一种电感电流采样电路及其实现方法与流程

本发明涉及电源管理技术领域，具体地说，是涉及一种电感电流采样电路。

背景技术：

dc-dc转换器在不同领域的应用，在保证输出电压精度的同时，有时也需要检测输出或者输入电流。以降压型dc-dc转换器为例，电感电流即是输出电流，对电感电流的精确采样成为了设计挑战。

图1和图2为现有技术两种常用的应用于降压型dc-dc转换器输出电流采样的方法，其中图1是通过电感的dcr采样电感电流，优点是不会产生额外的功率损耗，缺点是电感的dcr精确度差导致电流采样精度差；图2是通过在输出通路上串联电流采样电阻来实现电流检测，优点是电流采样精度高，但是在采样电阻上会造成额外的功率损耗，且精确大功率采样电阻会导致bom成本变高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电感电流采样电路，主要解决现有电感电流采样精度差、电路成本高的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电感电流采样电路，包括上采样电路和下采样电路，与上采样电路和下采样电路均相连的输出电路，与上采样电路相连的比较器e1，与下采样电路相连的比较器e2，与比较器e1和比较器e2均相连的数字信号产生模块，与数字信号产生模块相连的滤波电路，与滤波电路相连的负反馈环路，与负反馈环路相连的分压模块和运放电路，以及与运放电路、上采样电路、下采样电路均相连的电流镜像电路。

进一步地，所述上采样电路包括栅极相连的功率管q1和采样管q1_sns，功率管q1和采样管q1_sns的漏极相连并接入输入端vin，采样管q1_sns的源极与比较器e1的正极和电流镜像电路相连，功率管q1的源极与比较器e1的负极和输出电路相连；所述下采样电路包括栅极相连的功率管q2和采样管q2_sns，功率管q2和采样管q2_sns的漏极相连并接至输出电路和比较器e2的负极，采样管q2_sns的源极与比较器e2的正极和电流镜像电路相连，功率管q1的源极与比较器e1的负极相连并接地。

进一步地，所述数字信号产生模块为rs触发器，包括两个或非门电路u1、u2，或非门电路u1的输入端a与比较器e1的输出端相连，或非门电路u1的输入端b与或非门电路u2的输出端q相连，或非门电路u2的输入端a与比较器e2的输出端相连，或非门电路u2的输入端b与或非门电路u1的输出端q相连；其中，或非门电路u2的输出端q与滤波电路相连。

进一步地，所述滤波电路包括一端与或非门电路u2的输出端q相连的电阻r3，一端与电阻r3的另一端相连且另一端接地的电容c1。

进一步地，所述分压模块包括一端接入电压vcc的电阻r1，以及一端与电阻r1相连且另一端接地的电阻r2；其中，电阻r1与电阻r2的连接端与负反馈环路相连。

进一步地，所述负反馈环路包括正极与电阻r3和电容c1的连接端相连且负极与电阻r1与电阻r2的连接端相连的放大器e3，以及一端与放大器e3的输出端相连且另一端接地的电容c2。

进一步地，所述运放电路包括正极与放大器e3的输出端相连的放大器e4，以及一端与放大器e4的负极相连且另一端接地的电阻rsns；其中，放大器e4的极与输出端均与电流镜像电路相连。

进一步地，所述电流镜像电路包括栅极与放大器e4的输出端相连且源极与放大器e4的负极相连的mos管q3，栅极均与mos管q3的漏极相连的mos管q4、q5、q6，栅极均与mos管q5的源极相连的mos管q7、q8；其中，mos管q4、q5、q6的源极相接后接入电压vcc，mos管q4的漏极与mos管q4的栅极连通，mos管q7、q8的源极相连后接地，mos管q8的漏极与采样管q1_sns的源极相连，mos管q6的漏极与采样管q2_sns的源极相连。

基于上述的电感电流采样电路，本发明还提出一种电感电流采样电路的实现方法，其具体过程如下：

(s1)分别利用上采样电路和下采样电路获取上管电流和下管电流；

(s2)通过负反馈环路调节目标电流值，使目标电流等于功率管电流的一半；

(s3)电流镜像电路控制两路目标电流，在上管导通时间，使其中一路目标电流通过比较器与上管电流比较产生一输出信号，在下管导通时间，使另一路目标电流通过另一比较器与下管电流比较产生另一输出信号；

(s4)将两路输出信号通过一rs触发器产生数字pwm信号；

(s5)数字pwm信号通过滤波电路得到平均电压信号；

(s6)将平均电压信号通过运放电路与参考电压积分得到输出电流信息的电压信号；其中参考电压通过分压得到，为接入电压的一半。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用上下管电流的中值比较，通过rc滤波器将pwm信号转换成模拟电平，参考电压为vcc/2，通过积分器形成的负反馈环路使得vsns＝rsns*il/k。通过负反馈环路控制目标电流iset1/iset2，通过电流比较使得目标电流等于上下管电流的中间值，这样既可以间接的得到上下管电流的中值，也即是电感电流值。本发明不会产生额外的功率损耗，同时上下管电流的同时检测以及负反馈环路的引入也保证了电流采样的精度。

附图说明

图1为现有技术一种电流采样原理图。

图2为现有技术另一种电流采样原理图。

图3为本发明的电路原理图。

图4为本发明dc-dc转换器的sw节点的电压波形和电感电流的波形图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-上采样电路，2-下采样电路，3-输出电路，4-数字信号产生模块，5-分压模块，6-滤波电路，7-负反馈环路，8-运放电路，9-电流镜像电路。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图3、4所示，本发明公开的一种电感电流采样电路，包括上采样电路1和下采样电路2，与上采样电路1和下采样电路2均相连的输出电路3，与上采样电路1相连的比较器e1，与下采样电路2相连的比较器e2，与比较器e1和比较器e2均相连的数字信号产生模块4，与数字信号产生模块4相连的滤波电路6，与滤波电路6相连的负反馈环路7，与负反馈环路7相连的分压模块5和运放电路8，以及与运放电路8、上采样电路1、下采样电路2均相连的电流镜像电路9。

具体而言，所述上采样电路包括栅极相连的功率管q1和采样管q1_sns，功率管q1和采样管q1_sns的漏极相连并接入输入端vin，采样管q1_sns的源极与比较器e1的正极和电流镜像电路相连，功率管q1的源极与比较器e1的负极和输出电路相连；所述下采样电路包括栅极相连的功率管q2和采样管q2_sns，功率管q2和采样管q2_sns的漏极相连并接至输出电路和比较器e2的负极，采样管q2_sns的源极与比较器e2的正极和电流镜像电路相连，功率管q1的源极与比较器e1的负极相连并接地。

具体地，所述数字信号产生模块为rs触发器，包括两个或非门电路u1、u2，或非门电路u1的输入端a与比较器e1的输出端相连，或非门电路u1的输入端b与或非门电路u2的输出端q相连，或非门电路u2的输入端a与比较器e2的输出端相连，或非门电路u2的输入端b与或非门电路u1的输出端q相连；其中，或非门电路u2的输出端q与滤波电路相连。

在本实施例中，所述滤波电路包括一端与或非门电路u2的输出端q相连的电阻r3，一端与电阻r3的另一端相连且另一端接地的电容c1。

在本实施例中，所述分压模块包括一端接入电压vcc的电阻r1，以及一端与电阻r1相连且另一端接地的电阻r2；其中，电阻r1与电阻r2的连接端与负反馈环路相连。

在本实施例中，所述负反馈环路包括正极与电阻r3和电容c1的连接端相连且负极与电阻r1与电阻r2的连接端相连的放大器e3，以及一端与放大器e3的输出端相连且另一端接地的电容c2。

在本实施例中，所述运放电路包括正极与放大器e3的输出端相连的放大器e4，以及一端与放大器e4的负极相连且另一端接地的电阻rsns；其中，放大器e4的极与输出端均与电流镜像电路相连。

在本实施例中，所述电流镜像电路包括栅极与放大器e4的输出端相连且源极与放大器e4的负极相连的mos管q3，栅极均与mos管q3的漏极相连的mos管q4、q5、q6，栅极均与mos管q5的源极相连的mos管q7、q8；其中，mos管q4、q5、q6的源极相接后接入电压vcc，mos管q4的漏极与mos管q4的栅极连通，mos管q7、q8的源极相连后接地，mos管q8的漏极与采样管q1_sns的源极相连，mos管q6的漏极与采样管q2_sns的源极相连。

在本实施例中，所述输出电路包括与功率管q1的源极和功率管q2的漏极相连的电感l1，一端与电感l1的另一端相连且另一端数字接地的电容cout，电感l1和电容cout的连接端作为输出端vout。该输出电路仅是dc-dc中的一种拓扑电路。

本发明的采样电路的实现过程如下：

首先，q1、q1_sns分别是上功率管和上管的采样管，q2、q2_sns分别是下功率管和下管的采样管，通过运放e4和电阻rsns以及电流镜像电路q3、q4、q5、q6、q7、q8控制目标电流iset1和iset2，在上管的导通时间内通过比较器e1比较目标电流iset1和上管电流，输出结果vt1，在下管的导通时间内通过比较器e2比较目标电流iset2和下管电流，输出结果vt2，vt1和vt2通过rs触发器u1&u2产生数字pwm信号vt，vt经过r3和c1滤波之后得到平均电压信号vt_lpf，运放e4将vt_lpf和参考电压vref进行积分得到vsns，这里设计r1＝r2所以vref＝vcc/2，通过放大器e3形成的负反馈环路会自动调节目标电流值使得目标电流等于功率管电流的一半，这样得到的vsns电压即是含有输出电流讯息的电压信号，vsns＝rsns*il/k。

如图4所示，为降压型dc-dc转换器的sw节点的电压波形和电感电流的波形图，在上管导通时间内，如果电感电流到达目标电流，比较器e1输出vt1翻转，在下管导通时间内，如果电感电流下降到目标电流，则比较器e2输出vt2翻转，rs触发器输出信号vt在环路稳定的时候是占空比为50％的pwm信号，而经过rc滤波之后的信号vt_lpf则是幅度为vcc/2的电压。闭环的过程中，如果输出电流变大，也即是电感电流大于目标电流，比较器e1和e2则输出高时间变长，这样vt则占空比大于50％，vt_lpf>vref，积分器即放大器e3输出vsns变高，使得目标电流追随电感电流升高，反之亦然。

通过上述设计，本发明利用负反馈环路控制目标电流iset1/iset2，通过电流比较使得目标电流等于上下管电流的一半，这样既可以间接的得到上下管电流的中值，也即是电感电流值。本发明不会产生额外的功率损耗，同时上下管电流的同时检测以及负反馈环路的引入也保证了电流采样的精度。因此，具有很高的实用价值和推广价值。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。