一定值时，此电路工作在 Boost升压模式，开关管Q03，开关管Q04工作在高频开关状态，开关管Q01 管常导通，开关管Q02管常关闭；当V_IN与V_O接近时，此电路工作在 Buck-Boost升降压模式，开关管Q01、Q02、Q03、Q04均处于高频开关状态。

现有方案在四开关电路的输入端和输出端分别接入采样电阻R01和 R02，采样电阻的两端分别连接到电压转电流电路101的两个输入端，电压转电流电路101通过检测采样电阻R01上的电压得到采样电流i1，电压转电流电路101通过检测采样电阻R02上的电压得到采样电流i2，电压转电流电路101的供电端接VCC，VCC相对地为固定电压，电压转电流电路101的地电位接四开关电路的地电位。由于输入和输出侧的电阻R01、R02及电压转电流电路101元器件不匹配，导致输入和输出的采样电流有误差，导致电流采样存在误差，影响系统控制精度；并且需要两套采样电路，增加了系统成本；两个采样电阻，降低了系统效率。

再以Buck电路为例，其拓扑结构如图1(b)所示。该电路包含开关管 Q01、续流二极管D01、储能电感L、以及输入端电容C01，输出端电容C02。开关管Q01和续流二极管D01串联，其公共端为开关节点SW，开关管Q01 连接到输入端，续流二极管D01连接到地，输入端通过电容C01连接到地，开关节点SW通过电感L和采样电阻R01连接到输出端Vout。Buck电路的参考基准作为电压转电流电路101的参考基准。虽然采样电阻R01两端电压相对于参考基准是稳定的，但是在启动时，输出端电压为零或者很低不足以给电压转电流电路101供电，电路启动完成，稳定工作时，输出端的电压给电压转电流电路101供电，因此电压转电流电路101的供电需要切换，针对输出电压高和低，一般需要做两套供电电路。两套供电电路增加了设计的复杂度，并且两套供电电路的元器件会有不匹配的问题，导致电压转电流电流 101的供电电压在切换时会有跳变，对电压转电流电路101的工作产生干扰。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种四开关管电路的电流检测电路及开关电路，用以解决现有技术中输入输出电流采样存在误差、且共模噪声大的问题。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种开关电路的电流检测电路，包括：开关管、电感和采样电阻，所述开关管和所述电感之间的连接点为开关节点，所述电感通过所述采样电阻连接到所述开关节点，电流从所述采样电阻的第一端流向所述采样电阻的第二端，其特征在于，所述电流检测电路包括：电压转电流电路和供电电路，

所述采样电阻的两端分别连接到所述电压转电流电路的两个输入端，所述电压转电流电路的输出端得到采样电流；

所述供电电路包括第一电容，所述第一电容的第一端连接到所述开关节点，所述开关节点为所述电压转电流电路的参考基准，所述第一电容的第二端为所述电压转电流电路的供电端。

作为可选，所述电压转电流电路将输入端的采样电压按比例转换成采样电流。

作为可选，所述电压转电流电路包括第一电阻、第二电阻、运算放大器、压控电流源和电流镜电路，

所述采样电阻的第一端通过所述第一电阻连接到所述运算放大器的第一输入端，所述采样电阻的第二端通过所述第二电阻连接到所述运算放大器的第二输入端，所述运算放大器的输出端连接到所述压控电流源的控制端，所述压控电流源的第一端连接到所述运算放大器和所述第二电阻的公共端，所述压控电流源的第二端连接到所述电流镜电路的输入端，所述电流镜电路的输出端为所述电压转电流电路的输出端，所述运算放大器和所述电流镜电路的供电端和参考基准分别连接到所述电压转电流电路的供电端和参考基准。

作为可选，所述开关电路为四开关电路，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和所述第二开关管串联，所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接在所述第一节点和所述第二节点之间，所述第一节点或所述第二节点为所述开关节点。

作为可选，所述开关电路为BUCK电路或为BOOST电路或为 BUCK-BOOST电路；所述BUCK电路上管为主开关管，下管为同步整流管或续流二极管；所述BOOST电路下管为主开关管，上管为同步整流管或续流二极管。

作为可选，还包括输入输出电流检测电路，所述输入输出电流检测电路根据所述开关电路的开关管的开关状态，将所述采样电流转换成表征输入或者/ 和输出电流的电流或者电压。

作为可选，所述输入输出电流检测电路包括第三电阻、第四电阻、第五开关、第六开关和第二电容，所述电压转电流电路的输出端连接到所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端连接到地，所述第三电阻的第一端通过所述第五开关和所述第四电阻，连接到所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端接地，所述第六开关连接在所述第五开关和所述第四电阻的公共端和地之间，所述第六开关的开关状态与所述第五开关的开关状态相反，

当所述第五开关与所述四开关电路的第一开关管同步，所述第二电容的第一端上的电压表征所述四开关电路的输入电流；

或者当所述第五开关与所述四开关电路的第三开关管同步，所述第二电容的第一端上的电压表征所述四开关电路的输出电流；

或者当所述第五开关与所述BUCK电路的上管同步，所述第二电容的第一端上的电压表征所述BUCK电路的输入电流；

或者当所述第五开关与所述BOOST电路的上管同步，所述第二电容的第一端上的电压表征所述BOOST电路的输出电流。

作为可选，所述输入输出电流检测电路还包括第五电阻、第七开关、第八开关和第三电容，所述第三电阻的第一端通过所述第七开关和所述第五电阻，连接到所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端接地，所述第八开关连接在所述第七开关和所述第五电阻的公共端和地之间，所述第八开关的开关状态与所述第七开关的开关状态相反，

所述第五开关与所述四开关电路的第一开关管同步，所述第二电容的第一端上的电压表征所述四开关电路的输入电流；

所述第七开关与所述四开关电路的第三开关管同步，所述第三电容的第一端上的电压表征所述四开关电路的输出电流。

作为可选，所述输入输出电流检测电路包括第六电阻、第九开关、第四电容，所述第四电容和所述第六电阻并联，所述电压转电流电路的输出端通过所述第九开关连接到所述第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端连接到地，

当所述第九开关与所述四开关电路的第一开关管同步，所述第四电容的第一端上的电压表征所述四开关电路的输入电流；

或者当所述第九开关与所述四开关电路的第三开关管同步，所述第四电容的第一端上的电压表征所述四开关电路的输出电流；

或者当所述第九开关与所述BUCK电路的上管同步，所述第四电容的第一端上的电压表征所述BUCK的输入电流；

或者当所述第九开关与所述BOOST电路的上管同步，所述第四电容的第一端上的电压表征所述BOOST的输出电流。

本实用新型的又一技术解决方案是，提供一种开关电路。

采用本实用新型的电路结构，与现有技术相比，具有以下优点：只需一个采样电阻，能够测量出任意时刻下开关管的电流值，采样电阻上的电压相对于参考基准是固定的，不会引起误差。此外，由于电压转电流电路的供电端和参考基准相对于输入电流采样信号是稳定的，可以有效抑制共模噪声，提高电流检测精度，提高系统控制精度；只需要一个采样电阻就可以得到输入输出的电流，提高系统效率；且电压转电流电路的供电电压稳定，保证电压转电流电路的工作稳定。

附图说明

图1(a)为现有技术的四开关管Buck-Boost电路及其电流采样电路；

图1(b)为现有技术的Buck电路及其电流采样电路；

图2(a)为本实用新型采样电阻的第二端连接到开关节点时，电流检测电路200的电路图；

图2(b)为本实用新型采样电阻的第一端连接到开关节点SW时，电流检测电路200的电路图；

图3(a)为本实用新型采样电阻的第二端连接到开关节点SW时，电压转电流电路201的电路图；

图3(b)为本实用新型采样电阻的第一端连接到开关节点SW时，电压转电流电路201的电路图；

图4(a)为本实用新型运算放大器2011和压控电流源2012的电路图；

图4(b)为本实用新型运算放大器2011和压控电流源2012的另一电路图；

图5为本实用新型电流镜电路2013的电路图；

图6(a)为本实用新型采样电阻的第二端连接到开关节点时，四开关 Buck-Boost电路及其电流检测电路200；

图6(b)为本实用新型采样电阻的第一端连接到开关节点时，四开关 Buck-Boost电路及其电流检测电路200；

图7为BUCK电路及其电流检测电路200；

图8为BOOST电路及其电流检测电路200；

图9(a)为输入输出电流检测电路203的电路图；

图9(b)为输入输出电流检测电路203的另一电路图；

图9(c)为输入输出电流检测电路203的又一电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细描述，但本实用新型并不仅仅限于这些实施例。本实用新型涵盖任何在本实用新型的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下本实用新型优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本实用新型。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本实用新型。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦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“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。

参考图2所示，示意了本实用新型的开关电路的电流检测电路的电路图。所述开关电路包括开关管、电感L和采样电阻R20，所述开关管和所述电感 L之间的连接点为开关节点SW，所述电感L通过所述采样电阻R20连接到所述开关节点SW，电流从所述采样电阻R20的第一端流向所述采样电阻R20 的第二端，所述电流检测电路200包括：电压转电流电路201和供电电路202，所述采样电阻R20的两端分别连接到所述电压转电流电路200的两个输入端 IN1和IN2，所述电压转电流电路201的输出端得到采样电流i20，该采样电流i20表征电感L上的电流；

所述供电电路202包括第一电容C20，所述第一电容C20的第一端连接到所述开关节点SW，所述开关节点SW为所述电压转电流电路200的参考基准，所述第一电容C20的第二端为所述电压转电流电路200的供电端BST。

参考图2(a)所示，所述采样电阻R20的第一端连接到电感L，采样电阻R20的第二端连接到所述开关节点SW，电感电流i_L从电感L流向采样电阻R20，采样电阻R20的第二端为电压转电流电路200的参考基准，采样电阻R20的第一端相对参考基准为正电压，即电压转电流电路200的输入为正电压。

参考图2(b)所示，所述采样电阻R20的第二端连接到电感L，采样电阻R20的第一端连接到所述开关节点SW，电感电流i_L从采样电阻R20流向电感L，采样电阻R20的第一端为电压转电流电路200的参考基准，采样电阻R20的第二端相对参考基准为负电压，即电压转电流电路200的输入为负电压。

在一个实施例中，所述供电电路202还包括单向导通元件2021，所述单向导通元件2021连接到所述第一电容C20的第二端。

在一个实施例中，所述供电电路202还包括相对地的第一电源VDD，第一电源VDD通过单向导通元件2021连接到所述第二电容C20的第二端。

在一个实施例中，所述单向导通元件2021为二极管，所述二极管的阳极连接到所述第一电源VDD，二极管的阴极连接到所述电压转电流电路201 的供电端。

所述二极管还可以用MOS管或者三极管来实现。NMOS的栅极和漏极相连接，作为二极管的阳极，NMOS的源极作为二极管的阴极；PMOS的栅极和漏极相连接，作为二极管的阴极，PMOS的源极作为二极管的阳极。

在一个实施例中，所述电压转电流电路将输入端的采样电压按比例转换成采样电流。所述采样电流的大小表征电感上的电流大小。

参考图3所示，在一个实施例中，所述电压转电流电路201包括第一电阻 R30、第二电阻R31、运算放大器2011、压控电流源2012和电流镜电路2013，所述采样电阻R20的第一端通过所述第一电阻R30连接到所述运算放大器 2011的第一输入端I1，所述采样电阻R20的第二端通过所述第二电阻R31 连接到所述运算放大器2011的第二输入端I2，所述运算放大器2011的输出端O1连接到所述压控电流源2012的控制端CTL，所述压控电流源2012的第一端O2连接到所述运算放大器2011和所述第二电阻R31的公共端，所述压控电流源2012的第二端O3连接到所述电流镜电路2013的输入端I3，所述电流镜电路2013的输出端O4为所述电压转电流电路201的输出端，所述运算放大器2011和所述电流镜电路2013的供电端和参考地分别连接到所述电压转电流电路201的供电端和参考地。参考图3(a)所示，当所述采样电阻R20的第二端连接到所述开关节点SW时，电压转电流电路201的参考地为采样电阻R20的第二端；所述运算放大器2011和所述电流镜电路2013的参考地为采样电阻R20的第二端。运算放大器2011的第一输入端I1通过第一电阻R30采样采样电阻R20上的电压，运算放大器2011通过调节压控电流源2012电流的大小，使得可控电流源2012的输出电流经过第二电阻R31 上的电压，即运算放大器2011第二输入端I2的电压等于第一输入端I1的电压，电流镜电路2013通过镜像压控电流源2012的电流，从而得到采样电流。电流镜电路2013的输出电流和输入电流之间的比值为k，因此，采样电流i_OUT和电感电流i_L之间的关系为：i_L＝i_OUT*R31/(R20*k)。参考图3(b)所示，当所述采样电阻R20的第二端连接到所述开关节点SW时，电压转电流电路201 的参考地为采样电阻R20的第一端；所述运算放大器2011和所述电流镜电路2013的参考地为采样电阻R20的第一端。与图3(a)不同的是，采样电阻R20上的采样电压，即采样电阻R20第二端的电压相对电压转电流电路 201的参考基准是负的。采样电流i_OUT和电感电流i_L之间的关系仍旧为： i_L＝i_OUT*R31/(R20*k)。

在一个实施例中，所述压控电流源2012为NMOS或PMOS。

参考图4(a)所示，当所述压控电流源2012为NMOS时，所述NMOS 的栅极为所述压控电流源的控制端CTL，所述NMOS的源极为所述压控电流源2012的第一端O2，所述NMOS的漏极为所述压控电流源2012的第二端O3。所述运算放大器2011的第一输入端I1为正相输入端，第二输入端I2 为反相输入端。

参考图4(b)所示，当所述压控电流源2012为PMOS时，所述PMOS 的栅极为所述压控电流源2012的控制端，所述PMOS的漏极为所述压控电流源的第一端，所述PMOS的源极为所述压控电流源的第二端。所述运算放大器2011的第一输入端I1为反相输入端，第二输入端I2为正相输入端。

参考图5所示，在一个实施例中，电流镜电路2013由两个PMOS组成，两个PMOS Q30和Q31的栅极连接在一起，并且连接到PMOS Q30的漏极，作为电流镜电路2013的输入端，两个PMOS的源极连接在一起，连接到电流镜电路2013的供电端VD，PMOS Q31的漏极为电流镜电路2013的输出端。

参考图6所示，在一个实施例中，所述开关电路为四开关电路，包括第一开关管Q01、第二开关管Q02、第三开关管Q03和第四开关管Q04，所述第一开关管Q01和所述第二开关管Q02串联，所述第一开关管Q01和所述第二开关管Q02的公共端连接到所述第一节点SW1，所述第一开关管Q01连接到输入端Vin，所述第二开关管Q02连接到地，所述第三开关管Q03和所述第四开关管Q04串联，所述第三开关管Q03和所述第四开关管Q04的公共端连接到所述第二节点SW2，所述第三开关管Q03连接到输出端Vout，所述第四开关管Q04连接到地。其中，图6(a)是所述采样电阻R20的第二端连接到开关节点SW，即第二节点SW2，的电路原理图；图6(b)是所述采样电阻R20的第一端连接到开关节点SW，即第一节点SW1，的电路原理图。在四开关电路中，只需一个采样电阻，能够测量出任意时刻下电感的电流值。此外，由于电压转电流电路201的供电端BST和参考基准SW相对于采样信号，即采样电阻两端的电压是稳定的，从而可以有效抑制共模噪声，提高电流检测精度，提高系统控制精度。

参考图7所示，在一个实施例中，所述开关电路为BUCK电路，包括开关管Q50、续流二极管D50，开关管Q50和续流二极管D50串联，开关管 Q50连接到输入端Vin，所述续流二极管D50连接到地，所述开关管Q50、和续流二极管D50的公共端为开关节点SW，开关节点SW通过采样电阻R20 和电感L连接到输出端Vout。所述采样电阻R20的两端分别连接到所述电压转电流电路200的两个输入端，所述电压转电流电路201的输出端得到采样电流i20，该采样电流i20表征电感L上的电流。

参考图8所示，在一个实施例中，所述开关电路为BOOST电路，包括开关管Q60、续流二极管D60，开关管Q60和续流二极管D60串联，续流二极管D50连接到输出端Vout，开关管Q60连接到地，所述开关管Q60和续流二极管D60的公共端为开关节点SW，开关节点SW通过采样电阻R20和电感L连接到输入端Vout。所述采样电阻R20的两端分别连接到所述电压转电流电路200的两个输入端，所述电压转电流电路201的输出端得到采样电流 i20，该采样电流i20表征电感L上的电流。

在一个实施例中，开关电路的电流检测电路200，还包括输入输出电流检测电路203，所述输入输出电流检测电路203根据所述开关电路的开关管的开关状态，将所述表征电感电流的采样电流i20转换成表征输入或者/和输出电流的电流或者电压；

9、参考图9(a)所示，在一个实施例中，所述输入输出电流检测电路203 包括第三电阻R40、第四电阻R41、第五开关S40、第六开关S40B和第二电容C40、所述电压转电流电路201的输出端连接到所述第三电阻R40的第一端，所述第三电阻R40的第二端连接到地，所述第三电阻R40的第一端通过所述第五开关S40和所述第四电阻R41，连接到所述第二电容C40的第一端，所述第二电容C40的第二端接地，所述第六开关S40B连接在所述第五开关 S40和所述第四电阻R41的公共端和地之间，所述第六开关S40B的开关状态与所述第五开关S40的开关状态相反，

所述第三电阻R40的第一端电压表征电感电流，当所述第五开关S40与所述四开关电路的第一开关管Q01同步，第五开关S40和第四电阻R41的公共端电压的平均值表征所述四开关电路的输入电流，经过第四电阻R41和第二电容C40的滤波后，得到第五开关S40和第四电阻R41的公共端电压的平均值，即所述第二电容C40的第一端上的电压表征所述四开关电路的输入电流；

或者当所述第五开关S40与所述四开关电路的第三开关管Q03同步，所述第二电容C40的第一端上的电压表征所述四开关电路的输出电流；

或者当所述第五开关S40与所述BUCK电路的开关管同步，所述第二电容C40的第一端上的电压表征所述BUCK电路的输入电流；

或者当所述第五开关S40与所述BOOST电路的开关管同步，所述第二电容C40的第一端上的电压表征所述BOOST电路的输出电流。

参考图9(b)所示，在一个实施例中，所述输入输出电流检测电路203 还包括第五电阻R42、第七开关S42、第八开关S42B和第三电容C42、所述第三电阻R40的第一端通过所述第六开关S42和所述第五电阻R42，连接到所述第三电容C42的第一端，所述第三电容C42的第二端接地，所述第八开关S42B连接在所述第七开关S42和所述第五电阻R42的公共端和地之间，所述第八开关S42B的开关状态与所述第七开关S42的开关状态相反，

所述第五开关S40与所述四开关电路的第一开关管Q01同步，所述第二电容C40的第一端上的电压表征所述四开关电路的输入电流；

所述第七开关S42与所述四开关电路的第三开关管Q03同步，所述第三电容C42的第一端上的电压表征所述四开关电路的输出电流。

在四开关电路中，只需要一个表征电感的电流i20，就可以同时得到表征输入和输出电流的电压。

参考图9(c)所示，在一个实施例中，所述输入输出电流检测电路203 包括第六电阻R43、第九开关S43、第四电容C43，所述第四电容C43和所述第六电阻R43并联，所述电压转电流电路201的输出端通过所述第九开关 S43连接到所述第六电阻R43的第一端，所述第六电阻R43的第二端连接到地，

当所述第九开关S43与所述四开关电路的第一开关管Q01同步，所述第四电容C43的第一端上的电压表征所述四开关电路的输入电流；

或者当所述第九开关S43与所述四开关电路的第三开关管同步，所述第四电容C43的第一端上的电压表征所述四开关电路的输出电流；

与图9(b)不同的是，在四开关电路中，一个表征电感的电流i20，只能得到表征输入电流的电压或者表征输出电流的电压。因此，如果同时需要得到表征输入电流和输出电流的电压，则需要两个表征电感的电流。

或者当所述第九开关S43与所述BUCK电路的开关管同步，所述第四电容C43的第一端上的电压表征所述BUCK的输入电流；

或者当所述第九开关S43与所述BOOST电路的开关管同步，所述第四电容C43的第一端上的电压表征所述BOOST的输出电流。

除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。