一种电流采样电路的制作方法

1.本实用新型涉及功率半导体器件电流检测，尤其是涉及一种电流采样电路。


背景技术：

2.在电子电路中，电流检测电路的应用极为普遍，用于电流检测电路的种类比较多。例如在buck电路中，使用串联的输出保护晶体管(mosfet)的导通电阻来检测电流可以节省新增串联高精度电阻成本，但mosfet的导通电阻(rds(on))随温度而变化，导致采样精度急剧下降。同时采用的高精度高共模输入放大器成本较高，且放大倍数固定，不能达到最优的电流采样分辨率。目前采用mosfet作为电流检测手段已经得到越来越广泛的应用，mosfet作为多子器件，在导通时具有电阻特性(也即导通电阻)，检测功率管压降法就是通过检测mosfet导通电阻上的电压，达到检测电流的目的。利用mosfet来实现电流检测的方案存在精度不高的问题，rds(on)值可能在很大的范围内变化(大约33％或更多)。其温度系数可能也非常大，在100℃以上时甚至会超过80％。另外，如果使用外部mosfet，还必须考虑mosfet寄生封装电感。
3.专利cn207281157u公开了一种开关电源电流检测电路，所述检测电路包括：检测电阻；比较放大单元，所述比较放大单元的反相输入端接检测电阻的第一端，同相输入端接检测电阻的第二段；开关管，所述开关管的第二端连接比较放大单元的反相输入端，第三端连接控制单元和电流阵列提供单元与控制单元连接；控制单元，用于检测开关管第三端的电压，以及控制电流阵列提供单元的输出电流；反馈单元，所述反馈单元连接开关管的第三端。
4.专利cn109696578a公开了一种电流检测电路及方法，包括开关管转换器，所述开关转换器包括：耦合输入电压与开关节点之间的高端主功率mosfet，耦合在开关节点与输出电压之间的输出电感；两个或两个以上的电流检测部分，以检测每个部分的电流；两个或若干个电流检测输出电路，使每个区域的功率器件具有相同的电流检测。
5.现有技术中采用输出保护mosfetrds(on)采样电流法如图1所示，其中q1为buck电路输出短路保护mosfet，其基本思路是电流流过q1导通电阻rds(on)形成电压，采样rds(on)上的电压并通过放大器u1将采样的电压放大输出，其中u1为高精度高共模输入电压的放大器，其成本较高，同时温度的变化导致mosfetq1的导通电阻偏差加大，如图2所示，从而带来采样精度的较大偏差。
6.因此，需要提出一种可以减小温度变化对mosfet的导通电阻影响的电流采样电路。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种电流采样电路，用于解决现有技术中温度的变化导致mosfet的导通电阻偏差加大，从而带来采样精度的较大偏差的问题。
8.为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种电流采样电路，包括晶体管、偏置电
路、放大与跟随电路以及恒流源电路；
9.所述晶体管、所述偏置电路、所述放大与跟随电路以及所述恒流源电路顺次连接；
10.所述偏置电路用于获取所述晶体管两端的电压并对所述晶体管两端的电压进行偏置以输出第一电压；
11.所述放大与跟随电路用于对第一电压放大并做温度补偿以输出第二电压；
12.所述恒流源电路用于获取所述第二电压的值；
13.所述电流采样电路通过所述第一电压以及第二电压的值以获取流过所述晶体管的电流。
14.可选的，所述晶体管两端的电压为v0，v0＝i1*rds(on)，其中i1为流过所述晶体管的电流，rds(on)为所述晶体管的导通电阻。
15.可选的，所述偏置电路包括稳压管、限流电阻、第一电阻以及第二电阻；
16.所述第一电阻的一端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述稳压管的输出端连接，所述第一电阻的另一端与所述晶体管的漏端连接，所述稳压管的输入端与所述晶体管的源端连接；
17.所述限流电阻的一端与所述稳压管的输出端连接，并与所述第一电阻以及所述第二电阻并联连接，所述限流电阻的另一端与一输入电源连接；
18.所述偏置电路的输出端与所述放大与跟随电路的输入端连接，所述偏置电路的输出端设置在所述第一电阻与所述第二电阻间，所述偏置电路的输出端用于对所述晶体管的输出电压进行偏置并输出所述第一电压，所述稳压管与所述输入电源生成一偏置电压，并将所述偏置电压输出给所述第二电阻。
19.可选的，所述第一电压为v1，v1＝v0*r2/(r1+r2)+v
offset
*r1/(r1+r2)，其中r1为所述第一电阻的值，r2为所述第二电阻的值，v
offset
为所述偏置电压的值。
20.可选的，所述放大与跟随电路包括第一放大器、第二放大器、第三电阻、第四电阻以及负温度系数电阻；
21.所述第一放大器的同相输入端作为所述放大与跟随电路的输入端，所述第一放大器的反相输入端连接在所述第三电阻和所述第四电阻间，所述第一放大器的输出端连接所述第二放大器的同相输入端；
22.所述第三电阻的一端与所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与所述负温度系数电阻的一端连接，所述负温度系数的另一端与所述第二放大器的同相输入端连接，所述第三电阻的另一端与所述晶体管的源端连接；
23.所述第二放大器的输出端连接所述恒流源电路，并用于输出第二电压。
24.可选的，所述第二电压为v2，v2＝v1*(1+(r4+r
t
)/r3)，其中r3为第三电阻的值，r4为第四电阻的值，r
t
为负温度系数电阻的值。
25.可选的，所述恒流源电路包括第一pnp三极管、第二pnp三极管、npn三极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第八电阻；
26.所述npn三极管的基极连接所述第二放大器的输出端，所述npn三极管的集电极与所述第一pnp三极管的集电极连接，所述npn三极管的发射极连接所述第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端与所述晶体管的源端连接；
27.所述第一pnp三极管的基极与所述第二pnp三极管的基极连接，所述第一pnp三极
管的集电极还连接在所述第一pnp三极管的基极与所述第二pnp三极管的基极间，所述第一pnp三极管的发射极连接所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端与所述第六电阻的一端连接；
28.所述第二pnp三极管的发射极与所述第六电阻的另一端连接，所述第二pnp三极管的集电极连接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端接地，所述第八电阻的一端作为输出电压采样端。
29.可选的，所述电压采样端的电压为v3，v3＝r8*i3，i3＝i2＝v2/r7，其中流过所述第七电阻的电流为i2，所述第七电阻两端的电压为v2，流过所述第八电阻的电流为i3，r7为所述第七电阻的值，r8为所述第八电阻的值。
30.可选的，所述电流采样电路还包括第一滤波电容以及第二滤波电容；
31.所述第一滤波电容的一端连接所述晶体管的漏端，所述第一滤波电容的另一端接地；
32.所述第二滤波电容的一端连接所述晶体管的源端，所述第二滤波电容的另一端接地。
33.本实用新型提供一种电流采样电路，与现有技术不同之处在于，利用所述放大与跟随电路对第一电压放大并做温度补偿以减小晶体管的导通电阻受温度的影响程度。解决了现有技术中存在的温度的变化导致mosfet的导通电阻偏差加大，从而带来采样精度的较大偏差的问题。而且，采用了分立器件来代替高共模输入运放，与现有技术的硬件电路相比，本实用新型的结构可以降低电流采样电路的硬件成本。
附图说明
34.图1为现有技术提供的一种电流采样电路示意图；
35.图2为mosfet的导通电阻与温度关系示意图；
36.图3为本实用新型实施例提供的一种电流采样电路示意图；
37.10
‑
滤波电路，20
‑
偏置电路，30
‑
放大与跟随电路，40
‑
恒流源电路。
具体实施方式
38.下面将结合示意图对本实用新型的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
39.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
40.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
41.如图3所示，本实用新型实施例提出一种电流采样电路，包括晶体管、偏置电路20、
放大与跟随电路30以及恒流源电路40。所述晶体管、所述偏置电路20、所述放大与跟随电路30以及所述恒流源电路40顺次连接。所述偏置电路20用于获取所述晶体管两端的电压并对所述晶体管两端的电压进行偏置以输出第一电压。所述放大与跟随电路30用于对第一电压放大并做温度补偿以输出第二电压，所述恒流源电路40用于获取所述第二电压的值，所述电流采样电路通过所述第一电压以及第二电压的值以获取流过所述晶体管的电流。
42.与现有技术不同之处在于，利用所述放大与跟随电路30对第一电压放大并做温度补偿以减小晶体管的导通电阻受温度的影响程度。解决了现有技术中存在的温度的变化导致mosfet的导通电阻偏差加大，从而带来采样精度的较大偏差的问题。而且，采用了分立器件来代替高共模输入运放，与现有技术的硬件电路相比，本实用新型的结构可以降低电流采样电路的硬件成本。所述晶体管可为mosfet或其它类型的晶体管，为了方便说明，在本实用新型实施例中均以mosfet为例，其它类型的晶体管与之类似。
43.可选地，所述晶体管两端的电压为v0，v0＝i1*rds(on)，其中i1为流过所述晶体管的电流，rds(on)为所述晶体管的导通电阻。
44.可选地，所述偏置电路20包括稳压管、限流电阻、第一电阻以及第二电阻。所述第一电阻的一端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述稳压管的输出端连接，所述第一电阻的另一端与所述晶体管的漏端连接，所述稳压管的输入端与所述晶体管的源端连接。所述限流电阻的一端与所述稳压管的输出端连接，并与所述第一电阻以及所述第二电阻并联连接，所述限流电阻的另一端与一输入电源连接。所述偏置电路20的输出端与所述放大与跟随电路30的输入端连接，所述偏置电路20的输出端设置在所述第一电阻与所述第二电阻间，所述偏置电路20的输出端用于对所述晶体管的输出电压进行偏置并输出所述第一电压，所述稳压管与所述输入电源生成一偏置电压，并将所述偏置电压输出给所述第二电阻。
45.可选地，所述第一电压为v1，v1＝v0*r2/(r1+r2)+v
offset
*r1/(r1+r2)，其中r1为所述第一电阻的值，r2为所述第二电阻的值，v
offset
为所述偏置电压的值。
46.可选地，所述放大与跟随电路30包括第一放大器、第二放大器、第三电阻、第四电阻以及负温度系数电阻。所述第一放大器的同相输入端作为所述放大与跟随电路30的输入端，所述第一放大器的反相输入端连接在所述第三电阻和所述第四电阻间，所述第一放大器的输出端连接所述第二放大器的同相输入端。
47.所述第三电阻的一端与所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与所述负温度系数电阻的一端连接，所述负温度系数的另一端与所述第二放大器的同相输入端连接，所述第三电阻的另一端与所述晶体管的源端连接。所述第二放大器的输出端连接所述恒流源电路40，并用于输出第二电压。
48.可选地，所述第二电压为v2，v2＝v1*(1+(r4+r
t
)/r3)，其中r3为第三电阻的值，r4为第四电阻的值，r
t
为负温度系数电阻的值。
49.可选地，所述恒流源电路40包括第一pnp三极管、第二pnp三极管、npn三极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第八电阻。所述npn三极管的基极连接所述第二放大器的输出端，所述npn三极管的集电极与所述第一pnp三极管的集电极连接，所述npn三极管的发射极连接所述第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端与所述晶体管的源端连接。
50.所述第一pnp三极管的基极与所述第二pnp三极管的基极连接，所述第一pnp三极
管的集电极还连接在所述第一pnp三极管的基极与所述第二pnp三极管的基极间，所述第一pnp三极管的发射极连接所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端与所述第六电阻的一端连接。所述第二pnp三极管的发射极与所述第六电阻的另一端连接，所述第二pnp三极管的集电极连接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端接地，所述第八电阻的一端作为输出电压采样端。
51.可选地，所述电压采样端的电压为v3，v3＝r8*i3，i3＝i2＝v2/r7，其中流过所述第七电阻的电流为i2，所述第七电阻两端的电压为v2，流过所述第八电阻的电流为i3，r7为所述第七电阻的值，r8为所述第八电阻的值。
52.可选地，所述电流采样电路还包括第一滤波电容以及第二滤波电容。所述第一滤波电容的一端连接所述晶体管的漏端，所述第一滤波电容的另一端接地；所述第二滤波电容的一端连接所述晶体管的源端，所述第二滤波电容的另一端接地。所述晶体管、所述第一滤波电容以及所述第二滤波电容构成一滤波电路10。
53.通过上述描述，可以看出本实用新型实施例提供的电流采样电路通过采样mosfet导通电阻上的电压，经过偏置电路20偏置，然后通过放大与跟随电路30进行放大并做温度补偿，使采样精度得到提高，最后通过恒流源电路40进行电位转换将以v_lv为参考电位的采样信号转换为以gnd为参考电位的输出信号。
54.本实用新型实施例的具体实施方案如下：i1为流过mosfet的电流，输入电压v0为电流i1流过mosfet导通电阻产生的压降，得到公式1：
55.v0＝i1*rds(on)。
56.加入偏置电路20后，当i1电流为负方向时，如工作在反向boost模式，电路可以检测负方向电流，电压v1的值为偏置电路20与mosfet采样电压v0叠加产生，根据叠加原理得到公式2：
57.v1＝v0*r2/(r1+r2)+v
offset
*r1/(r1+r2)。
58.在放大与跟随电路30中，u1为普通运算放大器，r
t
为负温度系数电阻，r
t
的位置靠近mosfet，需要注意的是，r
t
的电阻选型可根据mosfetrds(on)温度特性调整，v2为放大电路的输出电压，得到公式3：
59.v2＝v1*(1+(r4+r
t
)/r3)。
60.当温度升高时mosfet的导通电阻rds(on)增大，导致v1增加，此时r
t
的阻值减小，v2电压受温度的影响减小。恒流源电路40中r7两端的电压由放大与跟随电路30中的跟随电路控制，等于放大与跟随电路30中放大器的输出电压v2，流过r7的电流i2为公式4：
61.i2＝v2/r7。
62.i2与电阻r8流过的电流i3相等。v_sense为电阻r8的电压值，v_sense可以根据采样输出电压范围进行选择，得到公式5：
63.v_sense＝r8*i3。
64.由公式5可得公式6：i2＝i3＝v_sense/r8；
65.将公式6带入公式4可得公式7：v2＝r7*v_sense/r8；
66.将公式7带入公式3中可得公式8：
67.v1＝(r7*v_sense/r8)/(1+(r4+r
t
)/r3)；
68.将公式8带入公式2可得公式9：
[0069][0070]
将公式9带入公式1可得公式10：
[0071]
通过公式10可以看出，当温度升高时，rds(on)的值增大，此时r
t
的值会减小，通过这样一种温度补偿可以减小晶体管的导通电阻受温度的影响程度，可以提高电流检测的精度。
[0072]
综上所述，本实用新型提供一种电流采样电路，与现有技术不同之处在于，利用所述放大与跟随电路对第一电压放大并做温度补偿以减小晶体管的导通电阻受温度的影响程度。解决了现有技术中存在的温度的变化导致mosfet的导通电阻偏差加大，从而带来采样精度的较大偏差的问题，而且，采用了分立器件来代替高共模输入运放，与现有技术的硬件电路相比，本实用新型的结构可以降低电流采样电路的硬件成本。
[0073]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0074]
上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。