一种四开关Buck-Boost转换器的电流采样与限制电路的制作方法

本发明属于电子电路技术领域领域，涉及模拟集成电路，特别是一种四开关buck-boost转换器的电流采样与限制电路。

背景技术：

随着半导体技术的快速发展和应用领域的不断发展，最大功率跟踪技术是微能量收集系统的关键技术，其主要功能就是实现对能量收集器的最大功率转换，具有显著的应用价值。

随着电子技术的迅速发展，电子产品的种类越来越多，功能越来越完善，有力地带动了为其提供直流电压驱动的dc-dc开关电源的快速发展。电流采样与限制技术可以检测功率管的电流，防止功率管因电流过大而损坏，保护开关电源系统。传统的电流采样与限制电路如图2所示，采用串联电阻检测法。在电流通路上串联一个采样电阻rsense，通过检测电阻上的压降，经跨导放大器gm转换得到采样电流isense，采样电流isense与斜坡补偿电流islop经电阻rp进行叠加求和得到电压vs，作为脉冲宽度调制器pwm的同相端输入，电路中的误差放大器的输出电压vc为脉冲宽度调制器pwm的反相端输入，电压vs与vc经pwm比较输出脉冲控制信号pwm。此外，采样得到的电压通过comp比较器与设定的限流阈值vr进行比较，得到电流限制信号ilimit，脉冲信号pwm与电流限制信号ilimit经或门or得到最终的脉冲信号vpwm，控制功率管q1和q2的导通与关断。这种电流检测方法结构简单，而且具有很高的精度，但是检测电阻rsense上流过的电流会产生相应的功耗，随着电流的增大，功耗也会增大，而且只能对电感电流的谷值电流进行检测和限制。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种四开关buck-boost转换器的电流采样与限制电路，通过低端mos管的源端连接的采样电阻，同时精确采样峰值电流和谷值电流，并对电流进行准确的限制，以保护电路和系统。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种四开关buck-boost转换器的电流采样与限制电路，包括跨导放大器gm电路、电流限制比较器comp电路；其中：

所述跨导放大器gm电路用于采样采样电阻rsense上的电压并转换成采样电流isense；采样电流isense与斜坡补偿电流islop经电阻rp进行叠加求和，得到电压vs输入到脉冲宽度调制器pwm的同相输入端；误差放大器的输出电压vc为脉冲宽度调制器pwm的反相端输入，电压vs与vc经脉冲宽度调制器pwm比较输出脉冲控制信号pwm；

所述电流限制比较器comp电路用于限制电感电流，将采样电阻rsense上的电压与限流保护的峰值电流保护阈值和谷值电流保护阈值进行比较，输出电流保护信号ilimit到或门or；或门or用于将电流保护信号ilimit与脉冲宽度调制器pwm输出的脉冲信号pwm进行或操作，输出最终的脉冲控制信号vpwm。

进一步的，所述跨导放大器gm电路包括pmos管m1、pmos管m2、pmos管m3、pmos管m7、pmos管m8、pmos管m9、pmos管m10、nmos管m4、nmos管m5、nmos管m6、电阻r1、电阻r2和电流源ibias1；其中：

所述的电流源ibias1的输出端连接地，其输入端接入pmos管m1的漏极和栅极，pmos管m1与pmos管m2、pmos管m3构成电流镜，其中pmos管m1作为电流镜的源头，pmos管m1的源极分别与电源vcc、pmos管m2的源极、pmos管m3的源极连接，pmos管m1的栅极分别与pmos管m2的栅极、pmos管m3的栅极连接，pmos管m2的漏极与nmos管m6的栅极和nmos管m4的漏极相连，pmos管m3的漏极与nmos管m5的漏极相连；

所述的nmos管m4和m5构成电流镜，其中nmos管m5为电流镜的源头，nmos管m4的栅极分别与nmos管m5的栅极和漏极连接，nmos管m4的源极与第一电阻r1相连，第一电阻r1与跨导放大器gm的反相输入端信号vn相连，其源极与第二电阻r2相连，第二电阻r2与跨导放大器gm的同相输入端信号vp相连；

所述的pmos管m7、pmos管m8、pmos管m9、pmos管m10构成电流镜，pmos管m7的栅极与漏极相连，并与pmos管m8的源极相连，其源极与内部电源vcc连接，pmos管m8的栅极与漏极相连，漏极与nmos管m6的漏极相连，pmos管m9的栅极与pmos管m7的栅极相连，其源极与内部电源vcc连接，其漏极与pmos管m10的源极相连，pmos管m10的栅极与pmos管m8的栅极相连，其漏极连接输出信号isense；

所述的nmos管m6的源极与nmos管m5的源极、第二电阻r2相连。

进一步的，所述电流限制比较器comp电路包括pmos管m11、pmos管m12、pmos管m15、pmos管m16、pmos管m21、nmos管m13、nmos管m14、nmos管m17、nmos管m18、nmos管m19、nmos管m20、nmos管m22、电流源ibias2、电流源ibias3、电流源ibias4、反相器inv1和反相器inv2；其中：

所述的电流源ibias2的输入端接内部电源vcc，其输出端接在pmos管m11和m12的源极上，所述的电流源ibias3的输入端接内部电源vcc，其输出端接在pmos管m15和m16的源极上，所述的电流源ibias4的输入端接内部电源vcc，其输出端接在nmos管m19和m20的漏极上；

所述的nmos管m13和m14构成电流镜，它们的栅极相连接，源极均与地相连，nmos管m13的漏极与pmos管m11的漏极和nmos管m19的栅极相连，nmos管m14的栅极与其漏极和pmos管m12的漏极相连，pmos管m11的栅极与输入信号vcs相连，pmos管m12的栅极与基准电压信号vth_buck相连，nmos管m19的源极与地相连；

所述的nmos管m17和m18构成电流镜，它们的栅极相连接，源极均与地相连，nmos管m17的栅极与其漏极和pmos管m15的漏极相连，nmos管m18的漏极与pmos管m16的漏极和nmos管m20的栅极相连，pmos管m15的栅极与输入信号vcs相连，pmos管m16的栅极与基准电压信号vth_boost相连，nmos管m20的源极与地相连；

所述的pmos管m21和nmos管m22构成反相器，它们的栅极相连接，且连接在nmos管m20的漏极，pmos管m21的漏极与nmos管m22的漏极和反相器inv1的输入端相连接，nmos管m22的源极与地相连；

所述的反相器inv1的输出端与反相器inv2的输入端相连接，反相器inv2的输出端与输出信号ilimit相连接。

进一步的，所述电流限制比较器comp电路包括比较器comp1、比较器comp2、反相器inv3、两输入与门and1、两输入与门and2和两输入或门or；其中：

所述的比较器comp1的同相输入端与基准电压信号vth_buck相连接，反相输入端与输入信号vcs和比较器comp2的同相输入端相连接，其输出端与两输入与门and1的一端输入相连接；

所述的比较器comp2的反相输入端与基准电压信号vth_boost相连接，其输出端与两输入与门and2的一端输入相连接；

所述的反相器inv3的输入端与输入使能信号ens和两输入与门and2的一端相连接，其输出端与与门and1的一端相连接；

所述的两输入或门or的两个输入端分别与两输入与门and1和and2的输出端相连接，其输出端与输出信号ilimit相连接。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(ⅰ)本发明电路采用跨导放大器gm电路、电流限制比较器comp电路对四开关buck-boost转换器的电感电流进行采样和限制保护，不仅可以检测功率管的电流，防止功率管因电流过大而损坏；还能够对峰值电流和谷值电流同时进行限制保护，保护后级设备，提高电路和系统的可靠性；

(ⅱ)本发明采用的跨导放大器gm电路，将采样电阻上的压降转换为采样电流，具有延迟时间较短，采样精度高的优点；

(ⅲ)本发明采用的电流限制比较器comp电路能够准确检测并限制峰值电力和谷值电流，具有精度高、延迟短的优点，有效地提高了转换器系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的四开关buck-boost转换器电流采样与限制电路结构示意图；

图2是传统的电流采样与限制电路结构示意图；

图3是跨导放大器gm电路结构示意图；

图4是电流限制比较器comp电路结构示意图；

图5是另一种电流限制比较器comp电路结构示意图；

图中各个标号的含义为：1-跨导放大器gm电路，2-电流限制比较器comp电路。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例给出一种四开关buck-boost转换器的电流采样与限制电路，如图1、3、4所示，包括跨导放大器gm电路1、电流限制比较器comp电路2；其中：

跨导放大器gm电路用于采样采样电阻rsense上的电压并转换成采样电流isense；采样电流isense与斜坡补偿电流islop经电阻rp进行叠加求和，得到电压vs输入到脉冲宽度调制器pwm的同相输入端；误差放大器的输出电压vc为脉冲宽度调制器pwm的反相端输入，电压vs与vc经脉冲宽度调制器pwm比较输出脉冲控制信号pwm；

电流限制比较器comp电路用于限制电感电流，将采样电阻rsense上的电压与限流保护的峰值电流保护阈值和谷值电流保护阈值进行比较，输出电流保护信号ilimit到或门or；或门or用于将电流保护信号ilimit与脉冲宽度调制器pwm输出的脉冲信号pwm进行或操作，输出最终的脉冲控制信号vpwm。

本实施例的上述电路不仅可以检测功率管的电流，防止功率管因电流过大而损坏，还能够对峰值电流和谷值电流同时进行限制保护，保护后级设备，提高电路和系统的可靠性；同时还能够准确检测并限制峰值电流和谷值电流，具有精度高、延迟短的优点，有效地提高了转换器系统的可靠性。

作为本实施例的一种具体方案，如图3所示，本实施例的跨导放大器gm电路1包括pmos管m1、pmos管m2、pmos管m3、pmos管m7、pmos管m8、pmos管m9、pmos管m10、nmos管m4、nmos管m5、nmos管m6、电阻r1、电阻r2和电流源ibias1；其中：

所述的电流源ibias1的输出端连接地，其输入端接入pmos管m1的漏极和栅极，pmos管m1与pmos管m2、pmos管m3构成电流镜，其中pmos管m1作为电流镜的源头，pmos管m1的源极分别与电源vcc、pmos管m2的源极、pmos管m3的源极连接，pmos管m1的栅极分别与pmos管m2的栅极、pmos管m3的栅极连接，pmos管m2的漏极与nmos管m6的栅极和nmos管m4的漏极相连，pmos管m3的漏极与nmos管m5的漏极相连；

所述的nmos管m4和m5构成电流镜，其中nmos管m5为电流镜的源头，nmos管m4的栅极分别与nmos管m5的栅极和漏极连接，nmos管m4的源极与第一电阻r1相连，第一电阻r1与跨导放大器gm的反相输入端信号vn相连，其源极与第二电阻r2相连，第二电阻r2与跨导放大器gm的同相输入端信号vp相连；

所述的pmos管m7、pmos管m8、pmos管m9、pmos管m10构成电流镜，pmos管m7的栅极与漏极相连，并与pmos管m8的源极相连，其源极与内部电源vcc连接，pmos管m8的栅极与漏极相连，漏极与nmos管m6的漏极相连，pmos管m9的栅极与pmos管m7的栅极相连，其源极与内部电源vcc连接，其漏极与pmos管m10的源极相连，pmos管m10的栅极与pmos管m8的栅极相连，其漏极连接输出信号isense；

所述的nmos管m6的源极与nmos管m5的源极、第二电阻r2相连。

本实施例的跨导放大器gm电路1延迟时间较短，采样精度高；

作为本实施例的一种具体方案，如图4所示，本实施例的电流限制比较器comp电路2包括pmos管m11、pmos管m12、pmos管m15、pmos管m16、pmos管m21、nmos管m13、nmos管m14、nmos管m17、nmos管m18、nmos管m19、nmos管m20、nmos管m22、电流源ibias2、电流源ibias3、电流源ibias4、反相器inv1和反相器inv2；其中：

所述的电流源ibias2的输入端接内部电源vcc，其输出端接在pmos管m11和m12的源极上，所述的电流源ibias3的输入端接内部电源vcc，其输出端接在pmos管m15和m16的源极上，所述的电流源ibias4的输入端接内部电源vcc，其输出端接在nmos管m19和m20的漏极上；

所述的nmos管m13和m14构成电流镜，它们的栅极相连接，源极均与地相连，nmos管m13的漏极与pmos管m11的漏极和nmos管m19的栅极相连，nmos管m14的栅极与其漏极和pmos管m12的漏极相连，pmos管m11的栅极与输入信号vcs相连，pmos管m12的栅极与基准电压信号vth_buck相连，nmos管m19的源极与地相连；

所述的nmos管m17和m18构成电流镜，它们的栅极相连接，源极均与地相连，nmos管m17的栅极与其漏极和pmos管m15的漏极相连，nmos管m18的漏极与pmos管m16的漏极和nmos管m20的栅极相连，pmos管m15的栅极与输入信号vcs相连，pmos管m16的栅极与基准电压信号vth_boost相连，nmos管m20的源极与地相连；

所述的pmos管m21和nmos管m22构成反相器，它们的栅极相连接，且连接在nmos管m20的漏极，pmos管m21的漏极与nmos管m22的漏极和反相器inv1的输入端相连接，nmos管m22的源极与地相连；

所述的反相器inv1的输出端与反相器inv2的输入端相连接，反相器inv2的输出端与输出信号ilimit相连接。

本实施例的电流限制比较器comp电路2能够准确检测并限制峰值电流和谷值电流，精度高、延迟短，有效地提高了转换器系统的可靠性。

实施例2：

本实施例给出一种四开关buck-boost转换器的电流采样与限制电路，如图1、3、5所示，包括跨导放大器gm电路1、电流限制比较器comp电路2；

本实施例的跨导放大器gm电路1具体结构及连接方式与实施例1相同。

作为本实施例的一种具体方案，如图5所示，本实施例的电流限制比较器comp电路2比较器comp1、比较器comp2、反相器inv3、两输入与门and1、两输入与门and2和两输入或门or；其中：

所述的比较器comp1的同相输入端与基准电压信号vth_buck相连接，反相输入端与输入信号vcs和比较器comp2的同相输入端相连接，其输出端与两输入与门and1的一端输入相连接；

所述的比较器comp2的反相输入端与基准电压信号vth_boost相连接，其输出端与两输入与门and2的一端输入相连接；

所述的反相器inv3的输入端与输入使能信号ens和两输入与门and2的一端相连接，其输出端与与门and1的一端相连接；

所述的两输入或门or的两个输入端分别与两输入与门and1和and2的输出端相连接，其输出端与输出信号ilimit相连接。

本实施例给出的电流限制比较器comp电路2能够准确检测并限制峰值电力和谷值电流，精度高，能有效地提高转换器系统的可靠性。

本发明的用于四开关buck-boost转换器的电流采样和限制电路的使用和工作过程可通过如下所述方式进行：

本发明设置了跨导放大器gm电路、电流限制比较器comp电路，有效解决传统的电流采样与限制电路的电流单一方向限制与保护的局限性问题。

本发明的用于四开关buck-boost转换器的电流采样和限制电路结构，不限制于本发明的两个实施例中的电流限制比较器comp电路2。

当本发明的用于四开关buck-boost转换器的电流采样和限制电路正常工作时，跨导放大器gm电路1转换得到采样电流isense，采样电流isense与斜坡补偿电流islop经电阻rp进行叠加求和得到电压vs，作为脉冲宽度调制器pwm的同相端输入，电路中的误差放大器的输出电压vc为脉冲宽度调制器pwm的反相端输入，电压vs与vc经pwm比较输出脉冲控制信号pwm。此外，采样得到的电压通过电流限制比较器comp电路2与设定的限流阈值vr进行比较，得到电流限制信号ilimit，脉冲信号pwm与电流限制信号ilimit经或门or得到最终的脉冲信号vpwm，经逻辑处理得到栅极驱动信号hdrv1、hdrv2、hdrv3和hdrv4分别控制功率管q1、q2、q3和q4的导通与关断。