一种电流采样电路和电流检测系统的制作方法

本发明实施例涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电流采样电路和电流检测系统。

背景技术：

在电子器件中，一般需要检测电子元件的电流，获取电子器件的工作状态，此时会用到电流采样电路。

传统的电流采样电路一般都会采用运算放大器来提供一定增益，但是运放的电路结构通常比较复杂，内部带宽受到负载限制，虽然精度可以设计的很高，但是这是以采样的速率较慢作为代价的。反之，若采用较快的采样速度，则会影响其精度。

因此，同时具备较高采样精度和较快采样速度的电流采样电路成为研究的热点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种电流采样电路和电流检测系统，电流采样电路具备较高的采样精度和较快的采样速度。

第一方面，本发明实施例提供了一种电流采样电路，包括电流采样模块和电流补偿模块；

所述电流采样模块包括功率单元、采样单元、第一电流镜像单元和第二电流镜像单元，所述第二电流镜像单元包括第一晶体管；

所述电流补偿模块包括第三电流镜像单元和第二晶体管；所述第三电流镜像单元包括电流释放管；

所述第二晶体管和所述第一晶体管形成第四电流镜像单元；

所述功率单元、所述第一电流镜像单元和待采样元件在第一节点电连接；

所述采样单元和所述第一电流镜像单元在第二节点电连接；

所述电流释放管和所述第一电流镜像单元在第三节点电连接；

所述第一电流镜像单元和所述第二电流镜像单元电连接。

可选的，所述第一电流镜像单元包括第三晶体管和第四晶体管，所述第二电流镜像单元还包括第五晶体管和第六晶体管，所述第三电流镜像单元还包括第七晶体管和第八晶体管；

所述第三晶体管和第四晶体管的沟道宽长比相同；

所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管的沟道宽长比相同；

所述电流释放管、所述第七晶体管和所述第八晶体管的沟道宽长比相同；

所述功率单元包括功率晶体管，所述采样单元包括采样晶体管；

所述功率晶体管和所述采样晶体管的沟道宽长比为m：1，其中，m＞1。

可选的，所述电流采样电路还包括电压信号输出端子，所述电压信号输出端子与所述第一晶体管电连接，用于向所述第一晶体管提供基准电流；

所述电流补偿模块输出的补偿电流与所述基准电流相同。

可选的，所述电流采样电路还包括采样电流输出单元，所述采样电流输出单元与所述采样单元和所述第一电流镜像单元在所述第二节点电连接。

可选的，所述采样电流输出单元包括采样电流输出控制晶体管和采样电阻；

所述采样电流输出控制晶体管的输入端与所述采样单元和所述第一电流镜像单元在所述第二节点电连接，所述采样电流输出控制晶体管的输出端与所述采样电阻的第一端连接，所述采样电阻的第二端接地。

可选的，所述电流采样电路还包括电压信号输出端子，所述电压信号输入端子分别与所述功率单元、所述采样单元和所述第三电流镜像单元电连接。

可选的，所述电流采集模块还包括第一开关状态管和第二开关状态管，所述电流补偿模块还包括第三开关状态管；

所述第一开关状态管串联设置于所述第一节点和所述第三节点之间；

所述第二开关状态管串联设置于所述电压信号输出端子和所述第一电流镜像单元之间；

所述第三开关状态管串联设置于所述电流释放管和所述第三节点之间；

所述第一开关状态管、所述第二开关状态管和所述第三开关状态管导通时的源漏电压差为零。

可选的，所述电流采样模块还包括同步整流单元，所述同步整流单元的一端与所述待采样元件在所述第一节点电连接，所述同步整流单元的另一端接地。

可选的，所述功率晶体管、所述采样晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述电流释放管、所述第七晶体管和所述第八晶体管为pmos晶体管；所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管为nmos晶体管。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电流检测系统，包括第一方面所述的电流采样电路，还包括振荡器、逻辑控制电路、驱动电路、pwm比较器、误差放大器、待采样元件和驱动晶体管；

所述电流采样电路分别与所述待采样元件和所述pwm比较器的第一输入端电连接；

所述误差放大器与所述pwm比较器的第二输入端电连接；

所述逻辑控制电路分别与所述pwm比较器的输出端、所述振荡器和所述驱动电路连接，用于根据所述pwm比较器输出的信号和所述振荡器输出的逻辑控制时钟信号产生驱动信号；

所述驱动电路和所述驱动晶体管连接，用于驱动所述驱动晶体管导通。

本发明实施例提供的电流采样电路和电流检测系统，设置电流采样电路包括电流采样模块和电流补偿模块；通过电流采样模块采集待采样元件的电流，通过电流补偿模块对电流采样模块采集的电流进行补偿，弥补因电流采样模块本身器件结构造成的误差，保证电流采样电路采集的采样电流精度较大；同时通过合理设置各个电流镜像单元中各个晶体管的沟道宽长比，实现电流与沟道宽长比的镜像关系，保证充分减小或者完全消除因电流采样电路本身结构造成的采样误差，提高采样精度；同时电流补偿模块结构简单，进而整个电流采样电路的结构简单，保证采样速率较快。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的一种电流镜像单元的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电流采样电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电流检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

图1为本发明实施例提供的一种电流镜像单元的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的电流镜像单元10包括第一镜像晶体管11和第二镜像晶体管12，其中，第一镜像晶体管11和第二镜像晶体管12的沟道宽长比不同，具体的，第一镜像晶体管11和第二镜像晶体管12的沟道长度可以相同，沟道宽度不同，例如沟道宽度的比值可以为m:1，其中，m>1。假设va＝vb，那么，流经第一镜像晶体管11的驱动电流ip与流经第二镜像晶体管的驱动电流ips之间的比值也是m:1。这种电流镜像的方法简捷方便，而且几乎没有采样电阻，降低了电路功耗，从而提高了精度。

基于上述构思，本发明实施例提供了一种电流采样电路，具体的，图2为本发明实施例提供的一种电流采样电路的结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的电流采样电路包括电流采样模块21和电流补偿模块22；电流采样模块21包括功率单元211、采样单元212、第一电流镜像单元213和第二电流镜像单元214，第二电流镜像单元214包括第一晶体管mn1；电流补偿模块22包括第三电流镜像单元221和第二晶体管mn4；第三电流镜像221单元包括电流释放管mp6；第二晶体管mn4和第一晶体管mn1形成第四电流镜像单元23；功率单元211、第一电流镜像单元213和待采样元件24在第一节点n1电连接；采样单元212和第一电流镜像单元213在第二节点n2电连接；电流释放管mp6和第一电流镜像单元213在第三节点n3电连接；第一电流镜像单元213和第二电流镜像单元214电连接。

示例性的，如图2所示，电流采样模块21与待采样元件24电连接，用于采集流经待采样元件24的电流，本发明实施例提供的待采样元件24可以为电感l。电流补偿模块22与电流采样模块21电连接，用于向电流采样模块21提供补偿电流，弥补因电流采样模块21本身器件结构造成的误差，保证电流采样电路20采集的采样电流精度较大。进一步的，本发明实施例提供的电流补偿模块22结构简单，对采样速率影响较小，保证电流采样电路20的采样速率较快，提供一种兼具高采样精度和高采样速率的电流采样电路。

具体的，如图2所示，电流采样模块21包括功率单元211、采样单元212、第一电流镜像单元213和第二电流镜像单元214，第二电流镜像单元214包括第一晶体管mn1；电流补偿模块22包括第三电流镜像单元221和第二晶体管mn4；第三电流镜像221单元包括电流释放管mp6；第二晶体管mn4和第一晶体管mn1形成第四电流镜像单元23。功率单元211、第一电流镜像单元213和待采样元件24在第一节点n1电连接，采样单元212和第一电流镜像单元213在第二节点n2电连接，通过控制功率单元211和第一电流镜像单元213导通，采样单元212对待采样元件24进行电流采样。同时，电流释放管mp6和第一电流镜像单元213在第三节点n3电连接，电流释放管mp6将电流补偿模块22提供的补偿电流补偿至第三节点n3，弥补因电流采样模块21本身器件结构造成的误差，保证电流采样电路20采集的采样电流精度较大。进一步的，通过合理设置各个电流镜像单元中各个晶体管的沟道宽长比，实现电流与沟道宽长比的镜像关系，保证实现不同的采样精度。

综上，本发明实施例提供的电流采样电路，设置电流采样电路包括电流采样模块和电流补偿模块；通过电流采样模块采集待采样元件的电流，通过电流补偿模块对电流采样模块采集的电流进行补偿，弥补因电流采样模块本身器件结构造成的误差，保证电流采样电路采集的采样电流精度较大；同时通过合理设置各个电流镜像单元中各个晶体管的沟道宽长比，实现电流与沟道宽长比的镜像关系，保证充分减小或者完全消除因电流采样电路本身结构造成的采样误差，提高采样精度；同时电流补偿模块结构简单，进而整个电流采样电路的结构简单，保证采样速率较快。

可选的，继续参考图2所示，本发明实施例提供的电流采样电路20还可以包括电压信号输入端子vdd，电压信号输入端子vdd分别与功率单元211、采样单元212和第三电流镜像单元221电连接，为功率单元211、采样单元212和第三电流镜像单元221提供电压信号，保证功率单元211、采样单元212和第三电流镜像单元221正常工作。

进一步的，继续参考图2所示，电流采集模块21还可以包括第一开关状态管ms1和第二开关状态管ms2，电流补偿模块22还可以包括第三开关状态管ms3；第一开关状态管ms1串联设置于第一节点n1和第三节点n3之间；第二开关状态管ms2串联设置于电压信号输出端子vdd和第一电流镜像单元213之间；第三开关状态管ms3串联设置于电流释放管mp6和第三节点n3之间；第一开关状态管ms1、第二开关状态管ms2和第三开关状态管ms3导通时的源漏电压差为零。

示例性的，在第一节点n1和第三节点n3之间设置第一开关状态管ms1，在电压信号输出端子vdd和第一电流镜像单元213之间设置第二开关状态管ms2，在电流释放管mp6和第三节点n3之间设置第三开关状态管ms3，通过第一开关状态管ms1、第二开关状态管ms2和第三开关状态管ms3的导通与关断灵活设置电流采样模块21和电流补偿模块22的工作过程，保证电流采样和电流补偿过程可控，提供整个电流采样电路的可操控性。进一步的，第一开关状态管ms1、第二开关状态管ms2和第三开关状态管ms3导通时的源漏电压差为零，保证不会因第一开关状态管ms1、第二开关状态管ms2和第三开关状态管ms3的设置影响采样电流，保证采样电流采集精度高。

下面对如何设置各个电流镜像单元中各个晶体管的沟道宽长比，实现充分减小或者完全消除因电流采样电路本身结构造成的采样误差，提高采样精度进行详细说明。

可选的，继续参考图2所示，第一电流镜像单元213包括第三晶体管mp2和第四晶体管mp3，第二电流镜像单元214还包括第五晶体管mn2和第六晶体管mn3，第三电流镜像单元221还包括第七晶体管mp4和第八晶体管mp5；

第三晶体管mp2和第四晶体管mp3的沟道宽长比相同；

第一晶体管mn1、第二晶体管mn4、第五晶体管mn2和第六晶体管mn3的沟道宽长比相同；

电流释放管mp6、第七晶体管mp4和第八晶体管mp5的沟道宽长比相同；

功率单元211包括功率晶体管mp，采样单元212包括采样晶体管mp1；

功率晶体管mp和采样晶体管mp1的沟道宽长比为m：1，其中，m＞1。

示例性的，如图2所示，当q为低电平，mp导通，根据基尔霍夫定律可以知道，流经功率晶体管mp的电流等于流经待采样元件24和第一开关状态管ms1的电流，即：

imp＝ims1+il(1)

进一步的，同样根据基尔霍夫定律可以知道，流经第四晶体管mp3的电流等于流经第一开关状态管ms1和第三开关状态管ms3的电流，即：

imp3＝ims1+ims3(2)

进一步的，设定第一节点n1、第二节点n2和第三节点n3的电位相同，即：

vn1＝vn2＝vn3(3)

由于第三晶体管mp2和第四晶体管mp3构成第一电流镜像单元213，且第三晶体管mp2和第四晶体管mp3的沟道宽长比相同，第一晶体管mn1、第五晶体管mn2和第六晶体管mn3构成第二电流镜像单元214，且第一晶体管mn1、第五晶体管mn2和第六晶体管mn3的沟道宽长比相同，流过第一晶体管的电流为iref，因此：

imp2＝imp3＝iref(4)

根据公式(2)、公式(3)和公式(4)可以得到：

iref＝ims1+ims3(5)

又由于采样晶体管mp1的沟道宽长比与功率晶体管mp的沟道宽长比为1：m，所以有：

根据公式(1)、公式(2)、公式(5)和公式(6)可以得到：

il＝m×imp1-iref+ims3(7)

又由于第一晶体管mn1和第二晶体管mn4构成第四电流镜像单元23，且第一晶体管mn1和第二晶体管mn4的沟道宽长比相同；电流释放管mp6、第第七晶体管mp4和第八晶体管mp5构成第三电流镜像单元221，且电流释放管mp6、第七晶体管mp4和第八晶体管mp5的沟道宽长比相同，所以有：

ims3＝iref(8)

如此，公式(7)可以改写成：

il＝m×imp1(9)

继续参考图2，又由于：

imp5+iusen＝isen(10)

imp1＝iusen+iref(11)

根据公式(9)、公式(10)和公式(11)可以得到：

进一步的，采样误差和采样精度的表达式分别为：

as＝1-re＝100％(14)

根据公式(13)和公式(14)可以知道，通过合理设置各个电流镜像单元中各个晶体管的沟道宽长比，可以充分减小或者完全消除因电流采样电路本身结构造成的采样误差，例如，通过设置第三晶体管mp2和第四晶体管mp3的沟道宽长比相同；第一晶体管mn1、第二晶体管mn4、第五晶体管mn2和第六晶体管mn3的沟道宽长比相同；电流释放管mp6、第七晶体管mp4和第八晶体管mp5的沟道宽长比相同；功率晶体管mp和采样晶体管mp1的沟道宽长比为m：1，将补偿电流ims3引入电流采样电路，并通过理论计算证明，采用本方法可以完全消除因电流采样电路本身结构造成的采样误差，保证采样精度为100％。

可选的，继续参考图2所示，本发明实施例以功率晶体管mp、采样晶体管mp1、第三晶体管mp2、第四晶体管mp3、电流释放管mp6、第七晶体管mp4和第八晶体管mp5为pmos晶体管；第一晶体管mn1、第二晶体管mn4、第五晶体管mn2和第六晶体管mn3为nmos晶体管为例进行说明，如此，第一电流镜像单元213可以为pmos电流镜像单元，第二电流镜像单元214可以为nmos电流镜像单元，第三电流镜像单元221可以为pmos电流镜像单元，第四电流镜像单元23可以为nmos电流镜像单元。

需要说明的是，本发明实施例对各个晶体管的类型不进行限定，图2仅以一种可行的实施方式进行说明，而非限定，其他类型的晶体管也在本发明实施例的保护范围内。

可选的，继续参考图2所示，电流采样电路20还可以包括电压信号输出端子vdd，电压信号输出端子vdd与第一晶体管mn1电连接，用于向第一晶体管mn1提供基准电流iref；电流补偿模块21输出的补偿电流与基准电流iref相同。

示例性的，根据图2可以知道，iref为第一晶体管mn1、第五晶体管mn2和第六晶体管mn3提供偏置电流，由于采样电流减去偏置电流才是最终的感应电流，因此通过合理设置各个电流镜像单元中各个晶体管的沟道宽长比，可以保证电流补偿模块22输出的补偿电流与基准电流iref(也就是偏置电流)相同，保证可以完全消除因电流采样电路本身结构造成的采样误差，保证采样精度为100％。

可选的，继续参考图2所示，本发明实施例提供的电流采样模块21还可以包括采样电流输出单元215，采样电流输出单元215与采样单元212和第一电流镜像单元213在第二节点电连接，通过设置采样电流输出单元215保证可以灵活控制采样电流的输出，保证采样电流输出过程灵活可控。

具体的，采样电流输出单元215包括采样电流输出控制晶体管ms和采样电阻rsen，采样电流输出控制晶体管ms的输入端与采样单元212和第一电流镜像单元213在第二节点n2电连接，采样电流输出控制晶体管ms的输出端与采样电阻rsen的第一端连接，采样电阻rsen的第二端接地。通过设置采样电流输出控制晶体管ms灵活控制采样电流的输出，保证采样电流输出过程灵活可控；通过设置采样电阻rsen对采样电流输出支路进行保护，避免采样电流过大烧毁器件。

可选的，继续参考图2所示，本发明实施例提供的电流采样模块21还可以包括同步整流单元216，同步整流单元216的一端与待采样元件24在第一节点n1电连接，同步整流单元216的另一端接地，同步整流单元216用于对待采样元件24的采样电流进行同步整流。可选的，同步整流单元216可以为同步整流晶体管mn，该同步整流晶体管mn可以为nmos晶体管。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种电流检测系统，具体的，图3是本发明实施例提供的电流检测系统的结构示意图，如图3所示，本发明实施例提供的电流检测系统30包括上述实施例所述的电流采样电路20，还包括振荡器31、逻辑控制电路32、驱动电路33、pwm比较器34、误差放大器35、待采样元件24和驱动晶体管36；电流采样电路20分别与待采样元件24和pwm比较器24的第一输入端电连接；误差放大器与pwm比较器34的第二输入端电连接；逻辑控制电路32分别与pwm比较器34的输出端、振荡器31和驱动电路33连接，用于根据pwm比较器输出的信号和振荡器输出的逻辑控制时钟信号产生驱动信号；驱动电路33和驱动晶体管36连接，用于驱动驱动晶体管36导通。

示例性的，电流检测电路20用于根据采集到的待采样元件24的采样电流产生一个合适的斜坡信号，并与误差放大器35的输出送入pwm比较器34中进行比较；振荡器31用于产生逻辑控制时钟；逻辑控制电路32分别与pwm比较器34的输出端、振荡器31和驱动电路33连接，用于对pwm比较器输出的信号和振荡器输出的逻辑控制时钟信号进行组合逻辑控制，产生并发送驱动之驱动电路33；驱动电路33和驱动晶体管36连接，用于驱动驱动晶体管36导通；实现电流检测功能。

可选的，继续参考图3所示，本发明实施例提供的电流检测系统30还可以包括电阻或者电容元件，例如电容c、电阻r1和电阻r2，本发明实施例对此不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。