一種開關電路的電流檢測電路及開關電路的製作方法

2023-04-23 17:59:41

本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種開關電路的電流檢測電路及開關電路。

背景技術：

在開關電路中，現有方法為採樣電阻對開關管的電流進行採樣，通過檢測開關管上的電流，從而控制開關管的開通和關斷。由於開關管的開通和關斷，採樣電阻兩端的電壓一直在變化，而電流採樣電路的電源是固定的，但是電流採樣電路的輸入電壓一直在變化，這樣會引起較大的共模噪聲，導致電流採樣存在誤差，影響系統控制精度。在開關電路中，檢測輸入輸出電流一般在輸入側和輸出側分別串聯採樣電阻。由於輸入和輸出側的電阻及其餘元器件不匹配，導致輸入和輸出的採樣電流有誤差。並且需要兩套採樣電路，增加了系統成本，兩個採樣電阻，降低了系統效率。

以四開關管buck-boost升降壓電路為例，其拓撲結構如圖1(a)所示。該電路包含q01、q02、q03、q04四個功率開關管、儲能電感l、以及輸入端電容c01，輸出端電容c02。開關管q01和開關管q02串聯，開關管q01和開關管q02的公共端為第一節點sw1，開關管q01連接到輸入端，開關管q02連接到地，輸入端通過電容c01連接到地，開關管q03和開關管q04串聯，開關管q03和開關管q04的公共端為第二節點sw2，開關管q03連接到輸出端，開關管q04連接到地，輸出端通過電容c02連接到地，電感l連接於第一節點sw1和第二節點sw2之間。

當輸入電壓vin比輸出電壓vo大一定值時，此電路工作在buck降壓模式，開關管q01、q02工作在高頻開關狀態，開關管q03管常導通，開關管q04管常關閉；當輸入電壓vin比輸出電壓vo小一定值時，此電路工作在boost升壓模式，開關管q03，開關管q04工作在高頻開關狀態，開關管q01管常導通，開關管q02管常關閉；當vin與vo接近時，此電路工作在buck-boost升降壓模式，開關管q01、q02、q03、q04均處於高頻開關狀態。

現有方案在四開關電路的輸入端和輸出端分別接入採樣電阻r01和r02，採樣電阻的兩端分別連接到電壓轉電流電路101的兩個輸入端，電壓轉電流電路101通過檢測採樣電阻r01上的電壓得到採樣電流i1，電壓轉電流電路101通過檢測採樣電阻r02上的電壓得到採樣電流i2，電壓轉電流電路101的供電端接vcc，vcc相對地為固定電壓，電壓轉電流電路101的地電位接四開關電路的地電位。由於輸入和輸出側的電阻r01、r02及電壓轉電流電路101元器件不匹配，導致輸入和輸出的採樣電流有誤差，導致電流採樣存在誤差，影響系統控制精度；並且需要兩套採樣電路，增加了系統成本；兩個採樣電阻，降低了系統效率。

再以buck電路為例，其拓撲結構如圖1(b)所示。該電路包含開關管q01、續流二極體d01、儲能電感l、以及輸入端電容c01，輸出端電容c02。開關管q01和續流二極體d01串聯，其公共端為開關節點sw，開關管q01連接到輸入端，續流二極體d01連接到地，輸入端通過電容c01連接到地，開關節點sw通過電感l和採樣電阻r01連接到輸出端vout。buck電路的參考基準作為電壓轉電流電路101的參考基準。雖然採樣電阻r01兩端電壓相對於參考基準是穩定的，但是在啟動時，輸出端電壓為零或者很低不足以給電壓轉電流電路101供電，電路啟動完成，穩定工作時，輸出端的電壓給電壓轉電流電路101供電，因此電壓轉電流電路101的供電需要切換，針對輸出電壓高和低，一般需要做兩套供電電路。兩套供電電路增加了設計的複雜度，並且兩套供電電路的元器件會有不匹配的問題，導致電壓轉電流電流101的供電電壓在切換時會有跳變，對電壓轉電流電路101的工作產生幹擾。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種四開關管電路的電流檢測電路及開關電路，用以解決現有技術中輸入輸出電流採樣存在誤差、且共模噪聲大的問題。

本發明的技術解決方案是，提供一種開關電路的電流檢測電路，包括：開關管、電感和採樣電阻，所述開關管和所述電感之間的連接點為開關節點，所述電感通過所述採樣電阻連接到所述開關節點，電流從所述採樣電阻的第一端流向所述採樣電阻的第二端，其特徵在於，所述電流檢測電路包括：電壓轉電流電路和供電電路，

所述採樣電阻的兩端分別連接到所述電壓轉電流電路的兩個輸入端，所述電壓轉電流電路的輸出端得到採樣電流；

所述供電電路包括第一電容，所述第一電容的第一端連接到所述開關節點，所述開關節點為所述電壓轉電流電路的參考基準，所述第一電容的第二端為所述電壓轉電流電路的供電端。

作為可選，所述電壓轉電流電路將輸入端的採樣電壓按比例轉換成採樣電流。

作為可選，所述電壓轉電流電路包括第一電阻、第二電阻、運算放大器、壓控電流源和電流鏡電路，

所述採樣電阻的第一端通過所述第一電阻連接到所述運算放大器的第一輸入端，所述採樣電阻的第二端通過所述第二電阻連接到所述運算放大器的第二輸入端，所述運算放大器的輸出端連接到所述壓控電流源的控制端，所述壓控電流源的第一端連接到所述運算放大器和所述第二電阻的公共端，所述壓控電流源的第二端連接到所述電流鏡電路的輸入端，所述電流鏡電路的輸出端為所述電壓轉電流電路的輸出端，所述運算放大器和所述電流鏡電路的供電端和參考基準分別連接到所述電壓轉電流電路的供電端和參考基準。

作為可選，所述開關電路為四開關電路，包括第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管，所述第一開關管和所述第二開關管串聯，所述第一開關管和所述第二開關管的公共端為第一節點，所述第一開關管連接到輸入端，所述第二開關管連接到地，所述第三開關管和所述第四開關管串聯，所述第三開關管和所述第四開關管的公共端為第二節點，所述第三開關管連接到輸出端，所述第四開關管連接到地，所述電感連接在所述第一節點和所述第二節點之間，所述第一節點或所述第二節點為所述開關節點。

作為可選，所述開關電路為buck電路或為boost電路或為buck-boost電路；所述buck電路上管為主開關管，下管為同步整流管或續流二極體；所述boost電路下管為主開關管，上管為同步整流管或續流二極體。

作為可選，還包括輸入輸出電流檢測電路，所述輸入輸出電流檢測電路根據所述開關電路的開關管的開關狀態，將所述採樣電流轉換成表徵輸入或者/和輸出電流的電流或者電壓。

作為可選，所述輸入輸出電流檢測電路包括第三電阻、第四電阻、第五開關、第六開關和第二電容，所述電壓轉電流電路的輸出端連接到所述第三電阻的第一端，所述第三電阻的第二端連接到地，所述第三電阻的第一端通過所述第五開關和所述第四電阻，連接到所述第二電容的第一端，所述第二電容的第二端接地，所述第六開關連接在所述第五開關和所述第四電阻的公共端和地之間，所述第六開關的開關狀態與所述第五開關的開關狀態相反，

當所述第五開關與所述四開關電路的第一開關管同步，所述第二電容的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸入電流；

或者當所述第五開關與所述四開關電路的第三開關管同步，所述第二電容的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸出電流；

或者當所述第五開關與所述buck電路的上管同步，所述第二電容的第一端上的電壓表徵所述buck電路的輸入電流；

或者當所述第五開關與所述boost電路的上管同步，所述第二電容的第一端上的電壓表徵所述boost電路的輸出電流。

作為可選，所述輸入輸出電流檢測電路還包括第五電阻、第七開關、第八開關和第三電容，所述第三電阻的第一端通過所述第七開關和所述第五電阻，連接到所述第三電容的第一端，所述第三電容的第二端接地，所述第八開關連接在所述第七開關和所述第五電阻的公共端和地之間，所述第八開關的開關狀態與所述第七開關的開關狀態相反，

所述第五開關與所述四開關電路的第一開關管同步，所述第二電容的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸入電流；

所述第七開關與所述四開關電路的第三開關管同步，所述第三電容的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸出電流。

作為可選，所述輸入輸出電流檢測電路包括第六電阻、第九開關、第四電容，所述第四電容和所述第六電阻並聯，所述電壓轉電流電路的輸出端通過所述第九開關連接到所述第六電阻的第一端，所述第六電阻的第二端連接到地，

當所述第九開關與所述四開關電路的第一開關管同步，所述第四電容的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸入電流；

或者當所述第九開關與所述四開關電路的第三開關管同步，所述第四電容的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸出電流；

或者當所述第九開關與所述buck電路的上管同步，所述第四電容的第一端上的電壓表徵所述buck的輸入電流；

或者當所述第九開關與所述boost電路的上管同步，所述第四電容的第一端上的電壓表徵所述boost的輸出電流。

本發明的又一技術解決方案是，提供一種開關電路。

採用本發明的電路結構，與現有技術相比，具有以下優點：只需一個採樣電阻，能夠測量出任意時刻下開關管的電流值，採樣電阻上的電壓相對於參考基準是固定的，不會引起誤差。此外，由於電壓轉電流電路的供電端和參考基準相對於輸入電流採樣信號是穩定的，可以有效抑制共模噪聲，提高電流檢測精度，提高系統控制精度；只需要一個採樣電阻就可以得到輸入輸出的電流，提高系統效率；且電壓轉電流電路的供電電壓穩定，保證電壓轉電流電路的工作穩定。

附圖說明

圖1(a)為現有技術的四開關管buck-boost電路及其電流採樣電路；

圖1(b)為現有技術的buck電路及其電流採樣電路；

圖2(a)為本發明採樣電阻的第二端連接到開關節點時，電流檢測電路200的電路圖；

圖2(b)為本發明採樣電阻的第一端連接到開關節點sw時，電流檢測電路200的電路圖；

圖3(a)為本發明採樣電阻的第二端連接到開關節點sw時，電壓轉電流電路201的電路圖；

圖3(b)為本發明採樣電阻的第一端連接到開關節點sw時，電壓轉電流電路201的電路圖；

圖4(a)為本發明運算放大器2011和壓控電流源2012的電路圖；

圖4(b)為本發明運算放大器2011和壓控電流源2012的另一電路圖；

圖5為本發明電流鏡電路2013的電路圖；

圖6(a)為本發明採樣電阻的第二端連接到開關節點時，四開關buck-boost電路及其電流檢測電路200；

圖6(b)為本發明採樣電阻的第一端連接到開關節點時，四開關buck-boost電路及其電流檢測電路200；

圖7為buck電路及其電流檢測電路200；

圖8為boost電路及其電流檢測電路200；

圖9(a)為輸入輸出電流檢測電路203的電路圖；

圖9(b)為輸入輸出電流檢測電路203的另一電路圖；

圖9(c)為輸入輸出電流檢測電路203的又一電路圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精神和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。

為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。需說明的是，附圖均採用較為簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。應當理解，當稱元件「耦接到」或「連接到」另一元件時，它可以是直接耦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「直接耦接到」或「直接連接到」另一元件時，不存在中間元件。

參考圖2(a)和圖2(b)所示，示意了本發明的開關電路的電流檢測電路的電路圖。所述開關電路包括開關管、電感l和採樣電阻r20，所述開關管和所述電感l之間的連接點為開關節點sw，所述電感l通過所述採樣電阻r20連接到所述開關節點sw，電流從所述採樣電阻r20的第一端流向所述採樣電阻r20的第二端，所述電流檢測電路200包括：電壓轉電流電路201和供電電路202，所述採樣電阻r20的兩端分別連接到所述電壓轉電流電路200的兩個輸入端in1和in2，所述電壓轉電流電路201的輸出端得到採樣電流i20，該採樣電流i20表徵電感l上的電流；

所述供電電路202包括第一電容c20，所述第一電容c20的第一端連接到所述開關節點sw，所述開關節點sw為所述電壓轉電流電路200的參考基準，所述第一電容c20的第二端為所述電壓轉電流電路200的供電端bst。

參考圖2(a)所示，所述採樣電阻r20的第一端連接到電感l，採樣電阻r20的第二端連接到所述開關節點sw，電感電流il從電感l流向採樣電阻r20，採樣電阻r20的第二端為電壓轉電流電路200的參考基準，採樣電阻r20的第一端相對參考基準為正電壓，即電壓轉電流電路200的輸入為正電壓。

參考圖2(b)所示，所述採樣電阻r20的第二端連接到電感l，採樣電阻r20的第一端連接到所述開關節點sw，電感電流il從採樣電阻r20流向電感l，採樣電阻r20的第一端為電壓轉電流電路200的參考基準，採樣電阻r20的第二端相對參考基準為負電壓，即電壓轉電流電路200的輸入為負電壓。

在一個實施例中，所述供電電路202還包括單向導通元件2021，所述單向導通元件2021連接到所述第一電容c20的第二端。

在一個實施例中，所述供電電路202還包括相對地的第一電源vdd，第一電源vdd通過單向導通元件2021連接到所述第二電容c20的第二端。

在一個實施例中，所述單向導通元件2021為二極體，所述二極體的陽極連接到所述第一電源vdd，二極體的陰極連接到所述電壓轉電流電路201的供電端。

所述二極體還可以用mos管或者三極體來實現。nmos的柵極和漏極相連接，作為二極體的陽極，nmos的源極作為二極體的陰極；pmos的柵極和漏極相連接，作為二極體的陰極，pmos的源極作為二極體的陽極。

在一個實施例中，所述電壓轉電流電路將輸入端的採樣電壓按比例轉換成採樣電流。所述採樣電流的大小表徵電感上的電流大小。

參考圖3(a)和圖3(b)所示，在一個實施例中，所述電壓轉電流電路201包括第一電阻r30、第二電阻r31、運算放大器2011、壓控電流源2012和電流鏡電路2013，

所述採樣電阻r20的第一端通過所述第一電阻r30連接到所述運算放大器2011的第一輸入端i1，所述採樣電阻r20的第二端通過所述第二電阻r31連接到所述運算放大器2011的第二輸入端i2，所述運算放大器2011的輸出端o1連接到所述壓控電流源2012的控制端ctl，所述壓控電流源2012的第一端o2連接到所述運算放大器2011和所述第二電阻r31的公共端，所述壓控電流源2012的第二端o3連接到所述電流鏡電路2013的輸入端i3，所述電流鏡電路2013的輸出端o4為所述電壓轉電流電路201的輸出端，所述運算放大器2011和所述電流鏡電路2013的供電端和參考地分別連接到所述電壓轉電流電路201的供電端和參考地。參考圖3(a)所示，當所述採樣電阻r20的第二端連接到所述開關節點sw時，電壓轉電流電路201的參考地為採樣電阻r20的第二端；所述運算放大器2011和所述電流鏡電路2013的參考地為採樣電阻r20的第二端。運算放大器2011的第一輸入端i1通過第一電阻r30採樣採樣電阻r20上的電壓，運算放大器2011通過調節壓控電流源2012電流的大小，使得可控電流源2012的輸出電流經過第二電阻r31上的電壓，即運算放大器2011第二輸入端i2的電壓等於第一輸入端i1的電壓，電流鏡電路2013通過鏡像壓控電流源2012的電流，從而得到採樣電流。電流鏡電路2013的輸出電流和輸入電流之間的比值為k，因此，採樣電流iout和電感電流il之間的關係為：il＝iout*r31/(r20*k)。參考圖3(b)所示，當所述採樣電阻r20的第二端連接到所述開關節點sw時，電壓轉電流電路201的參考地為採樣電阻r20的第一端；所述運算放大器2011和所述電流鏡電路2013的參考地為採樣電阻r20的第一端。與圖3(a)不同的是，採樣電阻r20上的採樣電壓，即採樣電阻r20第二端的電壓相對電壓轉電流電路201的參考基準是負的。採樣電流iout和電感電流il之間的關係仍舊為：il＝iout*r31/(r20*k)。

在一個實施例中，所述壓控電流源2012為nmos或pmos。

參考圖4(a)所示，當所述壓控電流源2012為nmos時，所述nmos的柵極為所述壓控電流源的控制端ctl，所述nmos的源極為所述壓控電流源2012的第一端o2，所述nmos的漏極為所述壓控電流源2012的第二端o3。所述運算放大器2011的第一輸入端i1為正相輸入端，第二輸入端i2為反相輸入端。

參考圖4(b)所示，當所述壓控電流源2012為pmos時，所述pmos的柵極為所述壓控電流源2012的控制端，所述pmos的漏極為所述壓控電流源的第一端，所述pmos的源極為所述壓控電流源的第二端。所述運算放大器2011的第一輸入端i1為反相輸入端，第二輸入端i2為正相輸入端。

參考圖5所示，在一個實施例中，電流鏡電路2013由兩個pmos組成，兩個pmosq30和q31的柵極連接在一起，並且連接到pmosq30的漏極，作為電流鏡電路2013的輸入端，兩個pmos的源極連接在一起，連接到電流鏡電路2013的供電端vd，pmosq31的漏極為電流鏡電路2013的輸出端。

參考圖6(a)和圖6(b)所示，在一個實施例中，所述開關電路為四開關電路，包括第一開關管q01、第二開關管q02、第三開關管q03和第四開關管q04，所述第一開關管q01和所述第二開關管q02串聯，所述第一開關管q01和所述第二開關管q02的公共端連接到所述第一節點sw1，所述第一開關管q01連接到輸入端vin，所述第二開關管q02連接到地，所述第三開關管q03和所述第四開關管q04串聯，所述第三開關管q03和所述第四開關管q04的公共端連接到所述第二節點sw2，所述第三開關管q03連接到輸出端vout，所述第四開關管q04連接到地。其中，圖6(a)是所述採樣電阻r20的第二端連接到開關節點sw，即第二節點sw2，的電路原理圖；圖6(b)是所述採樣電阻r20的第一端連接到開關節點sw，即第一節點sw1，的電路原理圖。在四開關電路中，只需一個採樣電阻，能夠測量出任意時刻下電感的電流值。此外，由於電壓轉電流電路201的供電端bst和參考基準sw相對於採樣信號，即採樣電阻兩端的電壓是穩定的，從而可以有效抑制共模噪聲，提高電流檢測精度，提高系統控制精度。

參考圖7所示，在一個實施例中，所述開關電路為buck電路，包括開關管q50、續流二極體d50，開關管q50和續流二極體d50串聯，開關管q50連接到輸入端vin，所述續流二極體d50連接到地，所述開關管q50、和續流二極體d50的公共端為開關節點sw，開關節點sw通過採樣電阻r20和電感l連接到輸出端vout。所述採樣電阻r20的兩端分別連接到所述電壓轉電流電路200的兩個輸入端，所述電壓轉電流電路201的輸出端得到採樣電流i20，該採樣電流i20表徵電感l上的電流。

參考圖8所示，在一個實施例中，所述開關電路為boost電路，包括開關管q60、續流二極體d60，開關管q60和續流二極體d60串聯，續流二極體d50連接到輸出端vout，開關管q60連接到地，所述開關管q60和續流二極體d60的公共端為開關節點sw，開關節點sw通過採樣電阻r20和電感l連接到輸入端vout。所述採樣電阻r20的兩端分別連接到所述電壓轉電流電路200的兩個輸入端，所述電壓轉電流電路201的輸出端得到採樣電流i20，該採樣電流i20表徵電感l上的電流。

在一個實施例中，開關電路的電流檢測電路200，還包括輸入輸出電流檢測電路203，所述輸入輸出電流檢測電路203根據所述開關電路的開關管的開關狀態，將所述表徵電感電流的採樣電流i20轉換成表徵輸入或者/和輸出電流的電流或者電壓；

參考圖9(a)所示，在一個實施例中，所述輸入輸出電流檢測電路203包括第三電阻r40、第四電阻r41、第五開關s40、第六開關s40b和第二電容c40、所述電壓轉電流電路201的輸出端連接到所述第三電阻r40的第一端，所述第三電阻r40的第二端連接到地，所述第三電阻r40的第一端通過所述第五開關s40和所述第四電阻r41，連接到所述第二電容c40的第一端，所述第二電容c40的第二端接地，所述第六開關s40b連接在所述第五開關s40和所述第四電阻r41的公共端和地之間，所述第六開關s40b的開關狀態與所述第五開關s40的開關狀態相反，

所述第三電阻r40的第一端電壓表徵電感電流，當所述第五開關s40與所述四開關電路的第一開關管q01同步，第五開關s40和第四電阻r41的公共端電壓的平均值表徵所述四開關電路的輸入電流，經過第四電阻r41和第二電容c40的濾波後，得到第五開關s40和第四電阻r41的公共端電壓的平均值，即所述第二電容c40的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸入電流；

或者當所述第五開關s40與所述四開關電路的第三開關管q03同步，所述第二電容c40的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸出電流；

或者當所述第五開關s40與所述buck電路的開關管同步，所述第二電容c40的第一端上的電壓表徵所述buck電路的輸入電流；

或者當所述第五開關s40與所述boost電路的開關管同步，所述第二電容c40的第一端上的電壓表徵所述boost電路的輸出電流。

參考圖9(b)所示，在一個實施例中，所述輸入輸出電流檢測電路203還包括第五電阻r42、第七開關s42、第八開關s42b和第三電容c42、所述第三電阻r40的第一端通過所述第六開關s42和所述第五電阻r42，連接到所述第三電容c42的第一端，所述第三電容c42的第二端接地，所述第八開關s42b連接在所述第七開關s42和所述第五電阻r42的公共端和地之間，所述第八開關s42b的開關狀態與所述第七開關s42的開關狀態相反，

所述第五開關s40與所述四開關電路的第一開關管q01同步，所述第二電容c40的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸入電流；

所述第七開關s42與所述四開關電路的第三開關管q03同步，所述第三電容c42的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸出電流。

在四開關電路中，只需要一個表徵電感的電流i20，就可以同時得到表徵輸入和輸出電流的電壓。

參考圖9(c)所示，在一個實施例中，所述輸入輸出電流檢測電路203包括第六電阻r43、第九開關s43、第四電容c43，所述第四電容c43和所述第六電阻r43並聯，所述電壓轉電流電路201的輸出端通過所述第九開關s43連接到所述第六電阻r43的第一端，所述第六電阻r43的第二端連接到地，

當所述第九開關s43與所述四開關電路的第一開關管q01同步，所述第四電容c43的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸入電流；

或者當所述第九開關s43與所述四開關電路的第三開關管同步，所述第四電容c43的第一端上的電壓表徵所述四開關電路的輸出電流；

與圖9(b)不同的是，在四開關電路中，一個表徵電感的電流i20，只能得到表徵輸入電流的電壓或者表徵輸出電流的電壓。因此，如果同時需要得到表徵輸入電流和輸出電流的電壓，則需要兩個表徵電感的電流。

或者當所述第九開關s43與所述buck電路的開關管同步，所述第四電容c43的第一端上的電壓表徵所述buck的輸入電流；

或者當所述第九開關s43與所述boost電路的開關管同步，所述第四電容c43的第一端上的電壓表徵所述boost的輸出電流。

除此之外，雖然以上將實施例分開說明和闡述，但涉及部分共通之技術，在本領域普通技術人員看來，可以在實施例之間進行替換和整合，涉及其中一個實施例未明確記載的內容，則可參考有記載的另一個實施例。

以上所述的實施方式，並不構成對該技術方案保護範圍的限定。任何在上述實施方式的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在該技術方案的保護範圍之內。