CN101666824B

CN101666824B - 高端电流检测电路

Info

Publication number: CN101666824B
Application number: CN2009100936044A
Authority: CN
Inventors: 景卫兵; 刘柳胜; 郑儒富
Original assignee: MAXIC TECHNOLOGY (BEIJING) CO LTD
Current assignee: Meixinsheng Technology (Beijing) Co.,Ltd.
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2029-10-14
Also published as: CN101666824A

Abstract

本发明提供一种高端电流检测电路。该电路是一种对待测晶体管的流过电流进行检测的高端电流检测电路，该电路工作在进行电流检测的第一状态和不检测电流的第二状态下，并且包括：电压跟随电路，使得在第一状态下第一点电压跟随第二点电压变化，其中第二点电压反映待测晶体管的流过电流；电压-电流转换电路，在第一状态下将第一点电压转换为电流并且加以输出；嵌位电路，在第二状态下将第一点电压嵌位在高于地电位的电压。本发明的电路可以用作为高端NMOS电流监测，精度高并且反应速度快。

Description

高端电流检测电路

技术领域

本发明涉及高端电流检测电路。

背景技术

电流测量技术具有极为广泛的应用，许多***中都需要检测流入、流出电流的大小。例如，电流保护/电流监测设备、4-20mA电流环***、可编程电流源、线性/开关模式电源、以及需要掌握流入流出电流比例的充电器或电池电量计量器。由于很多应用是便携式的，因此电流检测电路还必须具有小体积、低功耗的特性。

图1是高端NMOS电流检测电路在降压式变换电路(Buck电路)中的应用示意图。Buck电路分为两个工作状态，在状态一，NMOS管M0导通，电感电流以一定的斜率上升，这个时候电流检测电路通过检测功率管两端的压降产生信号V_SENSE。V_SENSE和流过功率管的电流成正比。在状态二，M0关断，电感电流通过下端二极管续流。因为M0是个NMOS，为了让M0工作在低导通电阻的线性区，在M0导通的时候必须给VG一个高于VI N的电压值。在状态二时，因为二极管续流SW点电压略低于地，线性电压调整器LDO(low dropout)给电容C1充电。在状态一时，M0导通SW略低于VIN，由于电容C1上累积的电荷不会一下子放完，所以BOOT点就会产生一个高于VIN一定幅度的电压。用这个电压给驱动器Driver供电，就可以给VG提供一个高于VIN的电压从而充分导通M0。在状态一时，电流检测电路通过检测M0两端的电压产生一个和流过M0管子的电流成正比的电压V_SENSE。V_SENSE通过控制电路产生相应的PWM信号，从而调节功率管M0的导通时间来达到调节输出电压、给负载提供需要的电流和电压的目的。

现有的电流检测方法基本上都是采用跨导放大器监测SW电压，从而得到电流。图2是一种现有技术的高端电流检测电路，它可应用作为图1中的电流检测电路。如图2所示，M0，M1和M2构成电流镜电路，M3的栅极和M0，M1和M2的栅极相连，M3的源极和漏极之一连接至SW点，M3的源极和漏极之另一个连接至M2的漏极。当一个高端NMOS管连接在VIN电压和SW端之间时，由于SW点的电压变化，导致M3源/漏极电流发生变化，由于M4和M5构成电流镜电路，则多余的电流便经Isense端输出。电流Isense会随着偏置电流，工艺波动产生很大的偏差。而且M3管子需要采用两边都耐高压的器件，对某些工艺来说也是一个不小的困难。

1997年5月6日授权的美国专利5627494披露了另一种高端电流检测放大器，如图3所示。然而，该专利技术检测高端NMOS电流时需要增加开关，而随着开关的增加，速度会明显降低。另外，它不能消除工艺偏差，准确度不高。

发明内容

本发明的目的是解决高端电流检测中的精度不高和速度不快的问题，从而提供一个快速、高精度的高端电流检测电路。

为此，本发明在第一方面提供一种对待测晶体管的流过电流进行检测的高端电流检测电路。该电路工作在进行电流检测的第一状态和不检测电流的第二状态下，并且包括：电压跟随电路，使得在第一状态下第一点电压跟随第二点电压变化，其中第二点电压反映待测晶体管的流过电流；电压-电流转换电路，在第一状态下将第一点电压转换为电流并且加以输出；嵌位电路，在第二状态下将第一点电压嵌位在高于地电位的电压。

根据第二方面，本发明提供一种降压式变换电路。降压式变换电路包括如第一方面所述的高端电流检测电路。

本发明的电路可以用作为高端NMOS电流监测，精度高并且反应速度快。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，附图中：

图1是高端NMOS和电流检测电路在Buck电路中的应用示意图；

图2是一种现有技术的高端电流检测电路；

图3是另一种现有技术的高端电流检测电路；

图4是本发明的一个实施例的高端电流检测的电路图；

图5是本发明的另一个实施例的高端电流检测的电路图；

图6是电压/电流波形示意图；

图7和图8分别是两种嵌位电路的示意图；

图9和图10分别是两种电压-电流转换电路的示意图。

具体实施方式

图4是本发明的一个实施例的高端电流检测电路的电路图，它可以用作为图1中的电流检测电路。

如图4所示，晶体管M0是高端NMOS管。M0的漏极连接在电压输入端VIN，源极连接至电感L0的一端；电感L0的另一端给负载提供输出电压Vout。电容C0为负载提供交流滤波作用。

为了检测晶体管M0漏-源极流过的电流，高端电流检测电路主要包括两部分，电压-电流转换电路和嵌位电路。

电压-电流转换电路包括晶体管M3、M4和M5，以及电流源I1和I2。M3和M4以及电流源I1和I2一起构成一个运算放大器。运算放大器的正输入端(即M4的源极)在B点连接至M2的源极，负输入端(即M3的源极)在A点连接至M1的源极。运算放大器的输出端(即M4的漏极)连接至晶体管M5的栅极，M5的源极反馈连接到运算放大器的负输入端。M5的源极提供输出电流Isense。当然，电压-电流转换电路还可以采用其它形式的运算放大器。图9和图10示意了电压-电流转换电路采用运算放大器形式的两个连接示意图。电压-电流转换电路采用其它形式的电路也是可行的。

晶体管M6和M0的栅极经VG点相连，其源极也共同连接在SW点。晶体管M6的漏极连接到B点。因此，晶体管M6起电压跟随的作用，使B点电压跟随SW点电压的变化而改变。

嵌位电路包括二极管D0、晶体管M7、M1和M2。二极管D0的正极和晶体管M7的栅极共同连接到VI N端，二极管的负极和晶体管M7的源极共同连接至VSG点，晶体管M7的漏极输入BOOT电压或其它电平较高的参考电压。二极管D0和晶体管M7起着高电平选择电路的作用。当然，采用其它形式的高电平选择电路也是可行的。晶体管M1的栅极连接在VSG点，漏极连接至VIN端。晶体管M2的栅极和漏极共同连接至VIN端。

在状态一时，VG点电压等于BOOT电压，导通NMOS管M0，给电感L0充电。VG同时导通晶体管M6，使得B点电压等于SW。为了保持高的效率，一般输入电压VIN和SW点电压之间的压差很小，晶体管M2不会导通。由于在状态一时，BOOT电压高于VIN，二极管D0和晶体管M7构成的高电平选择电路保证VSG等于BOOT电压，从而导通M1。I1和I2提供偏置电流。由于M3和M4构成的运放具有很大的增益，通过调节M5上流过的电流从而调节M1的漏源电压VDS，保证A，B两点的电压相等。此时，对比M0和M1两个管子。M0的漏源电压VDS等于VIN减去SW点电压，也就等于VIN减去B点的电压。M1的VDS等于VIN减去A点的电压。运放保证了A点电压和B点电压相等，也就意味着，M0和M1的漏源电压VDS是相等的。

故有下式成立：

(Vin-VA)/R_onM1＝(Vin-VSW)/R_onM1。 (1)

M0管子的源漏压差(Vin-VSW)＝I_M0*R_onM0。因此，(Vin-VSW)/R_onM1＝I_M0*R_onM0/R_onM1.

Isense＝I_M0*R_onM0/R_onM1-I1.

其中，R_onM1、和R_onM0分别是M1和M0的导通阻抗。

偏置电流一般都很小。同时，选取M0的导通电阻为M1的1/K倍，可得：

Isense＝I_M0/K.

检测到的电流只和比例有关，而和工艺参数无关。

在一个例子中，I1和I2是两个相等的电流源。

在状态二时，VG关断M0和M6，VSG等于VIN。M1和M2导通，分别流过电流I1和I2，M5没有电流流过，Isense等于0。

在这个过程中可以看出，A，B两点的电压在状态一和状态二中的跳动约等于一个VGS。参见图6。小的跳动电压保证了对M0管子电流的快速检测。同时，增大I1和I2也可以提高响应速度。在一个例子中，M1和M0是同一个类型的管子，可以保证检测电流的准确性，对于工艺的波动不敏感。

图5是本发明的另一个实施例的高端电流检测的电路图。不同于图4的地方在于，在图5的运算放大器中M3和M4的连接方式不同。当然，也可以采用其它形式的运算放大器。

图7示意了嵌位电路的一个例子。如图7所示，高电平选择电路所选择出的高电平信号VSG作用在晶体管M2的栅极上。由此，在状态一时，虽然M2工作，但是其工作电流很小，对B点电压的影响很小。状态二时，由于M6关断，B点电压有下拉的趋势，M2则将B点电压嵌位在较高的电位。

图8示意了嵌位电路的另一个例子。高电平选择电路所选择出的高电平信号VSG作用在晶体管M2和M1的栅极上。由此，在状态二时，M2将B点电压嵌位在较高的电位。

本发明的电路可以用作为高端NMOS电流监测，应用在不同的电路中。由于精度高可以去掉修调焊盘(trimming PAD)，省出很多的面积，同时速度可以很快，可以满足频率在MHz量级的所有设计。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化。比如晶体管M2和M1都可以由电阻代替。或者，晶体管可以改换类型，NMOS管改用PMOS管，PMOS管由NMOS管代替。这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在本权利要求书的涵盖范围之内。

Claims

1.一种对待测晶体管的流过电流进行检测的高端电流检测电路，该电路工作在进行电流检测的第一状态和不检测电流的第二状态下，并且包括：

电压跟随电路，使得在第一状态下第一点(B)电压跟随第二点(SW)电压变化，其中第二点电压反映待测晶体管的流过电流；

电压-电流转换电路，在第一状态下将第一点电压转换为电流并且加以输出；

嵌位电路，在第二状态下将第一点电压嵌位在高于地电位的电压。

2.如权利要求1所述的高端电流检测电路，其中所述嵌位电路包括高电平选择电路(D0和M7)，其包括第一输入端、第二输入端和输出端；高电平选择电路的输出端连接在第二晶体管(M2)的栅极；高电平选择电路选择第一输入端和第二输入端上较高的电平，并且在该较高电平的控制下所述第二晶体管(M2)实现所述在第二状态下第一点(B)电压的嵌位。

3.如权利要求1所述的高端电流检测电路，其中嵌位电路是栅极和漏极相连的晶体管(M2)。

4.如权利要求1所述的高端电流检测电路，其中所述嵌位电路是由电阻实现。

5.如权利要求1所述的高端电流检测电路，其中所述电压-电流转换电路包括运算放大器，其负输入端和第一点相连，输出端和第五晶体管(M5)的栅极相连，第五晶体管的漏极和源极之一与运算放大器的正输入端相连，第五晶体管的漏极和源极之另一个提供所述输出电流。

6.如权利要求5所述的高端电流检测电路，其中运算放大器包括第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)，第三晶体管的源极作为运算放大器的负输入端，第三晶体管的漏极和栅极相连并且经第一电流源接地，第四晶体管的源极作为运算放大器的正输入端，第四晶体管的栅极和第三晶体管的栅极相连，第四晶体管的漏极经第二电流源接地，第四晶体管的漏极作为运算放大器的输出端，第一电流源和第二电流源是两个电流偏置。

7.如权利要求6所述的高端电流检测电路，其中第一电流源和第二电流源采用较大的电流，以提高响应速度。

8.如权利要求5所述的高端电流检测电路，其中运算放大器的负输入端上连接有第一晶体管(M1)。

9.如权利要求8所述的高端电流检测电路，其中，所述嵌位电路包括高电平选择电路(D0和M7)，其包括第一输入端、第二输入端和输出端；高电平选择电路的输出端连接在第一晶体管(M1)的栅极；高电平选择电路选择第一输入端和第二输入端上较高的电平，并且在该较高电平的控制下所述第一晶体管(M1)实现在第二状态下第三点(A)电压的嵌位。

10.如权利要求8所述的高端电流检测电路，其中第一晶体管采用和待测晶体管同类型的管子。

11.如权利要求10所述的高端电流检测电路，其中第一晶体管的尺寸是待测晶体管尺寸的K倍，K为整数。

12.如权利要求2或9所述的高端电流检测电路，其中所述高电平选择电路包括二极管，第七晶体管，二极管的正极和第七晶体管的栅极连接到所述高电平选择电路的第一输入端，二极管的负极和第七晶体管的源极连接到高电平选择电路的输出端，第七晶体管的漏极是所述第二输入端。

13.一种降压式变换电路，包括如权利要求1-11之一所述的高端电流检测电路。