CN107942120A - 电流检测电路和电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电流检测电路及电流检测方法，以解决现有技术中无损检测、较小PCB板面积和峰值电流可调三者不可兼得的问题。其中，电流检测电路包括：输入信号端和输出信号端，还包括输入电路和差分电流检测放大器，所述输入电路，包括两个MOS管，即第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管复用开关电源中的功率开关管，两个MOS管由同类型、同尺寸的若干个单位MOS管构成，若干单位MOS管通过并联和串联方式、依设定的电流衰减倍数形成不同的内阻值，分别为较小内阻值的第一MOS管和较大内阻值的第二MOS管；两个MOS管分别连接至差分电流检测放大器的两个输入端，两个MOS管的内阻作为采样电阻。

Description

电流检测电路和电流检测方法

技术领域

本发明涉及开关电源中的电流检测电路，特别是一种基于开关电源控制芯片内实现方案的电流检测电路以及电流检测方法。

背景技术

开关电源现有的电流检测分为片外实现和片内实现。片外实现是指控制芯片外接分立的功率开关管，一是在功率管源极串联分立电阻，开关电流转化为该电阻上的电压传送回芯片，这种方式受限于采样电阻本身的损耗，不利于电源效率的提升，且峰值电压也不能选择过高，导致检测电压的信噪比低，即易受外界干扰降低可靠性，检测电阻本身也会由于承受较大的功耗而容易烧毁失效；二是在功率管漏端串接电流互感器，使电感电流以固定比例衰减得到的电流降落在固定电阻上，生成检测电压传送回控制芯片，这种方式实现了无损检测，解决了采样电阻损耗大的缺点，并且检测精度高抗干扰能力强，但互感器本身成本昂贵且体积大占用较多PCB板面积，不利于电源功率密度的提升。

片内实现指的是在控制芯片U1内部集成了功率开关管M20，在功率管M20源极与地之间设计检测电阻来检测开关电流，目前通用的方式有两种，一是利用金属电阻Rm(如图1A)来做检测电阻，如图1A所示，控制芯片U1包括检测电路10和开关管的控制电路20，检测电路10采样功率管M20源极串联的金属电阻Rm的电流，将开关电流转化为该电阻Rm上的电压VCS传送回控制芯片U1。二是通过导通时功率开关管M20本身的(如图1B)内阻来做检测电阻，如图1B所示，控制芯片U2包括检测电路10和开关管的控制电路20，检测电路10采样功率管M20内阻的电流，将开关电流转化为该电阻上的电压VCS传送回控制芯片U2。这样由于金属电阻和工作在线性区的功率开关管本身的内阻都可做到很小的阻值，因此几乎没有功耗损失，效率很高，且设计在芯片内部，又隔离了外界对检测波形的干扰，也节约了封装引脚和PCB面板面积，但仍存在误差大的缺点。当前主流的BUCK和ACDC等开关电源的控制芯片中，常用的无损电流检测电路原理如图2所示，该方式的电流检测跨阻增益为：

设计时R₁、R₂和R₄阻值较大，可采用同一种工艺类型的高方阻值电阻，进行漂移抵消；因此检测电压Vcs就受到小检测电阻Rs的工艺漂移影响，即受功率开关管或金属电阻本身的版图匹配度、工艺偏差和芯片工作温度的影响，峰值电流最大值容易与设计值偏差，引起检测电流的误差，且最大峰值电流在控制芯片外部不可调控。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电流检测电路及电流检测方法，以解决现有技术中无损检测、较小PCB板面积和峰值电流可调三者不可兼得的问题，利用到功率管本身的内阻接收输入电流的同时又能使电流检测精度不受限于检测电阻本身的工艺漂移影响。

在本发明的一个方面，提供一种电流检测电路，用于检测流经开关电源的开关电流，该电流检测电路包括：输入信号端和输出信号端，还包括输入电路和差分电流检测放大器，所述输入电路，包括两个MOS管，即第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管复用开关电源中的功率开关管，两个MOS管由同类型、同尺寸的若干个单位MOS管构成，若干单位MOS管通过并联和串联方式、依设定的电流衰减倍数形成不同的内阻值，分别为较小内阻值的第一MOS管和较大内阻值的第二MOS管；两个MOS管分别连接至差分电流检测放大器的两个输入端，两个MOS管的内阻作为采样电阻；其中，在两个MOS管都工作在线性导通状态时，基于第一MOS管的导通电阻来接收检测的电流信号，产生反映实际电流的第一电流信号；并通过差分电流检测放大器使两个MOS管上的电压相等，以通过第二MOS管依电流衰减倍数产生衰减电流信号，再通过差分电流检测放大器将衰减电流信号镜像并输出至输出信号端，用以作为检测电流信号提供给检测电阻(Rcs)，在电流检测端(CS)生成电流检测压降信号。

优选地，所述输入电路的第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管的内阻值为N个单位MOS管的并联值，第二MOS管的内阻值为M个单位MOS管的串联值；所述输入电路的电流衰减倍数为M*N倍。

优选地，所述第二MOS管的M个串联的单位MOS管的衬底都接各自的源端电位。

优选地，所述输入电路的第一MOS管和第二MOS管，其栅极连接至相同的驱动信号，其源极均接地，第一MOS管的漏极连接至输入信号端，第一MOS管的漏极还引出作为输入电路的第一输出端；第二MOS管的漏极引出作为输入电路的第二输出端。

优选地，所述差分电流检测放大器包括依次连接的差分运放单元、误差抵消支路、调节支路和输出支路，以及与输入电路的第一输出端连接的第一输入端和与输入电路的第二输出端连接的第二输入端。

所述差分运放单元包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，以及构成差分输入晶体管对的第一晶体管和第三晶体管对、第二晶体管和第四晶体管对；第一支路，是包括由内部基准生成的第一恒流源的恒流电路，并通过第一晶体管与输入电路的第一输出端连接；第二支路，是与第四支路呈镜像关系的电流支路，并通过第二晶体管与输入电路的第二输出端连接；第三支路，是由第一恒流源镜像得到的电流支路，并通过第三晶体管与输入电路的第一输出端连接；第四支路，是与第二支路呈镜像关系的电流支路，同时与误差抵消支路相加后镜像等于第三支路电流，并通过第四晶体管与输入电路的第二输出端连接；所述误差抵消支路，是包括由内部基准生成的略小于第一恒流源的第二恒流源的恒流电路,用于抵消由偏置电流引入的衰减倍数计算偏差；所述调节支路，连接在差分电流检测放大器的第二输入端与差分运放单元的输出之间，用于实现差分电流检测放大器的第一输入端和第二输入端的电压动态相等；所述输出支路为镜像电流支路，用于输出经过比例衰减后的衰减电流信号。

所述第一支路，包括第一恒流源和第一场效应晶体管，第一恒流源由芯片内部的基准生成并镜像得到，所述第一恒流源的第一端接至电源电压，第二端与第一场效应晶体管漏极相连接，所述第一场效应晶体管的栅极与其漏极接在一起，所述第一场效应晶体管的源极连接至所述第一晶体管基极；所述第一晶体管的集电极与基极连接在一起，所述第一晶体管的发射极与第三晶体管发射极连接，共同作为差分电流检测放大器的第一输入端；

所述第二支路，由第二场效应晶体管和第五场效应晶体管组成，所述第五场效应晶体管源极接至电源电压，其栅极与漏极连接在一起并接至所述第二场效应晶体管的漏极，所述第二场效应晶体管的栅极与所述第一场效应晶体管的栅极连接，所述第二场效应晶体管的源极连接至所述第二晶体管集电极；所述第二晶体管的基极连接至所述第一晶体管的基极，所述第二晶体管的发射极与第四晶体管发射极连接，共同作为差分电流检测放大器的第二输入端；

所述第三支路，由第三场效应晶体管和第六场效应晶体管组成，所述第六场效应晶体管源极接至电源电压，其栅极与漏极连接在一起并接至所述第三场效应晶体管的漏极，所述第三场效应晶体管的栅极与所述第一场效应晶体管的栅极连接，所述第三场效应晶体管的源极连接至所述第三晶体管集电极；所述第三晶体管的基极连接至所述第一晶体管的基极，所述第三晶体管的发射极与第一晶体管发射极连接，共同作为差分电流检测放大器的第一输入端；

所述第四支路，由第四场效应晶体管和第七场效应晶体管组成，所述第七场效应晶体管源极接至电源电压，其栅极与所述第六场效应晶体管的栅极连接，所述第七场效应晶体管漏极接至所述第四场效应晶体管的漏极，所述第四场效应晶体管的栅极与所述第一场效应晶体管的栅极连接，所述第四场效应晶体管的源极连接至所述第四晶体管集电极；所述第四晶体管的基极连接至所述第一晶体管的基极，所述第四晶体管的发射极与第二晶体管发射极连接，共同作为差分电流检测放大器的第二输入端。

所述误差抵消支路，由控制芯片内部的基准生成的恒定电流支路构成，是包括由内部基准生成的略小于第一恒流源的第二恒流源的电流支路,所述第二恒流源的第一端接至所述第四场效应晶体管的漏极，其第二端接地。

优选地，所述误差抵消支路中第二恒流源的电流大小应略小于第一恒流源，以抵消由偏置电流引入的衰减倍数计算偏差。

所述调节支路，由第八、第九场效应晶体管构成，所述第八场效应晶体管的源极连接至电源电压，其栅极与所述第七场效应晶体管的漏极连接，其漏极与所述第九场效应晶体管的漏极相连；所述第九场效应晶体管栅极与所述第四场效应晶体管栅极连接，而第九场效应晶体管源极与所述第四晶体管的发射极相连，共同作为差分电流检测放大器的第二输入端。

所述输出支路为镜像电流支路，由第十、第十一场效应晶体管构成，所述第十场效应晶体管的栅极和源极分别与所述第八场效应晶体管的栅极和源极连接，所述第十场效应晶体管的漏极与所述第十一场效应晶体管的漏极连接，所述第十一场效应晶体管栅极与所述第四场效应晶体管栅极连接，而第十一场效应晶体管源极与外部电阻相连，作为整个电流检测电路的输出端。

如上所述，本发明所提供的电流检测电路，是一种基于芯片内实现方案的MOS管导通电阻采样的电流检测电路，用于检测流经开关电源的开关电流。本发明的输入电路包括功率开关管(即第一检测MOS管，也可简称为第一MOS管)和第二检测MOS管(也可简称为第二MOS管)，其中，输入信号端，与开关电源中输入电压相连，并连接至功率开关管的漏端，作为所述差分电流检测放大器的第一输入端；功率开关管，栅极接控制芯片生成的开关管控制信号，源端接控制地，其漏端上的电压即为第一电流检测信号；第二检测MOS管，栅极接控制芯片生成的开关管控制信号，源端接控制地，漏端接至所述差分电流放大器的第二输入端，其漏端电压即为第二电流检测信号。所述功率开关管和第二检测MOS管应设置为基于宽长比一致的单位MOS管来设计，其中所述功率开关管本身为若干个单位MOS管的并联，所述第二检测MOS管为若干个单位MOS管的串联，用于接收电流信号降落在检测MOS管的内阻上，以获取表征开关电流情况的电压信号，并利用同类型的MOS管导通电阻相比抵消工艺偏差，实现开关电流的精确比例衰减。所述差分电流检测放大器包括差分运放单元、误差抵消支路、调节支路以及输出支路，其中，差分运放单元的结构不限定为对称结构，分别耦接至功率开关管的漏端和第二检测MOS管的漏端，以接收流经功率开关管和第二电流检测MOS管的电流信号。差分电流检测放大器的调节支路使差分运放单元两个检测MOS管内阻上的电压相等，即让差分运放单元的两个输入端的电压相等。如此，本发明电路即可生成与实际开关电流成衰减比例的衰减电流信号，以及将衰减后的衰减电流信号镜像并输出，即提供能够表征输入开关电流大小的衰减电流信号作为检测电流信号输出。

在本发明的又一个方面，提供一种电流检测方法，用于检测流经开关电源的开关电流，该电流检测方法包括：采样步骤，输入信号端接收检测的电流信号并降落在第一MOS管上，产生反映实际电流的第一电流信号；并通过差分电流检测放大器使两个MOS管上的电压相等，以通过第二MOS管依电流衰减倍数产生衰减电流信号；镜像输出步骤，通过差分电流检测放大器将衰减电流信号镜像并输出至输出信号端，用以提供给检测电阻(Rcs)，以在电流检测端(CS)生成电流检测压降信号；其中，两个MOS管是由同类型、同尺寸的若干个单位MOS管构成，第一MOS管的内阻值为N个单位MOS管的并联值，第二MOS管的内阻值为M个单位MOS管的串联值；所述电流衰减倍数为M*N倍。

本发明所提供的电流检测方法，是一种基于MOS管导通电阻采样的电流检测方法，当控制芯片对开关管的控制信号为高电平时，功率开关管和第二检测MOS管都工作在线性区导通状态，基于功率开关管的导通电阻来接收开关电源的电流信号，而第二检测MOS管与功率开关管的线性区内阻形成比值，将输入电流以该比值进行衰减。所述功率开关管和第二检测MOS管应设置为基于宽长比一致的单位MOS管来设计，其中所述功率开关管本身为若干个单位MOS管的并联，所述第二检测MOS管为若干个单位MOS管的串联；差分电流检测放大器，通过调节支路使两个检测MOS管漏端的电压相等，生成与开关电流成衰减比例的检测电流；以及将衰减后的检测电流镜像并输出，即提供能够表征输入开关电流大小的检测电流信号。

附图说明

为了更好地理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：

图1A为现有技术一的电流检测电路应用于开关电源的电路原理框图；

图1B为现有技术二的电流检测电路应用于开关电源的电路原理框图；

图2为现有技术二常用的电流检测电路的电路原理图；

图3为本发明实施例的电流检测电路应用在开关电源中的电路原理框图；

图4为本发明实施例的电流检测电路的电路原理图；

图5为本发明实施例的电流检测电路中各检测MOS管的若干个单位MOS管的连接细节示意图；

图6为发明实施例的电流检测电路在开关电源***中的工作波形图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不局限于这些实施例。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员来说没有这部分细节的描述也可以完全理解本发明，为避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、元件和电路不再赘述。

图3为本发明实施例的电流检测电路的开关电源应用示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明创新相关的部分。作为本发明的实施例之一，该开关电源包括功率开关控制芯片U20以及变压器A1、二极管D1、电容C1、电阻R1和电阻Rcs1。

所述开关电源的功率开关控制芯片U20，为集成芯片，包含了开关管漏极引脚Drain、电流检测引脚CS和接地引脚GND。

所述开关电源的输入端VIN与变压器A1的原边绕组NP的同名端连接，变压器A1原边绕组NP的异名端与功率开关控制芯片U20的Drain引脚相连，变压器A1副边绕组NS的同名端与续流二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与输出电容C1一端和输出电阻R1一端一起相连，电容C1和电阻R1的另一端与副边绕组NS的异名端均接地。

所述功率开关控制芯片U20由电流检测电路100和控制电路200构成，控制电路200能够利用采样到的输出电压和电感电流信号实现电流型环路的控制，生成功率开关管MNp的栅极信号GATE，以控制电流检测电路100中功率开关管MNp的开关频率和导通占空比。

所述电流检测电路100包括输入信号端IIN、输出信号端IOUT、驱动信号输入端GATE和接地端GND，所述电流检测电路100的输入端IIN与功率开关控制芯片U20的Drain引脚相连，接收需要采样的输入电感电流，经过内部差分电流检测放大电路的运算处理后，输出等比例衰减的采样电流信号Iout，所述电流检测电路100的接地引脚GND接地。

所述电流检测电路100的输出信号端IOUT与芯片***的可调节大小的电流检测电阻Rcs1一端连接，所述电流检测电阻Rcs1的另一端接地；芯片内部也可设计一个精度较高的电流检测电阻Rcs2，则电流检测电路100的输出信号端IOUT与芯片内部固定阻值的电流检测电阻Rcs2一端连接，所述电流检测电阻Rcs2的另一端接地。

图4所示为本发明实施例的电流检测电路100的电路结构图，如图4所示，本发明实施例的电流检测电路100包括输入信号端IIN、输出信号端IOUT、驱动信号输入端GATE和接地端GND，还包括输入电路11和差分电流检测放大器12，其中：

输入电路11包括功率开关管(即第一检测MOS管)MNp和第二检测MOS管MNs，其中所述输入信号端IIN，用于与开关电源中输入电压相连，并连接至功率开关管MNp的漏端，功率开关管MNp的漏端还引出作为输入电路11的第一输出端，用以接至差分电流放大器的第一输入端Va；功率开关管MNp的栅端接收控制芯片生成的开关管控制信号GATE，功率开关管MNp的源端接地GND；第二检测MOS管的漏端引出作为输入电路11的第二输出端，用以接至差分电流放大器的第二输入端Vb，第二检测MOS管的栅端接收控制芯片生成的开关管控制信号GATE，第二检测MOS管的源端接地GND。

输入电路11用于接收开关电源中待检测的电流信号Iin并降落在功率开关管MNp的内阻上，以产生反映实际电流的第一电流信号，获取表征实际开关电流情况的电压信号VA，并利用同类型的MOS管导通电阻相比抵消工艺偏差，实现开关电流的精确比例衰减。所述功率开关管和第二检测MOS管应设置为基于宽长比一致的单位MOS管来设计，其中所述功率开关管本身为N个单位MOS管的并联，其线性区内阻的阻值可低至10-100毫欧级别；所述第二检测MOS管为M个单位MOS管的串联；其线性区内阻的阻值约为10欧级别；那么经过差分电流检测放大器12后得到的检测电流信号Iout与开关电流Iin的比值关系为：

即所述电流检测电路的电流衰减倍数A为M*N倍。

差分电流检测放大器12，包括差分运放单元120、误差抵消支路126、调节支路127以及输出支路129。其中：

所述差分运放单元121，包括第一输入端Va和第二输入端Vb，第一支路121、第二支路122、第三支路123和第四支路124，以及构成差分输入晶体管对的第一晶体管Q1和第三晶体管Q3、第二晶体管Q2和第四晶体管Q4。第一输入端Va和第二输入端Vb分别耦接至功率开关管MNp的漏端和第二检测MOS管的漏端，以接收第一电流检测信号(即反映实际电流大小的信号)和第二电流检测信号(即衰减电流信号)。

第一支路121，是包括由内部基准生成的第一恒流源I1的恒流电路，并通过第一晶体管Q1与输入电路11的第一输出端连接。第一支路121，包括第一恒流源I1和第一场效应晶体管M1，所述第一恒流源I1，由芯片内部的基准生成并镜像得到，所述第一恒流源I1的第一端接至电源电压端VCC，第一恒流源I1的第二端与第一场效应晶体管M1漏极相连接，所述第一场效应晶体管M1的栅极与其漏极接在一起，所述第一场效应晶体管M1的源极连接至所述第一晶体管Q1的基极；所述第一晶体管Q1的集电极与基极连接在一起，所述第一晶体管Q1的发射极与第三晶体管Q3发射极连接，并引出作为差分电流检测放大器12的第一输入端Va，用于与输入电路11的第一输出端连接。

第二支路122，是与第四支路124呈镜像关系的恒流支路，并通过第二晶体管Q2与输入电路11的第二输出端连接。所述第二支路122，由第二场效应晶体管M2和第五场效应晶体管M5组成，所述第五场效应晶体管M5源极接至电源电压VCC，其栅极与漏极连接在一起并接至所述第二场效应晶体管M2的漏极，所述第二场效应晶体管M2的栅极与所述第一场效应晶体管M1的栅极连接，所述第二场效应晶体管M2的源极连接至所述第二晶体管Q2集电极；所述第二晶体管Q2的基极连接至所述第一晶体管Q1的基极，所述第二晶体管Q2的发射极与第四晶体管Q4发射极连接，并引出作为差分电流检测放大器12的第二输入端Vb，用于与输入电路11的第二输出端连接。

第三支路123，是由第一恒流源I1镜像得到的恒流电路，并通过第三晶体管Q3与输入电路的第一输出端连接。所述第三支路123，由第三场效应晶体管M3和第六场效应晶体管M6组成，所述第六场效应晶体管M6源极接至电源电压VCC，其栅极与漏极连接在一起并接至所述第三场效应晶体管M3的漏极，所述第三场效应晶体管M3的栅极与所述第一场效应晶体管M1的栅极连接，所述第三场效应晶体管M3的源极连接至所述第三晶体管Q3集电极；所述第三晶体管Q3的基极连接至所述第一晶体管Q1的基极，所述第三晶体管Q3的发射极与第一晶体管Q1发射极连接，用以共同作为差分电流检测放大器12的第一输入端Va，以与输入电路11的第一输出端连接。

其中第一晶体管Q1与第三晶体管Q3组成了电流镜，使得第三支路电流I3与第一支路电流I1的关系为：

I3＝I1......(2)

第四支路124，是与第二支路122呈镜像关系的恒流支路，同时与误差抵消支路126相加后镜像等于第三支路电流I3，并通过第四晶体管Q4与输入电路的第二输出端连接。所述第四支路124，由第四场效应晶体管M4和第七场效应晶体管M7组成，所述第七场效应晶体管M7源极接至电源电压VCC，其栅极与所述第六场效应晶体管M6的栅极连接，所述第七场效应晶体管M7漏极接至所述第四场效应晶体管M4的漏极，第七场效应晶体管M7漏极还作为差分运放单元120的输出；所述第四场效应晶体管M4的栅极与所述第一场效应晶体管M1的栅极连接，所述第四场效应晶体管M4的源极连接至所述第四晶体管Q4集电极；所述第四晶体管Q4的基极连接至所述第一晶体管Q1的基极，所述第四晶体管Q4的发射极与第二晶体管Q2发射极连接，用以共同作为差分电流检测放大器12的第二输入端Vb，以与输入电路11的第二输出端连接。

其中第二晶体管Q2与第四晶体管Q4组成了电流镜，使得第四支路电流I4与第二支路电流I2的关系为：

I4＝I2......(3)

所述误差抵消支路126，是包括由芯片内部的基准生成并镜像得到的略小于第一恒流源的第二恒流源I5的恒定电流支路，连接在差分运放单元120的输出。所述第二恒流源I5的第一端接至所述第四场效应晶体管M4的漏极，其第二端接地GND。由第六场效应晶体管M6与第七场效应晶体管M7的镜像关系以及第四场效应晶体管M4漏极的节点电流方程可得：

I4+I5＝I3......(4)

所述误差抵消支路123中第二恒流源I5的电流大小应接近于所述第一恒流源I1的电流值，以抵消由第一恒流源I1的偏置电流引入的衰减倍数A的误差；即：

I5≈I1......(5)

注意第二恒流源I5须略小于第一恒流源I1，以保证第二支路电流I2允许第二和第四支路的晶体管都工作在饱和区。

调节支路127，连接在差分电流检测放大器的第二输入端Vb与差分运放单元120的输出之间，以在差分运放单元120的输入输出之间连接成反馈的形式，用于实现差分运放单元120的第一输入端Va和第二输入端Vb的电压动态相等。所述调节支路127，由第八、第九场效应晶体管M8和M9构成，生成调节支路电流I6，所述第八场效应晶体管M8的源极连接至电源电压VCC，其栅极与所述第七场效应晶体管M7的漏极连接，其漏极与所述第九场效应晶体管M9的漏极相连；所述第九场效应晶体管M9栅极与所述第四场效应晶体管M4的栅极连接，而第九场效应晶体管M9的源极与所述第四晶体管Q4的发射极相连，共同作为差分电流检测放大器12的第二输入端Vb。

通过调节支路127的作用使差分运放单元120两个输入端Va、Vb上的电压VA与VB相等，由电路原理可知：

VA＝(Iin+I1+I3)*R_{MNP_on}……(6)

VB＝(I2+I4+I6)*R_{MNs_on}……(7)

VA＝VB……(8)

所述输出支路129为镜像电流支路，连接在差分运放单元120的输出，作为差分电流检测放大器12的末级电路，用于输出经过比例衰减后能表征开关电流的检测电流信号Iout。输出支路129由第十、第十一场效应晶体管M10和M11构成，所述第十场效应晶体管M10的栅极和源极分别与所述第八场效应晶体管M8的栅极和源极连接，所述第十场效应晶体管M10的漏极与所述第十一场效应晶体管M11的漏极连接，所述第十一场效应晶体管M11栅极与所述第四场效应晶体管M4栅极连接，而第十一场效应晶体管M11源极引出作为电流检测电路的输出信号端IOUT，作为整个电流检测电路的输出端输出检测电流信号Iout，用于与外部检测电阻相连。其中所述场效应晶体管M10和M8栅极和源极电压分别连接于同一节点，且设计尺寸相等，因此二者所在的支路电流相等，即：

Iout＝16......(9)

由(2)～(9)整理得到：

其中由于输入电流Iin一般为安培级别的电流，而恒流源为微安级别，所以上式分母中的2*I1可被忽略，分子中衰减得到的Iout一般为毫安级别，偏置电流源I1与I5均为微安级别，且I5被设计为略小于I1的电流值，也最大程度的减小了恒流偏置对衰减倍数的影响。(10)式的推导成立验证了设计原理(1)式的正确性。即由同类型、同尺寸的若干单位金属电阻构成的两个采样电阻Rp、Rs，可相互抵消采样电阻的工艺偏差和温漂系数对检测衰减倍数的影响，消除了采样电流受电阻本身工艺温度特性的影响因素，保证了电流检测衰减倍数的准确性、高精度和可靠性。由此本发明解决了现有技术中无损检测、较小PCB板面积和峰值电流可调三者不可兼得的问题，并且该电流检测方法的检测精度与采样电阻本身工艺温度特性无关，实现了高准确、高精度、可靠地提供能够表征输入开关电流大小的检测电流信号的检测目的。

图5为本发明实施例的电流检测电路中功率MOS管的若干个单位MOS管的连接细节示意图。输入电路11部分中，所述功率开关管MNp和第二检测MOS管MNs是基于宽长比一致的单位MOS管来设计的，所述功率开关管(即第一检测MOS管)MNp由N个单位MOS管并联组成。所述输入信号端IIN，与开关电源中输入电压相连，并连接至单位MOS管MNp1，MNp2……MNpn的漏端，还引出作为输入电路11的第一输出端，用以接至所述差分电流放大器的第一输入端Va；单位MOS管MNp1，MNp2……MNpn的栅端都接在一起，接收控制芯片生成的开关管控制信号GATE；单位MOS管MNp1，MNp2……MNpn的源端一起接地GND。所述第二检测MOS管MNs由M个单位MOS管串联组成，其中单位MOS管MNs1的源端接地GND，其漏端与单位MOS管MNs2的源端连接，单位MOS管MNs2的漏端又与单位MOS管MNs3的源端连接……单位MOS管MNs(m-1)的漏端与单位MOS管MNsm的源端连接，最终单位MOS管MNsm的漏端引出输入电路11的第二输出端，用以连接至所述差分电流放大器的第二输入端Vb；单位MOS管MNs1，MNs2……MNsm的栅端都接在一起，接收控制芯片生成的开关管控制信号GATE。

为防止偏置效应引起误差，优选地，将第二检测MOS管MNs的M个串联的单位MOS管的衬底都接各自的源端电位。

下面对基于上述电路的本发明优选实施例的实施方法进行描述和说明。

图6为发明实施例的电流检测电路在开关电源***中的工作波形图。此处以DCM(断续)工作模式为例，但应当注意本发明对CCM(连续)模式下的电流检测具有同样的效果。

在t1时间段内，GATE信号为低电平控制功率开关管关断，此期间开关管的漏端Drain(即电流检测电路的输入信号端IIN)经变压器的原边电感接至输入电压VIN，因此开关管的漏端Drain呈现出与输入电压相等的高压波形，变压器的副边电感开始去磁，副边电流Is逐渐由峰值电流Ispk下降至0。进入t2时间段，此阶段副边电流已降至0，但功率开关管尚未开启，其开关管的漏端Drain端电压在漏感的充放电作用下呈现高压振铃波形，因此也称为断续模式的振铃阶段。t1和t2时间段内原边流入电流检测电路的电流Iin由于功率开关管的关断都为0，且电流检测引脚CS上的压降VCS也为0；直到功率开关管开启，进入t3阶段，原边绕组激磁，原边电流Iin将逐渐上升至Ipk；经过电流检测电路100的衰减作用，生成图6中的输出信号端IOUT的波形，即Iin衰减M*N倍后的电流，假设取功率开关管MNp的内阻值R_{MNP_on}为30个单位MOS管的并联值，取第二检测管MNs的内阻值R_{MNS_on}为30个单位MOS管的串联值，则经过所述电流检测电路后得到的衰减后的检测电流Iout为输入电感电流的1/900；最终该输出电流Iout降落在芯片外部的检测电阻上生成VCS电压，供内部电流环电路采用去控制环路。VCS电压的大小等于Rcs*Ipk/(M*N)，对应图5所示电流检测电路100的输出信号端IOUT与芯片***可调节大小的检测电阻的两种外接应用方案，则VCS电压的大小也对应有两种计算方式，即Rcs1*Ipk/(M*N)、Rcs2*Ipk/(M*N)。

本发明的有益效果：

为解决现有技术中无损检测、较小PCB板成本和峰值电流可调三者不可兼得的问题，采用本发明优选实施例提供的上述电路。与现有技术相比，1)主功率回路上接收开关电流的是若干个单位功率开关管本身的线性区导通电阻并联，阻值低至10毫欧到1欧(10mΩ-1Ω)级别，即便输入的电流有安培(A)级别，在此并联金属电阻上的损耗也会很小，相当于实现了无损检测；2)电路中的两个检测MOS管是由同类型、同宽长比的单位MOS管分别进行并联和串联得到，绘制版图时注意二者的匹配，则可抵消MOS管线性区电阻的工艺偏差和温漂系数对检测衰减倍数的影响，做到了让检测电流不受检测MOS管本身工艺温度特性的影响，保证了电流检测衰减倍数的准确性、高精度和可靠性；3)经本发明电流检测电路衰减后得到的电流检测信号只需在芯片外部接检测电阻，即可实现峰值电压可调，由于输出电流已确定，该检测电阻取值在保证芯片内部MOS管工作在饱和区的前提下可适当取大(一般为kΩ级别)，则可得到较大的峰值电压值，提高了轻载下检测信号的信噪比，增强了检测的抗干扰能力；4)本发明优选实施例提供的上述电路可集成在CMOS工艺的芯片中，既可以集成在控制芯片内部，也可以独立做成取代互感器的芯片供***应用，节约了PCB布板面积和封装引脚，使得整个开关电源成本低，体积小，有利于其功率密度的提升。

Claims (11)

1.一种电流检测电路，用于检测开关电源中的电流，其特征在于，包括：

输入信号端和输出信号端，还包括输入电路和差分电流检测放大器，

所述输入电路，包括两个MOS管，即第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管复用开关电源中的功率开关管，两个MOS管由同类型、同尺寸的若干个单位MOS管构成，若干单位MOS管通过并联和串联方式、依设定的电流衰减倍数形成不同的内阻值，分别为较小内阻值的第一MOS管和较大内阻值的第二MOS管；两个MOS管分别连接至差分电流检测放大器的两个输入端，两个MOS管的内阻作为采样电阻；其中，

在两个MOS管都工作在线性导通状态时，基于第一MOS管的导通电阻来接收检测的电流信号，产生反映实际电流的第一电流信号；并通过差分电流检测放大器使两个MOS管上的电压相等，以通过第二MOS管依电流衰减倍数产生衰减电流信号，再通过差分电流检测放大器将衰减电流信号镜像并输出至输出信号端。

2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于：所述输入电路的第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管的内阻值为N个单位MOS管内阻的并联值，第二MOS管的内阻值为M个单位MOS管内阻的串联值；所述输入电路的电流衰减倍数为M*N倍。

3.根据权利要求2所述的电流检测电路，其特征在于：所述第二MOS管的M个串联的单位MOS管的衬底都接各自的源端电位。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电流检测电路，其特征在于：所述输入电路的第一MOS管和第二MOS管，其栅极连接至相同的驱动信号，其源极均接地，第一MOS管的漏极连接至输入信号端，第一MOS管的漏极还引出作为输入电路的第一输出端；第二MOS管的漏极引出作为输入电路的第二输出端。

5.根据权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于：所述差分电流检测放大器，包括依次连接的差分运放单元、误差抵消支路、调节支路和输出支路，以及与输入电路的第一输出端连接的第一输入端和与输入电路的第二输出端连接的第二输入端，其中，

差分运放单元包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，以及构成差分输入晶体管对的第一晶体管和第三晶体管对、第二晶体管和第四晶体管对；

第一支路，是包括由内部基准生成的第一恒流源的恒流电路，并通过第一晶体管与输入电路的第一输出端连接；

第二支路，是与第四支路呈镜像关系的电流支路，并通过第二晶体管与输入电路的第二输出端连接；

第三支路，是由第一恒流源镜像得到的电流支路，并通过第三晶体管与输入电路的第一输出端连接；

第四支路，是与第二支路呈镜像关系的电流支路，同时与误差抵消支路相加后镜像等于第三支路电流，并通过第四晶体管与输入电路的第二输出端连接；

所述误差抵消支路，是包括由内部基准生成的略小于第一恒流源的第二恒流源的电流支路；

所述调节支路，连接在差分电流检测放大器的第二输入端与差分运放单元的输出之间；

所述输出支路为镜像电流支路，用于输出经过比例衰减后的衰减电流信号。

6.根据权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于：所述第一支路，包括第一恒流源和第一场效应晶体管，第一恒流源的第一端接至电源电压，第一恒流源的第二端与第一场效应晶体管漏极相连接，第一场效应晶体管的栅极与其漏极接在一起，第一场效应晶体管的源极连接至第一晶体管基极；第一晶体管的集电极与基极连接在一起，第一晶体管的发射极与第三晶体管发射极连接，并引出作为差分电流检测放大器的第一输入端；

所述第二支路，由第二场效应晶体管和第五场效应晶体管组成，第五场效应晶体管源极接至电源电压，第五场效应晶体管栅极与漏极连接在一起并接至第二场效应晶体管的漏极，第二场效应晶体管的栅极与第一场效应晶体管的栅极连接，第二场效应晶体管的源极连接至第二晶体管集电极；第二晶体管的基极连接至第一晶体管的基极，第二晶体管的发射极与第四晶体管发射极连接，并引出作为差分电流检测放大器的第二输入端；

所述第三支路，由第三场效应晶体管和第六场效应晶体管组成，第六场效应晶体管源极接至电源电压，第六场效应晶体管栅极与漏极连接在一起并接至第三场效应晶体管的漏极，第三场效应晶体管的栅极与第一场效应晶体管的栅极连接，第三场效应晶体管的源极连接至第三晶体管集电极；第三晶体管的基极连接至第一晶体管的基极，第三晶体管的发射极与第一晶体管发射极连接；

所述第四支路，由第四场效应晶体管和第七场效应晶体管组成，第七场效应晶体管源极接至电源电压，第七场效应晶体管栅极与第六场效应晶体管的栅极连接，第七场效应晶体管漏极接至第四场效应晶体管的漏极，第四场效应晶体管的栅极与第一场效应晶体管的栅极连接，第四场效应晶体管的源极连接至第四晶体管集电极；第四晶体管的基极连接至第一晶体管的基极，第四晶体管的发射极与第二晶体管发射极连接，共同作为差分电流检测放大器的第二输入端。

7.根据权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于：所述误差抵消支路，包括第二恒流源，第二恒流源的第一端接至第四场效应晶体管的漏极，第二恒流源的第二端接地。

8.根据权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于：所述调节支路，由第八场效应晶体管和第九场效应晶体管构成，第八场效应晶体管的源极连接至电源电压，第八场效应晶体管的栅极与第七场效应晶体管的漏极连接，第八场效应晶体管的漏极与第九场效应晶体管的漏极相连；第九场效应晶体管栅极与第四场效应晶体管栅极连接，而第九场效应晶体管源极与第四晶体管的发射极相连。

9.根据权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于：所述输出支路，由第十场效应晶体管和第十一场效应晶体管构成，第十场效应晶体管的栅极和源极分别与第八场效应晶体管的栅极和源极连接，第十场效应晶体管的漏极与第十一场效应晶体管的漏极连接，第十一场效应晶体管栅极与第四场效应晶体管栅极连接，而第十一场效应晶体管源极引出作为电流检测电路的输出端。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的电流检测电路，其特征在于：还包括第一检测电阻，第一检测电阻的一端与电流检测电路的输出信号端连接，并引出作为电流检测端；第一检测电阻的另一端接地。

11.一种电流检测方法，用于检测开关电源中的电流，包括如下步骤：

采样步骤，输入信号端接收检测的电流信号并降落在第一MOS管上，产生反映实际电流的第一电流信号；并通过差分电流检测放大器使两个MOS管上的电压相等，以通过第二MOS管依电流衰减倍数产生衰减电流信号；

镜像输出步骤，通过差分电流检测放大器将衰减电流信号镜像并输出至输出信号端；

其中，两个MOS管是由同类型、同尺寸的若干个单位MOS管构成，第一MOS管的内阻值为N个单位MOS管的并联值，第二MOS管的内阻值为M个单位MOS管的串联值；所述电流衰减倍数为M*N倍。