开关调节器电流感测电路和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年8月4日提交的美国申请no.14/818,209的优先权，其全部内容为了所有目的通过引用并入本文。

本公开涉及电子电路、系统和装置，并且具体地涉及开关调节器电流感测电路和方法。

背景技术：

开关调节器是一种用于提供和/或转换已调节电压的非常有效的技术。这样的调节器使用一个或多个电感器和开关来存储当电流流过电感器时生成的磁场中的能量。例如，开关用于选择性地将参考电压耦合到电感器以增加电感器中的能量或允许能量流向输出。因此，开关调节器有时被称为“切换器”、“转换器”(例如，升压转换器或降压切换器)。

图1示出了示例升压开关调节器。在升压开关调节器中，输入电压通常小于输出电压。另一方面，降压调节器的输入电压大于输出电压。存在各种开关调节器，其将能量存储在电感器中并且使用开关来传送能量。在这个示例中，恒定(或直流“dc”)输入电压vin耦合到电感器l101的一个端子。电感器101的另一端子通过第一开关102耦合到参考电压(这里为接地)并且通过第二开关103耦合到输出端子以产生恒定的已调节输出电压vout。

升压开关调节器如下操作。当开关102闭合(短路)并且开关103断开(开路)时，电感器101的第二端子耦合到接地并且正电压vout被施加在电感器101的端子两端。因此，在被表示为的这个第一阶段期间，电感器中的电流il增加并且能量被存储在电感器中。当开关102断开并且开关103闭合时，瞬时电感器电流保持不变，并且这样的电感器电流流向输出端子并且流入负载，该负载在这里被表示为电阻器ro。在被表示为的这个第二阶段，电感器两端的电压反转极性，因为在升压转换器中vout大于vin。相应地，在这个操作阶段期间，电感器电流il减小。开关102和103可以在特定时间段或周期内导通和断开，以交替地对电感器中的能量进行充电和放电。在一些应用中，开关103导通(闭合)并且开关102断开(开路)的时间可能导致从电感器101流过开关103的电感器电流il在开关周期结束之前从正值降低到较低的正值。在一些应用中，周期和反向电压(vout-vin)可能引起电感器电流il和流过开关103的电流改变极性并且从正(即，流向输出)变为负(从输出流向输入)。

已调节输出电压vout由使用控制电路104实现的反馈回路来控制。在这个示例中，控制电路104感测输出电压vout和电感器电流il，以通过控制开关102和103在每个循环期间导通和断开的时间来调节输出电压vout。

与开关调节器相关联的一个问题涉及使用电流来控制系统(被称为电流控制)。如上所述，升压开关调节器可以具有在开关周期期间改变极性的电感器电流。这样的极性变化针对试图实现电流控制方案的控制电路造成问题。

技术实现要素：

本公开涉及开关调节器电流感测电路和方法。在一个实施例中，一种开关调节器电路包括电感器、具有第一端子和第二端子的第一开关以及具有第一端子和第二端子的第二开关。第一开关的第一端子和第二开关的第一端子形成开关节点，并且电感器耦合到开关节点。控制电路基于输出电压和电感器电流来控制第一开关和第二开关。控制电路包括耦合到第二开关的第一端子和第二开关的第二端子的电流感测电路。电感器电流流经第二开关，并且在周期内从正极性转变为负极性。电流感测电路生成表示通过第二开关的电感器电流的电平移位信号，其中电平移位信号的极性在通过第二开关的电感器电流的周期内为正。

以下详细描述和附图提供对本公开的本质和优点的更好理解。

附图说明

图1示出了典型的升压开关调节器。

图2示出了根据实施例的示例开关调节器。

图3示出了根据实施例的具有电压和电流控制的升压开关调节器。

图4示出了根据实施例的电平移位信号的示例。

图5示出了根据实施例的具有电流感测的示例升压开关调节器。

图6示出了根据实施例的电平移位信号的另一示例。

图7示出了根据实施例的电流感测的示例实现。

图8示出了根据实施例的电流感测和斜率补偿斜坡生成的示例实现。

图9示出了根据实施例的方法。

图10示出了根据另一实施例的方法。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了很多示例和具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，如在权利要求书中表达的本公开可以单独地或与下面描述的其他特征组合地包括这些示例中的一些或全部特征，并且还可以包括本文中描述的特征和概念的修改和等同物。

图2示出了根据实施例的示例开关调节器。这个示例在升压开关调节器的上下文中描述，但是应当理解，其他开关调节器拓扑结构可以采用本文中描述的一些技术。在这个示例中，升压开关调节器电路200包括电感器201、开关202、开关203、控制电路250和电流感测电路210。电感器201具有第一端子和第二端子，第一端子被配置为接收第一电压(这里是输入电压vin)。开关202具有在开关节点299处耦合到电感器201的第二端子的第一端子和耦合到参考电压的第二端子，开关节点299具有开关电压vsw，参考电压在这种情况下为接地(例如，0伏特)。第二开关203具有在开关节点299处耦合到电感器201的第二端子的第一端子和具有在这种情况下是输出电压vout的电压的第二端子。对于这个示例中所示的升压开关调节器，vout通常大于vin。例如，在降压开关调节器中，vout通常小于vin。

开关电路200还包括控制电路250，控制电路250用于基于电压和电流(例如，输出电压vout和电感器电流il)来控制开关202和开关203。因此，输出电压vout在控制电路250的输入处(例如，经由电阻分压器)被感测，以实现输出电压的电压控制。类似地，电感器电流il可以在开关203闭合并且开关202断开时跨开关203而被感测，以实现电流控制(例如，il大约等于通过开关的电流)。电压控制通常以较低的速度在多个周期内运行，而电流控制通常以较高的速度在每个周期内运行。

本公开的特征和优点包括控制电路，控制电路包括电流感测电路210。电流感测电路210耦合到开关203的第一端子和开关203的第二端子。如上所述，通过开关203的电流可以在一周期内从正极性转变为负极性。有利地，电流感测电路210可以生成表示当开关闭合时通过开关203的电流的电平移位信号sls。在这个示例中，通过开关203的电流是电感器电流il。因此，感测通过开关203的电流是一种用于感测电感器电流的技术。在这种情况下，当开关202闭合并且开关203断开时电感器电流斜坡上升，并且当开关203闭合并且开关202断开时电感器电流斜坡下降。因此，感测通过开关203的电流作为电流控制参数有时被称为“谷电流控制”。然而，本公开的特征和优点即使在电流改变极性(例如，从正变为负)时也可以跟踪减小的电流。在一个实施例中，即使当通过开关的电流改变极性时，电平移位信号sls的极性在通过开关203的电流的周期内也为正。因此，例如，电平移位电流sls可以被用作控制参数以克服极性在周期内改变的问题。例如，在一个实施例中，电平移位信号sls可以表示在第二开关在周期内闭合的大约整个时间内通过开关203的电感器电流il。

如图2中进一步所示，在一些实施例中，电流感测电路210可以包括偏移电路211。例如，电流感测电路210可以生成与开关203的第一端子和第二端子上的电压相对应的感测电压。跨开关203的电压对应于通过开关的电流，当开关202断开并且开关203闭合时，该电流实质上等于电感器电流il。因此，开关203的端子上的感测电压之间的差值可以对应于电感器电流il。在一个实施例中，偏移电路211进行操作，使得当开关203的第一端子和第二端子上的电压之间的差值从正转变为负时(例如，当电流改变极性时)，感测电压之间的差值保持为正。尽管下面说明这个技术的示例实现，但是应当理解，可以使用各种电路来实现这个特征。

图3示出了根据实施例的具有电压和电流控制的升压开关调节器300。在这个示例中，电压源390产生输入电压vin。例如，vin通过电感器l301耦合到具有电压vsw的开关节点399。开关节点通过第一开关302耦合到接地，第一开关302在这种情况下是nmos晶体管。开关节点通过第二开关303耦合到具有电压vout的输出，第二开关303在这种情况下是pmos晶体管。虽然nmos晶体管和pmos晶体管在这里被示出为开关的示例实现，但是应当理解，在其他实现中可以使用其他晶体管类型。第一开关和第二开关跨多个周期断开和闭合。另外，在特定周期期间，当第一开关302断开(nmos偏置关闭)时，第二开关303闭合(pmos偏置开启)，并且当开关302闭合时(nmos偏置开启)，开关303断开(pmos偏置关闭)。例如，升压开关调节器300的输出端子可以耦合到负载(这里由ro模拟)和输出电容器，输出电容器例如可以具有电容co和静电电阻resr。

升压开关调节器300(或者仅仅是“升压调节器”)包括实现电压控制和电流控制两者的控制电路350(例如，“谷电流模式控制器”)。例如，输出电压vout可以耦合到误差放大器(ea)351的输入并且与参考电压vref相比较。如果vout偏离由vref设定的标称值(例如，由于电流加载或卸载)，则ea351将产生可以用于校正这样的偏差(例如，如果vout增加则减小vout，或如果vout减小则增加vout)的信号。除了ea351之外，电压控制回路可以包括接收来自ea351的电压误差信号并且向比较器355产生输出的频率补偿网络352。电流控制回路可以包括电流感测电路(或“电流传感器”)353以及耦合到比较器355的第二输入的斜率补偿和斜坡发生器354。比较器355转而向控制逻辑和缓冲器360生成信号，控制逻辑和缓冲器360生成开关控制信号φnmos和φpmos以导通和断开开关302和开关303。如上所述，电流传感器353具有耦合到开关303(这里是pmos303)的一个端子的第一输入和耦合到pmos303的第二端子的第二输入。电流传感器353还可以接收控制信号φpmos，其也被提供给pmos303的栅极，如下面更详细地描述。

例如，本公开的特征和优点包括例如生成电平移位信号(或“人工谷”)，其在通过开关的电流(以及开关两端的电压)在周期内改变极性时保持同一极性。如图3所示，来自电感器301的电流il可以流过pmos晶体管303到输出。在这个示例中，从开关节点流向输出的电流被称为正电流(pos-il)，并且从输出流向开关节点的电流被称为负电流(neg-il)。图4示出了根据实施例的电平移位信号的示例。在410处示出了电感器电流il。如图4所示，当nmos晶体管302闭合并且pmos晶体管303断开时，电感器电流斜坡上升，并且当pmos晶体管303闭合并且nmos晶体管302断开时，电感器电流斜坡下降。这个过程在多个循环中重复进行。如410处所示，当pmos晶体管闭合时，电感器电流在401处斜坡下降以及在402处在时间tsns2期间从正极性改变为负极性。极性变化使得谷电流控制成为问题。有利地，在整个周期内具有正极性的电平移位信号被生成。在这个示例中，在420处示出了电平移位(或人工)感测电流isns。电平移位的感测电流已经被移位一定偏移到较高(或人工)dc值，使得正和负斜坡全部具有公共极性(例如，在这种情况下为正)。在这个示例中，电平移位信号(这里是电流isns)包括与451处的最大正电感器电流相对应的450处的最大正值以及与453处的最大负电感器电流相对应的452处的最小正值。这允许电流控制回路跟踪整个周期的电流的负斜坡，以改善开关调节器的电流控制。

图5示出了根据实施例的具有电流感测的示例升压开关调节器。升压调节器500包括pmos开关503，pmos开关503具有可以在周期内在不同极性之间转变的电流。在这个示例中，pmos开关503的端子使用开关504和505来被耦合到电流感测电路，开关504和505可以被控制以在pmos开关503闭合的同时(例如，当变低时)闭合。具体地，开关504耦合在开关503的端子与电流感测电路的输入之间，并且开关505耦合在开关503的另一端子与电流感测电路的第二输入之间。当开关503闭合时，开关502断开并且开关504和505闭合，从而将来自开关503两侧的电压耦合到电流感测输入。

图5进一步示出了一个示例电流感测电路的另一方面。在这个示例中，电流感测电路包括差分输入放大器506和电压偏移507。放大器506具有通过开关504耦合到pmos开关503的第一端子的第一输入以及通过开关505和电压偏移507耦合到pmos开关503的第二端子的第二输入。电压偏移电路507在pmos开关503的第二端子与放大器506的第二输入之间产生偏移。因此，放大器506的输入处的电压在名义上相差跨pmos开关503的电压降(其是电感器电流il和pmos晶体管的漏极与源极之间的导通电阻的乘积(即，il*rdson))和电压偏移507。在一个实施例中，电流感测电路还包括晶体管508，晶体管508具有耦合到放大器506的输出的控制端子、耦合到放大器506的第一输入的第一端子和用于产生与通过pmos开关503的电流相对应的电流的第二端子。例如，晶体管508以单位增益配置来配置放大器506，并且用作具有电流输出的电压到电流转换器。在这种情况下，放大器506和由晶体管508提供的反馈工作以使放大器506的各输入近似相等。为了实现这一点，晶体管508拉取通过开关504的电流，以跨开关504产生与跨pmos开关503的电压降(即il*rdson)和电压偏移507相等的电压降。如果rdson已知，电压偏移已知，并且开关504的导通电阻已知(例如，pmos503的rdson的比率)，则通过晶体管508的电流是与通过pmos开关503的电流和电感器电流il相对应的感测电流isns。这个感测电流isns可以耦合到斜率补偿和斜坡发生器510作为电流控制输入，其转而被控制电路520用来产生开关控制信号和

图6示出了根据实施例的电平移位信号的另一示例。如这个示例所示，当nmos开关602闭合并且pmos开关603断开时，升压调节器的电感器电流增加，而当pmos开关603闭合并且nmos开关602断开时，电感器电流减小。图6还示出了开关节点上的电压vsw、vout和vout减去电压偏移(人工vout-art)。vsw与vout之间的差值对应于通过pmos开关603的导通电阻rdson的电感器电流il。当nmos开关602闭合并且pmos开关603断开时，没有电流流过开关603。然而，当pmos开关603闭合并且nmos开关602断开时，跨pmos开关603的电压为vsw减去vout。但是，如图4所示，vsw可以下降至vout以下，对应于负的电感器电流。图6示出了在周期期间在pmos开关603导通的整个时间期间，vsw与vout-art之间的差值(即，开关节点电压与输出电压vout减去电压偏移之间的差值)可以为正。

图7示出了根据实施例的电流感测的示例实现。在这个示例中，升压转换器的pmos晶体管输出开关的端子通过pmos开关704和pmos开关705耦合到差分输入共基极放大器的输入，差分输入共基极放大器包括pmos晶体管709至712、电阻器713和偏置电流发生器714至717。pmos开关703的端子上的电压vsw通过pmos开关704耦合，以在共基极放大器的第一输入上产生电压va。pmos开关703的另一端子上的电压vout通过pmos开关705耦合，以在共基极放大器的第二输入上产生电压vb。在这个示例中，pmos器件704和705包括彼此相匹配的漏极到源极导通电阻rsns。在这个示例中，rsns是pmos开关703的尺寸的比率(例如，宽长比w/l)，使得rsns与pmos开关的rdson有关。因此，由电感器电流和rdson引起的跨pmos开关703的电压降与由感测电流isns引起的跨pmos开关704的电压降以及如下所述的由电流生成的偏移电压有关。

当pmos开关703导通(闭合)时，电感器电流il在pmos开关703的端子之间流动，以生成电压(vsw-vout＝il*rdson)。vsw通过也导通(闭合)的pmos开关704在晶体管709的源极处耦合到共栅极放大器的一个输入，以产生电压va。vout通过也导通(闭合)的pmos开关705在晶体管710的源极处耦合到共栅极放大器的另一输入，以产生电压vb。在这个示例中，电压偏移通过耦合在pmos705的漏极与晶体管710的源极处的共栅极放大器的输入之间的电流源(iart)707来实现。iart由开关706激活，开关706在pmos开关703闭合时闭合。因此，iart拉取通过pmos开关710的电流，使得vb上的电压是vout减去iart与pmos710的漏极到源极导通电阻的乘积(vb＝vout-iart*rsns)。因此，iart增加了跨pmos开关710的电压降。晶体管708如图5所示布置，以在共栅极放大器周围产生从输出到va的单位增益反馈。因此，电路将操作以将va设置为等于vb。结果是通过pmos晶体管708的感测电流isns如下：isns＝[(vsw-vout)/rsns]+iart。

在一些应用中，可能期望关闭电流感测电路以节省功率，并且然后非常快速地开启电流感测电路以感测通过开关的电流。在这个示例中，只有当pmos开关703断开时，差分共基极放大器才被电流源716和717偏置。例如，开关718被配置为与电流源716串联，电流源716被耦合在放大器的第一输入与参考电压(这里为vbias)之间。类似地，开关719被配置为与电流源717串联，电流源717耦合在放大器的第二输入与vbias之间。当开关703闭合时，开关718至719断开，而当开关703断开时，开关718至719闭合，以在开关703断开时保持放大器输入上的偏置。因此，当开关703闭合时，电流感测电路有效并且通过开关703的电流可以非常快速地被感测，并且当开关703断开时，电流感测电路消耗小的标称偏置电流以节省功率。

图8示出了根据实施例的电流感测和斜率补偿斜坡生成的示例实现。在这个示例中，斜率补偿和斜坡生成通过将感测的电感器电流isns和斜坡电阻器rramp中的斜坡电流irc组合来实现。例如，电压斜坡vrc使用耦合到电容器cr的电流源ir来生成。vrcis耦合到nmos晶体管801的栅极以跨电阻器802产生vrc，并且生成通过电阻器802的斜坡电流irc。irc通过电流镜像晶体管803和804并且通过开关805耦合，其中irc与来自电流镜像晶体管806的isns组合。例如，组合的电流isns和irc跨rramp耦合以产生电压斜坡。例如，斜坡可以通过闭合重置的开关810和811并且断开开关805来被重置。

图9示出了根据实施例的方法。在这个示例中，生成已调节电压的方法包括在901处控制第一开关和第二开关在周期期间断开和闭合以在电感器中生成电流。电感器在第一端子上接收第一电压，其中第一开关具有耦合到电感器的第二端子的第一端子和耦合到参考电压(例如，接地)的第二端子。例如，第二开关具有耦合到电感器的第二端子的第一端子和具有大于第一电压的第二电压的第二端子。第一开关和第二开关基于第二电压和电流来断开和闭合。在902处，当第二开关闭合时，感测通过第二开关的电流。通过第二开关的电流可以在周期内从正极性转变为负极性。在903处，基于感测电流生成表示通过第二开关的电流的电平移位信号。例如，电平移位信号的极性在通过第二开关的电流的周期内可以为正。在一个实施例中，感测电流包括生成偏移，使得当跨第二开关的电压从正转变为负时，与跨第二开关的电压相对应的感测电压保持为正。在一个实施例中，电平移位信号包括与最大正电感器电流相对应的最大正值和与最大负电感器电流相对应的最小正值。

图10示出了根据另一实施例的方法。在一些实施例中，生成已调节电压的方法可以包括：在1001处，将第二开关的第一端子上的电压通过第三开关耦合到放大器的第一输入，以及在1002处，将第二开关的第二端子上的电压通过第四开关耦合到放大器的第二输入。例如，当第二开关闭合时，第一开关断开并且第三开关和第四开关闭合。在1003处，例如，放大器的第二输入处的电压可以被偏移。在1004处，可以在晶体管中生成感测电流，其中晶体管具有耦合到放大器的输出的控制端子、耦合到放大器的第一输入的第一端子和用于产生感测电流的第二端子。感测电流可以对应于通过第二开关的电感器电流。

以上描述示出了本公开的各种实施例以及如何可以实现特定实施例的各方面的示例。上面的示例不应当被认为是唯一的实施例，并且被呈现以说明由所附权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。在不偏离由权利要求限定的本公开的范围的情况下，基于上述公开内容和所附权利要求书，可以采用其他布置、实施例、实现和等同物。