参考电流产生电路及用于DC-DC变换器的谷值电流检测电路的制作方法

参考电流产生电路及用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路
技术领域
1.本公开的实施例涉及集成电路技术领域，具体地，涉及参考电流产生电路及用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路。


背景技术：

2.dc-dc变换器被广泛应用于各种芯片供电应用中。为了防止出现异常情况导致电流过大而烧毁芯片，dc-dc变换器的电流需要受到限制。上功率管导通时对峰值电流进行限制，而下功率管导通时对谷值电流进行限制。下功率管导通时，电感电流必须下降到谷值电流以下才能让电感电流重新上升，能有效降低发生过流时的平均电感电流。谷值电流限制能使芯片的安全得到保障。


技术实现要素：

3.本文中描述的实施例提供了一种参考电流产生电路、用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路、以及dc-dc变换器。
4.根据本公开的第一方面，提供了一种参考电流产生电路。该参考电流产生电路包括：第一电阻器、电压保持电路、第一限流电路、第一电流镜电路、第二电流镜电路、以及第二限流电路。其中，第一电阻器的第一端经由第一节点耦接电压保持电路。第一电阻器的第二端耦接第二电压端。电压保持电路被配置为：将第一节点的电压保持为来自参考电压端的参考电压，并经由第二节点向第一限流电路传递流过第一电阻器的电流。第一限流电路被配置为：根据流过第一电阻器的电流生成第一电流，经由第三节点向第一电流镜电路传递第一电流，并限制第一电流的最大值。第一电流镜电路被配置为：根据第一电流生成第二电流和第三电流，并分别经由第四节点和第五节点向第二电流镜电路传递第二电流和第三电流。第二电流镜电路被配置为：经由第六节点向第二限流电路传递第二电流，生成第二电流的镜像电流，根据第二电流的镜像电流和第三电流生成参考电流，并经由输出端输出参考电流。第二限流电路被配置为：限制第二电流的最大值。
5.在本公开的一些实施例中，电压保持电路包括：运放、以及第一晶体管。其中，运放的第一输入端耦接参考电压端。运放的第二输入端耦接第一节点和第一晶体管的第一极。运放的输出端耦接第一晶体管的控制极。第一晶体管的第二极耦接第二节点。
6.在本公开的一些实施例中，运放的第一输入端是同相输入端。运放的第二输入端是反相输入端。
7.在本公开的一些实施例中，第一限流电路包括：第二电阻器。其中，第二电阻器的第一端耦接第三节点。第二电阻器的第二端耦接第二节点。
8.在本公开的一些实施例中，第一电流镜电路包括：第二晶体管、第三晶体管、以及第四晶体管。其中，第二晶体管的控制极耦接第二晶体管的第二极和第三节点。第二晶体管的第一极耦接第一电压端。第三晶体管的控制极耦接第二晶体管的控制极。第三晶体管的第一极耦接第一电压端。第三晶体管的第二极耦接第四节点。第四晶体管的控制极耦接第
二晶体管的控制极。第四晶体管的第一极耦接第一电压端。第四晶体管的第二极耦接第五节点。
9.在本公开的一些实施例中，第三晶体管与第四晶体管的尺寸相同。
10.在本公开的一些实施例中，第二电流镜电路包括：第五晶体管、以及第六晶体管。其中，第五晶体管的控制极耦接第五晶体管的第二极和第六节点。第五晶体管的第一极耦接第四节点。第六晶体管的控制极耦接第五晶体管的控制极。第六晶体管的第一极耦接第五节点。第六晶体管的第二极耦接输出端。
11.在本公开的一些实施例中，第五晶体管与第六晶体管的尺寸相同。
12.在本公开的一些实施例中，第二限流电路包括：第七晶体管。其中，第七晶体管的控制极耦接偏置电压端。第七晶体管的第一极耦接第二电压端。第七晶体管的第二极耦接第六节点。
13.根据本公开的第二方面，提供了一种参考电流产生电路。该参考电流产生电路包括：第一电阻器、第二电阻器、运放、第一晶体管至第七晶体管。其中，第一电阻器的第一端耦接第一晶体管的第一极。第一电阻器的第二端耦接第二电压端。第二电阻器的第一端耦接第二晶体管的第二极。第二电阻器的第二端耦接第一晶体管的第二极。运放的第一输入端耦接参考电压端。运放的第二输入端耦接第一晶体管的第一极。运放的输出端耦接第一晶体管的控制极。第二晶体管的控制极耦接第二晶体管的第二极。第二晶体管的第一极耦接第一电压端。第三晶体管的控制极耦接第二晶体管的控制极。第三晶体管的第一极耦接第一电压端。第三晶体管的第二极耦接第五晶体管的第一极。第四晶体管的控制极耦接第二晶体管的控制极。第四晶体管的第一极耦接第一电压端。第四晶体管的第二极耦接第六晶体管的第一极。第五晶体管的控制极耦接第五晶体管的第二极和第六晶体管的控制极。第六晶体管的第二极耦接输出端。第七晶体管的控制极耦接偏置电压端。第七晶体管的第一极耦接第二电压端。第七晶体管的第二极耦接第五晶体管的第二极。
14.根据本公开的第三方面，提供了一种用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路。该谷值电流检测电路包括根据本公开的第一方面或者第二方面所述的参考电流产生电路。
15.根据本公开的第四方面，提供了一种dc-dc变换器。该dc-dc变换器包括根据本公开的第三方面所述的谷值电流检测电路。
附图说明
16.为了更清楚地说明本公开的实施例的技术方案，下面将对实施例的附图进行简要说明，应当知道，以下描述的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制，其中：
17.图1示出一种用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路的示例性电路图；
18.图2是一种参考电流产生电路的示例性电路图；
19.图3是根据本公开的实施例的参考电流产生电路的示意性框图；以及
20.图4是根据本公开的实施例的参考电流产生电路的示例性电路图。
21.需要注意的是，附图中的元素是示意性的，没有按比例绘制。
具体实施方式
22.为了使本公开的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本公开的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，也都属于本公开保护的范围。
23.除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开主题所属领域的技术人员所通常理解的相同含义。进一步将理解的是，诸如在通常使用的词典中定义的那些的术语应解释为具有与说明书上下文和相关技术中它们的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的形式来解释，除非在此另外明确定义。如在此所使用的，将两个或更多部分“连接”或“耦接”到一起的陈述应指这些部分直接结合到一起或通过一个或多个中间部件结合。
24.在本公开的所有实施例中，由于晶体管的源极和漏极(发射极和集电极)是对称的，并且n型晶体管和p型晶体管的源极和漏极(发射极和集电极)之间的导通电流方向相反，因此在本公开的实施例中，将晶体管的受控中间端称为控制极，将晶体管的其余两端分别称为第一极和第二极。本公开的实施例中所采用的晶体管主要是金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，简称mos)晶体管。另外，诸如“第一”和“第二”的术语仅用于将一个部件(或部件的一部分)与另一个部件(或部件的另一部分)区分开。
25.图1示出一种用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路的示例性电路图。在图1中示出了dc-dc变换器的一部分10，包括电感器l、下功率管nm1、以及采样管nm2。下功率管nm1与采样管nm2的宽长比的比值是m：1。其中，m大于1。在图1中还示出了谷值电流检测电路20。通过控制信号lg开启下功率管nm1后，电感电流i
l
开始下降。采样管nm2也同时开启，开始对节点sw的电压进行采样。采样管nm2的源极电压为采样电压v
sns
。此时，可以得到下式：
[0026]vsw
＝v
pgnd-i
l
×rds1
＝v
sns-i
s2
×rds2
，
[0027]
其中，v
sw
表示节点sw的电压，v
pgnd
表示节点pgnd的电压，i
l
表示电感电流，r
ds1
表示下功率管nm1的导通电阻，v
sns
表示采样电压，i
s2
表示流过采样管nm2的电流，r
ds2
表示采样管nm2的导通电阻。
[0028]
谷值电流检测电路20可被看作电流比较器，其中，晶体管q1与晶体管q2的宽长比的比值为1：k。晶体管q3与晶体管q4的宽长比的比值为k：1。
[0029]is1
＝i
q1
+i
q2
，
[0030]is2
＝i
q3
+i
q4
，
[0031]iq1
+i
q4
＝i
ref
，
[0032]iq2
＝k
×iq1
，i
q3
＝k
×iq4
。
[0033]iq1
表示流过晶体管q1的电流，i
q2
表示流过晶体管q2的电流，i
q3
表示流过晶体管q3的电流，i
q4
表示流过晶体管q4的电流，i
ref
表示参考电流。
[0034]
下功率管nm1开启时，如果电感电流i
l
过高，则节点sw的电压比较低，i
s2
也比较大，v
sns
低于v
pgnd
。下功率管nm1开启之后电感电流i
l
逐渐下降，节点sw的电压逐渐上升，i
s2
逐渐减小，v
sns
逐渐上升。当v
sns
和v
pgnd
相等时，vs1＝vs2，比较器comp的输出电压v
lim
翻转为高电平，用于指示进行谷值电流限制。此时i
q1
＝i
q4
＝0.5
×iref
，i
s1
＝i
s2
＝0.5
×
(1+k)
×iref
，i
l
×rds1
＝i
s2
×rds2
，此时电感电流i
l
＝i
s2
×rds2
/r
ds1
。由于此时下功率管nm1和采样管nm2的栅
极、漏极和源极的电压都相等，所以二者导通电阻的比例和尺寸成正比。此时电感电流可以表示为：
[0035]il
＝m
×is2
＝0.5
×
(1+k)
×m×iref
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0036]
可以通过设置m、k和参考电流i
ref
的值来设置进行谷值电流限制时的电感电流值。
[0037]
图2示出了一种参考电流产生电路200的示例性电路图。参考电流产生电路200包括：运算放大器(可简称运放)amp，电阻器r1、晶体管nm3、晶体管pm3、以及晶体管pm4。在图2中，vdd表示电源电压。由运算放大器的虚短虚断特性可知，参考电压v
ref
等于电阻器r1的第一端的电压v
r1
。流过晶体管nm3的电流为i
p3
＝v
r1
/r1。其中，r1表示电阻器r1的电阻值。经过晶体管pm3和晶体管pm4构成的电流镜对电流i
p3
的复制，可得到参考电流i
ref
＝i
p3
/n。因此，i
ref
＝v
r1
/(n
×
r1)＝v
ref
/(n
×
r1)。将参考电流i
ref
作为图1中的谷值电流检测模块20的参考电流。由式(1)可以得到进行谷值电流限制时的电感电流值：
[0038]il
＝0.5
×
(1+k)
×m×vref
/(n
×
r1)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0039]
所以可通过设置电阻器r1的电阻值来实现可调的谷值电流限制。
[0040]
本公开的发明人发现在实际使用中可能出现电阻器r1短路的情况。如果电阻器r1短路，则晶体管nm3的源极接到地。在这种情况下，仅由晶体管nm3的导通电阻和晶体管pm3的导通电阻限制从晶体管pm3到地的这条支路的电流。此时晶体管nm3产生的电流i
p3
很大，并且电流i
p3
是直流(dc)电流，长时间存在会产生巨大的热量，可能会烧坏参考电流产生电路200内部的元器件。
[0041]
进一步地，电阻器r1短路时参考电流产生电路200产生的参考电流i
ref
的值很大，使得谷值电流检测电路200的参考电流很大。这会导致dc-dc变换器过流时的平均电流值过高，烧坏内部功率器件和dc-dc变换器的外围器件。
[0042]
本公开的实施例提出了一种参考电流产生电路以避免参考电流产生电路内部的电阻器r1短路时所造成的上述危害。图3示出根据本公开的实施例的参考电流产生电路300的示意性框图。参考电流产生电路300可包括：第一电阻器r1、电压保持电路310、第一限流电路320、第一电流镜电路330、第二电流镜电路340、以及第二限流电路350。
[0043]
第一电阻器r1的第一端经由第一节点n1耦接电压保持电路310。第一电阻器r1的第二端耦接第二电压端v2。
[0044]
电压保持电路310可经由第一节点n1耦接第一电阻器r1的第一端。电压保持电路310可经由第二节点n2耦接第一限流电路320。电压保持电路310还可耦接参考电压端v
ref
。电压保持电路310可被配置为：将第一节点n1的电压保持为来自参考电压端v
ref
的参考电压v
ref
，并经由第二节点n2向第一限流电路320传递流过第一电阻器r1的电流。正常情况下，流过第一电阻器r1的电流i
r1
＝v
ref
/r1。其中，r1表示第一电阻器r1的电阻值。
[0045]
第一限流电路320可经由第二节点n2耦接电压保持电路310。第一限流电路320可经由第三节点n3耦接第一电流镜电路330的第一端p1。第一限流电路320可被配置为：根据流过第一电阻器r1的电流i
r1
生成第一电流i1，经由第三节点n3向第一电流镜电路330传递第一电流i1，并限制第一电流i1的最大值。正常情况下，第一电流i1等于流过第一电阻器r1的电流i
r1
。在第一电阻器r1短路的情况下，第一限流电路320可使得第一电流i1等于其最大值。
[0046]
第一电流镜电路330的第一端p1可经由第三节点n3耦接第一限流电路320。第一电
流镜电路330的第二端p2可经由第四节点n4耦接第二电流镜电路340的第一端p1。第一电流镜电路330的第三端p3可经由第五节点n5耦接第二电流镜电路340的第二端p2。第一电流镜电路330可被配置为：根据第一电流i1生成第二电流i2和第三电流i3，经由第四节点n4向第二电流镜电路340的第一端p1传递第二电流i2，以及经由第五节点n5向第二电流镜电路340的第二端p2传递第三电流i3。在本公开的一些实施例中，i2＝i3＝i1/n。其中，n大于1。
[0047]
第二电流镜电路340的第一端p1可经由第四节点n4耦接第一电流镜电路330的第二端p2。第二电流镜电路340的第二端p2可经由第五节点n5耦接第一电流镜电路330的第三端p3。第二电流镜电路340的第三端p3可经由第六节点n6耦接第二限流电路350。第二电流镜电路340的第四端p4可耦接输出端。第二电流镜电路340可被配置为：经由第六节点n6向第二限流电路350传递第二电流i2，生成第二电流i2的镜像电流，根据第二电流i2的镜像电流和第三电流i3生成参考电流i
ref
，并经由输出端输出参考电流i
ref
。
[0048]
第二限流电路350可经由第六节点n6耦接第二电流镜电路340的第三端p3。第二限流电路350可被配置为：限制第二电流i2的最大值。在上下文中，第二电流i2的最大值可被表示为i2
max
。
[0049]
第二电流i2的最大值i2
max
可被设置为在正常情况(第一电阻器r1正常工作的情况)下大于第二电流i2。因此，在正常情况下，第二限流电路350不影响第二电流i2的大小。参考电流i
ref
＝i3＝i1/n＝v
ref
/(r1
×
n)。
[0050]
在第一电阻器r1短路的情况下，第一电流i1变大，第一限流电路320可使得第一电流i1等于其最大值。这样，电压保持电路310和第一电流镜电路中的元器件不会因为第一电流i1过大而烧坏。第一电流i1变大会使得第二电流i2也变大。由于第二限流电路350限制了第二电流i2的最大值i2
max
，因此，第二电流i2等于i2
max
。此时，参考电流i
ref
等于第二电流i2的镜像电流。i
ref
＝i2
max
。第二限流电路350相当于限制住了参考电流i
ref
的最大值，此时进行谷值电流限制时的电感电流值i
l
＝0.5
×
(1+k)
×m×
i2
max
。通过设置i2
max
可避免dc-dc变换器过流时的平均电流值过高，烧坏内部功率器件和dc-dc变换器的外围器件。
[0051]
图4示出根据本公开的实施例的参考电流产生电路400的示例性电路图。
[0052]
电压保持电路410可包括：运放amp、以及第一晶体管m1。其中，运放amp的第一输入端耦接参考电压端v
ref
。运放amp的第二输入端耦接第一节点n1和第一晶体管m1的第一极。运放amp的输出端耦接第一晶体管m1的控制极。第一晶体管m1的第二极耦接第二节点n2。在本公开的一些实施例中，运放amp的第一输入端是同相输入端。运放amp的第二输入端是反相输入端。
[0053]
第一限流电路420可包括：第二电阻器r2。其中，第二电阻器r2的第一端耦接第三节点n3。第二电阻器r2的第二端耦接第二节点n2。第二电阻器r2的电阻值可被设置成能够在第一电阻器r1短路的情况下有效地限制第一电流i1的大小，以免第一电流i1过大而烧坏第一晶体管m1和第二晶体管m2。
[0054]
第一电流镜电路430可包括：第二晶体管m2、第三晶体管m3、以及第四晶体管m4。其中，第二晶体管m2的控制极耦接第二晶体管m2的第二极和第三节点n3。第二晶体管m2的第一极耦接第一电压端v1。第三晶体管m3的控制极耦接第二晶体管m2的控制极。第三晶体管m3的第一极耦接第一电压端v1。第三晶体管m3的第二极耦接第四节点n4。第四晶体管m4的控制极耦接第二晶体管m2的控制极。第四晶体管m4的第一极耦接第一电压端v1。第四晶体
管m4的第二极耦接第五节点n5。在本公开的一些实施例中，第三晶体管m3与第四晶体管m4的尺寸相同。在本公开的一些实施例中，第二晶体管m2的宽长比、第三晶体管m3的宽长比与第四晶体管m4的宽长比的比值为n：1：1。其中，n大于1。
[0055]
第二电流镜电路440可包括：第五晶体管m5、以及第六晶体管m6。其中，第五晶体管m5的控制极耦接第五晶体管m5的第二极和第六节点n6。第五晶体管m5的第一极耦接第四节点n4。第六晶体管m6的控制极耦接第五晶体管m5的控制极。第六晶体管m6的第一极耦接第五节点n5。第六晶体管m6的第二极耦接输出端。在本公开的一些实施例中，第五晶体管m5与第六晶体管m6的尺寸相同。
[0056]
第二限流电路450可包括：第七晶体管m7。其中，第七晶体管m7的控制极耦接偏置电压端vb。第七晶体管m7的第一极耦接第二电压端v2。第七晶体管m7的第二极耦接第六节点n6。
[0057]
在图4的示例中，从第一电压端v1输入高电压信号，第二电压端v2接地。第一晶体管m1和第七晶体管m7是nmos晶体管。第二晶体管m2至第六晶体管m6是pmos晶体管。本领域技术人员应理解，基于上述发明构思对图4所示的电路进行的变型也应落入本公开的保护范围之内。在该变型中，上述晶体管和电压端也可以具有与图4所示的示例不同的设置。
[0058]
在正常情况下，由运放amp的虚短虚断特性可知，参考电压v
ref
等于第一电阻器r1的第一端的电压(即，第一节点n1的电压v
n1
)。流过第一电阻器r1的电流为i
r1
＝v
n1
/r1＝v
ref
/r1。其中，r1表示第一电阻器r1的电阻值。第一电流i1等于流过第一电阻器r1的电流i
r1
。通过设置第二晶体管m2的宽长比、第三晶体管m3的宽长比与第四晶体管m4的宽长比的比值为n：1：1，可使得i2＝i3＝i1/n。如果第七晶体管m7的漏极电压足够高，那么第七晶体管m7会产生一个固定的偏置电流i2
max
。通过设置来自偏置电压端vb的偏置电压vb的值，可使得在正常情况下第二电流i2小于第七晶体管m7产生的偏置电流i2
max
，第七晶体管m7会被迫进入线性区。此时第三晶体管m3至第七晶体管m7这条支路的电流由第三晶体管m3决定。因为第五晶体管m5的宽长比等于第六晶体管m6的宽长比，因此，参考电流i
ref
等于第三电流i3。因此，i
ref
＝v
ref
/(n
×
r1)，从而使得进行谷值电流限制时的电感电流i
l
＝0.5
×
(1+k)
×m×vref
/(n
×
r1)。进行谷值电流限制时的电感电流值仍然由第一电阻器r1的电阻值r1决定。
[0059]
在第一电阻器r1短路的情况下，第二电阻器r2的存在能限制住第二晶体管m2到第一电阻器r1这条支路的最大电流，防止电流过大导致第二晶体管m2和第一晶体管m1的损坏。第三晶体管m3从第二晶体管m2镜像过来的电流变大，远大于同一条支路上的第七晶体管m7提供的电流i2
max
。因为同一条支路上的电流必须相等，所以第三晶体管m3的第二极的电压(第四节点n4的电压)会被抬高，迫使第三晶体管m3进入线性区以减小其提供的电流。第五晶体管m5的控制极和第二极相连，工作在饱和区。第七晶体管m7的第二极的电压(第六节点n6的电压)为第三晶体管m3的第二极的电压减去第五晶体管m5的控制极与第一极之间的电压。因此，在第一电阻器r1短路时第七晶体管m7的第二极的电压较高，第七晶体管m7处于饱和区。此时第三晶体管m3、第五晶体管m5和第七晶体管m7这条支路的电流为第七晶体管m7提供的电流i2
max
。第六晶体管m6复制第五晶体管m5的电流，因此参考电流i
ref
＝i2
max
。根据本公开的实施例的参考电流产生电路400能够限制住参考电流的最大值，此时进行谷值电流限制时的电感电流值i
l
＝0.5
×
(1+k)
×m×
i2
max
。通过设置i2
max
可避免dc-dc变换器
过流时的平均电流值过高，烧坏内部功率器件和dc-dc变换器的外围器件。
[0060]
综上所述，根据本公开的实施例的参考电流产生电路在第一电阻器r1短路时能够限制参考电流产生电路内部的电流不会过大，以免烧坏参考电流产生电路内部的元器件。此外，本公开的实施例的参考电流产生电路限制住了其输出的参考电流的最大值，以使得在dc-dc变换器过流时的平均电流不会过高，能够确保dc-dc变换器内部和外部的元器件的安全。
[0061]
除非上下文中另外明确地指出，否则在本文和所附权利要求中所使用的词语的单数形式包括复数，反之亦然。因而，当提及单数时，通常包括相应术语的复数。相似地，措辞“包含”和“包括”将解释为包含在内而不是独占性地。同样地，术语“包括”和“或”应当解释为包括在内的，除非本文中明确禁止这样的解释。在本文中使用术语“示例”之处，特别是当其位于一组术语之后时，所述“示例”仅仅是示例性的和阐述性的，且不应当被认为是独占性的或广泛性的。
[0062]
适应性的进一步的方面和范围从本文中提供的描述变得明显。应当理解，本技术的各个方面可以单独或者与一个或多个其它方面组合实施。还应当理解，本文中的描述和特定实施例旨在仅说明的目的并不旨在限制本技术的范围。
[0063]
以上对本公开的若干实施例进行了详细描述，但显然，本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下对本公开的实施例进行各种修改和变型。本公开的保护范围由所附的权利要求限定。