TWI521213B - 開關變換器及其電流類比電路以及電流檢測電路和方法 - Google Patents

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Description

開關變換器及其電流類比電路以及電流檢測電路和方法
本發明主要涉及電子電路，更具體地說，本發明主要涉及開關變換器及其電流類比電路以及電流檢測電路和方法。
開關變換器因效率高，電流負載能力大等優點而廣泛應用於將輸入電壓轉換成輸出電壓以給負載供電的場合。開關變換器包括至少一個功率開關，通過控制該功率開關的打開和關斷得到輸出電壓。開關變換器包括降壓變換器、升壓變換器以及反激式變換器等。
在開關變換器中，通常需要對其輸出級的電流進行檢測。如短路狀態發生時，如果流過功率開關或者其它元件的電流大於其所能承受的最大電流限值，功率開關或者其它元件就會損壞。因此，需要對開關變換器中的電流進行檢測從而進行短路保護。
第1圖示出了一種現有的具有電感電流檢測功能的降壓變換器。降壓變換器包括：上側開關11、下側開關12、電感13和輸出電容14。開關變換器通過並聯耦接於電感兩端的電阻15和電容16來檢測電感電流，其中，RI是電感的寄生電阻。由於寄生電阻RI的不確定性，這種檢測方法精確度不高，且電容16的容值隨著溫度的變化而變化，這也會導致檢測電壓VS的變化，影響檢測精確度。
因此，需要更好的電流檢測電路，可以解決前面描述的一個問題或者多個問題。
本發明一實施例提出了一種用於檢測開關變換器中電流的電流檢測電路，其中，開關變換器包括第一開關和第二開關，當PWM（Pulse Width Modulation,脈衝寬度調製）信號處於第一狀態時，該電流等於流過第一開關的第一開關電流，當PWM信號處於與第一狀態不同的第二狀態時，該電流等於流過第二開關的第二開關電流，電流檢測電路包括電流感應電路和電流類比電路，電流感應電路耦接至第二開關以接收第二開關電流，並生成表徵第二開關電流的電流感應信號；電流類比電路，具有輸入端和輸出端，輸入端接收電流感應信號，輸出端根據電流感應信號輸出電流類比信號；其中，電流檢測電路提供表徵開關變換器中該電流的電流檢測信號，在第一階段，電流檢測信號與電流類比信號成既定比例，在第二階段，電流檢測信號與電流感應信號成既定比例，其中，電流檢測信號與電流感應信號的比例關係和電流檢測信號與電流類比信號的比例關係相同。
本發明一實施例提出了一種開關變換器，具有電流，開關變換器包括第一開關和第二開關，當PWM信號處於第一狀態時，該電流等於流過第一開關的第一開關電流，當PWM信號處於與第一狀態不同的第二狀態時，該電流等於流過第二開關的第二開關電流，以及如前所述的用於檢測開關變換器中電流的電流檢測電路。
本發明一實施例提出了一種用於類比開關變換器中電感電流並根據電流感應信號生成電流類比信號的電流類比電路，其中，開關變換器包括第一開關，第二開關和耦接於第一開關和第二開關的電感，當PWM信號處於第一狀態時，流過電感的電感電流等於流過第一開關的第一開關電流，當PWM信號處於第二狀態時，流過電感的電感電流等於流過第二開關的第二開關電流，其中電流感應信號表徵第二開關電流，電流類比電路包括：轉換電路，具有輸入端和輸出端，其中，輸入端接收電流感應信號，輸出端提供與電流感應信號的斜率成比例的第一電流；信號產生電路，根據第一電流生成第二電流；以及開關網路，當PWM信號處於第一狀態時 ，第二電流對電容充電，電流類比信號增加，當PWM信號處於第二狀態時，第一電流對電容放電，電流類比信號減小。
本發明一實施例提出了一種開關變換器的電感電流檢測方法，包括：感應流過開關變換器中開關的電流得到電流感應信號；根據電流感應信號的斜率生成第一電流；根據第一電流生成第二電流；根據第一電流和第二電流生成電流類比信號；在第一階段採用電流類比信號來檢測電感電流，在第二階段採用電流感應信號來檢測電感電流，其中，第一階段和第二階段是互補的。
根據本發明一實施例，電流類比信號在上側開關和下側開關打開和關斷轉換時是無須修正的，連續的，因此可以精確的模擬流過電感的電流。根據本發明的實施例提供了一種可以精確表徵開關變換器電流的電流檢測電路。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應該注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是，不必採用這些特定細節來實行本發明。在其它實施例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一個實施例或者示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特徵、結構或特徵組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的，應該理解，當稱“元件”“連接到”或“耦接”到另一元件時，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裡使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。
第2圖給出了現有技術下一種降壓變換器中電感電流檢測方法的波形示意圖。當PWM信號處於邏輯高狀態時，上側開關打開，流過電感的電流IL增加。此時，表徵電感電流的電流感應信號CS等於由並聯耦接於上側開關的第一電流感應電路所感應到的上側電流信號HS。當PWM信號處於邏輯低狀態時，下側開關打開，流過電感的電流IL減小。此時，電流感應信號CS等於由耦接於下側開關的第二電流感應電路感應到的下側電流信號LS。這種電流檢測方法需要兩個電流感應電路和其它一些週邊元件。同時，上側電流信號HS和下側電流信號LS與實際的電感電流IL不匹配，都需要修正。此外，信號HS和LS在上側開關和下側開關開關轉變時都是非連續的、波動的，進一步降低了檢測的準確性。
第3圖給出了採用本發明一實施例的檢測流過開關變換器300中電感34的電感電流的電流檢測電路31。開關變換器300包括：開關電路30和電流檢測電路31。開關電路30包括：第一開關32，第二開關33，電感34以及輸出電容37。在本實施例中，開關電路30採用降壓變換器。具體的說，第一開關32為上側開關或者稱為主開關，其耦接於輸入節點IN和開關節點SW之間，第二開關33為下側開關，其耦接於開關節點SW和參考地GND之間。電感34耦接於開關節點SW和輸出節點OUT之間；輸出電容37耦接於輸出節點OUT和參考地GND之間，提供輸出電壓。在本發明一實施例中，第一開關32和第二開關33都採用電晶體，比如說，金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）。
第一開關32由PWM信號控制，第二開關33由信號xPWM控制，信號xPWM與PWM信號是互補關係，或者說信號xPWM是PWM信號的非信號。因此，當PWM信號處於第一狀態，比如說邏輯高狀態，信號xPWM就處於邏輯低狀態，第一開關32打開，第二開關33關閉，電流從輸入節點IN流過第一開關32然後到電感34。這段時間內，流過電感34的電感電流IL等於流過第一開關32的第一開關電流I1，流過第二開關33的第二開關電流I2為0，流過電感的電流IL不斷增加。當PWM信號處於第二狀態，比如說邏輯低狀態，信號xPWM就處於邏輯高狀態，第一開關32關閉，第二開關33打開，電流流過參考地GND到第二開關33，然後到電感34。這段時間內，電感電流IL等於第二開關電流I2，第一開關電流I1為0，流過電感的電流IL不斷減小。在本發明一實施例中，第二開關33採用非同步二極體。
電流檢測電路31有輸入端311和輸出端312，其輸入端311耦接至第二開關33，其輸出端312輸出電流檢測信號CD。電流檢測電路31包括電流感應電路35和電流類比電路36，電流感應電路35感應第二開關電流I2；當第二開關電流I2的感應信號不適合表徵電感電流IL時，電流類比電路36類比電感電流IL。電流感應電路35有輸入端和輸出端，輸入端耦接於第二開關33，輸出端輸出電流感應信號CS。在本發明一實施例中，電流感應信號CS是電壓信號，該電壓信號與第二開關電流I2成比例關係。電流感應電路35可以採用任何合適形式的電流感應電路。
電流類比電路36有輸入端和輸出端，輸入端接收電流感應信號CS，輸出端輸出電流類比信號CE。電流類比電路36包括第一電流源361和第二電流源362，第一電流源361具有第一電流Ioff，第二電流源362具有第二電流Ion。在一實施例中，第一電流源361應使得第一電流Ioff與電流感應信號CS的斜率成比例。在另一實施例中，第一電流Ioff決定第二電流Ion，它們之間滿足關係式：Ion=Ioff×(Toff/Ton)，其中Toff表示PWM信號處於第二狀態（例如，邏輯低）的時間，Ton表示PWM信號處於第一狀態（例如，邏輯高）的時間。用D表示PWM信號的占空比，上述關係式還可以表示成Ion=Ioff×（1-D）/D。在本發明一實施例中，電流類比信號CE可通過在PWM信號處於第一狀態時第二電流源362對電容充電，在PWM信號處於第二狀態時第一電流源361對電容放電來生成。在本發明一實施例中，電流感應電路35的輸出端和電流類比電路36的輸出端耦接在一起，在不同階段，選擇開關選取電流感應信號CS或者電流類比信號CE耦接到電流檢測電路31的輸出端。
在第一階段，電流檢測信號CD與電流類比信號CE成既定比例關係。在第二階段，電流檢測信號CD與電流感應信號CS成上述相同的既定比例關係。在本發明一實施例中，第二階段時間定義為可以用電流感應信號CS表徵電感電流IL的時間，第一階段是一個週期內除去第二階段的剩餘階段。在本發明一實施例中，第二階段的時間包括第二開關打開的時間。在本發明一實施例中，第二階段的時間包括PWM信號處於第二狀態的時間的一部分或者第二開關處於打開狀態的時間的一部分，而第一階段時間包括PWM信號處於第一狀態的時間和PWM信號從第一狀態跳到第二狀態初始時的一段時間。在本發明一實施例中，電流檢測信號CD和電流感應信號CS或電流類比信號CE之間的既定比例係數等於1，電流檢測信號CD等於電流感應信號CS或者是電流類比信號CE。
依據本發明的一些實施例，在第一階段，感應流過開關的電流得到電流感應信號，在第二階段，根據電流感應信號對電感電流進行類比。
開關變換器300還可以包括控制器，其根據電流檢測信號CD和/或輸出電壓產生PWM信號以控制第一開關32和第二開關33的打開和關斷。在本發明一實施例中，當表徵電感電流IL的電流檢測信號CD增加時，PWM信號的占空比會增加。在本發明一實施例中，當電流檢測信號CD高於閾值時，第一開關32和第二開關33關斷。為了簡潔清晰，附圖中沒有示出該控制器，這不應視為違背本發明的精神。
在本發明一實施例中，開關電路採用升壓變換器。相應地，第一開關包括升壓變換器的上側開關，第二開關包括升壓變換器的下側開關。
第4圖給出了根據本發明一實施例的電流檢測電路31。電流檢測電路31包括：電流感應電路35、電流類比電路36、選擇開關41、電容49、跨導放大器46以及電阻47。
電流感應電路35包括：第一輸入端351，第二輸入端352以及輸出端353。其中，第一輸入端351耦接於第二開關33的第一端和開關節點SW，第二輸入端352耦接於第二開關33的第二端，輸出端353通過選擇開關41耦接到跨導放大器46。電流感應電路35感應流過第二開關33的第二開關電流，生成電流感應信號CS。在本發明一實施例中，電流感應信號CS與第二開關電流成比例關係。當第二開關33打開時，流過第二開關33的第二開關電流等於電感電流，因此，這期間內的電流感應信號CS與電感電流成比例關係。
信號SH1控制選擇開關41選擇電流感應信號CS或者是電流類比信號CE，並據此生成電流檢測信號CD。在第一階段，信號SH1處於第一邏輯狀態，選擇開關41將電流類比信號CE傳輸到跨導放大器46的輸入端。此時，電流檢測信號CD由電流類比信號CE決定。在第二階段，信號SH1處於第二邏輯狀態，選擇開關41將電流感應電路35的輸出端353耦接到跨導放大器46。此時，電流檢測信號CD由電流感應信號CS決定。
電流類比電路36具有輸入端361和輸出端362，其中，輸入端361耦接到電流感應電路35的輸出端353以接收電流感應信號CS，輸出端362輸出電流類比信號CE。在本發明一實施例中，電流感應信號CS和電流類比信號CE分別是相對於參考地的正電壓和負電壓的差分電壓信號，電容49可以採用兩個電容。
電流類比電路36包括：轉換電路44、信號產生電路45、多個電流鏡481和482以及開關網路42。轉換電路44有輸入端和輸出端，輸入端接收電流感應信號CS，輸出端提供第一電流Ioff到第一電流源361。在本發明一實施例中，第一電流Ioff與電流感應信號CS的斜率成比例，用來表徵電流感應信號CS的斜率。轉換電路44輸出第一電流Ioff到第一電流源361。
信號產生電路45包括具有第二電流Ion的第二電流源362，其中，第二電流Ion是根據第一電流Ioff生成的。在本發明一實施例中，第二電流Ion與第一電流Ioff之間滿足關係式Ion=Ioff×(Toff/Ton)，其中Toff表示電感電流不斷減小的時間，Ton表示電感電流不斷增加的時間。
電流鏡481對第一電流源361進行鏡像，鏡像出至少一個第一電流Ioff；電流鏡482對第二電流源362進行鏡像，鏡像出至少一個第二電流Ion。
開關網路42包括多個開關。當PWM信號處於第一狀態，比如說邏輯高狀態，第二電流Ion對電容49進行充電，相應地，電流類比信號CE增加。當PWM信號處於第二狀態，比如說邏輯低狀態，此時信號xPWM就是邏輯高狀態，第一電流Ioff對電容49進行放電以使電流類比信號CE減小。
跨導放大器46有輸入端，輸入端通過選擇開關41耦接到電流類比電路36的輸出端362接收電流類比信號CE或者耦接到電流感應電路的輸出端353接收電流感應信號CS。當信號SH1處於第一邏輯狀態時，跨導放大器46接收電流類比信號CE，並根據電流類比信號CE輸出與其成一定比例關係的電流信號，當信號SH1處於第二邏輯狀態時，跨導放大器46接收電流感應信號CS，並根據電流感應信號CS輸出與其成一定比例關係的電流信號。
電容49的第一端耦接到跨導放大器46的輸入端，第二端耦接到參考地GND。在本發明一實施例中，當信號SH1處於第一邏輯狀態時，選擇開關41與電流感應電路35的輸出端353斷開，第二電流Ion對電容49進行充電或者第一電流Ioff對電容49進行放電以形成電流類比信號CE。當信號SH1處於第二邏輯狀態時，選擇開關41連接電流感應電路35的輸出端353到跨導放大器46的輸入端。跨導放大器46輸入端的電壓等於電流感應信號CS。在本發明另一個實施例中，選擇開關的控制端耦接信號SH1，第一端耦接於跨導放大器46的輸入端，信號SH1處於第一邏輯狀態時第二端耦接到電流類比電路36的輸出端，當信號SH1處於第二邏輯狀態時第二端耦接到電流感應電路35的輸出端。
電阻47具有第一端和第二端，第一端耦接於跨導放大器46的輸出端，第二端耦接於參考地GND。跨導放大器46輸出的電流信號在電阻47的第一端轉換成電壓信號，該電壓信號形成電流檢測信號CD。
在選擇開關41耦接電流類比信號CE到跨導放大器46的第一階段，電流檢測信號CD與電流類比信號CE成一定的比例，其中，電流類比信號CE與第一電流Ioff或者第二電流Ion按既定比例關係變化。在選擇開關41耦接電流感應信號CS到跨導放大器46的第二階段，電流檢測信號CD與電流感應信號CS成既定比例關係。其中，電流檢測信號CD與電流感應信號CS之間的比例關係同電流檢測信號CD與電流類比信號CE之間的比例關係相同。該既定比例係數取決於跨導放大器46和電阻47的參數。在本發明一實施例中，跨導放大器46的跨導增益為gm，電阻47的阻值為R，則既定比例係數就是gm×R。
在另一發明實施例中，可以省略跨導放大器46和電阻47。在第一階段，電流檢測信號CD等於電流類比信號CE，在第二階段，電流檢測信號CD等於電流感應信號CS。這種情況下，既定比例係數等於1。
在另一發明實施例中，電流檢測電路不包括選擇開關41，電流類比信號CE還可以進一步用於電路控制，比如說直接控制PWM信號。在本發明一實施例中，電流類比電路是以獨立電子封裝的形式存在的。在一發明實施例，電流類比電路還包括跨導放大器46和電阻47，用來生成電流類比信號，該電流類比信號可以進一步用於電路控制，比如說直接生成PWM信號。
第5圖給出了根據本發明一實施例的電流感應電路35和採樣保持電路53的電路原理圖。電流感應電路35輸出差分形式的電流感應信號。電流感應電路35的第一輸入端351耦接於第二開關33的的第一端和開關節點SW，第二輸入端352耦接於第二開關33的第二端和參考地GND，第三輸入端354耦接信號xPWM，第一輸出端355輸出正電流感應信號Vcs+，第二輸出端356輸出負電流感應信號Vcs-。該電流感應信號Vcs是正電流感應信號(Vcs+)和負電流感應信號(Vcs-)之間的差值，關係式如Vcs=(Vcs+)-(Vcs-)所示。
電流感應電路35包括感應電晶體模組51和感應放大器52。感應電晶體模組51包括第一感應開關511和第二感應開關512。在本發明一實施例中，感應電晶體模組51與第二開關33製作在同一個半導體基底上。感應電晶體模組51的第一端耦接於第二開關33的第一端和開關節點SW，其第二端耦接於第二開關33的第二端和參考地GND，其第三端耦接於第二開關33的控制端以接收控制信號xPWM，其第四端和第五端耦接於感應放大器52。下側開關33包括N個並聯的電晶體，N是一個整數，第一感應開關511和第二感應開關512各自包括一個電晶體。相應地，第一感應開關511的導通電阻或者第二感應開關512的導通電阻是第二開關33的導通電阻的N倍。第一感應開關511的第一端耦接於開關節點SW，其第二端耦接於感應放大器52的輸入端，其控制端耦接信號xPWM。第二感應開關512的第一端耦接到參考地GND，其控制端耦接於電壓源Vcc，其第二端耦接於感應放大器52的第二輸入端。電感電流IL由開關節點SW處的電壓和開關33的導通電阻決定。因此，通過感應開關節點SW處的電壓，匹配第二開關33與感應電晶體模組51中的導通電阻，可以感應電感電流IL。
感應放大器52有第一輸入端，第二輸入端，第一輸出端和第二輸出端，其第一輸入端和第二輸入端耦接於感應流過第二開關33的電流的感應電晶體模組51，其第一輸出端得到正電流感應電壓信號Vcs+，其第二輸出端得到負電流感應電壓信號Vcs-，其中，電流感應信號是第一輸出端感應電壓信號Vcs+和第二輸出端感應電壓信號Vcs-之間的差分電壓。感應放大器52包括：電壓控制模組521，兩個電流鏡522和523，兩個電阻524和525以及兩個電壓跟隨器526和527。感應放大器52輸出電流感應信號CS，Vcs=(Vcs+)-(Vcs-)=IL×k，其中k為由N和R決定的固定值，R是電阻524和525的阻值。
採樣保持電路53包括：第一電容531、第二電容532、第一選擇開關533和第二選擇開關534。第一電容531有兩端，其第二端耦接到參考地GND。第二電容532有兩端，其第二端耦接到參考地GND。第一選擇開關533有第一端，第二端和控制端，其第一端耦接於電流感應電路35的第一輸出端355，其第二端耦接到第一電容531的第一端，其控制端耦接控制信號SH1。第二選擇開關534有第一端，第二端和控制端，其第一端耦接到電流感應電路35的第二輸出端356，其第二端耦接到第二電容532的第一端，其控制端耦接控制信號SH1。
當信號SH1處於第一邏輯狀態時，比如說邏輯低狀態，第一選擇開關533和第二選擇開關534關斷，電流感應電路35的第一輸出端355與第一電容531斷開，電流感應電路35的第二輸出端356與第二電容532斷開，第一電容531的第一端電壓和第二電容532的第一端電壓之間的差值提供電流類比信號。此時，電流檢測信號由電流類比信號決定。
當信號SH1處於第二邏輯狀態，比如說邏輯高狀態，第一選擇開關533和第二選擇開關534打開，第一電容531的第一端處的電壓和第二電容532的第一端處的電壓之間的電壓差值提供電流感應信號，該電流感應信號是差分電壓形式，Vcs=(Vcs+)-(Vcs-)。此時，表徵電感電流的電流檢測信號由電流感應信號決定。
第6圖給出了根據本發明一實施例的電流類比電路36的電路原理圖。在所示實施例中，電流感應信號和電流類比信號都是差分信號，電壓Vcs+和電壓Vcs-之間的差分電壓為電流感應信號。電流類比電路36有第一輸入端363，第二輸入端364，第一輸出端365和第二輸出端366。其中，輸入端363和364接收差分電流感應信號，輸出端365和366輸出差分電流類比信號。
電流類比電路36包括：轉換電路44、信號產生電路45、用於形成多個電流源601-608的多個電流鏡以及開關網路42。電流類比電路36與採樣保持電路53共用第一電容531和第二電容532。轉換電路44的第一輸入端耦接於電流類比電路36的第一輸入端363，接收正電流感應電壓信號Vcs+，轉換電路44的第二輸入端耦接於電流類比電路36的第二輸入端364，接收負電流感應電壓信號Vcs-，電流感應信號即為Vcs=(Vcs+)-(Vcs-)。轉換電路44將電流感應信號轉換成第一電流Ioff，形成電流源68。電容67和信號SH2控制的開關實現對第一電流Ioff的採樣和保持，並形成第一電流源601。多個電流鏡對第一電流Ioff進行鏡像，形成多個具有第一電流Ioff的第一電流源602-604。
信號產生電路45根據第一電流Ioff生成並調整第二電流Ion並形成第二電流源66。多個電流鏡對第二電流Ion進行鏡像，形成多個第二電流源605-608。信號產生電路45包括：放大器65、第一電容631、第二電容632、第三電容633、第一開關621、第二開關622、第三開關623、第四開關624、第五開關625、第一電晶體64、第二電晶體66、第三電晶體605。其中，第一電容631耦接於放大器65的同相輸入端和參考地GND之間，第二電容632耦接於放大器65的反相輸入端和參考地GND之間。第三電容633耦接於第五開關625和參考地GND之間。第一開關621耦接於電容631兩端。第二開關622耦接於電容632兩端。第三開關623耦接於第一電流源601和電容631之間。第四開關624耦接於第三電晶體605和電容632之間。第五開關625耦接於放大器65的輸出端和電晶體64的控制端之間。第一電晶體64的第一端耦接到參考地GND，其第二端耦接於第二電晶體66，其控制端耦接於第五開關625。第二電晶體66和第三電晶體605形成電流鏡以鏡像電流Ion。開關621-625分別由信號RS1、RS2、HOLD1、HOLD2和SH3控制。第一電容631和第二電容632的電容值相同。信號產生電路45根據第一電流Ioff生成並調整第二電流Ion。第7圖將對信號產生電路45的功能進行詳細描述。在一實施例中，放大器65包括跨導放大器。在一實施例中，放大器65可以替換為比較器。
開關網路42包括多個開關611-614，其中開關611和612耦接於第二電流源606和608，並由控制降壓變換器的上側開關的PWM信號控制。開關613和614耦接於第一電流源603和604上，由信號xPWM控制，信號xPWM是PWM信號的非信號。開關611和614的公共點耦接於電流類比電路36的第一輸出端365，同時耦接於採樣保持電路53的第一電容531。開關612和613的公共點耦接於電流類比電路36的第二輸出端366，同時耦接於採樣保持電路53的第二電容532。當控制信號SH1處於第一邏輯狀態，比如說邏輯低狀態，第一選擇開關533和第二選擇開關534都處於關斷狀態，此時若PWM信號處於邏輯高狀態，則第二電流Ion對第一電容531進行充電且對第二電容532進行放電；若PWM信號處於邏輯低狀態，第一電流Ioff對第二電容532進行充電且對第一電容531進行放電。第一電容531的第一端電壓V2+和第二電容532的第一端電壓V2-的差值用於提供電流類比信號，其值等於Vce=(V2+)-(V2-)。
跨導放大器46有第一輸入端，第二輸入端和輸出端，第一輸入端耦接到第一電容531的第一端和電流類比電路36的第一輸出端365，其第二輸入端耦接到第二電容532的第一端和電流類比電路36的第二輸出端366，其輸出端耦接到電阻47並輸出電流檢測信號CD。在信號SH1關斷開關533和534的第一階段，電流檢測信號CD由電流類比信號決定，在信號SH1打開開關533和534的第二階段，電流檢測信號CD由電流感應信號決定。
第7圖給出了依據本發明一實施例的結合第5圖至第6圖所示電路的信號波形示意圖。在時刻t1，PWM信號跳變至邏輯高的第一狀態，開關611和612打開，開關613和614關斷。在時刻t1，信號SH1跳變至邏輯低，開關533和534關斷以使第一電容531和第二電容532保持電流感應信號CS。第二電流Ion開始對第一電容531充電且對第二電容532放電，電流類比信號Vce=(V2+)-(V2-)開始增加。在時刻t1，信號SH2跳變至邏輯低以保持表徵電流感應信號斜率的第一電流Ioff。在t1時刻，信號SH3跳變至邏輯高，開關625打開。信號HOLD1和HOLD2都處於邏輯高，開關623和624關斷，相應的斜坡打開電壓AS-on和斜坡關斷電壓AS-off被保持。此時，如果斜坡關斷電壓AS-off小於斜坡打開電壓AS-on，電晶體64的控制端電壓減小，第二電流Ion減小。如果斜坡關斷電壓AS-off大於斜坡打開電壓AS-on，電晶體64的控制端電壓增加，相應地，第二電流Ion增加。在很短的時間內，第二電流Ion增加或者減小直至斜坡打開電壓AS-on和斜坡關斷電壓AS-off相等。一小段時間後，在時刻t2，開關625關斷，表徵下一週期的斜坡打開電壓AS-on斜率的第二電流Ion被保持。在本發明一實施例中，t1-t2的時間大概有10-20ns。
從時刻t1到t4，開關611和612打開，開關613和614關斷，第二電流源606以第二電流Ion對第一電容531進行充電，第二電流源608以第二電流Ion對第二電容532放電。相應地，等於電壓V2+和電壓V2-之間差值的電流類比信號會增加。
在時刻t2，信號SH3跳變到邏輯低以關斷開關625，信號RS1和RS2跳變到邏輯高以打開開關621和622,斜坡打開電壓AS-on和斜坡關斷電壓AS-off重置為0。在時刻t2，信號HOLD1和HOLD2跳變至邏輯低以打開開關623和624。其中，信號HOLD1可以在PWM信號跳變為邏輯低之前的任何時間跳到邏輯低，信號HOLD2可以在RS2跳到邏輯低之前的任何時間內跳到邏輯低。
在時刻t3，信號RS2跳到邏輯低狀態以關斷開關622。此時，開關624打開，第二電流源605的第二電流Ion開始對電容632充電，相應的斜坡打開電壓AS-on開始增加。斜坡打開電壓AS-on增加直到時刻t5，信號HOLD2跳到邏輯高以關斷開關624，斜坡打開電壓AS-on保持在固定值，t3-t5的時間等於PWM信號處於邏輯高狀態的時間，也就是斜坡打開電壓AS-on增加的時間等於PWM信號處於邏輯高狀態的時間。也就是t3-t5的時間等於t1-t4的時間。在t5到t8的這段時間，斜坡打開電壓AS-on保持為固定值(Ion×Ton)/C，其中Ton為t3到t5的時間，C為電容632的容值。
在時刻t4，PWM信號跳變到邏輯低狀態的第二狀態，開關613和614打開，開關611和612關斷。第一電流源603的第一電流Ioff開始對第二電容532進行充電，第一電流源604的第一電流Ioff開始對第一電容531進行放電，電流類比信號減小。在時刻t4，信號RS1跳變到邏輯低以關斷開關621，第一電流Ioff開始對電容631進行充電，斜坡關斷電壓AS-off開始增加。斜坡關斷電壓AS-off一直增加直到時刻t8，此時PWM信號再次跳到邏輯高狀態，意味著斜坡關斷電壓AS-off增加的時間等於PWM信號處於邏輯低狀態的時間。在時刻t8，斜坡關斷電壓AS-off保持在(Ioff×Toff)/C，此處Toff的時間是從t4到t8的時間，C是電容631的電容值。信號產生電路45的目的是控制斜坡關斷電壓AS-off等於斜坡打開電壓AS-on，它們之間滿足關係式(Ion×Ton)/C=(Ioff×Toff)/C，因此Ion可以用關係式Ion=Ioff×Toff/Ton計算。因為Toff等於PWM信號處於邏輯低狀態的時間，Ton等於PWM信號處於邏輯高狀態的時間，因此，可以得到關係式Ion=Ioff×Toff/Ton=Ioff×(1-D)/D，此處，D表示PWM信號的占空比，這樣，電流類比信號可以精確地匹配實際的電感電流。
在時刻t6，信號SH1跳變到邏輯高狀態，開關533和534打開，電流感應電路的輸出電壓信號Vcs+和Vcs-耦接到電流檢測電路的輸出端。同時，電流類比電路36的輸出端365和366提供的第一電流Ioff被電流感應電路35中電壓跟隨器526和527吸收。電流檢測信號CD開始由Vcs+和Vcs-之間的電壓差表示的電流感應信號決定。時刻t6應在電流感應信號CS可以精確地表徵電感電流時選取。
在時刻t7，信號SH2跳到邏輯高，以電壓Vcs+和Vcs-表徵的電流感應信號調節第一電流源601-604的第一電流Ioff。時刻t7應在電流感應信號已經高精確地表徵電感電流一段時間時選取。
在時刻t8，PWM信號再次跳變到邏輯高狀態，斜坡關斷電壓AS-off保持在(Ioff×Toff)/C，重複時刻t1的控制，新的控制週期開始。
在t1-t6這第一階段，信號SH1處於邏輯低狀態，電流檢測信號CD由電流類比信號CE決定。在t6-t8這第二階段，信號SH1處於邏輯高狀態，電流檢測信號CD由電流感應信號CS決定。在一些特定的發明實施例中，在第一階段，電流檢測信號CD等於電流類比信號CE，在第二階段，電流檢測信號CD等於電流感應信號CS。這樣，第二階段包括PWM信號處於邏輯低狀態且第二開關（降壓變換器的下側開關）打開的時間的一部分，第一階段包括PWM信號處於邏輯高狀態的時間以及PWM信號處於邏輯低狀態的初始時的一段時間。因此，PWM信號從邏輯高狀態跳變到邏輯低狀態這一時間段的電流感應信號的修正不會出現在電流檢測信號中，這樣電流檢測信號的精確性更高，且PWM信號高低跳變過渡十分平滑。
應該知曉，邏輯信號的高狀態和低狀態是可以互換的，且其產生相同的控制作用。
第8圖給出根據本發明一實施例的開關變換器中檢測電感電流的方法800的流程圖。開關變換器包括第一開關，第二開關以及耦接於第一開關和第二開關的電感。當PWM信號處於第一狀態，比如說邏輯高狀態，第一開關打開，流過第一開關的電流等於流過電感的電感電流。當PWM信號處於第二狀態，比如說是邏輯低狀態，第二開關打開，流過第二開關的電流等於電感電流。方法800包括步驟S801：感應流過開關的開關電流，比如說通過電流感應電路感應流過開關SL的電流，得到電流感應信號Vcs。方法800包括步驟S802：根據電流感應信號Vcs的斜率生成第一電流Ioff。方法800包括步驟S803：根據第一電流Ioff生成第二電流Ion。在本發明一實施例中，第二電流Ion根據關係式Ion=Ioff(1-D)/D得到，其中D表示PWM信號的占空比。方法800包括步驟S804：根據第一電流Ioff和第二電流Ion生成電流類比信號。在本發明一實施例中，PWM信號處於第一狀態時對電容充電，PWM信號處於第二狀態時對電容放電生成電流類比信號Vce。方法800還包括步驟S805：在第一階段，根據電流類比信號來檢測電感電流，在第二階段，根據電流感應信號來檢測電感電流。在本發明一實施例中，第一階段與第二階段互補。在另一實施例中，不是所有的電流檢測信號都是我們需要的，第一階段和第二階段是非連續的。在本發明一實施例中，第二階段是PWM信號處於邏輯低狀態的時間的一部分，即開關SL打開的時間的一部分，第一階段是第二階段的互補階段。
方法800還包括通過電流感應信號和電流類比信號生成電壓信號，通過跨導放大器將該電壓信號轉換成電流信號，將該電流信號轉換成可以表徵電感電流的電流檢測信號。在一實施例中，該電壓信號在第一階段等於電流類比信號，在第二階段等於電流感應信號。
該方法可以類比PWM信號處於第一狀態的全部時間內和PWM信號處於第二狀態初始時部分時間內的電感電流。根據電流類比信號生成的電流檢測信號既不需要信號修正，也不受開關跳變的影響，可以高精確地表徵真實的電感電流。
第9圖給出了採用本發明一實施例的結合第5圖至第6圖所示信號模擬得到的波形圖。從該波形圖中可以看到，包括電流類比信號CE的電流檢測信號CD可以精確的匹配電感電流IL。
第10圖給出了採用本發明一實施例的結合第5圖至第6圖所示信號模擬得到的在負載向上跳變時的波形。從該波形中可以看到，當負載向上跳變時，電流檢測信號CD可以很好的匹配電感電流IL。
上述的一些特定實施例僅僅以示例性的方式對本發明進行說明，這些實施例不是完全詳盡的，並不用於限定本發明的範圍。對於揭露的實施例進行變化和修改都是可能的，其它可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本技術領域的普通技術人員所瞭解。本發明所揭露的實施例的其它變化和修改並不超出本發明的精神和申請專利範圍限定的保護範圍。
11‧‧‧上側開關
12‧‧‧下側開關
13、34‧‧‧電感
14‧‧‧輸出電容
15、47‧‧‧電阻
16、49、67、531、532、631、632、633‧‧‧電容
30‧‧‧開關電路
31‧‧‧電流檢測電路
32、33、611、612、613、614621、622、623、624、625、SL‧‧‧開關
35‧‧‧電流感應電路
36‧‧‧電流類比電路
37‧‧‧輸出電容
41、533、534‧‧‧選擇開關
42‧‧‧開關網路
44‧‧‧轉換電路
45‧‧‧信號產生電路
46‧‧‧跨導放大器
51‧‧‧感應電晶體模組
52‧‧‧感應放大器
53‧‧‧採樣保持電路
64、66、605‧‧‧電晶體
65‧‧‧放大器
68、361、362、601、602、603、604、605、606、607、608‧‧‧電流源
300‧‧‧開關變換器
311、351、352、354、363、366‧‧‧輸入端
312、353、355、356、364、365‧‧‧輸出端
481、482‧‧‧電流鏡
511、512‧‧‧感應開關
521‧‧‧電壓控制模組
522、523‧‧‧電流鏡
524、525‧‧‧電阻
526、527‧‧‧電壓跟隨器
800‧‧‧方法
AS-on‧‧‧斜坡打開電壓
AS-off‧‧‧斜坡關斷電壓
CD‧‧‧電流檢測信號
CE‧‧‧電流類比信號
CS‧‧‧電流感應信號
GND‧‧‧參考地
HOLD1、HOLD2、RS1、RS2、SH1、SH2、SH3、xPWM‧‧‧信號
HS‧‧‧上側電流信號
I1、I2‧‧‧開關電流
IL‧‧‧電感電流
IN‧‧‧輸入節點
Ioff、Ion‧‧‧電流
LS‧‧‧下側電流信號
OUT‧‧‧輸出節點
PWM‧‧‧脈衝寬度調製
RI‧‧‧寄生電阻
S801、S802、S803、S804、S805‧‧‧步驟
SW‧‧‧開關節點
t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8‧‧‧時刻
Vcc‧‧‧電壓源
Vcs‧‧‧電流感應信號
Vcs+‧‧‧正電流感應電壓信號
Vcs-‧‧‧負電流感應電壓信號
V2+、V2-、VS‧‧‧電壓
為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本發明的實施例進行描述。這些附圖僅用於示例。附圖通常僅示出實施例中系統或電路的部分特徵。 第1圖示出了現有的電感電流檢測電路的降壓變換器。 第2圖給出了現有技術下一種降壓變換器中電感電流檢測方法的波形示意圖。 第3圖給出了採用本發明一實施例的檢測流過開關變換器300中電感34的電感電流的電流檢測電路31。 第4圖給出了根據本發明一實施例的電流檢測電路31。 第5圖給出了根據本發明一實施例的電流感應電路35和採樣保持電路53的電路原理圖。 第6圖給出了根據本發明一實施例的電流類比電路36的電路原理圖。 第7圖給出了依據本發明一實施例的結合第5圖至第6圖所示電路的信號波形示意圖。 第8圖給出根據本發明一實施例的開關變換器中檢測電感電流的方法800的流程圖。 第9圖給出了採用本發明一實施例的結合第5圖至第6圖所示信號模擬得到的波形圖。 第10圖給出了採用本發明一實施例的結合第5圖至第6圖所示信號模擬得到的在負載向上跳變時的波形。 貫穿所有附圖相同的附圖標記表示相同或相似的部件或特徵。
30‧‧‧開關電路
31‧‧‧電流檢測電路
32、33‧‧‧開關
34‧‧‧電感
35‧‧‧電流感應電路
36‧‧‧電流類比電路
37‧‧‧輸出電容
300‧‧‧開關變換器
311‧‧‧輸入端
312‧‧‧輸出端
361、362‧‧‧電流源
CD‧‧‧電流檢測信號
CE‧‧‧電流類比信號
CS‧‧‧電流感應信號
GND‧‧‧參考地
I1、I2‧‧‧開關電流
IL‧‧‧電感電流
IN‧‧‧輸入節點
Ioff、Ion‧‧‧電流
OUT‧‧‧輸出節點
PWM‧‧‧脈衝寬度調製
SW‧‧‧開關節點

Claims (19)

  1. 一種用於檢測開關變換器中電流的電流檢測電路，其中，開關變換器包括第一開關和第二開關，當PWM信號處於第一狀態時，該電流等於流過第一開關的第一開關電流，當PWM信號處於與第一狀態不同的第二狀態時，該電流等於流過第二開關的第二開關電流，電流檢測電路包括： 電流感應電路，耦接至第二開關以接收第二開關電流，並生成表徵第二開關電流的電流感應信號；以及 電流類比電路，具有輸入端和輸出端，輸入端接收電流感應信號，輸出端根據電流感應信號輸出電流類比信號； 其中，電流檢測電路提供表徵開關變換器中該電流的電流檢測信號，在第一階段，電流檢測信號與電流類比信號成既定比例，在第二階段，電流檢測信號與電流感應信號成既定比例，其中，電流檢測信號與電流感應信號的比例關係和電流檢測信號與電流類比信號的比例關係相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，第二階段包括第二開關打開的時間的一部分，第二階段與第一階段互補。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，電流類比電路根據電流感應信號生成第一電流且根據第一電流生成第二電流，並且根據第一電流和第二電流生成電流類比信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，電流類比電路包括： 轉換電路，具有輸入端和輸出端，輸入端接收電流感應信號，輸出端提供第一電流，其中，第一電流與電流感應信號的斜率成比例； 信號產生電路，根據第一電流生成第二電流；以及 開關網路，當PWM信號處於第一狀態時，第二電流對電容充電，電流類比信號增加，當PWM信號處於第二狀態時，第一電流對電容放電，電流類比信號減小。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電流檢測電路，其中信號產生電路根據關係式Ion=Ioff×(1-D)/D生成第二電流，其中Ion表示第二電流，Ioff表示第一電流，D表示PWM信號的占空比。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的電流檢測電路，其中信號產生電路包括： 放大器或比較器，具有第一輸入端，第二輸入端和輸出端； 第一電容，耦接於放大器或比較器的第一輸入端和參考地之間； 第二電容，耦接於放大器或比較器的第二輸入端和參考地之間； 第一開關，並聯耦接於第一電容的兩端； 第二開關，並聯耦接於第二電容的兩端； 第三開關，耦接於具有第一電流的第一電流源和第一電容之間； 第四開關，具有第一端和第二端，第一端耦接至第二電容，第四開關打開的時間等於PWM信號處於第一狀態的時間； 第五開關，具有第一端，第二端和控制端，其中，第一端耦接至放大器或比較器的輸出端； 第一電晶體，具有第一端，第二端和控制端，其中，控制端耦接到第五開關的第二端，第二電流生成於第一電晶體的第一端和第二端之間，第五開關打開時，第二電流是可調的； 第二電晶體，串聯耦接於第一電晶體；以及 第三電晶體，耦接於第四開關的第二端，其中，第三電晶體與第二電晶體形成電流鏡。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中開關變換器採用降壓變換器，第一開關包括降壓變換器的上側開關，第二開關包括降壓變換器的下側開關。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中，當PWM信號處於第一狀態時，第一開關打開，第二開關關斷，當PWM信號處於第二狀態時，第二開關打開，第一開關關斷。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，還包括： 選擇開關，具有兩端，第一端耦接於電流感應電路的輸出端； 跨導放大器，具有輸入端和輸出端，輸入端耦接於電流類比電路的輸出端和選擇開關的第二端，輸出端提供電流信號；以及 電阻，具有第一端和第二端，第一端耦接於跨導放大器的輸出端以提供電流檢測信號，第二端耦接於參考地。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中電流感應電路有第一輸出端和第二輸出端，電流類比電路有第一輸入端和第二輸入端，電流檢測電路還包括： 第一電容，具有第一端和第二端，第二端耦接於參考地； 第二電容，具有第一端和第二端，第二端耦接於參考地； 第一選擇開關，具有第一端，第二端和控制端，第一端耦接到電流感應電路的第一輸出端，第二端耦接於第一電容的第一端和電流類比電路的第一輸入端，控制端耦接於控制信號；以及 第二選擇開關，具有第一端，第二端和控制端，第一端耦接於電流感應電路的第二輸出端，第二端耦接於第二電容的第一端和電流類比電路的第二輸入端，控制端耦接於控制信號；其中 當控制信號處於第一邏輯狀態時，第一選擇開關和第二選擇開關打開，第一電容第一端和第二電容第一端之間的電壓差用於生成電流感應信號； 當控制信號處於第二邏輯狀態時，第一選擇開關和第二選擇開關關斷，第一電容第一端和第二電容第一端之間的電壓差用來提供電流類比信號，當PWM信號處於第一狀態時，第二電流對第一電容進行充電且對第二電容進行放電，當PWM信號處於第二狀態時，第一電流對第二電容進行充電且對第一電容進行放電。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電流檢測電路，還包括： 跨導放大器，具有第一輸入端，第二輸入端和輸出端，第一輸入端耦接於第一電容的第一端，第二輸入端耦接到第二電容的第一端，跨導放大器將第一電容的第一端和第二電容的第一端之間的電壓差轉換成電流信號；以及 電阻，具有第一端和第二端，第一端耦接於跨導放大器的輸出端，第二端耦接到參考地，其中，第一端輸出電流檢測信號。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中的電流感應電路包括： 感應電晶體模組，具有第一端、第二端、第三端和第四端，第一端耦接於第二開關的第一端，第二端耦接於第二開關的第二端，第三端耦接於第二開關的控制端，其中，感應電晶體模組和第二開關集成在同一個半導體基底上；以及 感應放大器，耦接於感應電晶體模組的第四端，提供電流感應信號。
  13. 一種開關變換器，具有電流，開關變換器包括： 第一開關和第二開關，當PWM信號處於第一狀態時，該電流等於流過第一開關的第一開關電流，當PWM信號處於與第一狀態不同的第二狀態時，該電流等於流過第二開關的第二開關電流；以及 如申請專利範圍第1項到第12項中任一申請專利範圍所述的用於檢測開關變換器中電流的電流檢測電路。
  14. 一種用於類比開關變換器中電感電流並根據電流感應信號生成電流類比信號的電流類比電路，其中，開關變換器包括第一開關，第二開關和耦接於第一開關和第二開關的電感，當PWM信號處於第一狀態時，流過電感的電感電流等於流過第一開關的第一開關電流，當PWM信號處於第二狀態時，流過電感的電感電流等於流過第二開關的第二開關電流，其中電流感應信號表徵第二開關電流，電流類比電路包括： 轉換電路，具有輸入端和輸出端，其中，輸入端接收電流感應信號，輸出端提供與電流感應信號的斜率成比例的第一電流； 信號產生電路，根據第一電流生成第二電流；以及 開關網路，當PWM信號處於第一狀態時，第二電流對電容充電，電流類比信號增加，當PWM信號處於第二狀態時，第一電流對電容放電，電流類比信號減小。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的電流類比電路，其中信號產生電路根據關係式Ion=Ioff×(1-D)/D產生第二電流，其中Ion表示第二電流，Ioff表示第一電流，D表示PWM信號的占空比。
  16. 如申請專利範圍第14項中的電流類比電路，其中信號產生電路包括： 放大器或比較器，具有第一輸入端，第二輸入端和輸出端； 第一電容，耦接於放大器或比較器的第一輸入端和參考地之間； 第二電容，耦接於放大器或比較器的第二輸入端和參考地之間； 第一開關，並聯耦接於第一電容的兩端； 第二開關，並聯耦接於第二電容的兩端； 第三開關，耦接於具有第一電流的第一電流源和第一電容之間； 第四開關，具有第一端和第二端，其中，第一端耦接於第二電容，第四開關打開的時間等於PWM信號處於第一狀態的時間； 第五開關，具有第一端，第二端和控制端，其中，第一端耦接至放大器或比較器的輸出端； 第一電晶體，具有第一端，第二端和控制端，其中，控制端耦接於第五開關的第二端，第二電流產生於第一電晶體的第一端和第二端之間，第五開關打開時，第二電流是可調的； 第二電晶體，串聯耦接於第一電晶體；以及 第三電晶體，耦接於第四開關的第二端，其中，第三電晶體與第二電晶體形成電流鏡。
  17. 一種開關變換器的電感電流檢測方法，包括： 感應流過開關變換器中開關的電流得到電流感應信號； 根據電流感應信號的斜率生成第一電流； 根據第一電流生成第二電流； 根據第一電流和第二電流生成電流類比信號； 在第一階段採用電流類比信號來檢測電感電流，在第二階段採用電流感應信號來檢測電感電流，其中，第一階段和第二階段是互補的。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的電感電流檢測方法，第一電流和第二電流之間滿足關係式：Ion=Ioff×(1-D)/D，其中Ion表示第二電流，Ioff表示第一電流，D是開關變換器中控制主開關的PWM信號的占空比。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的電感電流檢測方法，電流類比信號生成的步驟包括利用第一電流對電容進行充電，相繼利用第二電流對電容進行放電。
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