电流检测电路及DC-DC降压转换器的制作方法

电流检测电路及dc-dc降压转换器
技术领域
1.本发明是关于集成电路领域，特别是关于一种电流检测电路及dc-dc降压转换器。


背景技术：

2.buck变换器作为dc-dc转变器的一种，效率是衡量性能的重要指标。buck电路在能量损耗方面，一个重要问题就是次功率管发生的回流损耗。如图1所示，也就是次功率管m2在轻载情况下，在电感电流下降为零时，输出电容上的电流会通过电感和次功率管m2回流到地，导致效率变低。此时会对连接节点sw进行电流过零检测，一般做法是：由于次功率管m2开启时，连接节点sw的电压会从一个负压往0v逐渐增加，当连接节点sw的电压大于0v时，关断次功率管m2。常用的电流过零检测方式是：通过一偏置电流流经一电阻后灌到连接节点sw，此时通过将连接节点sw的电压和地电压进行比较来关断次功率管m2，所以检测的精度和速度对于提高效率来说尤其重要。
3.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种电流检测电路及dc-dc降压转换器，其能够提高偏置电流单元和比较器的响应速度进而提高整个系统的效率以及提高对地噪声的抑制能力。
5.为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种用于dc-dc降压转换器的电流检测电路，所述dc-dc降压转换器包括主功率管和次功率管，所述主功率管的源极和次功率管的漏极相连形成连接节点sw，所述主功率管的漏极用于接收电源电压，所述次功率管的源极与地电压相连，所述主功率管和次功率管的栅极用于接收控制信号，所述电流检测电路包括：偏置电流单元、第一启动单元以及比较器。
6.偏置电流单元用于产生第一偏置电流并将第一偏置电流输送至连接节点sw，所述偏置电流单元包括第一电流镜、第一mos管mp1、第二mos管mp2、第三mos管mp3、第四mos管mp4、第一电阻r1和第二电阻r2；
7.所述第一mos管mp1的栅极与第三mos管mp3的栅极相连，所述第一mos管mp1的源极和第三mos管mp3的源极与电源电压avdd相连，所述第二mos管mp2的栅极与第四mos管mp4的栅极相连，所述第二mos管mp2的源极与第一mos管mp1的漏极相连，所述第四mos管mp4的源极与第三mos管mp3的漏极相连，所述第一电阻r1的第一端与第二mos管mp2的漏极以及第一mos管mp1的栅极相连形成第一节点a1，所述第一电阻r1的第二端与第一电流镜以及第二mos管mp2的栅极相连形成第二节点a2，所述第一电流镜同时用于接收输入电流，所述第二电阻r2的第一端与第四mos管mp4的漏极相连，所述第二电阻r2的第二端与连接节点sw相连；
8.第一启动单元与第一节点a1和第二节点a2相连，用于提高第一节点a1和第二节点a2上的电压的建立速度；
9.比较器用于将连接节点sw的电压与地电压进行比较而输出控制信号至次功率管的栅极。
10.在本发明的一个或多个实施例中，所述第一启动单元第一电容、第十五mos管和第二十五mos管，所述第一电容的第一端与电源电压相连，所述第一电容的第二端与第二十五mos管的漏极以及第十五mos管的源极相连，所述第二十五mos管的源极与地电压相连，所述第十五mos管的漏极与第一节点相连，所述第十五mos管的栅极和第二十五mos管的栅极用于接收第二控制信号。
11.在本发明的一个或多个实施例中，所述第一启动单元还包括第十四mos管和第十六mos管，所述第十四mos管的源极和第十六mos管的源极与电源电压相连，所述第十四mos管的漏极与第二节点相连，所述第十六mos管的漏极与第一节点相连，所述第十四mos管的栅极和第十六mos管的栅极用于接收第三控制信号。
12.在本发明的一个或多个实施例中，所述偏置电流单元还包括第二十mos管，所述第二十mos管的漏极与第二节点相连，所述第二十mos管的源极与第一电流镜相连，所述第二十mos管的栅极用于接收第一控制信号。
13.在本发明的一个或多个实施例中，所述比较器包括第二电流镜、第十mos管、第十一mos管、第十二mos管、第十三mos管、第三电流镜、第二十四mos管、第三电阻、第四电阻和第五电阻；
14.所述第三电阻的第一端与第二电流镜相连，所述第三电阻的第二端与地电压相连，所述第十mos管的源极和第十一mos管的源极相连且同时与第二电流镜相连，所述第十mos管的栅极与连接节点相连，所述第十一mos管的栅极与地电压相连，所述第四电阻的第一端与第十mos管的漏极相连，所述第四电阻的第二端与地电压相连，所述第五电阻的第一端与第十一mos管的漏极相连，所述第五电阻的第二端与地电压相连，所述第十二mos管的源极和第十三mos管的源极相连且同时与第二电流镜相连，所述第十二mos管的栅极与第十一mos管的漏极相连，所述第十三mos管的栅极与第十mos管的漏极相连，所述第十二mos管的漏极和第十三mos管的漏极均与第三电流镜相连，所述第二十四mos管的漏极与第二电流镜相连，所述第二十四mos管的栅极与第十三mos管的漏极相连，所述第二十四mos管的源极与地电压相连。
15.在本发明的一个或多个实施例中，所述比较器还包括第二十一mos管，所述第二十一mos管的漏极与第三电阻的第二端相连，所述第二十一mos管的栅极用于接收第一控制信号，所述第二十一mos管的源极与地电压相连。
16.在本发明的一个或多个实施例中，所述电流检测电路还包括与第二电流镜的各mos管的栅极相连的第二启动单元，所述第二启动单元用于提高比较器的建立速度。
17.在本发明的一个或多个实施例中，所述第二启动单元包括第二电容、第十七mos管和第二十六mos管，所述第二电容的第一端与电源电压相连，所述第十七mos管的源极和第二十六mos管的漏极与第二电容的第二端相连，所述第十七mos管的栅极和第二十六mos管的栅极用于接收第二控制信号，所述第二十六mos管的源极与地电压相连，所述第十七mos管的漏极与第二电流镜的各mos管的栅极相连。
18.在本发明的一个或多个实施例中，所述比较器还包括第七mos管，所述第七mos管的源极与电源电压相连，所述第七mos管的栅极用于接收第三控制电压，所述第七mos管的
漏极与第二电流镜的各mos管的栅极相连。
19.本发明还公开了一种dc-dc降压转换器，包括：所述的电流检测电路。
20.与现有技术相比，根据本发明实施例的电流检测电路及dc-dc降压转换器，通过第一启动单元使得偏置电流单元快速建立，通过第二启动单元使得比较器快速建立，从而让检测电路能够更高效的运行。第一启动单元和第二启动单元的电路结构简单，在占用面积小的情况下极大的提高了电路的性能，对于芯片的成本忽略不计。
附图说明
21.图1是现有技术中的dc-dc转换器的电路原理图。
22.图2是根据本发明一实施例的电流检测电路的电路原理图。
23.图3是根据本发明一实施例的信号产生电路的电路原理图。
24.图4是根据本发明一实施例的各控制信号及各节点的第一波形图。
25.图5是根据本发明一实施例的各控制信号及各节点的第二波形图。
具体实施方式
26.下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
27.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
28.如图1所示，dc-dc降压转换器包括主功率管m1和次功率管m2。主功率管m1的源极和次功率管m2的漏极相连形成连接节点sw，主功率管m1的漏极用于接收电源电压avdd，次功率管m2的源极与地电压相连，主功率管m1的栅极用于接收控制信号k1，次功率管m2的栅极用于接收控制信号k2。
29.如图2所示，一种用于dc-dc降压转换器的电流检测电路，包括：偏置电流单元10、第一启动单元20、比较器30和第二启动单元40。
30.其中，偏置电流单元10用于产生第一偏置电流i1并将第一偏置电流i1输送至节点sw。
31.如图2所示，偏置电流单元10包括第一电流镜、第一mos管mp1、第二mos管mp2、第三mos管mp3、第四mos管mp4、第二十mos管mn3、第一电阻r1和第二电阻r2。
32.具体的，第一mos管mp1的栅极与第三mos管mp3的栅极相连，第一mos管mp1的源极和第三mos管mp3的源极与电源电压avdd相连，第二mos管mp2的栅极与第四mos管mp4的栅极相连，第二mos管mp2的源极与第一mos管mp1的漏极相连，第四mos管mp4的源极与第三mos管mp3的漏极相连，第一电阻r1的第一端与第二mos管mp2的漏极以及第一mos管mp1的栅极相连形成第一节点a1，第一电阻r1的第二端与第二十mos管mn3的漏极以及第二mos管mp2的栅极相连形成第二节点a2，第二十mos管mn3的源极与第一电流镜相连，第二十mos管mn3的栅极用于接收第一控制信号s1。第一电流镜同时用于接收输入电流，第二电阻r2的第一端与第四mos管mp4的漏极相连，第二电阻r2的第二端与连接节点sw相连。
33.另外，第一电流镜包括第十八mos管mn1和第十九mos管mn2。第十八mos管mn1的栅
极与漏极相连且同时与恒流源a相连以接收输入电流i0。第十八mos管mn1的栅极与第十九mos管mn2的栅极相连，第十八mos管mn1的源极和第十九mos管mn2的源极与地电压相连。
34.在本实施例中，第一启动单元20与第一节点a1和第二节点a2相连，第一启动单元20用于提高第一节点a1和第二节点a2上的电压的建立速度。
35.如图2所示，第一启动单元20包括第一电容c1、第十四mos管mp14、第十五mos管mp15、第十六mos管mp16和第二十五mos管mn8。
36.第一电容c1的第一端与电源电压avdd相连，第一电容c1的第二端与第二十五mos管mn8的漏极以及第十五mos管mp15的源极相连。第二十五mos管mn8的源极与地电压相连，第十五mos管mp15的漏极与第一节点a1相连，第十五mos管mp15的栅极和第二十五mos管mn8的栅极用于接收第二控制信号s2。
37.第十四mos管mp14的源极和第十六mos管mp16的源极与电源电压avdd相连，第十四mos管mp14的漏极与第二节点a2相连，第十六mos管mp16的漏极与第一节点a1相连，第十四mos管mp14的栅极和第十六mos管mp16的栅极用于接收第三控制信号s3。
38.在本实施例中，比较器30用于将连接节点sw的电压与地电压进行比较而输出控制信号k2至次功率管m2的栅极。
39.如图2所示，比较器30包括第二电流镜、第七mos管mp7、第十mos管mp10、第十一mos管mp11、第十二mos管mp12、第十三mos管mp13、第三电流镜、第二十一mos管mn4、第二十四mos管mn7、第三电阻r3、第四电阻r4和第五电阻r5。
40.第二电流镜用于提供多个偏置电流给比较器30。第二电流镜包括多个共栅连接的mos管，具体的，第二电流镜包括第五mos管mp5、第六mos管mp6、第八mos管mp8和第九mos管mp9。第五mos管mp5的栅极和漏极相连，第五mos管mp5、第六mos管mp6、第八mos管mp8和第九mos管mp9的源极相连且与电源电压avdd相连。
41.第三电阻r3的第一端与第五mos管mp5的漏极相连，第三电阻r3的第二端与第二十一mos管mn4的漏极相连，第二十一mos管mn4的栅极用于接收第一控制信号s1，第二十一mos管mn4的源极与地电压相连。
42.第十mos管mp10的源极和第十一mos管mp11的源极相连且同时与第二电流镜的第六mos管mp6的漏极相连，第十mos管mp10的栅极与连接节点sw相连，第十一mos管mp11的栅极与地电压相连。第四电阻r4的第一端与第十mos管mp10的漏极相连，第四电阻r4的第二端与地电压相连，第五电阻r5的第一端与第十一mos管mp11的漏极相连，第五电阻r5的第二端与地电压相连。
43.第十二mos管mp12的源极和第十三mos管mp13的源极相连且同时与第二电流镜的第八mos管mp8的漏极相连，第十二mos管mp12的栅极与第十一mos管mp11的漏极相连，第十三mos管mp13的栅极与第十mos管mp10的漏极相连，第十二mos管mp12的漏极和第十三mos管mp13的漏极均与第三电流镜相连。第三电流镜包括第二十二mos管mn5和第二十三mos管mn6。第二十二mos管mn5的栅极和第二十三mos管mn6的栅极相连，第二十二mos管mn5的栅极和漏极相连且同时与第十二mos管mp12的漏极相连，第二十三mos管mn6的漏极与第二十四mos管mn7的栅极以及第十三mos管mp13的漏极相连。第二十二mos管mn5的源极和第二十三mos管mn6的源极与地电压相连。
44.第二十四mos管mn7的漏极与第二电流镜的第九mos管mp9的漏极相连，第二十四
mos管mn7的栅极与第十三mos管mp13的漏极相连，第二十四mos管mn7的源极与地电压相连。
45.第七mos管mp7的源极与电源电压avdd相连，第七mos管mp7的栅极用于接收第三控制电压s3，第七mos管mp7的漏极与第二电流镜的第六mos管mp6、第八mos管mp8和第九mos管mp9的栅极相连。
46.在本实施例中，第二启动单元40与第二电流镜的各mos管的栅极相连，第二启动单元40用于提高第二电流镜的建立速度。
47.如图2所示，第二启动单元40包括第二电容c2、第十七mos管mp17和第二十六mos管mn9。第二电容c2的第一端与电源电压avdd相连，第十七mos管mp17的源极和第二十六mos管mn9的漏极与第二电容c2的第二端相连。第十七mos管mp17的栅极和第二十六mos管mn9的栅极用于接收第二控制信号s2，第二十六mos管mn9的源极与地电压相连。第十七mos管mp17的漏极与第二电流镜的第六mos管mp6、第八mos管mp8和第九mos管mp9的栅极相连形成第三节点a3。
48.如图3所示，电流检测电路还包括信号产生电路50。信号产生电路50包括缓冲器51和反相器52。缓冲器51用于接收第三控制信号s3而输出第一控制信号s1。第一控制信号s1相比于第三控制信号s3略有延迟。反相器52用于接收第一控制信号s1而延迟输出第二控制信号s2。
49.在本实施例中，第三控制信号s3先翻转为高电平信号，第十四mos管mp14、第十六mos管mp16以及第七mos管mp7均关断，此时第一节点a1、第二节点a2和第三节点a3的电压不再分别受控于第十四mos管mp14、第十六mos管mp16以及第七mos管mp7而被释放。
50.接下来第一控制信号s1翻转为高电平信号，第二十mos管mn3和第二十一mos管mn4均被开启，连接节点sw的输入偏置电压和比较器30的偏置电压均开始建立。
51.另外，由于第二控制信号s2初始为高电平信号，所以第二十五mos管mn8和第二十六mos管mn9均被开启，第一电容c1和第二电容c2基于电源电压avdd和地电压进行电荷储存。在第一控制信号s1翻转为高电平信号之后，第一节点a1、第三节点a3和第二节点a2的电压开始缓慢建立。当第二控制信号s2翻转为低电平信号时，第十五mos管mp15和第十七mos管mp17均被开启，第一电容c1在初始时刻存储的电荷为c1*avdd，此时全部释放在第一节点a1上，电源电压avdd、第一电容c1以及第一节点a1之间短时间内会迅速建立一条通路，第一节点a1上的电压被迅速拉低，偏置电流单元10快速产生第一偏置电流i1。第一节点a1平稳建立之后，第一电容c1上也不会存在电流，对正常工作不影响。同理，第三节点a3上的电压也同第一节点a1上的电压一样变化，使得第二电流镜也快速产生偏置电流，加快比较器30的建立。
52.第一电容c1上的初始电荷为c1*avdd，稳定后的第一电容c1上的电荷为c1*(avdd-v
a1
)，c1为第一电容c1的电容值，avdd为电源电压avdd的电压值，v
a1
为第一节点a1的电压。第一电容c1上消耗的电荷量为c1*v
a1
，第一节点a1上的电压建立的时间为δt，合理设置第十五mos管mp15和第一电容c1的尺寸，就可以得到δi为第一电阻r1上的电流变化量。第一节点a1和第二节点a2被迅速建立之后，第一偏置电流i1被建立，次功率管m2开启且次功率管m2发生回流时，连接节点sw上的电压为0。假设次功率管m2的内阻为ron，从地电压经过次功率管m2流入连接节点sw的电流为i，基于ron*i＝r2*i1，r2为第二电阻r2的电
阻值，从而可以设置流过次功率管m2的电流i的值来判定是否发生回流。
53.结合图4和图5可以看出，通过第一控制信号s1、第二控制信号s2和第三控制信号s3的有序优化的控制逻辑，第三节点a3和第一节点a1上的电压建立速度在10ns以内，相较于传统的检测电路，反应速度将提高十倍以上，从而使得偏置电流单元和比较器能够快速建立，提供检测的灵敏性，电路可以更高效的运行，进而提供整个芯片的效率。
54.本实施例还公开了一种dc-dc降压转换器，包括上述的电流检测电路。
55.本实施例还公开了一种芯片，包括上述的电流检测电路。
56.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。