Dc-dc轉換器中電感峰值電流的檢測電路及方法

2024-02-09 18:35:15

專利名稱：Dc-dc轉換器中電感峰值電流的檢測電路及方法
技術領域：
本發明涉及集成電路領域，尤其涉及內置功率開關管的DC-DC轉換器中輸入峰值 電流的檢測電路及方法。
背景技術：
眾所周知，所有的電子設備都需要電源，但不同的電子系統對電源的要求不同，為 了發揮各自電子系統的最佳性能，則需要選擇合適的電源管理晶片以提供最佳的電源管理 方式。而高性能電源管理晶片是高效率電源轉換器的重要組成部分。高性能電源管理晶片 具有電壓反饋控制環路和電流反饋控制環路。電流反饋控制就需要電流檢測器檢測電感或 開關管的電流，然後反饋回控制模塊，以產生準確的控制信號。圖1就是目前DC-DC轉換器系統的主要架構，由四個允許流過大電流的功率開關 管P1、P4、N2、N3，電感L和系統控制模塊構成，當PMOS管Pl和NMOS管N3導通時就是對電 感L的充電過程；當NMOS管N2和PMOS管P4導通時就是電感L放電過程。而轉換器系統 處於升壓、降壓還是升降壓的工作狀態，主要取決於輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT的關係。 輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT的壓差大小決定著四個開關管P1、P4、N2、N3導通的時間長 短。圖2為目前DC-DC (直流-直流)轉換器中輸入電流檢測的一般方法，採用的是直 接檢測功率開關管Pi的源漏電壓Vds，由於功率開關管Pl正常工作在線性區，所以流過Pl 的電流ID為
WId κ μρ οχ一 (Vgs — Vm)Vos
L由於ID電流比較大，存在很多其他效應，且不同的輸入電壓VIN的差別非常大， 所以反饋電流不能比較精確控制，因而這種方法所檢測到的流並不是很精確，這樣會影響 DC-DC系統的響應速度，以致於影響DC-DC系統輸出精度，降低電源管理晶片的性能。

發明內容
本發明的目的在於解決電源管理晶片中輸入峰值電流的精確檢測問題，使得電流 控制迴路更快、更準，提高DC-DC電源轉換系統的性能，更好保護大電流工作的晶片電路。為實現上述目的，本發明提出如下技術方案一種DC-DC轉換器中電感峰值電流 的檢測電路，包括DC-DC轉換器電路，對該轉換器電路中的電感峰值電流進行檢測的峰值 電流檢測電路，以及產生反饋控制信號的控制電路；其中DC-DC轉換器電路包括複數個功 率開關管及電感(L)；所述峰值電流檢測電路包括以一定比例鏡像流過其中第一功率開關 管(Pl)電流的鏡像管(P5)，與該鏡像管(PO相串接的檢測電阻(Rsenser)，以及運算放大 器(AMP)。其中，所述DC-DC轉換器電路具有輸入電壓(VIN)端及輸出電壓(VOUT)端，所述 第一功率開關管(Pl)接在輸入電壓(VIN)端。
所述鏡像管(P5)與檢測電阻(Rsenser)串接後，接在第一功率開關管(Pl)的源 極和漏極兩端，且鏡像管(PO的第四端襯底與第一功率開關管(Pi)的第四端襯底一同接 在輸入電壓(VIN)端。運算放大器(AMP)跨接在檢測電阻(Rsenser)兩端。所述運算放大器(AMP)的同相輸入端(IN+)接到輸入電壓(VIN)端上，反相輸入 端(IN-)接到檢測電阻(Rsenser)與鏡像管(P5)串連結點上；且該運算放大器(AMP)具有 預設的固定失調電壓(Vos)，該電壓為第一電流源(Iil)流過第一電阻(Rl)產生的電壓。所述運算放大器(AMP)為摺疊式共源共柵放大器，其由複數個電晶體及電流源組 成三級運算放大電路。所述運算放大器(AMP)包括第四NMOS管(N4)、第五NMOS管(N5)、第六NMOS管 (N6)、第七NMOS管(N7)、第八匪OS管(N8)、第九NMOS管(N9)、第六PMOS管(P6)、第七PMOS 管(P7)和五個電流源(Ii2 Ii5)；其中，第四NMOS管(N4)與第五NMOS管(N5)是運放的 差分輸入對管，要求高度匹配在版圖(layout)上；第六PMOS管(P6)和第七PMOS管(P7) 是一對共柵管，其工作在飽和區；第六NMOS管(N6)接成二極體與第七NMOS管(N7)構成鏡 像關係，完成差分信號轉換成單端信號的功能；第四電流源(Ii4)與第八NMOS管(N8)完成 第二級放大功能；第五電流源(1巧)與第九NMOS管(N9)完成第三級放大功能。所述檢測電阻是聚合物材料電阻。本發明還提供了一種DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測方法，用於檢測DC-DC 轉換器電路中的電感峰值電流，該DC-DC轉換器電路包括複數個功率開關管及電感，通過 設置一以一定比例鏡像流過其中第一功率開關管電流的鏡像管，與鏡像管相串接的檢測電 阻，以及跨接在檢測電阻兩端的運算放大器；使得流過鏡像管的鏡像電流，會在檢測電阻上 產生一定的壓降，且通過運算放大器檢測峰值電流，當運算放大器檢測到流過電感的電流 達到設定峰值時，運放輸出端輸出有效信號給控制電路，控制電路產生反饋控制信號去控 制所述功率開關管，以完成對電感峰值電流的檢測和反饋控制過程。其中，所述運算放大器具有預設的固定輸入失調電壓。所述運算放大器為摺疊式共源共柵放大器，其通過複數個電晶體及電流源組成三 級運算放大電路。本發明所揭示DC-DC轉換器中電感峰值電流檢測電路及檢測方法，其具有可集 成、高精度、高速度進行DC-DC轉換器中電感峰值電流檢測的優點，提高了 DC-DC電源轉換 系統的性能，更好地保護了大電流工作的晶片電路，且不增加晶片成本。


圖1為現有的升壓-降壓(Buck-boost)型DC-DC轉換器電路的示意圖；圖2為現有的DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路的示意圖；圖3為本發明DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路的示意圖；圖4為另一本發明DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路的示意圖。
具體實施例方式本發明提出一種檢測DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路及檢測方法，如圖 3所示，該檢測電路包括DC-DC轉換器電路，對該轉換器電路中的電感峰值電流進行檢測的峰值電流檢測電路，產生反饋控制信號的控制電路。其中DC-DC轉換器電路包括功率開關 管P1、P4、N2和N3，電感L，輸入電壓VIN端與輸出電壓VOUT端，第一功率開關管Pl接在輸 入電壓VIN端。峰值電流檢測電路包括以一定比例鏡像流過第一功率開關管Pl電流的鏡 像管P5，與鏡像管P5相串接的檢測電阻Rsenser，以及運算放大器AMP。鏡像管P5與檢測電阻Rsenser串接後，接在功率開關管Pl的源極(Sourse)和漏 極(Drain)兩端，即跨接在管腳輸入電壓VIN和SWl之間，檢測電阻Rsenser的一頭接在輸 入電壓VIN端，鏡像管P5 —頭接在SWl端；第一功率開關管Pl和鏡像管P5的柵極(Gate) 共同受Controll信號控制；鏡像管P5的第四端襯底(Substrate)與第一功率開關管Pl的 第四端襯底一同接在輸入電壓VIN端。而具有固定失調電壓的運算放大器AMP跨接在檢測 電阻Rsenser兩端，其中運算放大器AMP的同相端接到輸入電壓VIN端上，運算放大器AMP 的反向端接到Rsenser與鏡像管P5串連結點上。如圖4所示，峰值電流檢測電路主要由檢測電阻Rsenser、P5管和運算放大器AMP 構成。運算放大器AMP的同相輸入端IN+接在第一電阻Rl和第一電流源Iil之間。電流Il 流過Rl產生一個電壓，就是所定義的失調電壓Vos。運算放大器AMP的反向輸入端IN-接 在第二電阻R2的一端，第二電阻R2的另一端接到電流檢測電阻Rsenser和鏡像管P5的漏 端間。第二電阻R2用作平衡第一電阻R1，同時防止大電流衝擊而保護運放輸入差分對第五 NMOS管N5的柵極。所述運算放大器AMP是一摺疊式共源共柵放大器，由第四NMOS管N4、第五NMOS 管N5、第六匪OS管N6、第七匪OS管N7、第八匪OS管N8、第九匪OS管N9、第六PMOS管P6、 第七PMOS管P7和五個電流源Ii2 Ii5構成。所述摺疊式共源共柵放大器是一種三級運 算放大器，保證足夠的電壓增益。其中，第四NMOS管N4與第五NMOS管N5是運放的差分輸 入對管，要求高度匹配在版圖(layout)上。第六PMOS管P6和第七PMOS管P7是一對共柵 管，由Biasl提供適當的偏置電壓，使其工作在飽和區。第六NMOS管N6接成二極體與第七 NMOS管N7構成鏡像關係，完成差分信號轉換成單端信號的功能。第四電流源Ii4與第八 NMOS管N8完成第二級放大功能。第五電流源Ii5與第九NMOS管N9完成第三級放大功能。 最後在Ipeakout可以得到滿擺幅的有效信號，送到數字電路實現的控制電路中處理，以產 生功率開關管P1、P4、N2和N3的柵極的控制信號。所述電流檢測電阻Rsenser，第一電阻Rl和第二電阻R2都是聚合物(Poly)材料 的電阻，對阻值精度要求相對較高。第一電阻Rl和第二電阻R2要求一定的匹配在物理版 圖上。所述電流鏡像管P5與第一功率開關管Pl成一定比例關係，假設 (K) /N T0 / NλΓ
權利要求
1.一種DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路，包括DC-DC轉換器電路，對該轉換 器電路中的電感峰值電流進行檢測的峰值電流檢測電路，以及產生反饋控制信號的控制電 路；其中DC-DC轉換器電路包括複數個功率開關管及電感(L)；其特徵在於所述峰值電流 檢測電路包括以一定比例鏡像流過其中第一功率開關管(Pl)電流的鏡像管(P5)，與該鏡 像管(P5)相串接的檢測電阻(Rsenser)，以及運算放大器(AMP)。
2.如權利要求1所述的DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路，其特徵在於所述 DC-DC轉換器電路具有輸入電壓(VIN)端及輸出電壓(VOUT)端，所述第一功率開關管(Pl) 接在輸入電壓(VIN)端。
3.如權利要求2所述的DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路，其特徵在於所述 鏡像管(P5)與檢測電阻(Rsenser)串接後，接在第一功率開關管(Pl)的源極和漏極兩 端，且鏡像管(P5)的第四端襯底與第一功率開關管(Pl)的第四端襯底一同接在輸入電壓 (VIN)端，運算放大器(AMP)跨接在檢測電阻(Rsenser)兩端。
4.如權利要求2所述的DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路，其特徵在於所述 運算放大器(AMP)的同相輸入端(IN+)接到輸入電壓(VIN)端上，反相輸入端(IN-)接到 檢測電阻(Rsenser)與鏡像管(P5)串連結點上；且該運算放大器(AMP)具有預設的固定失 調電壓(Vos)，該電壓為第一電流源(Iil)流過第一電阻(Rl)產生的電壓。
5.如權利要求1所述的DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路，其特徵在於所述 運算放大器(AMP)為摺疊式共源共柵放大器，其由複數個電晶體及電流源組成三級運算放 大電路。
6.如權利要求5所述的DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路，其特徵在於所述 運算放大器(AMP)包括第四NMOS管(N4)、第五NMOS管(N5)、第六NMOS管(N6)、第七NMOS 管(N7)、第八匪OS管(N8)、第九匪OS管(N9)、第六PMOS管(P6)、第七PMOS管(P7)和五 個電流源(Ii2 Ii5)；其中，第四NMOS管(N4)與第五NMOS管(N5)是運放的差分輸入對 管，要求高度匹配在版圖(layout)上；第六PMOS管(P6)和第七PMOS管(P7)是一對共柵 管，其工作在飽和區；第六NMOS管(N6)接成二極體與第七NMOS管(N7)構成鏡像關係，完 成差分信號轉換成單端信號的功能；第四電流源(Ii4)與第八NMOS管(N8)完成第二級放 大功能；第五電流源(Ii5)與第九NMOS管(N9)完成第三級放大功能。
7.如權利要求1所述的DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路，其特徵在於所述 檢測電阻是聚合物材料電阻。
8.一種DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測方法，用於檢測DC-DC轉換器電路中的電 感峰值電流，該DC-DC轉換器電路包括複數個功率開關管及電感，其特徵在於通過設置一 以一定比例鏡像流過其中第一功率開關管電流的鏡像管，與鏡像管相串接的檢測電阻，以 及跨接在檢測電阻兩端的運算放大器；使得流過鏡像管的鏡像電流，會在檢測電阻上產生 一定的壓降，且通過運算放大器檢測峰值電流，當運算放大器檢測到流過電感的電流達到 設定峰值時，運放輸出端輸出有效信號給控制電路，控制電路產生反饋控制信號去控制所 述功率開關管，以完成對電感峰值電流的檢測和反饋控制過程。
9.如權利要求8所述的DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測方法，具特徵在於所述 運算放大器具有預設的固定輸入失調電壓。
10.如權利要求8所述的DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測方法，具特徵在於所述運算放大器為摺疊式共源共柵放大器，其通過複數個電晶體及電流源組成三級運算放大電路。
全文摘要
本發明揭示一種DC-DC轉換器中電感峰值電流的檢測電路及方法，該DC-DC轉換器電路包括複數個功率開關管及一電感，通過設置一以一定比例鏡像流過其中第一功率開關管電流的鏡像管，與鏡像管相串接的檢測電阻，以及跨接在檢測電阻兩端的運算放大器，使得流過鏡像管的鏡像電流，會在檢測電阻上產生一定的壓降，且通過運算放大器檢測峰值電流，當運算放大器檢測到流過電感的電流達到設定峰值時，運放輸出端輸出有效信號給控制電路，控制電路產生反饋控制信號去控制所述功率開關管，以完成對電感峰值電流的檢測和反饋控制過程。本發明具有高精度、高速度進行電流檢測的優點，且提高了DC-DC電源轉換系統的性能。
文檔編號H02M3/157GK102122886SQ20101057189
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者杜坦, 江石根, 石萬文, 謝衛國, 陳志明, 雷紅軍 申請人:蘇州華芯微電子股份有限公司