CN114705904B - 一种高精度过电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本申请包括一种高精度过电流检测电路，具体涉及电流检测技术领域。电路包括功率开关管、采样开关管、目标比较器以及共源共栅电流镜；功率开关管的源极与电源输入端连接；功率开关管的漏极与目标比较器的反相输入端连接；采样开关管的源极与电源输入端连接；采样开关管的漏极与目标比较器的同相输入端连接；采样开关管的栅极与功率开关管的栅极连接；电源输入端通过共源共栅电流镜的有源端接地；采样开关管的漏极通过共源共栅电流镜的无源端接地。上述电路避免了由于采样开关管与功率开关管漏极电压之间的压差过大导致的镜像电流比例失调，提高了过电流检测的精度。

Description

一种高精度过电流检测电路

技术领域

本发明涉及电流检测技术领域，具体涉及一种高精度过电流检测电路。

背景技术

现有技术的电路结构中通常需要对电流进行检测，并根据电流的检测结果生成控制信号以对电路进行控制，从而保证电路的稳定运行。

集成电路芯片内部常用的过电流检测装置如图1所示，Mp1是功率管，负责输出电流，Ms1采样管，k1为Mp1与Ms1的宽度比，且k1>>1，I_o1和V_o1分别是输出电流和输出电压，I_s1和V_s1分别是采样电流和采样电压。在检测过程中，先对输出电流进行采样，得到的采样电流为i_s1，然后再让采样电流i_s流进采样电阻rs，产生一个采样电压V_s1，再将采样电压V_s1输入到比较器的正相输入端，和与比较器的反相输入端相连的基准电压V_ref1进行比较，比较器的输出电压为V_c1为一个逻辑信号；如果I_o1很大，会导致I_s1和V_s1也很大，当V_s1超过V_ref1时，V_c1为高，电源电路会被关断，从而保护电源电路以及后面的用电器不被烧坏。

但上述方案中，因为Mp1和Ms1的漏极电压不一样，分别为V_o1和V_s1，两者之间的压差较大且不可控，导致Mp1和Ms1的镜像电流比例并不完全等于k1:1，导致电流的检测精度较低。

发明内容

本申请实施例提供一种高精度过电流检测电路，提高了过电流检测精度，所述电路包括功率开关管、采样开关管、目标比较器以及共源共栅电流镜；

所述功率开关管的源极与电源输入端连接；所述功率开关管的漏极与目标比较器的反相输入端连接；

所述采样开关管的源极与电源输入端连接；所述采样开关管的漏极与所述目标比较器的同相输入端连接；所述采样开关管的栅极与所述功率开关管的栅极连接；

所述电源输入端通过所述共源共栅电流镜的有源端接地；

所述采样开关管的漏极通过所述共源共栅电流镜的无源端接地。

在一种可能的实现方式中，所述共源共栅电流镜的无源端包括第一开关管以及第三开关管；所述第一开关管的漏极与所述第三开关管的源极连接。

在一种可能的实现方式中，所述共源共栅电流镜的有源端包括参考电流源、第二开关管以及第四开关管；所述第二开关管的漏极与所述第四开关管的源极连接。

在一种可能的实现方式中，所述第二开关管栅极与所述第一开关管的栅极连接；所述第二开关管的栅极与所述第二开关管的漏极连接；

所述第四开关管栅极与所述第三开关管的栅极连接；所述第四开关管的栅极与所述第四开关管的漏极连接。

在一种可能的实现方式中，所述电源输入端通过所述共源共栅电流镜的有源端接地，包括：

所述第二开关管的源极接地，以便所述电源输入端依次通过所述参考电流源、第四开关管以及第二开关管接地。

在一种可能的实现方式中，所述采样开关管的漏极通过所述共源共栅电流镜的无源端接地，包括：

所述采样开关管的漏极连接至所述第三开关管的漏极，且所述第一开关管的源极接地，以便所述采样开关管的漏极依次通过所述第三开关管以及所述第一开关管接地。

在一种可能的实现方式中，所述功率开关管与采样开关管的沟道宽度比为k，且k大于1。

在一种可能的实现方式中，所述功率开关管与所述采样开关管为PMOS管。

在一种可能的实现方式中，所述电路还包括第一电流源以及第五开关管；

所述电源输入端依次通过第一电流源以及第五开关管连接至第四开关管的漏极；

所述第五开关管的栅极与所述目标比较器的输出端连接。

在一种可能的实现方式中，所述电源输入端依次通过第一电流源以及第五开关管连接至第四开关管的漏极，包括：

所述电源输入端通过第一电流源连接至所述第五开关管的源极，且所述第五开关管的漏极与所述第四开关管的漏极连接，以便所述电源输入端依次通过第一电流源以及第五开关管连接至第四开关管的漏极；

所述第五开关管为PMOS管。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

在电流检测电路中，通过目标比较器的特性，共源共栅电流镜结构，以及共源共栅电流镜中的无源端与采样开关管构成的共源放大器结构，使得采样电压的值在临界状态下精准等于输出电压值，故此时，采样电流与输出电流的比值精确等于镜像电流比例，同时，共源共栅电流镜中有源端的电流值可以非常精准的复制到无源端上，而流过无源端的电流等于采样开关管上的采样电流，从而使得采样电流的值得以精准控制，因此上述电路结构使得电流检测过程中，在临界状态时，采样开关管的漏极电压精确等于功率开关管的漏极电压，避免了由于采样开关管与功率开关管漏极电压之间的压差过大导致的镜像电流比例失调，提高了过电流检测的精度；并且，通过在过流与不过流的判定中加入延迟控制电路，从而减小电路的震荡，进一步提高了电流检测的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是集成电路芯片内部常用的过电流检测装置的结构示意图。

图2是根据本申请一个示例性实施例示出的一种高精度过电流检测电路的结构示意图。

图3是根据本申请一个示例性实施例示出的一种高精度过电流检测电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，术语“对应”可表示两者之间具有直接对应或间接对应的关系，也可以表示两者之间具有关联关系，也可以是指示与被指示、配置与被配置等关系。

图2是根据本申请一个示例性实施例示出的一种高精度过电流检测电路的结构示意图。如图2所示，该电路包括功率开关管Mp、采样开关管Ms、目标比较器A1以及共源共栅电流镜；

所述功率开关管Mp的源极与电源输入端连接；所述功率开关管Mp的漏极与目标比较器A1的反相输入端连接；

所述采样开关管Ms的源极与电源输入端连接；所述采样开关管Ms的漏极与所述目标比较器A1的同相输入端连接；所述采样开关管Ms的栅极与所述功率开关管Mp的栅极连接；

所述电源输入端V_dd通过所述共源共栅电流镜的有源端接地(gnd)；

所述采样开关管Ms的漏极通过所述共源共栅电流镜的无源端接地。

可选的，如图2所示，所述共源共栅电流镜的无源端包括第一开关管M1以及第三开关管M3；所述第一开关管M1的漏极与所述第三开关管M3的源极连接。

可选的，如图2所示，所述共源共栅电流镜的有源端包括参考电流源I_ref、第二开关管M2以及第四开关管M4；所述第二开关管M2的漏极与所述第四开关管M4的源极连接。

可选的，如图2所示，所述第二开关管M2栅极与所述第一开关管M1的栅极连接；所述第二开关管M2的栅极与所述第二开关管M2的漏极连接；

所述第四开关管M4栅极与所述第三开关管M3的栅极连接；所述第四开关管M4的栅极与所述第四开关管M4的漏极连接。

可选的，如图2所示，所述第二开关管M2的源极接地，以便所述电源输入端V_dd依次通过所述参考电流源I_ref、第四开关管M4以及第二开关管M2接地。

可选的，如图2所示，所述采样开关管Ms的漏极连接至所述第三开关管的漏极，且所述第一开关管M1的源极接地，以便所述采样开关管Ms的漏极依次通过所述第三开关管M3以及所述第一开关管M1接地。

可选的，如图2所示，所述功率开关管Mp与采样开关管Ms的沟道宽度比为k，且k大于1。

可选的，如图2所示，所述功率开关管Mp与所述采样开关管Ms为PMOS管。

以下对如图2所示的过电流检测电路的工作原理进行解释说明。

一方面，当过电流检测电路中的功率开关管中的电流处于未过流状态时，如图2所示，当所述功率开关管Mp与所述采样开关管Ms上的栅极控制电压V_g等于电源输入电压V_dd时，功率开关管Mp和采样开关管Ms的栅源之间的电压V_gs1均为0，功率开关管Mp和采样开关管Ms均处于截止状态，此时功率开关管上的电流I_o与采样开关管上的电流I_s满足I_o＝I_s＝0，故此时第三开关管M3和第一开关管M1的漏极电流也为零，所以采样开关管Ms的漏极上的电压V_s必然为0，否则共源共栅电流镜中的必然会有电流流过，此时由于V_s为0，故当V_s输入到目标比较器A1的同相输入端时，目标比较器A1的输出，即过电流检测电路的输出信号V_c为低，代表功率开关管Mp中的输出电流没有过流。

又一方面，当过电流检测电路中的功率开关管Mp中的电流处于临界状态时，即当栅极控制电压V_g从电源输入电压V_dd减小时，功率开关管Mp栅源之间的电压增大，所以功率开关管上的输出电流I_o增加，故此时采样开关管上的采样电流I_s也增加；同时，由于第四开关管M4和第二开关管M2与基准电流源I_ref串联连接，因此，第四开关管M4和第二开关管M2中流过的电流不变，一直为参考电流源I_ref的电流大小，因此，第四开关管M4和第二开关管M2的栅源之间的电压V_gs2始终不变，且第二开关管M2源极接地，故第四开关管M4和第二开关管M2的栅极电压也始终不变，又由于第三开关管M3与第四开关管M4的栅极相连，第一开关管M1与第二开关管M2的栅极相连，因此，第三开关管M3和第一开关管M1的栅极电压也始终不变；

故当采样电流I_s增加时存在以下几种可能性：

1、若采样电压V_s不变，由于第三开关管M3和第一开关管M1的栅极电压始终不变，故此时，流过第三开关管M3和第一开关管M1的电流也不变；同时，由于比较器的同相输入端和反相输入端无法流过电流，因此，采样电流I_s全部流入第三开关管M3和第一开关管M1中，因此采样电流I_s、流过第三开关管的电流I_m3以及流过第一开关管的电流I_m1满足I_s＝I_m3＝I_m1，显然，不可能采样电流I_s增加，而流过第三开关管M3和第一开关管M1的电流不变；

2、若采样电压V_s减小，由于第三开关管M3和第一开关管M1的栅极电压始终不变，故此时，流过第三开关管M3和第一开关管M1的电流减小；同时，由于比较器的同相输入端和反相输入端无法流过电流，因此，采样电流I_s全部流入第三开关管M3和第一开关管M1中，因此采样电流I_s、流过第三开关管的电流I_m3以及流过第一开关管的电流I_m1满足I_s＝I_m3＝I_m1，显然，不可能采样电流I_s增加，而流过第三开关管M3和第一开关管M1的电流却减小；

3、若采样电压V_s增大，由于第三开关管M3和第一开关管M1的栅极电压始终不变，故此时，流过第三开关管M3和第一开关管M1的电流增大；同时，由于比较器的同相输入端和反相输入端无法流过电流，因此，采样电流I_s全部流入第三开关管M3和第一开关管M1中，因此采样电流I_s、流过第三开关管的电流I_m3以及流过第一开关管的电流I_m1满足I_s＝I_m3＝I_m1，显然，此时，采样电流I_s和流过第三开关管M3与第一开关管M1的电流同时增大。

由上述分析可知，由于第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3以及第四开关管M4共同构成共源共栅电流镜结构，且采样开关管Ms、第三开关管M3和第一开关管M1构成了共源放大器结构，从而使得栅极控制电压V_g减小，输出电流I_o增加时，采样电流I_s增加，采样电压V_s也增加。

当采样电压V_s增大到输出电压V_o时，采样开关管Ms中的采样电流I_s可以非常精确的等于输出电流I_o的1/k，即I_s＝I_o/k；且此时，由于V_s＝V_o，并且假设此时的V_o(如V_o>0.5V)能使得共源共栅电流镜的四个MOS管(第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3以及第四开关管M4)均工作在饱和区，故此时，基准电流源I_ref上的电流值可以非常精确地复制到第三开关管M3中，而流过第三开关管M3的电流I_m3等于采样开关管Ms上的采样电流I_s，因此采样电流I_s、流过第三开关管的电流I_m3以及流过第一开关管的电流I_m1满足I_s＝I_m3＝I_ref；

综上，在临界状态下，V_s＝V_o，I_ref＝I_o/k，栅极控制电压的临界电压为V_g0；

因此，若当栅极控制电压V_g从临界电压V_g0增大，输出电流I_o减小时，采样电流I_s减小，采样电压V_s也减小；若当栅极控制电压V_g从临界电压V_g0减小，输出电流I_o增大时，采样电流I_s增大，采样电压V_s也增大。

又一方面，当过电流检测电路中的功率开关管中的电流处于过流状态时，即当栅极控制电压V_g继续减小，输出电流I_o继续增加时，采样电流I_s也继续增加，采样电压V_s也继续增加；故此时，V_s>V_o，目标比较器A1的输出，即过电流检测电路的输出信号V_c为高，代表功率开关管Mp中的输出电流处于过流状态。

具体地，假设I_ref＝20mA，k＝20；因此，当I_o＝k*I_ref＝400mA时，V_o＝V_s，栅极控制电压的临界电压为V_g0；

当I_o低于400mA时，V_g大于临界电压V_g0，且由于第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3以及第四开关管M4共同构成共源共栅电流镜结构，且采样开关管Ms、第三开关管M3和第一开关管M1构成了共源放大器结构，因此，V_g的增大导致V_s的减小，故此时，V_s<V_o，过电流检测电路的输出信号V_c为低，电路不过流；

当I_o高于400mA时，V_g小于临界电压V_g0，且由于第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3以及第四开关管M4共同构成共源共栅电流镜结构，且采样开关管Ms、第三开关管M3和第一开关管M1构成了共源放大器结构，因此，V_g的减小导致V_s的增大，故此时，V_s>V_o，过电流检测电路的输出信号V_c为高，电路过流。

综上所述，在电流检测电路中，通过目标比较器的特性，共源共栅电流镜结构，以及共源共栅电流镜中的无源端与采样开关管构成的共源放大器结构，使得采样电压的值在临界状态下精准等于输出电压值，故此时，采样电流与输出电流的比值精确等于镜像电流比例，同时，共源共栅电流镜中有源端的电流值可以非常精准的复制到无源端上，而流过无源端的电流等于采样开关管上的采样电流，从而使得采样电流的值得以精准控制，因此上述电路结构使得电流检测过程中，在临界状态时，采样开关管的漏极电压精确等于功率开关管的漏极电压，避免了由于采样开关管与功率开关管漏极电压之间的压差过大导致的镜像电流比例失调，提高了过电流检测的精度。

图3是根据本申请一个示例性实施例示出的一种高精度过电流检测电路的结构示意图。如图3所示，除如图2所示的高精度过电流检测电路的结构之外，该电路还包括第一电流源I_h以及第五开关管M5；

该电源输入端依次通过第一电流源I_h以及第五开关管M5连接至第四开关管M4的漏极；

该第五开关管M5的栅极与该目标比较器A1的输出端连接。

可选的，该电源输入端通过第一电流源I_h连接至该第五开关管M5的源极，且该第五开关管M5的漏极与该第四开关管M4的漏极连接，以便该电源输入端依次通过第一电流源I_h以及第五开关管M5连接至第四开关管M4的漏极；

该第五开关管为PMOS管。

由如图2所示实施例记载内容可知，如图2所示的高精度过电流检测电路中对输出电流过流或不过流都是以k*I_ref为界限来判断的，故此时，当输出电流达到k*I_ref附近时，会导致过电流检测电路在输出过流信号和不过流信号之间切换，从而使得输出电流在k*I_ref附近出现震荡，影响过电流检测电路的精准度；

故此时，可以在如图2所示的高精度过电流检测电路中增加延迟控制电路形成如图3所示的高精度过电流检测电路，从而改善输出电流的震荡，提高检测准确度；

如图3所示的高精度过电流检测电路的工作原理如下：

1、当电路的输出电流不过流时，过电流检测电路的输出信号V_c为低，此时延迟控制第五开关管M5导通，第一电流源I_h流入第四开关管M4中，故此时，第四开关管M4中流过的电流即为I_ref+I_h，因此，当输出电流I_o达到k*(I_ref+I_h)时，过电流检测电路才判断过流，过电流检测电路的输出信号V_c变为高；

2、当电路的输出电流过流后，过电流检测电路的输出信号V_c变为高，延迟控制第五开关管M5关断，第一电流源I_h无法流入第四开关管M4中，故此时，第四开关管M4中流过的电流即为I_ref，所以输出电流I_o要低于k*I_ref时，过电流检测电路才判断不过流，过电流检测电路的输出信号V_c变为低；

由上述分析可知，通过在过流与不过流的判定中加入延迟控制电路，从而减小电路的震荡，提高检测准确度。

综上所述，在电流检测电路中，通过目标比较器的特性，共源共栅电流镜结构，以及共源共栅电流镜中的无源端与采样开关管构成的共源放大器结构，使得采样电压的值在临界状态下精准等于输出电压值，故此时，采样电流与输出电流的比值精确等于镜像电流比例，同时，共源共栅电流镜中有源端的电流值可以非常精准的复制到无源端上，而流过无源端的电流等于采样开关管上的采样电流，从而使得采样电流的值得以精准控制，因此上述电路结构使得电流检测过程中，在临界状态时，采样开关管的漏极电压精确等于功率开关管的漏极电压，避免了由于采样开关管与功率开关管漏极电压之间的压差过大导致的镜像电流比例失调，提高了过电流检测的精度；并且，通过在过流与不过流的判定中加入延迟控制电路，从而减小电路的震荡，进一步提高了电流检测的准确度。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种高精度过电流检测电路，其特征在于，所述电路包括功率开关管、采样开关管、目标比较器以及共源共栅电流镜；

所述功率开关管的源极与电源输入端连接；所述功率开关管的漏极与目标比较器的反相输入端连接；

所述采样开关管的源极与电源输入端连接；所述采样开关管的漏极与所述目标比较器的同相输入端连接；所述采样开关管的栅极与所述功率开关管的栅极连接，所述功率开关管的漏极输出输出电压；

所述电源输入端通过所述共源共栅电流镜的有源端接地；

所述采样开关管的漏极通过所述共源共栅电流镜的无源端接地；

当栅极控制电压处于临界电压时，所述输出电压与所述采样开关管的漏极电压相同，所述功率开关管流经的电流与所述共源共栅电流镜的无源端流经的电流比值的大小为k；k为所述功率开关管与采样开关管的沟道宽度比，且k大于1；

所述电路还包括第一电流源以及第五开关管；

所述电源输入端依次通过第一电流源以及第五开关管连接至第四开关管的漏极；

所述第五开关管的栅极与所述目标比较器的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述共源共栅电流镜的无源端包括第一开关管以及第三开关管；所述第一开关管的漏极与所述第三开关管的源极连接。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述共源共栅电流镜的有源端包括参考电流源、第二开关管以及第四开关管；所述第二开关管的漏极与所述第四开关管的源极连接。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第二开关管栅极与所述第一开关管的栅极连接；所述第二开关管的栅极与所述第二开关管的漏极连接；

所述第四开关管栅极与所述第三开关管的栅极连接；所述第四开关管的栅极与所述第四开关管的漏极连接。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述电源输入端通过所述共源共栅电流镜的有源端接地，包括：

所述第二开关管的源极接地，以便所述电源输入端依次通过所述参考电流源、第四开关管以及第二开关管接地。

6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述采样开关管的漏极通过所述共源共栅电流镜的无源端接地，包括：

所述采样开关管的漏极连接至所述第三开关管的漏极，且所述第一开关管的源极接地，以便所述采样开关管的漏极依次通过所述第三开关管以及所述第一开关管接地。

7.根据权利要求1至6任一所述的电路，其特征在于，所述功率开关管与所述采样开关管为PMOS管。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电源输入端依次通过第一电流源以及第五开关管连接至第四开关管的漏极，包括：

所述电源输入端通过第一电流源连接至所述第五开关管的源极，且所述第五开关管的漏极与所述第四开关管的漏极连接，以便所述电源输入端依次通过第一电流源以及第五开关管连接至第四开关管的漏极；

所述第五开关管为PMOS管。

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