专利名称：电流检测电路及电流检测方法
技术领域：
本发明主要涉及一种电子电路，尤其涉及电流检测电路及电流检测方法。
背景技术：
开关调节器，例如用于微处理器电压调节的电压调节器，常常需要检测平均电感电流。然而，传统的平均电感电流检测方式常常会将显著的噪声分量引入检测结果中，从而造成低信噪比(Signal-to-nosie, SNR),这不是我们所期望的。为此，本发明提出一种用于开关调节器的电流检测电路和电流检测方法，以提供具有较高信噪比的电流检测结果。

发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的目的是提供一种用于开关调节器的电流检测电路及电流检测方法，通过对流过低侧晶体管的开关电流进行检测，输出具有较高信噪比的电感电流平均值。在本发明一个方面，提出一种电流检测电路，用于检测开关调节器的平均电感电流，该电流检测电路包括；差分电流检测放大器，检测低侧晶体管两端的电压，产生与流过低侧晶体管的开关电流有关的第一和第二检测电流；定时电路，基于低侧晶体管的开关电·时信号，耦接至差分电流检测放大器以接收第一和第二检测电流，其中每路开关电流采样保持电路基于定时信号以及第一和第二检测电流在其输出端提供连续的平均输出电流；以及其中第一路和第二路开关电流采样保持电路的输出端耦接在一起以提供开关调节器的平均电感电流。在本发明的又一个方面，提出一种电流检测方法，用于检测开关调节器的平均电感电流，该电流检测方法包括检测低侧晶体管两端的电压，产生与流过低侧晶体管的开关电流有关的第一和第二检测电流；基于低侧晶体管的开关电流波形产生定时信号；第一路和第二路开关电流采样保持电路基于定时信号以及第一和第二检测电流在其各自的输出端提供连续的平均输出电流；以及将第一路和第二路开关电流采样保持电路的输出端耦接在一起以提供开关调节器的平均电感电流。


为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述图I是根据本发明一实施例的电流检测电路100的电路图；图2A和2B是根据本发明一实施例的电流检测电路100的基本波形图；图3是根据本发明一实施例的电流检测电路的布局图；图4是根据本发明一实施例的电流检测方法400的流程图；图5是根据本发明又一实施例的电流检测方法500的流程图。
具体实施例方式下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。在整个说明书中，对“ 一个实施例”、“实施例”、“ 一个示例”或“示例”的提及意味着结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例” 或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的，相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。此外，本发明所涉及的成对出现的晶体管是相互匹配的晶体管，尺寸和类型均相同。对于微处理器低压大电流的开关调节器而言，常常需要获得精确及时的平均电感电流来实现实时电流检测和/或自适应电压调整。如今，为微处理器供电的低压大电流开关调节器的电流密度有所增加，效率需求也有所提高。而传统的直流电阻(Direct-currentresistance,DCR)检测方式因其较低的信噪比，很难满足较高的精确度需求，传统的直流电阻检测方式不再适用于平均电感电流的检测。为此，下面根据不同的实施例来详细说明一种基于循环周期的电流检测电路及电流检测方法，以实现对开关调节器平均电感电流的检测。在一个实施例中，电流检测电路包括差分电流检测放大器、定时电路以及第一路和第二路开关电流采样保持电路。差分电流检测放大器检测低侧晶体管两端的电压，产生与流过低侧晶体管的开关电流有关的第一和第二检测电流。定时电路基于低侧晶体管的开关电流波形产生定时信号。第一路和第二路开关电流采样保持电路耦接至定时电路以接收定时信号，耦接至差分电流检测放大器以接收第一和第二检测电流，其中每路开关电流采样保持电路基于定时信号以及第一和第二检测电流在其输出端提供连续的平均输出电流。第一路和第二路开关电流采样保持电路的输出端耦接在一起以提供开关调节器的平均电感电流。在另一个实施例中，电流检测方法包括检测低侧晶体管两端的电压，产生与流过低侧晶体管的开关电流有关的第一和第二检测电流，基于低侧晶体管的开关电流波形产生定时信号，第一路和第二路开关电流采样保持电路基于定时信号以及第一和第二检测电流在其各自的输出端提供连续的平均输出电流。第一路和第二路开关电流采样保持电路的输出端耦接在一起以提供开关调节器的平均电感电流。图I是根据本发明一实施例的电流检测电路100的电路图。电流检测电路用于检测开关调节器的平均电感电流。如图I所示，低侧晶体管110的漏极和源极分别耦接至开关调节器的开关引脚SW和接地引脚PGND，低侧晶体管110的栅极由低侧导通信号LSON来驱动。电流检测电路100包括差分电流检测放大器102、第一路和第二路开关电流采样保持电路104以及定时电路106。根据另一实施例，低侧晶体管110可以合并在开关调节器中。差分电流检测放大器102耦接至低侧晶体管110的源极和漏极以检测低侧晶体管两端的电压，产生与流过低侧晶体管的开关电流有关的第一和第二检测电流。定时电路106基于低侧晶体管的开关电流波形产生定时信号。第一路和第二路开关电流采样保持电路104耦接至定时电路106以接收定时信号，耦接至差分电流检测放大器102以接收第一和第二检测电流，其中每路开关电流采样保持电路基于定时信号以及第一和第二检测电流在其各自的输出端提供连续的平均输出电流，每路开关电流采样保持电路提供的平均输出电流之和为开关调节器的平均电感电流。差分电流检测放大器102包括第一和第二检测晶体管116、构成差分晶体管对的第一和第二晶体管108a和108b、第一和第二恒流源、以及第一和第二输出晶体管111和113。如图I所示，差分电流检测放大器102耦接至低侧晶体管110的两端，在与低侧晶体管110类型相同的第一和第二检测晶体管116上产生第一和第二检测电流，其中第一和第二检测电流与流过低侧晶体管110的电流有关，在一个实施例中，第一和第二检测电流与流过低侧晶体管的电流成正比。在一个实施例中，若流过低侧晶体管110的电流为20A，流过第一和第二检测晶体管116的电流大约为200μΑ，两者成正比关系，且比例为I : 10000。本领域的普通技术人员应当理解，流过低侧晶体管110的电流与流过第一和第二检测晶体管116的电流可以存在其他函数关系，例如导数或倒数等等。综上所述，流过低侧晶体管110的电流由流过第一和第二检测晶体管116的第一和第二检测电流确定。第一和第二检测晶体管116相互匹配，且与低侧晶体管110是相同类型的晶体管，仅尺寸不同，低侧晶体管110的尺寸大于第一和第二检测晶体管116的尺寸。这使得流过第一和第二检测晶体管116的第一和第二检测电流与流过低侧晶体管110的开关电流成正t匕。差分电流检测放大器102通过对流过第一和第二检测晶体管116的第一和第二检测电流进行复制来确定流过低侧晶体管110的开关电流。在图I所示的实施例中，第一和第二检测晶体管116与低侧晶体管110包括N型金属氧化物半导体场效应晶体管NM0S，在其他实施例中，第一和第二检测晶体管116与低侧晶体管110包括其他类型合适的晶体管。如图I所示，第一和第二检测晶体管116的栅极均耦接至低侧晶体管110的栅极，由低侧晶体管110的低侧导通信号LSON来驱动。第一和第二检测晶体管116的漏极分别耦接至第一和第二晶体管108a和108b的发射极，第一和第二检测晶体管116的源极分别耦接至低侧晶体管110的源极和漏极。在其他实施例中，第一和第二检测晶体管116可以具有其他的连接结构。在一个实施例中，第一和第二检测晶体管116可集成在低侧晶体管110的内部。在其他实施例中，第一和第二检测晶体管116与低侧晶体管110具有其它合适的位置关系。第一和第二恒流源分别耦接在供电电压与第一和第二晶体管108a和108b的集电极之间，第一和第二晶体管108a和108b共基极，第一和第二晶体管108a和108b的发射极分别耦接至第一和第二检测晶体管116的漏极。如图I所示，第一和第二晶体管108a和108b构成共基极的差分晶体管对，分别被供给40 μ A的恒定电流。在其它实施例中，第一和第二恒流源可以提供不同于40 μ A的其它电流。第一和第二输出晶体管111和113用于提供第一和第二检测电流的输出支路，第一和第二输出晶体管111和113的源极分别耦接至第一和第二检测晶体管116的漏极，第一和第二输出晶体管111和113的栅极分别耦接至第二和第一晶体管108b和108a的集电极，第一和第二输出晶体管111和113的漏极分别耦接至第一路和第二路开关电流采样保持电路104的输入端以提供第一和第二检测电流。在一个实施例中，差分电流放大器还包括偏置电路。偏置电路包括偏置电流源与第三和第四晶体管108c和108d。偏置电流源耦接至供电电压与第一和第二晶体管108a和108b的公共基极之间。第三和第四晶体管108c和108d的基极和集电极均耦接至偏置电流源，第三和第四晶体管108c和108d的发射极分别耦接至第一和第二晶体管108a和108b的发射极。在图I所示的实施例中，第三和第四晶体管108c和108d共享一个30 μ A的偏置电流。在其他实施例中，偏置电流源可以提供其它不同于30μ A的电流。在图I所示的实施例中，第一、第二、第三和第四晶体管108a 108d包括相同的NPN管。在其他实施例中，第一、第二、第三和第四晶体管108a 108d可包括其它类型合适的相同的晶体管。低侧场效应管110的尺寸较大，并最终连接至输出端子(开关端子SW和接地端子PGND)。由于低侧晶体管110的尺寸较大，低侧晶体管110的布局存在很多分布金属电阻。这些金属电阻基本是金属的布局引起的，例如，各个晶体管端子之间的连接路由。根据上述 实施例的描述，差分检测的方法可以消除耦接在第一和第二检测晶体管116与低侧晶体管110之间的金属电阻差异。因此与传统的检测装置(例如直接电流电阻检测)相比，电压检测电路100可提供更好的精确度。由于电路的布局方式，流过低侧晶体管110的开关电流L通过晶体管布局的微电阻(RM2，114)来检测。定时电路106基于开关电流L的波形，产生定时信号。定时电路产生定时信号的过程将根据附图2A和2B进行详细描述。平均电感电流iout是一个连续的量。因为流过开关管的电流仅在开关导通时电流才有效，当开关管关断时，基本检测不到有效的电流，因此流过低侧晶体管的开关电流^是断续的量。开关电流込是脉冲电流。相应地，差分电流检测放大器102从第一和第二检测晶体管上产生的电流也与脉冲波形类似。为了快速获得连续的电流波形，本发明采用采样保持电路，在开关管导通时，正常读取电流，开关管关断时，保持检测到的电流，使得在开关关断时电流也可被检测。通过使用开关电流采样保持电路，可以得到基本连续的平均电感电流iout。第一路和第二路开关电流采样保持电路104耦接至定时电路以接收定时信号，耦接至差分电流检测放大器以接收第一和第二检测电流，在定时信号的控制下对与开关电流有关的第一和第二检测电流进行采样和保持，分别提供基本连续的平均输出电流，每路开关电流采样保持电路的平均输出电流之和为开关调节器的平均电感电流。第一路开关电流采样保持电路包括第一和第二采样保持电路。第一采样保持电路包括具有输入端、输出端和控制端，其中输入端耦接至第一输出晶体管的第二端以接收第一检测电流，控制端耦接至定时电路106以接收定时信号SHl，第一采样保持电路基于定时信号SHl获取第一检测电流在一个周期中的半波信号的中心值。第二采样保持电路具有输入端、输出端和控制端，其中输入端耦接至第一采样保持电路的输出端，控制端耦接至定时电路106以接收定时信号SH2,第二米样保持电路基于定时信号获取第一检测电流在一个周期中的半波信号的中心值。与第一路采样保持电路类似，第二路开关电流采样保持电路包括第三和第四采样保持电路，第三采样保持电路具有输入端、输出端和控制端，其中输入端耦接至第二输出晶体管的第二端以接收第二检测电流，控制端耦接至定时电路106以接收定时信号SH1。第三采样保持电路基于定时信号SHl获取第二检测电流在一个周期中的半波信号的中心值。第四采样保持电路具有输入端、输出端和控制端，其中输入端耦接至第三采样保持电路的输出端，控制端耦接至定时电路106以接收定时信号SH2，第四采样保持电路基于定时信号SH2获取第二检测电流在一个周期中的半波信号的中心值。第二和第四采样保持电路的输出端耦接在一起以提供连续的平均输出电流之和。在图I所示的实施例中，第一采样保持电路包括晶体管141和142，采样开关管以及保持电容器142。晶体管141的源极耦接至供电电压，漏极耦接至第一输出晶体管111的漏极和晶体管141栅极，采样开关管具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至晶体管141的栅极，第二端耦接至晶体管142的栅极，控制端耦接至定时电路。晶体管142的源极耦接至供电电压，漏极用作第一采样保持电路的输出端。保持电容器143耦接在供电电压与采样开关管SHl的第二端之间。第二、第三以及第四采样保持电路与第一采样保持电路具有基本相似的结构，如图I所示，在此不再赘述。在一个实施例中，第一路开关电流采样保持电路还可包括电流镜电路。在其他实施例中，第一路和第二路采样保持电路可采用 本领域普通技术人员可以理解到的其他电路结构。图2A和2B是根据本发明一实施例的电流检测电路的基本波形图。如图2A所示，定时电路基于开关电流的波形对开关电流在一个周期中的半波信号的中心值进行检测。定时电路检测的波形包括低侧导通信号LS0N。信号LONl和信号L0N2从低侧导通信号LSON交替减少一个脉冲获得，因此低侧导通信号LSON被分成具有最大相位偏移的两个信号LONl和L0N2。相应地，LOFl和L0F2由LSON的反转信号交替减少一个脉冲得到。定时电路106基于开关电流込的波形产生两个彼此负相关的斜坡信号Rampl和Ramp2。如图2A所示的实施例中，第一斜坡信号Rampl上升，第二斜坡信号Pamp2下降，有的时候这两个斜坡信号会反过来。两个斜坡信号(Rampl和Ramp2)的交叉点202对应开关电流在一个周期中的半波信号的中心值的中心点。MOUT是脉冲电流，包括高电平段204和低电平段206。如图2A和2B所示，当低侧导通信号LSON为高电平，即LONl或L0N2为高时，流过低侧晶体管110的开关电流L下降；当低侧导通信号LSON为低电平，即LOFl与L0F2为高，流过低侧晶体管110的开关电流L保持不变。继续如图2A-2B所示，当定时信号SHl等于定时信号SH2时，开关电流在一个周期中的半波信号的中心值，即在开关电流一个周期中的半波中心点时刻采样得到的值是中心值。定时信号SHl用于第一次采样，当定时信号SHl的第一个脉冲来临，流过第一采样电路米样开关管的电流ism如图2B所不。第一次米样结束时，由于米样窗口的宽度，电流iSH1的突起包含位于最高点的电流值，电流iSH1中的突起不能用作计算平均输出电流。为此，需要更精确的采样保持来消除突起。因此采用定时信号SH2进行第二次采样，仅在电流iSH1保持直流电平时采样，得到流过第二采样电路采样晶体管的电流“吧。定时信号SH2控制第二采样保持电路对电流iSH1进行采样，采样得到的电流iSH2是连续的平均输出电流，即低侧晶体管110的开关电流L的中心值。第一路和第二路开关电流采样保持电路提供的连续的平均输出电流之和即为平均电感电流。图3是根据本发明一实施例的低侧电流检测电路的电路布局图。靠近布局顶端和底端的PGND和SW端子均是低侧晶体管的输出端子。通过布局的直角线为功率晶体管。位于布局中心上方与下方的蜿蜒结构是两个小检测晶体管，即图I实施例中的第一和第二检测晶体管116。图4是根据本发明一实施例的电流检测方法400的流程图。电流检测方法400可在任何所需的环境下实施。例如，在图1-3所示的各种实施例中。在步骤402，检测低侧晶体管两端的电压，产生与流过低侧晶体管的开关电流有关的第一和第二检测电流。在步骤404，基于低侧晶体管的开关电流波形产生定时信号。在步骤406，第一路和第二路开关电流采样保持电路基于定时信号以及第一和第 二检测电流在其各自的输出端提供连续的平均输出电流。在步骤408，将第一路和第二路开关电流采样保持电路的输出端耦接在一起以提供开关调节器的平均电感电流。在一个实施例中，电流检测方法400进一步包括对第一和第二检测晶体管的第一和第二检测电流进行循环检测，并平均所有的测量结果，以改善测量的精确度或准确度。在一个实施例中，测量结果的精确度和准确度可被提高至少一个数量级，在某些情况下，甚至是10个数量级。在一个实施例中，可将电流检测方法500结合在电流检测方法400中一起使用。图5是根据本发明另一实施例的电流检测方法500的流程图。电流检测方法500可应用于任何所需的环境中，例如图1-4中所描述的各种实施例中。在步骤502，基于第一和第二检测电流，检测电流波形。在一个实施例中，所检测的电流波形是脉宽调制波PWM。在步骤504，检测电流波形的半波信号周期，以产生电流波形的平均值。在步骤506，基于电流波形与开关电流的关系，确定开关电流。在一个实施例中，电流检测方法还包括逐周期检测流过第一和第二检测晶体管的第一和第二检测电流；平均所有的检测值，以至少改善测量准确度或精确度中的一个。上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。
权利要求
1.一种电流检测电路，用于检测开关调节器的平均电感电流，该电流检测电路包括； 差分电流检测放大器，检测低侧晶体管两端的电压，产生与流过低侧晶体管的开关电流有关的第一和第~■检测电流； 定时电路，基于低侧晶体管的开关电流波形产生定时信号； 第一路和第二路开关电流采样保持电路，耦接至定时电路以接收定时信号，耦接至差分电流检测放大器以接收第一和第二检测电流，其中每路开关电流采样保持电路基于定时信号以及第一和第二检测电流在其输出端提供连续的平均输出电流；以及 其中第一路和第二路开关电流采样保持电路的输出端耦接在一起以提供开关调节器的平均电感电流。
2.如权利要求I所述的电流检测电路，其中差分电流检测放大器包括 第一和第二检测晶体管，分别具有第一端、第二端和控制端，其中第一和第二检测晶体管的第一端分别耦接至低侧晶体管的第一端和第二端，第一和第二检测晶体管的控制端均耦接至低侧晶体管的控制端； 第一和第二晶体管，分别具有基极、发射极和集电极，其中第一和第二晶体管共基极，第一和第二晶体管的发射极分别耦接至第一和第二检测晶体管的第二端； 第一和第二恒流源，分别具有第一端和第二端，其中第一和第二恒流源的第一端均耦接至供电电压，第一和第二恒流源的第二端分别耦接至第一和第二晶体管的集电极； 第一和第二输出晶体管，分别具有第一端、第二端和控制端，其中第一和第二输出晶体管的第一端分别耦接至第一和第二检测晶体管的第二端，第一和第二输出晶体管的控制端分别耦接至第二和第一晶体管的集电极，第一和第二输出晶体管的第二端分别耦接至第一路和第二路开关电流采样保持电路以提供第一和第二检测电流。
3.如权利要求2所述的电流检测电路，其中差分电流检测放大器进一步包括偏置电路，该偏置电路包括 偏置电流源，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至供电电压，第二端耦接至第一和第二晶体管的公共基极； 第三和第四晶体管，分别具有基极、发射极和集电极，其中第三和第四晶体管的基极和集电极均耦接至偏置电流源的第二端，第三和第四晶体管的发射极分别耦接至第一和第二晶体管的发射极。
4.如权利要求2所述的电流检测电路，其中 第一路开关电流采样保持电路包括 第一采样保持电路，具有输入端、输出端和控制端，其中输入端耦接至第一输出晶体管的第二端以接收第一检测电流，控制端耦接至定时电路以接收定时信号，所述第一采样保持电路基于所述定时信号获取第一检测电流在一个周期中的半波信号的中心值； 第二采样保持电路，具有输入端、输出端和控制端，其中输入端耦接至第一采样保持电路的输出端，控制端耦接至定时电路以接收定时信号，所述第二采样保持电路基于所述定时信号获取第一检测电流在一个周期中的半波信号的中心值； 第二路开关电流采样保持电路包括 第三采样保持电路，具有输入端、输出端和控制端，其中输入端耦接至第二输出晶体管的第二端以接收第二检测电流，控制端耦接至定时电路以接收定时信号，所述第三采样保持电路基于所述定时信号获取第二检测电流在一个周期中的半波信号的中心值； 第四采样保持电路，具有输入端、输出端和控制端，其中输入端耦接至第三采样保持电路的输出端，控制端耦接至定时电路以接收定时信号，所述第四采样保持电路基于所述定时信号获取第二检测电流在一个周期中的半波信号的中心值， 其中，第二和第四采样保持电路的输出端耦接在一起以提供连续的平均输出电流之和。
5.如权利要求I所述的电流检测电路，其中定时电路产生两个彼此负相关的斜坡信号，通过检测两个斜坡信号的交叉点来实现对第一和第二检测电流在一个周期中半波信号中心点的检测。
6.如权利要求2所述的电流检测电路，其中第一和第二检测晶体管与低侧晶体管类型相同，低侧晶体管的尺寸大于第一和第二检测晶体管的尺寸。
7.如权利要求I所述的电流检测电路，其中第一和第二检测电流小于流过低侧晶体管的开关电流。
8.一种电流检测方法，用于检测开关调节器的平均电感电流，包括 检测低侧晶体管两端的电压，产生与流过低侧晶体管的开关电流有关的第一和第二检测电流； 基于低侧晶体管的开关电流波形产生定时信号； 第一路和第二路开关电流采样保持电路基于定时信号以及第一和第二检测电流在其各自的输出端提供连续的平均输出电流；以及 将第一路和第二路开关电流采样保持电路的输出端耦接在一起以提供开关调节器的平均电感电流。
9.如权利要求8所述的电流检测方法，进一步包括 基于第一和第二检测电流，检测电流波形； 检测该电流波形的半波信号周期； 基于电流波形与开关电流的关系，确定开关电流。
10.如权利要求8所述的电流检测方法，进一步包括 逐周期检测流过第一和第二检测晶体管的第一和第二检测电流； 平均所有的检测值，以至少改善测量准确度或精确度中的一个。
全文摘要
本发明公开了一种电流检测电路及电流检测方法，用于检测开关调节器的平均电感电流，该电流检测电路包括；差分电流检测放大器，检测低侧晶体管两端的电压，产生与流过低侧晶体管的开关电流有关的第一和第二检测电流；定时电路，基于低侧晶体管的开关电流波形产生定时信号；第一路和第二路开关电流采样保持电路，耦接至定时电路以接收定时信号，耦接至差分电流检测放大器以接收第一和第二检测电流，其中每路开关电流采样保持电路基于定时信号以及第一和第二检测电流在其输出端提供连续的平均输出电流；以及其中第一路和第二路开关电流采样保持电路的输出端耦接在一起以提供开关调节器的平均电感电流。
文档编号G01R19/00GK102928643SQ201210372390
公开日2013年2月13日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年9月29日
发明者徐鹏, 法兰西斯·余 申请人:成都芯源系统有限公司