CN101221197A

CN101221197A - 功率变换器中的电流检测

Info

Publication number: CN101221197A
Application number: CNA2007103066918A
Authority: CN
Inventors: H·陶
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2008-07-16
Also published as: US7683593B2; US20080130330A1; TW200840187A

Abstract

在一个实施例中，一种功率变换器***包括耦合在第一节点和第二节点之间的功率器件。该功率器件可操作的由控制信号导通和关断。当功率器件导通以传递功率给负载时电流流过该功率器件。检测电路在第一节点和第二节点之间并联耦合到功率器件上。该检测电路可操作的形成表示流过功率器件的电流的信号，并且还可操作的由与功率器件相同的控制信号导通和关断。当功率器件导通时该检测电路导通，当功率器件关断时该检测电路关断。

Description

功率变换器中的电流检测

技术领域

本发明涉及功率变换，并且更具体地涉及功率变换器中的电流检测。

背景技术

功率变换器对于许多现代化的电子装置来说是非常必要的。在其他性能中，功率变换器可以向下调节电压电平(降压变换器)或者向上调节电压电平(升压变换器)。功率变换器还可以从交流电(AC)功率变换到直流电(DC)功率或者相反地从直流电功率变换到交流电功率。功率变换器典型地采用一个或多个象晶体管这样的开关器件来实现，这些开关器件导通和关断，从而将功率传送到变换器的输出端。控制电路用于调节这些开关器件的导通和关断，因此，这些变换器也作为“开关调节器”或者“开关变换器”被人们知道。功率变换器也可包括一个或多个电容器或电感器，用于交替存储和输出能量。

在功率变换器中，精确检测输出电流非常重要。例如，在电流模式控制器中，输出电流可作为到控制器的反馈输入，从而使得它成为控制环的重要部分。关于输出电流的信息也可用于保护，例如，防止输出电感器饱和或者防止功率器件过热。当功率变换器以减小无源尺寸并增大瞬态响应时间的较高频率运行时，检测或者监测输出电流变得越来越具有挑战性。

特别是，电流检测必须精确、快速，并且没有导致或者致使出现瞬态相关误差信号。也就是说，电流检测精度必须在器件工艺、电源电压和温度(PVT)变化时保持不变。这种检测方案应该快速，即，宽带，以便适应现代化功率变换器中较高的操作频率。最后，由于功率变换器中的功率开关在每个时钟周期中导通和关断，因此检测电路必须同样快速地导通和关断，并且最好不引入瞬态相关误差信号。

发明内容

根据本发明的实施例，提供一种功率变换器***。该功率变换器***包括耦合在第一节点和第二节点之间的功率器件。该功率器件可操作的由控制信号导通和关断。当功率器件导通以便将功率传递给负载时，电流流过该功率器件。检测电路并联耦合到第一节点和第二节点之间的功率器件上。该检测电路可操作的形成表示流过功率器件电流的信号，并且还可操作的由与功率器件相同的控制信号导通和关断。当功率器件导通时检测电路导通，当功率器件关断时检测电路关断。

根据本发明的另一实施例，在具有功率器件的功率变换器***中，所述功率器件可操作的由用于传递功率给负载的控制信号导通和关断，提供一种检测流过功率器件的电流的方法。该方法包括：提供并联耦合在功率器件上的检测电路；当功率器件导通时导通检测电路；当功率器件导通时，采用该检测电路形成表示流过功率器件电流的信号；以及当功率器件关断时关断该检测电路。

从下面的附图、说明书以及权利要求书中，本领域技术人员明显清楚本发明的许多重要技术优点。

附图说明

为了更全面地理解本发明以及其他的特征和优点，现在结合附图进行下述描述。

图1是根据本发明实施例的具有改进电流检测电路的功率变换器***的框图。

图2是根据本发明实施例的改进电流检测电路的示意性实施方式的框图。

图3是根据本发明实施例的改进电流检测电路的另一示意性实施方式的框图。

图4是根据本发明实施例的改进电流检测电路的又一示意性实施方式的框图。

图5是代表采用常规技术的流过功率器件的被测电流的示意性波形图。

图6是代表采用本发明实施例的流过功率器件的被测电流的示意性波形图。

具体实施方式

参考附图中的图1到6可以最好地理解本发明的实施例和它们的优点。对于各个附图中的相同或对应部件采用相同的标记。

在各个实施例中，本发明提供或实现了在具有高精度，高速度以及良好的瞬态导通-关断特性的功率变换器***(例如直流-直流变换器)的功率器件中检测瞬时电流的改进技术。不像某些在先形成的技术，根据本发明实施例的技术不需要精确的检测电阻器、可以高速运行、并且具有良好的瞬态特性，这样使得它们非常适于高频功率变换。各个实施例中的电流检测技术可用于各种功能或特性，例如功率变换器***中的电流模式控制或电流保护。

在一个实施例中，检测电路可以使用串联连接以及三极管模式中的两个晶体管(例如MOSFET)的固有属性，来精确检测或者形成表示或者代表功率器件中的电流的信号。至少一个晶体管还可以用作功率器件关断时使检测电路自动关断的开关，例如由与功率器件相同的信号控制。同样，该检测电路不需要其他控制信号，如以前研发的设计所需要的。此外，还具有另一特点，当功率器件关断时，检测电路的内部电压与正常工作值偏离不是太远，这样仍然可以快速导通检测电路，具有了良好的动作瞬态响应。

图1是根据本发明实施例的具有改进电流检测的电路100的功率变换器***10的框图。在该实施例中，功率变换器***10是开关调节器，并且可以提供直流(DC)功率。功率变换器***10可包括在其中需要本文中所述的直流-直流变换器的任何电子器件中，或者与这些电子装置一起使用。功率变换器***10接收输入电压Vin(如Vdd)，在输出端Vout提供DC功率给负载。在一个实施例中，功率变换器***10可以是同步降压变换器，将较高电平的电压(例如，5V)变换为较低电平的电压(例如，1V)。在其他实施例中，功率变换器***10可以是升压或降-升压变换器(未示出)。一旦阅读了本说明书，本领域技术人员可以知道如何实现本发明而不需要过度的实验。如图所示，功率变换器***10还包括控制和驱动电路12、开关14和16、电感器18以及输出电容器20。

电感器18耦合到功率变换器***10的输出端Vout处的输出电容器20。如本文中所用的，术语“耦合”或者“连接”或者其他变形，覆盖了两个或多个元件之间的任何直接或间接的耦合或连接。输出电容器20吸收流过电感器18的瞬态电流，在输出节点Vout提供平滑的DC电压给预定负载。

开关14和16耦合到电感器18。如图所示，开关14和16以半桥布置连接在开关节点(SW)上，开关14为“高侧”开关，开关16为“低侧”开关。高侧开关14连接在输入电压Vin(Vdd)和节点SW之间。高侧开关14被认为是功率变换器***10的功率开关或器件。开关14导通和关断，以增加和减少电感器18的电流，由此控制或调节功率变换器***10输出端处的输出电压Vout。低侧开关16可以连接在节点SW和地(GND)之间，提供或支持同步整流。为了进行同步整流，当高侧开关14导通时，在电感器18的“充电”周期期间关断低侧开关16，当开关14关断时导通低侧开关16，这样电感器18中的电流继续流入电容器20中，同样到达预定负载上。两个开关14，16中的每个开关可采用任何合适的器件实现，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、IGBT、MOS栅晶闸管、或者其他合适的功率器件。每个开关14和16具有栅极，其上分别施加驱动电压或控制信号(Q1，Q2)，从而导通或关断开关。

控制和驱动电路12耦合到开关14和16的栅极，提供用于导通和关断开关的控制信号Q1，Q2。控制和驱动电路12可耦合到输出端，以接收输出电压Vout作为反馈信号。

检测电路100按常规工作，以提供表示或者代表流过功率开关或器件14的电流的信号Isense。Isense信号可用作功率器件14和16的控制和驱动电路12的反馈输入，因此使得其在功率变换器***10的控制环(例如，电流模式控制)中非常有效。被检测电流Isense可用于保护，例如，防止输出电感器18饱和或者防止功率器件14过热。

在其他实施例中(未示出)，其他检测电路可耦合到低侧开关16上，从而提供或者产生表示或者代表流过同步整流器的电流的信号。这种信号还可用于各种目的，诸如控制。

在各个实施例中，功率变换器***10的全部或部分可在单个或者多个半导体管芯(通常称为“芯片”)或者离散元件上实现。每个管芯是例如由硅或者其他合适的材料形成的单片结构。对于采用多个管芯或者元件的实施方式，这些管芯和元件可组装在共享的封装体上从而形成模块，或者组装在印刷电路板(PCB)上，所述印刷电路板具有其间进行信号通信的各种轨迹。在一个实施例中，例如，具有集成的电流检测100、功率器件14和16、以及控制器12的集成DC-DC降压变换器可以实现在单个芯片或管芯上，象电感器18和电容器20这样的剩余元件可作为离散元件实现在PCB上。

图2是根据本发明实施例的用于改进电流检测的检测电路100的示意性实现方式的框图。检测电路100可采用功率器件14。检测电路100和功率器件14可包括在功率变换器***中，例如如图1所示。

功率器件14耦合在输入电压Vdd和输出端Vout(例如，可以是功率变换器***10的SW节点)之间。功率器件14具有端子(例如，栅极)，其上施加用于导通和关断功率器件14的驱动电压或控制信号Q，从而控制或调节输出端Vout处的电压。

检测电路100产生或者提供表示或者代表功率器件14导通时流进功率器件14的电流的信号Isense。在一个实施例中，当功率器件14导通时检测电路100导通，当功率器件14关断时检测电路100关断。如图所示，检测电路100包括彼此串联连接的晶体管102和104。晶体管102和104一起与Vdd和Vout之间的功率器件14并联连接。在一个实施例中，晶体管102和104用相同尺寸的MOSFET(例如，PMOS型)实现。晶体管102和104的尺寸可与功率器件14匹配并且可成为功率器件14尺寸的一小部分(例如，1％)。晶体管102的栅极连接成始终导通(例如，接地)。晶体管104的栅极接收与功率器件14相同的控制信号Q。当功率器件14导通时，晶体管104导通；当功率器件14关断时，晶体管104关断。流过晶体管102和104的电流是将要检测的电流(Isense)，晶体管102的漏极(连接到晶体管104的源极)上的电压是被测电压Vsense，其可以是功率器件14上的压降的一半。

在操作中，当控制信号Q为低时，功率器件14和检测电路100(包括晶体管102和104)导通。三个晶体管全部处于三极管状态，具有相同的栅极电压。功率器件14的漏源电压(Vds)等于晶体管102的Vds与晶体管104的Vds之和。在这些条件下，如果忽略晶体管104很小的体效应(通过将晶体管104的n阱连接到其源极也可消除)，那么被测电流Isense的值将由下面的等式给出：

Isense＝IM1＝IM2＝Ipower/N

其中IM1是流过晶体管102的电流，IM2是流过晶体管104的电流，Ipower是流过功率器件14的电流，N是功率器件14和器件102与104的总尺寸之间的尺寸比(例如，如果功率器件14是晶体管102和104总尺寸的100倍，那么N＝100)。因此，被测电流Isense的大小是功率器件14电流的分数(例如，1/100)。无论处理过程、电源电压或温度(PVT)如何变化，只要功率器件14与晶体管102和104的尺寸比维持不变，那么这种关系就保持不变。由于被测电流(Isense)实际小于功率器件电流(Ipower)，因此检测电路100提供有效操作。

当控制信号Q为高时，功率器件14关断。同样，由于检测电路100中晶体管104的栅极也为高，因此检测电路100也关断。同样，流过检测电路100中晶体管102和104的被测电流Isense自动下降为零，因此当不需要时不消耗任何功率。检测电路100由与功率器件14相同的控制信号(例如Q)操作。因此，不需要另外的控制信号来切断或者操作检测电路100。

检测电路100提供比先前设计更好的优点，使得它非常适合高精度、高频率操作。例如，被测电流(Isense)与功率器件电流(Ipower)的比仅取决于功率器件14和检测电路100的晶体管102和104之间的几何匹配，因此不依赖于PVT的变化。这样使得Isense成为流过功率器件14的电流Ipower的精确并可重复的标志或者代表。

检测电路100的另一优点在于它不会经历与功率器件14相关的大电流峰值。特别是，晶体管102的漏电压仅经历电压中很小的摆动(例如在导通和关断之间在Vdd-Vds到Vdd之间运动，典型的是在几十毫伏到几百毫伏之间的范围内)。该漏电压是小于输出节点Oout(即，功率器件14的漏极)上摆动电压的较大数量级，输出节点Oout上摆动电压从电源电压Vdd降到零(例如，在几伏电压到几十伏电压的范围内)。因此Isense电流未包含与充电和放电输出节点Out相关的故障电流峰值。此外，由于晶体管102一直导通，因此节点Vsense不需要在晶体管104从关断状态变成导通状态时回到大电压，从而使得检测电路100更快速的导通和关断。

通过比较由常规技术形成的被测电流波形(如图5所示)以及本发明实施例形成的电流波形(如图6所示)，可以演示出瞬态动作在现有技术上的这种改进。图5所示的电流波形呈现了大峰值，其大于预定电流的大小。相反，图6中的电流波形未示出这种大的峰值，使得它对于电流检测更精确。

另外，比较被测电流波形的起始时间，图6示出的起始时间早于图5的起始时间，因此示出根据本发明实施例的电流检测方法比采用常规方法更快(延时更少)。

图3是根据本发明实施例的用于改进电流检测的检测电路100的示意性实现方式的框图。与图2所示的实现方式相同，图3中示出的检测电路100的实现方式包括晶体管102和104，其彼此串联连接，并一起与Vdd和Vout之间的功率器件14并联连接。此外，检测电路100的这种实现方式包括晶体管106，108和运算放大器110。

晶体管106和108彼此串联连接。晶体管106的一端耦合到输入端Vdd，另一端耦合到节点N1。晶体管108的一端耦合到节点N1，另一端耦合到被测电流输出节点Iout。在一个实施例中，晶体管106和108由P型MOSFET实现。象晶体管102，104那样，晶体管106，108的尺寸可以与功率器件14匹配，并且成为功率器件14尺寸的一部分。晶体管106的栅极接收与功率器件14和晶体管104相同的控制信号Q。晶体管108的栅极连接成在节点N2接收运算放大器110的输出。运算放大器110耦合成在其非反相(+)输入端接收Vsense信号，并且其反相(-)输入端耦合到节点N1。

晶体管106，108以及运算放大器110实现电流镜像电路，其用于镜像被测电流Isense。也就是说，电流镜像电路形成与Isense成比例的电流Iout。在一个实施例中，Iout的大小与Isense的大小相同(即，Iout＝Isense)。电流镜像电路可表现出与由晶体管102和104实现的电流检测电路相同的瞬态特性。当功率器件14关断时，节点Vsense上升为Vdd。运算放大器110将驱动晶体管106的漏极节点也上升到Vdd，同时运算放大器110的输出节点维持在约Vdd-Vgs。被测输出电流Iout自然地下降到零，而没有引入任何假信号。因为电流镜像电路的三个内部节点(即，Vsense，N1和N2)全部维持为接近它们正常的工作电压，因此当对于下一个周期功率器件14导通时，电流镜像电路可以快速导通。在该导通瞬态期间，不会产生大的峰值电流，这是因为没有一个内部节点需要被充电或者放电来回到大电压。

图4是根据本发明实施例的用于改进电流检测的检测电路100的另一示意性实现方式的框图。与图3所示的实现方式相同，图4所示的检测电路100的实现方式包括晶体管102，104，106，108以及运算放大器110。此外，检测电路100的这种实现方式包括晶体管112和开关114。

对于某些类型的运算放大器，当所有的输入耦合到Vdd时其输出可到达一个未知状态。如果运算放大器110是这种类型，那么可加入开关114来箝制它的输出，如图4所示。开关114可将运算放大器110的输出节点耦合到已知的偏压点，例如该偏压点可由晶体管112产生或提供。开关114对控制信号Q响应。当Q控制信号为高时(并且功率器件14关断)，开关114闭合，迫使运算放大器110输出节点处的电压维持为接近预定操作点。这样确保了运算放大器的输出节点不偏离工作电压，因此保持了检测电路100的快速导通特性。开关114可由N型MOSFET形成。

如本文所述，本发明的实施例提供或者实现了一种高精度、快速以及瞬态特性良好的检测功率变换器***的功率器件中电流的技术。与先前设计相比，本发明的实施例可提供许多优点。例如，通过器件的几何匹配可实现流进功率器件中的电流的精确标志或代表，其与PVT变化无关。同样，该电流检测电路可以具有快速的动作速度以及快速的导通和关断，这是因为内部节点都不需要回到大电压。该电流检测技术可表现出良好的瞬态特性(例如，电流中没有瞬态峰值，该峰值与预定检测电流相比较大并且与PVT密切相关)。该电流检测技术在效率方面没有引入或者引入了最小的损耗，这是因为没有***与功率器件串联连接的检测电阻器。此外，某些实施例的功率低，这是因为检测电路的电流到达了负载(除了电流镜像电路以外)。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应该知道，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围之内可进行各种改变，替代或者替换。也就是说，包含在本申请中的讨论旨在用作基础描述。我们应该知道特定的讨论并不能清楚描述所有可能的实施例；许多替换都是隐含的。也不可能全面解释本发明的一般特性，并且不能清楚示出每个部件或者元件如何精确表示更宽的功能或者更多的替换或者等效元件，这些内容都隐含在该说明书中。在本发明以装置方面的术语进行描述的地方，装置的每个元件隐含实现了一种功能。说明书或者术语都不是旨在限制权利要求的范围。

Claims

1.一种功率变换器***，包括：

耦合在第一节点和第二节点之间的功率器件，该功率器件可操作的由控制信号进行导通和关断，其中当功率器件导通用于传递功率给负载时电流流过该功率器件；以及

并联耦合在第一节点和第二节点之间的功率器件上的检测电路，该检测电路可操作的形成表示流过功率器件的电流的信号，并且还可操作的由与功率器件相同的控制信号导通和关断，其中当功率器件导通时该检测电路导通，并且当功率器件关断时该检测电路关断。

2.权利要求1的功率变换器***，其中该检测电路包括：

耦合在第一节点和第三节点之间的第一开关器件，其中第一开关器件在功率变换器***的工作过程中维持导通；以及

在第三节点和第二节点之间与第一开关器件串联耦合的第二开关器件，该第二开关器件由与开关器件相同的控制信号导通和关断。

3.权利要求2的功率变换器***，其中功率器件、第一开关器件、以及第二开关器件在功率器件和检测电路导通时均处于三极管模式。

4.权利要求2的功率变换器***，其中第一和第二开关器件中的每个开关器件均是功率器件尺寸的一部分。

5.权利要求2的功率变换器***，其中表示流过功率器件的电流的信号包括流过第一和第二开关器件的电流。

6.权利要求1的功率变换器***，其中该检测电路在集成电路器件上实现。

7.权利要求1的功率变换器***，其中该功率器件和检测电路在集成电路器件上实现。

8.权利要求1的功率变换器***，其中检测电路包括成为功率器件尺寸一部分的开关器件。

9.权利要求8的功率变换器***，其中功率器件和开关器件几何匹配。

10.在具有功率器件的功率变换器***中，所述功率器件可操作的由控制信号导通和关断以传递功率给负载，一种用于检测流过该功率器件电流的方法，该方法包括：

提供并联耦合到功率器件上的检测电路；

当功率器件导通时导通检测电路；

当功率器件导通时，采用检测电路形成表示流过功率器件的电流的信号；以及

当功率器件关断时关断检测电路。

11.权利要求10的方法，其中该功率器件耦合在第一节点和第二节点之间，并且其中该检测电路包括：

耦合在第一节点和第三节点之间的第一开关器件，其中第一开关器件在功率变换器***的工作过程中维持导通；

12.权利要求11的方法，包括当功率器件和检测电路导通时维持功率器件、第一开关器件和第二开关器件为三极管模式。

13.权利要求11的方法，其中表示流过功率器件的电流的信号包括流过第一和第二开关器件的电流。

14.权利要求10的方法，其中功率器件和检测电路中的至少一个实现在集成电路器件上。

15.权利要求10的方法，其中检测电路包括作为功率器件尺寸一部分的开关器件。

16.权利要求10的方法，其中功率器件和开关器件几何匹配。

17.一种用于提供功率给负载的功率变换器***，该功率变换器***包括：

其上可以连接有负载的调整输出端；

可操作的由控制信号导通和关断的功率器件，该功率器件耦合在第一节点和第二节点之间；

耦合在第二节点和输出端之间的电感器，通过该电感器电流流到调整输出端；以及

在第一节点和第二节点之间并联耦合到功率器件上的检测电路，该检测电路可操作的形成表示流过功率器件的电流的信号，并且还可操作的由与功率器件相同的控制信号导通和关断，其中当功率器件导通时该检测电路导通，并且当功率器件关断时该检测电路关断。

18.权利要求17的功率变换器***，包括在第二节点上耦合到功率器件的同步整流器。

19.权利要求17的功率变换器***，其中该检测电路包括：

20.权利要求19的功率变换器***，其中功率器件、第一开关器件、以及第二开关器件在功率器件和检测电路导通时均处于三极管模式。

21.权利要求19的功率变换器***，其中第一和第二开关器件中的每个开关器件均是功率器件尺寸的一部分。

22.权利要求19的功率变换器***，其中表示流过功率器件的电流的信号包括流过第一和第二开关器件的电流。

23.权利要求19的功率变换器***，该功率器件和检测电路实现在集成电路器件上。

24.权利要求19的功率变换器***，其中该检测电路包括成为功率器件尺寸一部分的开关器件。

25.权利要求24的功率变换器***，其中该功率器件和开关器件几何匹配。