CN109254188B - 一种适用于开关电源的高速电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于开关电源电流快速检测电路，其由电流源管MN1和MN2、电流镜MP1和MP2、检测电流输出MOS管MP3、检测管Ms、HS PowerMOS功率管、LS PowerMOS功率管、检测电阻Rsi、输出电阻Rso、检测电阻K*Rsi、电阻RM和补偿电容Cg连接组成。本发明结构设计简单、合理，反应速度更快，减小了电流模开关电源的周期最小导通时间、最小占空比、最低输出电压、改善了负载跳变特性等，以及在其他模式的开关电源芯片电路中，加快了电流保护机制的反应时间。

Description

一种适用于开关电源的高速电流检测电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路领域，具体涉及一种适用于开关电源电流快速检测电路。
背景技术
开关电源电路由于其效率高的特点，被广泛用于各种电子产品，手持设备中。而开关电源功率管输出电流检测电路一方面是电流模开关电源芯片的必备电路，其工作速度及性能直接影响了电流模开关电源的周期最小导通时间、最小占空比、最低输出电压、负载跳变特性等；另一方便在其他模式的开关电源芯片电路中，也需要电流检测电路作为芯片的保护机制，避免芯片因为电流过大而损坏。
由于传统的开关电源电流检测节点电压随着开关频率高低跳变，电流检测电路每个周期检测电流时都需要重新建立直流工作点，导致检测速度变慢，影响整个开关电源的最小导通时间以及最低输出电压。
如图3所示为典型的降压型开关电源功率管电流检测电路，包含HSPowerMOS功率管和LS PowerMOS功率管，它们在控制信号HSG、LSG的控制下，在一个时钟周期内交替导通。电流检测跨阻放大器包含电流源MN1、MN2，VB为偏置电压，电流镜MP1与MP2具有相同的尺寸，检测电流输出MOS管MP3，补偿电容Cg，两个相同的检测电阻Rsi以及输出电阻Rso。当HSPowerMOS功率管导通时，理想情况下电流检测电路输出电压为:
式中RdsonH为HS PowerMOS功率管的导通电阻，IL为HS PowerMOS功率管中流过的电流，Vs为电流检测输出电压，与功率管电流IL成固定比例关系。
图3所示电路的缺点为，每个开关周期中，当LS PowerMOS功率管导通，HSPowerMOS功率管关断时，开关节点SW为低电平，电流检测电路中电流镜MP2将处于关断状态，电流镜MP3完全导通，输出电压Vs＝VDD*Rsi/Rso。当LS PowerMOS关断，HS PowerMOS导通时，SW电压跳变为VDD-IL*RdsonH，电流检测电路需要重新建立工作点，当电流镜MP2，检测电流输出MOS管MP3正常工作后，电路的输出电压Vs才为上式所示与IL成固定比例关系；在HSPowerMOS导通到电流检测电路工作点正常建立的这段时间内，输出电压Vs都不能作为正常电压为开关电源芯片控制电路所利用；这将影响电流模开关电源的周期最小导通时间、最小占空比、最低输出电压、负载跳变特性等以及在其他模式的开关电源芯片电路中，影响电流保护机制的反应时间。
发明内容
为了解决以上背景技术中存在的问题，本发明提出了一种适用于开关电源电流快速检测电路，其结构设计简单、合理，反应速度更快，减小了电流模开关电源的周期最小导通时间、最小占空比、最低输出电压、改善了负载跳变特性等，以及在其他模式的开关电源芯片电路中，加快了电流保护机制的反应时间。
本发明的技术方案如下：
上述的适用于开关电源电流快速检测电路，由电流源管MN1和MN2、电流镜MP1和MP2、检测电流输出MOS管MP3、检测管Ms、HS PowerMOS功率管、LSPowerMOS功率管、检测电阻Rsi、输出电阻Rso、检测电阻K*Rsi、电阻RM和补偿电容Cg连接组成；
所述LS PowerMOS功率管的源极接地，漏极连接开关电源芯片输出端口SW，栅极连接开关电源控制电路输出端口LSG；所述HS PowerMOS功率管的源极连接开关电源芯片输出端口SW，漏极连接开关电源芯片输入电源端口VDD，栅极连接开关电源控制电路输出端口HSG；所述检测管Ms的源极连接开关电源芯片输出端口SW，漏极连接所述电阻RM并通过所述电阻RM连接开关电源芯片输入电源端口VDD，栅极连接开关电源控制电路输出端口HSG；所述电流镜MP1的漏极连接所述电流源管MN1的漏极，所述电流镜MP1的源极连接所述检测电阻Rsi并通过所述检测电阻Rsi连接开关电源芯片输入电源端口VDD，所述电流镜MP1的栅极连接所述电流源管MN1的漏极；所述电流源管MN1的源极接地，栅极连接偏置电压端VB；所述电流镜MP2的漏极连接所述电流源管MN2的漏极，所述电流镜MP2的源极连接所述检测电阻K*Rsi并通过所述检测电阻K*Rsi连接于所述检测管Ms的漏极与电阻RM的连接点；所述电流源管MN2的源极接地；所述检测电流输出MOS管MP3的漏极连接所述输出电阻Rso并通过所述输出电阻Rso接地，所述检测电流输出MOS管MP3的漏极与所述输出电阻Rso之间引出电流检测电路输出电压端Vs，所述检测电流输出MOS管MP3的栅极与所述电流镜MP2的源极及所述电流源管MN2的漏极相连，所述检测电流输出MOS管MP3的源极连接于所述电流镜MP1的漏极与检测电阻Rsi的连接点；所述补偿电容Cg一端连接电源VDD，另一端连接所述检测电流输出MOS管MP3的栅极。
所述适用于开关电源电流快速检测电路，其中，所述电流检测电路正常工作时输出电压Vs和功率管电流IL的关系式为：
上式中RdsonMs为检测管Ms的导通电阻，IB为电流源管MN1和MN2中流过的偏置电流；上式中(k+1)IB*Rso为特意引入的失配产生的输出电压，(RdsonH/Rsi)*(RdsonMs/(RdsonMs+RM))与功率管电流IL成固定比例。
有益效果：
本发明适用于开关电源电流快速检测电路结构设计简单、合理，通过在传统典型电流检测电路的基础上，引入一个检测管Ms和电阻RM以及特意引入检测电阻的失配，使得电流检测速度大大提高，减小了电流模开关电源的周期最小导通时间、最小占空比、最低输出电压、改善了负载跳变特性等，以及在其他模式的开关电源芯片电路中，加快了电流保护机制的反应时间。
具体优点体现在以下几点：
(1)改变了传统电流检测点的位置，通过一个与HS PowerMOS功率管等比例的检测管Ms以及一个电阻RM，实现检测点电压每个周期只有微小变化；
(2)通过给检测放大器(即由电流源管MN1和MN2、电流镜MP1和MP2、检测电流输出MOS管MP3、检测电阻Rsi、输出电阻Rso、检测电阻K*Rsi和补偿电容Cg构成电流检测放大器)加入固定失配，使得检测电路每个器件都一直处于工作状态；
(3)避免了电流检测电路周期性的建立直流工作点，从而提高了电流检测电路的工作速度。
附图说明
图1为本发明适用于开关电源电流快速检测电路的电路图；
图2为本发明适用于开关电源电流快速检测电路的实施例1的电路图；
图3为典型的降压型开关电源功率管电流检测电路的电路图。
具体实施方式
如图1所示，本发明适用于开关电源电流快速检测电路，由电流源管MN1和MN2、电流镜MP1和MP2、检测电流输出MOS管MP3、检测管Ms、HS PowerMOS功率管、LS PowerMOS功率管、检测电阻Rsi、输出电阻Rso、检测电阻K*Rsi、电阻RM和补偿电容Cg连接组成。
该LS PowerMOS功率管的源极接地，漏极连接开关电源芯片输出端口SW，栅极连接开关电源控制电路输出端口LSG；该HS PowerMOS功率管的源极连接开关电源芯片输出端口SW，漏极连接开关电源芯片输入电源端口VDD，栅极连接开关电源控制电路输出端口HSG；该检测管Ms的源极连接开关电源芯片输出端口SW，漏极连接电阻RM并通过电阻RM连接开关电源芯片输入电源端口VDD，栅极连接开关电源控制电路输出端口HSG；该电流镜MP1的漏极连接电流源管MN1的漏极，该电流镜MP1的源极连接检测电阻Rsi并通过检测电阻Rsi连接开关电源芯片输入电源端口VDD，该电流镜MP1的栅极连接该电流源管MN1的漏极；该电流源管MN1的源极接地，栅极连接偏置电压端VB；该电流镜MP2的漏极连接电流源管MN2的漏极，该电流镜MP2的源极连接检测电阻K*Rsi并通过检测电阻K*Rsi连接于检测管Ms的漏极与电阻RM的连接点；该电流源管MN2的源极接地；该检测电流输出MOS管MP3的漏极连接输出电阻Rso并通过输出电阻Rso接地，该检测电流输出MOS管MP3的漏极与输出电阻Rso之间引出电流检测电路输出电压端Vs，该检测电流输出MOS管MP3的栅极与电流镜MP2的源极及电流源管MN2的漏极相连，该检测电流输出MOS管MP3的源极连接于电流镜MP1的漏极与检测电阻Rsi的连接点；该补偿电容Cg一端连接电源VDD，另一端连接检测电流输出MOS管MP3的栅极。
如图1所示，本发明在传统电路基础上加入了与HS PowerMOS功率管尺寸成比例的检测管Ms，其尺寸为HS PowerMOS功率管的1/N(N为远大于1的整数)，以及与检测管Ms串联的电阻RM，并且将与电流镜MP2连接的检测电阻变为K*Rsi(K为略大于1的正数)；当每个开关周期中LS PowerMOS功率管导通，HSPowerMOS功率管关断时，电流检测电路的两个输入端都为电源VDD，电流镜MP2将不会处于关断状态，并且因为检测电阻故意引入了微小的失配，这时检测电流输出MOS管MP3仍然处于线性工作区，有微小电流流过；当LS PowerMOS功率管关断，HS PowerMOS功率管导通时，本发明的电流检测电路不需要重新建立工作点，大大加快了输出电压Vs的建立时间，本发明的电流检测电路正常工作时输出电压Vs和HSPowerMOS功率管电流IL的关系为：
上式中RdsonMs为检测管Ms的导通电阻，IB为电流源管MN1和MN2中流过的偏置电流；上式中(k+1)IB*Rso为特意引入的失配产生的输出电压，(RdsonH/Rsi)*(RdsonMs/(RdsonMs+RM))与功率管电流IL成固定比例。
实施例1
如图2所示，本发明适用于开关电源电流快速检测电路，由电流源管MN1和MN2、电流镜MP1和MP2、检测电流输出MOS管MP3、检测管Ms、HS PowerMOS功率管、LS PowerMOS功率管、检测电阻Rsi1、输出电阻Rso、检测电阻Rsi2、电阻RM和补偿电容Cg连接组成。
该LS PowerMOS功率管的源极接地，漏极连接开关电源芯片输出端口SW，栅极连接开关电源控制电路输出端口LSG；该HS PowerMOS功率管的源极连接开关电源芯片输出端口SW，漏极连接开关电源芯片输入电源端口VDD，栅极连接开关电源控制电路输出端口HSG；该检测管Ms的源极连接开关电源芯片输出端口SW，漏极连接电阻RM并通过电阻RM连接开关电源芯片输入电源端口VDD，栅极连接开关电源控制电路输出端口HSG；该电流镜MP1的漏极连接电流源管MN1的漏极，该电流镜MP1的源极连接检测电阻Rsi1并通过检测电阻Rsi1连接开关电源芯片输入电源端口VDD，该电流镜MP1的栅极连接该电流源管MN1的漏极；该电流源管MN1的源极接地，栅极连接偏置电压端VB；该电流镜MP2的漏极连接电流源管MN2的漏极，该电流镜MP2的源极连接检测电阻Rsi2并通过检测电阻Rsi2连接于检测管Ms的漏极与电阻RM的连接点；该电流源管MN2的源极接地；该检测电流输出MOS管MP3的漏极连接输出电阻Rso并通过输出电阻Rso接地，该检测电流输出MOS管MP3的漏极与输出电阻Rso之间引出电流检测电路输出电压端Vs，该检测电流输出MOS管MP3的栅极与电流镜MP2的源极和电流源管MN2的漏极相连，该检测电流输出MOS管MP3的源极连接于电流镜MP1的漏极与检测电阻Rsi1的连接点；该补偿电容Cg一端连接电源VDD，另一端连接检测电流输出MOS管MP3的栅极。
本发明结构设计简单、合理，反应速度更快，减小了电流模开关电源的周期最小导通时间、最小占空比、最低输出电压、改善了负载跳变特性等，以及在其他模式的开关电源芯片电路中，加快了电流保护机制的反应时间。

Claims (1)

1.一种适用于开关电源电流快速检测电路，其特征在于：
所述检测电路由电流源管MN1和MN2、电流镜MP1和MP2、检测电流输出MOS管MP3、检测管Ms、HS PowerMOS功率管、LS PowerMOS功率管、检测电阻Rsi、输出电阻Rso、检测电阻K*Rsi、电阻RM和补偿电容Cg连接组成；
所述LS PowerMOS功率管的源极接地，漏极连接开关电源芯片输出端口SW，栅极连接开关电源控制电路输出端口LSG；
所述HS PowerMOS功率管的源极连接开关电源芯片输出端口SW，漏极连接开关电源芯片输入电源端口VDD，栅极连接开关电源控制电路输出端口HSG；
所述检测管Ms的源极连接开关电源芯片输出端口SW，漏极连接所述电阻RM并通过所述电阻RM连接开关电源芯片输入电源端口VDD，栅极连接开关电源控制电路输出端口HSG；
所述电流镜MP1的漏极连接所述电流源管MN1的漏极，所述电流镜MP1的源极连接所述检测电阻Rsi并通过所述检测电阻Rsi连接开关电源芯片输入电源端口VDD，所述电流镜MP1的栅极连接所述电流源管MN1的漏极；
所述电流源管MN1的源极接地，栅极连接偏置电压端VB；
所述电流镜MP2的漏极连接所述电流源管MN2的漏极，所述电流镜MP2的源极连接所述检测电阻K*Rsi并通过所述检测电阻K*Rsi连接于所述检测管Ms的漏极与电阻RM的连接点；所述电流源管MN2的源极接地；
所述检测电流输出MOS管MP3的漏极连接所述输出电阻Rso并通过所述输出电阻Rso接地，所述检测电流输出MOS管MP3的漏极与所述输出电阻Rso之间引出电流检测电路输出电压端Vs，所述检测电流输出MOS管MP3的栅极与所述电流镜MP2的源极及所述电流源管MN2的漏极相连，所述检测电流输出MOS管MP3的源极连接于所述电流镜MP1的漏极与检测电阻Rsi的连接点；
所述补偿电容Cg一端连接电源VDD，另一端连接所述检测电流输出MOS管MP3的栅极；
所述电流检测电路正常工作时输出电压Vs和功率管电流IL的关系式为：
；
上式中RdsonMs为检测管Ms的导通电阻，IB为电流源管MN1和MN2中流过的偏置电流；上式中(k+1)IB*Rso为特意引入的失配产生的输出电压， (RdsonH/Rsi)*(RdsonMs/(RdsonMs+RM))与功率管电流IL成固定比例。
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