一种DC-DC中的低功耗电流检测电路的制作方法

本发明涉及集成电路，特别涉及一种dc/dc开关稳压器电源电路中的低功耗峰谷值电流检测电路。

背景技术：

1、dc/dc开关稳压器由于其高效率，输出电压可调，高驱动能力的优点在电源管理单元得到了广泛的应用。开关稳压器的输出电压由其内部产生的占空因子信号来控制，一个直接的方法就是不断检测输出电压并且相应地调节占空因子。如果输出电压低于目标值，则增加占空因子可以将更多的能量传递到输出。如输出电压超过了目标值，减少占空因子就可以减少传递到输出的能量。因此，可以在所有负载条件或输出电压变化下对输出电压进行控制。想要得到一个负载变化不会导致输出电压与目标电压不同的电路，就要通过闭环控制进行调节。闭环控制方法可以分为两个大类：固定频率控制和基于纹波控制。固定频率控制需要包含电压模式和需要额外电感电流信息的电流模式控制组成。相比之下，基于纹波的控制不需要时钟信号来指示每个切换周期的开始。相反，开关切换频率随输出电压或感应电流的要求而变化。

2、其中电压控制模式通过反馈电压vfb和参考电压vref之间的差异，来表示占空因子的趋势(即增加或减少)。通常使用单端输出的误差放大器(ea)放大vfb和vref之间的差异来生成误差信号vc。接下来，根据vc和时钟信号产生的同步信号vramp作比较，生成控制上下管开关的控制信号s1和s2的占空因子。通过闭环控制，最终vfb等于vref，以此来实现电压调节。电压控制模式是单环控制，有且只有输出电压反馈环，因此其环路设计易调试，但是需要复杂的频率补偿网络使系统稳定。另外，其还具有成本低，体积小，抗噪声能力强等优点。同时，电压控制也具有一些缺点，例如上述提到的复杂的补偿网络，并且其瞬态响应速度也较慢。

3、电流控制模式可根据检测电流的位置不同分为三种：峰值电流模式、平均电流模式和谷值电流模式。

4、实现峰值电流模式控制是所有电流控制模式中最简单的。电流模式控制的开关稳压器除了原始的电压模式控制模块，感应电感电流vs被添加到vramp来产生求和信号vsum，即vsum＝vs+vramp。与通过比较vramp和vc来决定占空因子的电压模式控制相比较，电流模式控制通过比较感应电感电流vs和误差放大器输出信号vc来得到占空因子t。当占空因子为高时，上管开启，电感电流vs增加。当vs等于vc时，占空因子确定。也就是说，当vs达到vc时，占空因子为低，上管关断，下管打开，vs减小。综上可以看出，占空因子t由电感电流控制，因此这种控制模式被称为峰值电流模式控制。峰值电流模式控制既引入输出电压又引入电感电流，二者同时作为反馈变量，使开关变换器的性能得到提高。峰值电流模式控制具有多种优点：瞬态响应速度较快，输出电压的稳压精度较高；引入电流控制环路，将变换器降为一阶系统，降低了频率补偿网络复杂度。同时电流模式控制也存在一些缺点：当开关稳压器以高于50％的占空比进行电压变换时，在ccm模式下会出现次谐波振荡现象，所以需要加入斜坡补偿电路来解决这个问题，这便使电路设计更复杂，成本更高。

5、谷值电流控制既有电压环，又有电流环。电流检测电路检测续流二极管的电流，采样的下管电流信号vss与误差放大器的输出vc同时输入到比较其器中。当采样到的电流降低到与误差放大器的输出信号相等时，比较器输出电平翻转，将上管导通，电感电流升高。等时钟信号vramp来到下一个周期后，占空因子将被重新置位。可以看到占空因子此时与谷值电感电流相关，因此这种控制模式被称为谷值电流控制模式。谷值电流控制模式可以实现很低的占空比，可以做到大输入低输出。因为在检测电感电流的工程中，出现在开关节点上的寄生效应会引发激振现象，因此采用峰值电流模式控制的开关变换器会在检测电感电流之前设置一段空闲时间，也就是消隐时间，通常为200-300ns。所以，采用峰值电流模式控制的开关稳压器的最小导通时间就受到此时间的限制。而且，当开关稳压器工作在低占空比时，上管导通时间很短，电流采样困难。但此时下管导通时间长，所以当采用谷值电流模式控制时，针对这种地占空比的情况就会简单很多。

6、峰值电流模控制一般有两种方式检测流过上管的电感电流，第一种是当上管打开时，通过上管的导通电阻rds检测上管的压降；第二种是在输入电压和和上管的漏极之间串联一个已知的电阻，该电阻作为采样电阻检测该电阻上的电压降。但是这两种方法都会在开关节点上依法激振现象，所以，在检测电感电流前，环路控制模块要等待一段时间来避免激振现象，这段时间就称为消隐时间。消隐时间一般为200ns至300ns。在引入这个消隐时间的同时也引入了很多缺点，比如固定了上管在开关稳压器中的最小导通时间。最小导通时间的存在使得上管导通时间与环路中的时钟脉冲信号无关，所以当输出电压远远小于输出电压时，需要开关稳压器实现低占空比电压变换，系统工作频率不能达到高频。即使电感电流上升的时间大与消隐时间，内部用来采样电感电流的时间也非常少。很难做到在地占空比下工作。但是这些缺点都可以通过谷值电流采样来进行规避，上管的关断时间可以通过采样下管信号来进行控制，以此实现低占空比电压变换。

7、鉴于上述分析，故此亟需研发设计一种dc-dc中的低功耗电流检测电路以解决在轻载时的效率问题，同时也使得开关转换器能够工作在低占空比电压变换，实现了大输入电压时可以输出小电压，并可以从pwm模式平滑切换至pfm模式的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种dc-dc中的低功耗电流检测电路，在峰值电流控制模式的基础上增加了谷值电流模式控制，解决了在轻载时的效率问题，同时也使得开关转换器能够工作在低占空比电压变换，实现了大输入电压时可以输出小电压，并可以从pwm模式平滑切换至pfm模式。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种dc-dc中的低功耗电流检测电路，包括：第一运算放大器、第一nmos管、第一电阻、第八hpmos管、第八pmos管、第七hnmos管、第一hnmos管、第二hnmos管、第三hnmos管、第四hnmos管、第五hnmos管、第六hnmos管、第一比较器、第二运算放大器、第二nmos管、第二电阻、第四pmos管、第五pmos管、第三运算放大器、第三nmos管、第三电阻、第六nmos管、第七nmos管、第一lnmos管、第二lnmos管、第三lnmos管、第四lnmos管、第五lnmos管、第六lnmos管和第二比较器；

3、其中，所述第一运算放大器和第二运算放大器的正极均与前一级误差放大器产生的电压vc相连；所述第一运算放大器的负极与第一电阻的第一端和第一nmos管的源极相连；所述第一运算放大器的输出端与第一nmos管的栅极相连；

4、所述第一nmos管的漏极与斜坡补偿的输出端iramp、第八hpmos管的源极相连；所述第八hpmos管的漏极与第七hnmos管的漏极、第八pmos管的栅极、第八pmos管的漏极相连；所述第八pmos管的源极与电压vin、第一hnmos管的漏极相连；

5、所述第一hnmos管的源极与第二hnmos管的漏极相连；所述第二hnmos的源极与第三hnmos管的漏极相连；所述第三hnmos管的源极与第四hnmos管的漏极相连；所述第四hnmos管的源极与第五hnmos管的漏极相连；所述第五hnmos管的源极与第六hnmos管的漏极相连；所述第六hnmos管的源极与第七hnmos管的源极、第一比较器的负极相连；

6、所述第一电阻的第二端接地；所述第七hnmos管的栅极、第一hnmos管的栅极、第二hnmos管的栅极、第三hnmos管的栅极、第四hnmos管的栅极、第五hnmos管的栅极和第六hnmos管的栅极与功率管上管的栅极共同相连；

7、所述第一比较器的正极与开关节点sw相连；所述第一比较器的输出端与后级控制逻辑电路相连；

8、所述第二运算放大器的负极与第二电阻的第一端、第二nmos管的源极相连；所述第二nmos管的漏极与第四pmos管的漏极、第四pmos管的栅极、第五pmos管的栅极相连；所述第二电阻的第二端接地；

9、所述第三运算放大器的正极与基准电压vref_zc相连，所述第三运算放大器的负极与第三电阻的第一端、第三nmos管的源极相连，所述第三电阻的第二端接地；

10、所述第三nmos管的漏极与第五pmos管的漏极、第六nmos管的源极、第六nmos管的栅极相连；所述第六nmos管的漏极与第七nmos管的源极、第七nmos管的栅极相连；

11、所述第七nmos管的漏极与第一lnmos管的源极、第二比较器的负极相连；所述第一lnmos管的漏极与第二lnmos管的漏极相连；所述第二lnmos管的源极与第三lnmos管的源极相连；所述第三lnmos管的漏极与第四lnmos管的漏极相连；所述第四lnmos源极与第五lnmos管的源极相连；所述第五lnmos管的漏极与开关节点sw相连；

12、所述第六lnmos管、第五lnmos管、第四lnmos管、第三lnmos管、第二lnmos管和第一lnmos管的栅极均与功率管下管的栅极相连；所述第六lnmos管的源极与第二比较器的正极相连，所述第二比较器的输出端与后级控制逻辑电路相连。

13、优选的，由所述第一运算放大器、第一nmos管、第一电阻、第八hpmos管、第八pmos管、第七hnmos管、第一hnmos管、第二hnmos管、第三hnmos管、第四hnmos管、第五hnmos管、第六hnmos管和第一比较器构成峰值电流检测电路。

14、优选的，由所述第二运算放大器、第二nmos管、第二电阻、第四pmos管、第五pmos管、第三运算放大器、第三nmos管、第三电阻、第六nmos管、第七nmos管、第一lnmos管、第二lnmos管、第三lnmos管、第四lnmos管、第五lnmos管、第六lnmos管和第二比较器构成谷值电流检测电路。

15、优选的，所述第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器以及第一比较器和第二比较器均采用五管运放结构实现。

16、优选的，通过所述峰值电流检测电路，能够实现对电感电流模式pwm控制方式中占空比的调制；通过所述谷值电流检测电路，能够实现对过电流情况下的电感电流限制以及实现pwm-pfm模式之间切换过程中电感电流的平滑过渡。

17、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

18、本发明通过在峰值电流控制模式的基础上增加了谷值电流模式控制，解决了在轻载时的效率问题，同时也使得开关转换器能够工作在低占空比电压变换，实现了大输入电压时可以输出小电压，并可以从pwm模式平滑切换至pfm模式，而且本发明具有高精度、低功耗、结构简单、实用性强的特点。