CN108362929B - 双路正端电流采样模块、采样电路、开关电路及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双路正端电流采样模块，包括：电阻R5的一端接PMOS管MP1的源极、PMOS管MP4的源极、PMOS管MP5的源极；电阻R6的一端接PMOS管MP2的源极；电阻R7的一端接PMOS管MP3的源极；PMOS管MP1的栅极连接PMOS管MP2的栅极、PMOS管MP3的栅极以及MP1的漏极；PMOS管MP1的漏极通过电流源IS1接芯片地，PMOS管MP2的漏极通过电流源IS2接芯片地，PMOS管MP3的漏极通过电流源IS2接芯片地；PMOS管MP4的栅极接PMOS管MP2的漏极，PMOS管MP5的栅极接PMOS管MP3的漏极；PMOS管MP4和MP5的漏极接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接芯片地；电阻R8的一端用于输出电压反馈信号V_SEN。本发明实现了双路高精度电流采样。

Description

双路正端电流采样模块、采样电路、开关电路及采样方法

技术领域

本发明涉及电源集成电路技术领域，尤其是一种应用于开关型调节器的高精度双路正端电流采样控制电路。

背景技术

电源变换器被广泛的用于各种电子设备中，它的作用就是将电源从一种形式变换到另一种形式。电源变换器主要由功率级电路和控制环路组成。控制环路是在输入电压和外接负载变化时，通过调节功率级电路中的开关管和整流管的导通和关断时间，使电源变换器的输出电压或者输出电流保持稳定。因此能否对负载电流进行精准采样十分重要，现在的电流采样技术主要是测试采样电阻两端的电压差，采样电阻可以是功率管本身的导通电阻或者是分离的高精度电阻，由于功率管本身的导通电阻波动较大，所以在很多精度要求较高的场合通常选取分离的高精度电阻作为采样电阻。为了减小采样电阻上产生的功耗，其阻值一般都取得很小，例如20毫欧，因此采样电阻两端的压差也很小，所以电源芯片内部需要设计高精度的放大器才能提高采样精度。同时如何解决宽范围共模电压条件下的精准采样也是一个难题。随着现在应用环境和安规要求越来越复杂，一颗芯片可以同时拥有两路甚至更多路的输出，如何解决对多路输出实现较宽共模电压条件下的精准采样已经越来越成为一件急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种双路正端电流采样模块，以及基于双路正端电流采样模块的双路正端电流采样电路、开关电路，以解决现有技术中采样电路结构复杂，精度较低，同时无法保证各输出支路电流采样一致性的问题。本发明采用的技术方案是：

一种双路正端电流采样模块，包括：阻值相同的电阻R5、R6、R7，相同的PMOS管MP1、MP2、MP3，相同的PMOS管MP4和MP5，电阻R8，电流相等的电流源IS1、IS2、IS3；

电阻R5的一端接PMOS管MP1的源极、PMOS管MP4的源极、PMOS管MP5的源极；电阻R6的一端接PMOS管MP2的源极；电阻R7的一端接PMOS管MP3的源极；PMOS管MP1的栅极连接PMOS管MP2的栅极、PMOS管MP3的栅极以及MP1的漏极；PMOS管MP1的漏极通过电流源IS1接芯片地，PMOS管MP2的漏极通过电流源IS2接芯片地，PMOS管MP3的漏极通过电流源IS2接芯片地；PMOS管MP4的栅极接PMOS管MP2的漏极，PMOS管MP5的栅极接PMOS管MP3的漏极；PMOS管MP4和MP5的漏极接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接芯片地；电阻R8的一端用于输出电压反馈信号V_SEN。

进一步地，PMOS管MP1、MP2、MP3为低压PMOS管。

进一步地，PMOS管MP4和MP5为薄栅氧高压PMOS管。

进一步地，PMOS管MP1、MP2、MP3的栅长为5μm以上。

进一步地，PMOS管MP1、MP2、MP3的栅宽为5μm以上。

一种双路正端电流采样电路，包括第一输出支路、第二输出支路，以及上述的双路正端电流采样模块；第一输出支路包括采样电阻R1和负载R4，第二输出支路包括采样电阻R2和负载R3；

采样电阻R1和R2的一端连接在一起，并连接电阻R5的另一端，采样电阻R1和R2相连接的一端为采样电阻公共端；采样电阻R2的另一端连接电阻R6的另一端和负载R3的一端；采样电阻R1的另一端连接电阻R7的另一端和负载R4的一端；负载R3和R4的另一端接地，双路正端电流采样模块的芯片地也接地。

一种开关电路，包括：开关管M1、整流管M2、电感L，输出电容Cout、如权利要求1～5中任一项所述的双路正端电流采样模块、采样电阻R1、R2、反馈电阻R23、R24、负载R3、R4、驱动电路、RS触发器、PWM比较器、运算放大器、电平选择电路；

开关管M1的漏极接输入电压信号V_IN，栅极接驱动电路的一个输出端，驱动电路的另一个输出端接整流管M2的栅极；整流管M2的源极接地；开关管M1的源极接整流管M2的漏极以及电感L的一端，电感L的另一端接输出电容Cout的一端，以及采样电阻R1和R2的一端；输出电容Cout的另一端接地；双路正端电流采样模块中电阻R5的另一端接采样电阻R1和R2的一端，双路正端电流采样模块中电阻R6的另一端接采样电阻R2的另一端，双路正端电流采样模块中电阻R7的另一端接采样电阻R1的另一端；采样电阻R1的另一端通过负载R4接地；采样电阻R2的另一端接反馈电阻R23的一端并通过负载R3接地；反馈电阻R23的另一端通过反馈电阻R24接地；双路正端电流采样模块的芯片地接地；

从双路正端电流采样模块获得的电压反馈信号V_SEN和从反馈电阻R23、R24连接节点获得的电压反馈信号V_FB分别输入电平选择电路，电平选择电路通过比较电压反馈信号V_SEN和V_FB的大小，将V_SEN和V_FB中较大的那个信号传递给运算放大器的反相输入端；运算放大器的同相输入端接参考电压V_REF；运算放大器的输出端接PWM比较器的反相输入端，PWM比较器的同相输入端接三角波信号V_ramp；PWM比较器的输出端接RS触发器的R端，RS触发器的S端接脉冲信号V_pulse；RS触发器的Q端接驱动电路的输入端。

进一步地，运算放大器的输出端还通过串联的补偿电阻R25和补偿电容C21接地。

进一步地，开关管M1、整流管M2为NMOS管。

一种电流采样方法，包括：

设置两个输出支路，包括第一输出支路、第二输出支路；第一输出支路包括串联的采样电阻R1和负载R4，第二输出支路包括串联的采样电阻R2和负载R3；采样电阻R1和R2的一端连接在一起作为采样电阻公共端；

检测采样电阻公共端的正端电压，以获得表征输出电流信息的正端电压反馈信号；

检测第一输出支路中采样电阻的负端电压，以获得表征第一输出支路输出电流信息的负端电压反馈信号；

检测第二输出支路中采样电阻的负端电压，以获得表征第二输出支路输出电流信息的负端电压反馈信号；

通过比较两条输出支路中采样电阻上的电压反馈压差信号，并将压差较大输出支路的输出电流信息转换为电压反馈信号V_SEN。

本发明的优点在于：

1)利用第一条检测支路电路和第二条检测支路电路的完全一致性保证了两路正端电流采样的一致性；可实现高精度双路正端电流采样电路。

2)高精度双路正端电流采样电路的共模电压范围可以达到1.8V到输入电压。

3)只需要将双路正端电流采样模块中第二条检测支路电路复制，便可以轻松拓展到三路或者更多检测支路，从而实现高精度多路正端电流采样。

附图说明

图1为本发明的双路正端电流采样模块和双路正端电流采样电路原理图。

图2为本发明的开关电路原理图。

图3为本发明的开关电路的恒流/恒压工作模式的时序图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供的一种高精度的双路正端电流采样模块，以及一种双路正端电流采样电路如图1所示；虚线框部分是双路正端电流采样模块，其可以做成一芯片；

双路正端电流采样模块包括阻值相同的电阻R5、R6、R7，相同的PMOS管MP1、MP2、MP3，相同的PMOS管MP4和MP5，电阻R8，电流相等的电流源IS1、IS2、IS3；其中MP1、MP2、MP3为低压PMOS管，MP4和MP5为薄栅氧高压PMOS管；虚线框外面是芯片的***器件，与芯片构成双路正端电流采样电路；其中，R1和R2分别是两条输出支路上的高精度采样电阻，R3和R4分别是两条输出支路上的负载；

电阻R5的一端接PMOS管MP1的源极、PMOS管MP4的源极、PMOS管MP5的源极；电阻R6的一端接PMOS管MP2的源极；电阻R7的一端接PMOS管MP3的源极；PMOS管MP1的栅极连接PMOS管MP2的栅极、PMOS管MP3的栅极以及MP1的漏极；PMOS管MP1的漏极通过电流源IS1接芯片地，PMOS管MP2的漏极通过电流源IS2接芯片地，PMOS管MP3的漏极通过电流源IS2接芯片地；PMOS管MP4的栅极接PMOS管MP2的漏极，PMOS管MP5的栅极接PMOS管MP3的漏极；PMOS管MP4和MP5的漏极接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接芯片地；电阻R8的一端用于输出电压反馈信号V_SEN；电流源IS1、IS2、IS3的电流均为I₁；

一种高精度的双路正端电流采样电路，包括第一输出支路、第二输出支路，以及上述双路正端电流采样模块；第一输出支路包括采样电阻R1和负载R4，第二输出支路包括采样电阻R2和负载R3；

采样电阻R1和R2的一端连接在一起，并连接电阻R5的另一端，采样电阻R1和R2相连接的一端为采样电阻公共端；采样电阻R2的另一端连接电阻R6的另一端和负载R3的一端；采样电阻R1的另一端连接电阻R7的另一端和负载R4的一端；负载R3和R4的另一端接地，双路正端电流采样模块的芯片地也接地。

下面将详细解释该高精度双路正端电流采样电路的工作原理和相关公式推导。各节点的电压和各支路的电流如图1中所标示；图1中由于MP1、MP2、MP3相同，忽略沟道调制效应，假设MP4和MP5均有电流，则MP1～MP3均工作在饱和区，结合MOS管的饱和区公式易知V4＝V5＝V6，同时得到以下等式：

V₁-(I₁+I₂+I₃)*R₅＝V₂-I₁*R₆ (1)

V₁-(I₁+I₂+I₃)*R₅＝V₃-I₁*R₇ (2)

由于R₅＝R₆＝R₇，故求得：

V₁-V₂＝(I₂+I₃)*R₅ (3)

V₁-V₃＝(I₂+I₃)*R₅ (4)

当V₁-V₂和V₁-V₃相等时，I₂和I₃可以为任意组合，假设I₃＝0，则：

当V₁-V₂和V₁-V₃不相等时，结合公式(3)和(4)可知假设MP4和MP5均有电流不正确，二者仅能有一个导通，另一个处于关断状态，同时关断状态PMOS管MP4或MP5的栅极连接的PMOS管工作在线性区。推理易知V₁-V₂和V₁-V₃中压差较大输出支路对应的PMOS管MP4或MP5导通。例如V₁-V₂＞V₁-V₃，则MP2工作在饱和区，MP3工作在线性区，MP4导通有电流流过，MP5处于关断状态，即I3＝0，则

综合上面分析以及公式(5)和公式(6)可知，虚线框内的双路正端电流采样模块可以将两条输出支路中高精度采样电阻两端压差较大的支路比较筛选出来，并将负载电流信号转化为电压反馈信号V_SEN传递到下一模块，R8和R5的比例即是负载电流信号的放大倍数，该双路正端电流采样模块的采样公式如下：

其中电阻R8和R5的比例可以用来调整采样电路的放大倍数，电阻R8和R5的电阻类型可以用来调整采样电路的温度系数。

由公式推导可知，只要保证第一条检测支路电路(R6、MP2、IS2和MP4)和第二条检测支路电路(R7、MP3、IS3和MP5)的绝对匹配性，该双路正端电流采样电路就可以实现完全相等的电流采样系数，所以真正的设计过程中还需要考虑工艺失配带来的影响。考虑到工艺生产过程中，低压器件的参数控制比高压器件容易很多，可以实现更高的精度，所以该电路中的MP1～MP3均采用低压管，为了进一步弱化沟道调制效应的影响MP1～MP3的栅长建议取到5μm以上；为了提高匹配度减小失配带来的影响栅宽也建议取到5μm以上。

综上，本发明中提出的电流采样方法，包括：

设置两个输出支路，包括第一输出支路、第二输出支路；第一输出支路包括采样电阻R1和负载R4，第二输出支路包括采样电阻R2和负载R3；采样电阻R1和R2的一端连接在一起作为采样电阻公共端；采样电阻R1与负载R4串联，采样电阻R2与负载R3串联；

检测采样电阻公共端的正端电压，以获得表征输出电流信息的正端电压反馈信号；

检测第一输出支路中采样电阻的负端电压，以获得表征第一输出支路输出电流信息的负端电压反馈信号；

检测第二输出支路中采样电阻的负端电压，以获得表征第二输出支路输出电流信息的负端电压反馈信号；

通过比较两条输出支路中采样电阻上的电压反馈压差信号，并将压差较大输出支路的输出电流信息转换为电压反馈信号V_SEN，传递到下一级实现过流保护或者是恒流功能；

本发明提供的开关电路如图2所示，包括：开关管M1、整流管M2、电感L，输出电容Cout、双路正端电流采样模块、采样电阻R1、R2、反馈电阻R23、R24、负载R3、R4、驱动电路21、RS触发器22、PWM比较器23、运算放大器24、电平选择电路25、补偿电阻R25、补偿电容C21；其中开关管M1、整流管M2为NMOS管，RS触发器22为高电平输入有效；

开关管M1的漏极接输入电压信号V_IN，栅极接驱动电路21的一个输出端，驱动电路21的另一个输出端接整流管M2的栅极；整流管M2的源极接地；开关管M1的源极接整流管M2的漏极以及电感L的一端，电感L的另一端接输出电容Cout的一端，以及采样电阻R1和R2的一端；输出电容Cout的另一端接地；双路正端电流采样模块中电阻R5的另一端接采样电阻R1和R2的一端，双路正端电流采样模块中电阻R6的另一端接采样电阻R2的另一端，双路正端电流采样模块中电阻R7的另一端接采样电阻R1的另一端；采样电阻R1的另一端通过负载R4接地；采样电阻R2的另一端接反馈电阻R23的一端并通过负载R3接地；反馈电阻R23的另一端通过反馈电阻R24接地；双路正端电流采样模块的芯片地接地；

从双路正端电流采样模块获得的电压反馈信号V_SEN和从反馈电阻R23、R24连接节点获得的电压反馈信号V_FB分别输入电平选择电路25，电平选择电路25通过比较电压反馈信号V_SEN和V_FB的大小，将V_SEN和V_FB中较大的那个信号传递给运算放大器24的反相输入端；运算放大器24的同相输入端接参考电压V_REF；运算放大器24的输出端接PWM比较器23的反相输入端，PWM比较器的同相输入端接三角波信号V_ramp；PWM比较器23的输出端接RS触发器22的R端，RS触发器22的S端接脉冲信号V_pulse；RS触发器22的Q端接驱动电路21的输入端。

更优地，运算放大器24的输出端还通过串联的补偿电阻R25和补偿电容C21接地。

在图2中，V_out为采样电阻公共端的正端电压，V_SEN1为第一输出支路中采样电阻R1的负端电压，V_SEN2为第二输出支路中采样电阻R2的负端电压，双路正端电流采样模块通过比较V_out-V_SEN1和V_out-V_SEN2后将差值较大的值转换为电压反馈信号V_SEN；传递到电平选择电路25，电平选择电路25通过比较电压反馈信号V_SEN和V_FB的大小，将V_SEN和V_FB中较大的那个信号传递给运算放大器24的反相输入端，参与电路的环路控制；信号V_SEN大于V_FB时，恒压环路(反馈电阻R23、R24和电平选择电路25所在的环路)被屏蔽，恒流环路(采样电阻R1、R2，双路正端电流采样模块，以及电平选择电路25所在的环路)起作用，负载电流一直稳定在设定的恒流点。这里恒流点由双路正端电流采样模块和第一条输出支路的高精度采样电阻R1、第二条输出支路的高精度采样电阻R2设定。当VS_EN信号小于V_FB时，恒流环路被屏蔽，恒压环路起作用，输出电压一直稳定在设定值。这里输出电压由基准电压V_REF、反馈电阻R23和反馈电阻R24设定。

下面结合图3给出的恒流/恒压工作模式的时序图介绍该拓扑的工作原理。t1时刻之前，第一输出支路的负载电流i_out1小于恒流点，负载较小，第二输出支路的负载电流i_out2为0。此时双路正端电流采样模块采样得到的V_SEN电压较小，小于V_FB，恒流环路被屏蔽，恒压环路起作用，V_FB电平通过恒压环路调整稳定在基准电压V_REF上下，输出电压V_out恒定。t1时刻时第一输出支路的负载突然切换为恒压源，输出电压V_out被拉低。此时V_FB同比例降低，通过恒压环路控制上管M1长时间导通，向输出提供足够的能量，随着第一输出支路的负载电流i_out1逐渐增大，双路正端电流采样模块采样得到的V_SEN电压也逐渐升高，当V_SEN电压高于V_FB时，恒压环路被屏蔽，恒流环路开始控制整个环路，最终第一输出支路的负载电流i_out1稳定在恒流点，输出电压V_out与第一条输出支路的恒压源负载相同。

虽然已经参照典型实施例描述了本发明，但应当理解所用的术语是说明和示例性的，并非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解上述实施例不限于任何前述的细节，而应在权利要求所限定的精神和范围内广泛的理解。因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种双路正端电流采样模块，其特征在于，包括：阻值相同的电阻R5、R6、R7，相同的PMOS管MP1、MP2、MP3，相同的PMOS管MP4和MP5，电阻R8，电流相等的电流源IS1、IS2、IS3；

电阻R5的一端接PMOS管MP1的源极、PMOS管MP4的源极、PMOS管MP5的源极；电阻R6的一端接PMOS管MP2的源极；电阻R7的一端接PMOS管MP3的源极；PMOS管MP1的栅极连接PMOS管MP2的栅极、PMOS管MP3的栅极以及MP1的漏极；PMOS管MP1的漏极通过电流源IS1接芯片地，PMOS管MP2的漏极通过电流源IS2接芯片地，PMOS管MP3的漏极通过电流源IS3接芯片地；PMOS管MP4的栅极接PMOS管MP2的漏极，PMOS管MP5的栅极接PMOS管MP3的漏极；PMOS管MP4和MP5的漏极接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接芯片地；电阻R8的一端用于输出电压反馈信号V_SEN。

2.如权利要求1所述的双路正端电流采样模块，其特征在于，

PMOS管MP1、MP2、MP3为低压PMOS管。

3.如权利要求1所述的双路正端电流采样模块，其特征在于，

PMOS管MP4和MP5为薄栅氧高压PMOS管。

4.如权利要求1所述的双路正端电流采样模块，其特征在于，

PMOS管MP1、MP2、MP3的栅长为5μm以上。

5.如权利要求1所述的双路正端电流采样模块，其特征在于，

PMOS管MP1、MP2、MP3的栅宽为5μm以上。

6.一种双路正端电流采样电路，包括第一输出支路、第二输出支路，以及如权利要求1～5中任一项所述的双路正端电流采样模块；第一输出支路包括采样电阻R1和负载R4，第二输出支路包括采样电阻R2和负载R3；

采样电阻R1和R2的一端连接在一起，并连接电阻R5的另一端，采样电阻R1和R2相连接的一端为采样电阻公共端；采样电阻R2的另一端连接电阻R6的另一端和负载R3的一端；采样电阻R1的另一端连接电阻R7的另一端和负载R4的一端；负载R3和R4的另一端接地，双路正端电流采样模块的芯片地也接地。

7.一种开关电路，其特征在于，包括：开关管M1、整流管M2、电感L，输出电容Cout、如权利要求1～5中任一项所述的双路正端电流采样模块、采样电阻R1、R2、反馈电阻R23、R24、负载R3、R4、驱动电路(21)、RS触发器(22)、PWM比较器(23)、运算放大器(24)、电平选择电路(25)；

开关管M1的漏极接输入电压信号V_IN，栅极接驱动电路(21)的一个输出端，驱动电路(21)的另一个输出端接整流管M2的栅极；整流管M2的源极接地；开关管M1的源极接整流管M2的漏极以及电感L的一端，电感L的另一端接输出电容Cout的一端，以及采样电阻R1和R2的一端；输出电容Cout的另一端接地；双路正端电流采样模块中电阻R5的另一端接采样电阻R1和R2的一端，双路正端电流采样模块中电阻R6的另一端接采样电阻R2的另一端，双路正端电流采样模块中电阻R7的另一端接采样电阻R1的另一端；采样电阻R1的另一端通过负载R4接地；采样电阻R2的另一端接反馈电阻R23的一端并通过负载R3接地；反馈电阻R23的另一端通过反馈电阻R24接地；双路正端电流采样模块的芯片地接地；

从双路正端电流采样模块获得的电压反馈信号V_SEN和从反馈电阻R23、R24连接节点获得的电压反馈信号V_FB分别输入电平选择电路(25)，电平选择电路(25)通过比较电压反馈信号V_SEN和V_FB的大小，将V_SEN和V_FB中较大的那个信号传递给运算放大器(24)的反相输入端；运算放大器(24)的同相输入端接参考电压V_REF；运算放大器(24)的输出端接PWM比较器(23)的反相输入端，PWM比较器的同相输入端接三角波信号V_ramp；PWM比较器(23)的输出端接RS触发器(22)的R端，RS触发器(22)的S端接脉冲信号V_pulse；RS触发器(22)的Q端接驱动电路(21)的输入端。

8.如权利要求7所述的开关电路，其特征在于，

运算放大器(24)的输出端还通过串联的补偿电阻R25和补偿电容C21接地。

9.如权利要求7所述的开关电路，其特征在于，

开关管M1、整流管M2为NMOS管。

10.一种电流采样方法，适用于如权利要求6所述的双路正端电流采样电路，其特征在于，包括：

设置两个输出支路，包括第一输出支路、第二输出支路；第一输出支路包括串联的采样电阻R1和负载R4，第二输出支路包括串联的采样电阻R2和负载R3；采样电阻R1和R2的一端连接在一起作为采样电阻公共端；

检测采样电阻公共端的正端电压，以获得表征输出电流信息的正端电压反馈信号；

检测第一输出支路中采样电阻的负端电压，以获得表征第一输出支路输出电流信息的负端电压反馈信号；

检测第二输出支路中采样电阻的负端电压，以获得表征第二输出支路输出电流信息的负端电压反馈信号；

通过比较两条输出支路中采样电阻上的电压反馈压差信号，并将压差较大输出支路的输出电流信息转换为电压反馈信号V_SEN。