高速跟踪双向电流感测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开通常设及在电子电路中的电流感测技术。
【背景技术】
[0002] 跟踪电流感测电路一般提供跟踪电流，并可在应用例如用于服务器的DC-DC转换 器和移动计算机应用中使用。常规跟踪电流感测电路常常包括运算放大器，其由于为了稳 定性被引入的电容而具有有限转换速率和有限带宽。使用运算放大器导致跟踪电流感测电 路具有下限速度，且因此可能不能够W有时被现代技术/系统所要求的速度汇集或获得电 流。
【发明内容】
[0003] 通常，本公开描述了用于改进跟踪电流感测系统的速度、带宽和稳定性的技术和 电路。本文所述的技术和电路中的一些使跟踪电流感测系统能够预偏置半桥的不活动侧的 电流，使得当半桥的不活动侧稍后变得活动时，在不活动侧处的电流的水平在操作电流的 水平处或附近。W运种方式，预偏置半桥的不活动侧可减小当半桥的一侧被激活时出现的 稳定时间的量。
[0004] 本文所述的技术和电路中的一些可使跟踪电流感测系统能够跟踪正和负电流。例 如，使用零电流交叉比较器来检测电流的极性的改变或通过使用被设置成供应可能需要的 最大负电流的偏置电流发生器. 本文所述的技术和电路中的一些可使跟踪电流感测电路能够跟踪正和负电流而不考 虑半桥的哪一侧是活动的。因此，跟踪电流感测电路可跟踪在半桥的高侧和低侧开关两者 中的正和负电流。
[0005] 在一些示例中，本公开的技术被指向跟踪电流感测系统，其包括：配置成复制流过 第一开关的第一电流的第一电流跟踪系统；配置成复制流过第二开关的第二电流的第二电 流跟踪系统；W及预偏置器件。预偏置器件配置成：基于在第一电流跟踪系统处检测到的 指示第一电流的第一信息预偏置第二电流跟踪系统；W及基于在第二电流跟踪系统处检测 到的指示第二电流的第二信息预偏置第一电流跟踪系统。
[0006] 在一些示例中，本公开的技术被指向一种方法，其包括在预偏置器件处接收由第 一跟踪电流感测系统检测的指示流过第一开关的第一电流的信息。该方法还包括通过预偏 置器件基于所述信息预偏置配置成复制流过第二开关的第二电流的第二跟踪电流感测系 统。
[0007] 在一些示例中，本公开的技术被指向跟踪电流感测系统，其包括用于复制流过第 一开关的第一电流的装置，和用于复制流过第二开关的第二电流的装置。跟踪电流感测系 统还包括用于基于从第一电流跟踪系统接收的指示第一电流的第一信息预偏置第二电流 跟踪系统的装置，和用于基于从第二电流跟踪系统接收的指示第二电流的第二信息预偏置 第一电流跟踪系统的装置。
[0008] 在下面的描述和附图中阐述了本公开的一个或多个示例和技术的细节。根据描述 和附图W及根据权利要求，本公开的其它特征、目的和优点将是明显的。
【附图说明】
[0009] 图1是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的示例跟踪电流感测系统的 示意图。
[0010] 图2是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在图1的跟踪电流系统中的 反馈电流的示例行为的时序图。
[0011] 图3是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在稳定闭环电流感测系统 中的运算放大器和比较器的增益-带宽乘积之间的示例差异的曲线图。
[0012] 图4是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的图1的跟踪电流感测系统的 示例实现的示意图。
[0013] 图5是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在配置成跟踪正电流的示 例跟踪电流感测系统中使用的示例电流跟随器的示意图。
[0014] 图6是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于与半桥一起使用的示 例跟踪电流感测系统的示意图。
[0015] 图7A-7C是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的在不同的跟踪电流感 测系统中的示例电流的时序图。
[0016] 图8是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的配置成跟踪在半桥的两侧 中流动的正和负电流的替换的示例跟踪电流感测系统的示意图。
[0017] 图9是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于操作配置成跟踪在半 桥的两侧中流动的正和负电流的跟踪电流感测系统的示例过程的流程图。
[0018] 图10是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的配置成检测在半桥中的电 流的零交叉的示例跟踪电流感测系统的示意图。
[0019] 图IlA和IlB是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于在示例跟踪电 流感测系统中使用的活动电流镜的示意图。
[0020] 图12是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的用于操作具有双向感测的 跟踪电流感测系统的示例过程的流程图。
[0021] 附图不一定按比例绘制。相似的参考数字指示相似的特征，虽然在相似的特征之 间的变化可存在于各种示例中。
【具体实施方式】
[0022] 一些功率系统依赖于基于线性感测放大器("LSA")的电流感测系统来执行电流跟 踪技术。基于LSA的电流感测系统的一个缺点是，LSA可能在高速功率系统中是不稳定的。 也就是说，一些基于LSA的电流感测系统可具有"剩余偏移"（例如总系统在继续其它非感 测操作之前需要等待的在执行感测操作之后的时间的量）和/或大的稳定时间。一些功率 系统(例如降低电压或"降压"转换器)执行快切换和/或高/低占空比操作，并具有可用于 基于LSA的电流感测系统的可用来执行电流感测技术的非常少的时间。相应地，具有剩余 偏移和/或大稳定时间的基于LSA的电流感测系统在功率系统已经可用于感测的时间期间 可能不稳定和/或结束执行感测操作。即使基于LSA的电流感测系统在可用于执行感测的 所分配的时间内确实稳定下来或在可用于执行感测的所分配的时间内执行感测操作，基于 LSA的电流感测系统可能由于其它原因(例如当平均电流值被使用时)对于一些功率系统是 不充足的。描述了用于改进功率系统(例如DC-DC功率转换器等)中的跟踪电流感测系统的 速度的技术和电路。也就是说，本文所述的技术和电路可减少功率系统必须分配到跟踪电 流感测系统W执行电流感测操作的时间的总量。在一些示例中，技术和电路可使跟踪电流 感测系统能够跟踪正和负电流两者，且在一些示例中，技术和电路可使跟踪电流感测系统 能够跟踪正和负电流而不考虑在功率系统内的电流的位置(例如高侧或低侧)。
[0023] 图1是示出根据在本公开中所述的一种或多种技术的示例跟踪电流系统10的示 意图。跟踪电流系统10是非线性系统，其依赖于比较器12来确保功率开关18-0的两个 "匹配的"晶体管18-2和18-3同时W相等的电流密度进行传导。
[0024] 通常，为了使感测晶体管18-3和功率晶体管18-2分别W相同的电流密度传导电 流Ifwdb。。!^和电流I 比较器12首先比较在匹配的晶体管18-2和18-3上的相应的电压 降。基于在晶体管18-2和18-3两端的相应的电压降中的差异，比较器12驱动开关14-1 和14-2姐本文被共同称为"开关14")W改变在晶体管18-3的输出处的负载电流的量(例 如与晶体管18-1相关联的负载电流的量)。如下面更详细描述的，比较器12改变在晶体管 18-3的输出处的负载电流的量，直到负载电流的量足够充足W使晶体管18-3中的电流密 度在晶体管18-1产生电流Ifwdb。。!^时匹配在晶体管18-2中的电流密度，同时晶体管18-2传 导电流I power。
[00巧]功率开关18-0是半桥的基于晶体管的高侧开关。虽然被示为半桥的高侧开关，但 如果功率开关18-0作为半桥的低侧开关操作，则本文所述的原理和技术也可应用于功率 开关18-0,。当功率开关18-0被接通时，Viw的电压被施加到系统10的输出（例如切换节 点）。
[002引功率开关18-0包括晶体管18-2 (例如大功率晶体管）和晶体管18-3 (例如作为 晶体管18-2的电流镜起作用的较小的感测晶体管)。晶体管18-2和18-3可均是场效应晶 体管("阳T")。在运个示例中，晶体管18-2和18-3的漏极都连接到Viw。在一些示例中，晶 体管18-3是晶体管18-2的1/N。晶体管18-2和18-3 W相同的栅极信号被控制。当晶体 管18-2被接通时，晶体管18-3也被接通。晶体管18-2传导电流晶体管18-3传导 Ifeecitiack。
[0027]系统10依赖于晶体管18-2来将系统10的输出（例如被标记为"OUT")禪合到电 压源Vw而系统10依赖于晶体管18-3来执行电流感测技术W便传导Ifwdhek(即复制或"跟 踪"电流)，系统10可从Ifwdbaek感测与晶体管18-2相关联的电流I PDWf的水平。从晶体管 18-3出来的Ifwdb。。!^的水平可W是从晶体管18-2出来的IPower的水平的1/N(例如只要晶 体管18-2和18-3的漏极-源极电压和栅极-源极电压是相同的)。如遍及运个公开使用 的，术语"反馈电流"，1:。。4^。1<，跟踪电流和复制电流，都可互换地用于通常描述成比例地镜 像从功率晶体管流出的电流的水平的电流。通常，Ifwdhek的术语"反馈电流"用于在感测晶 体管(例如晶体管18-3)中流动的电流。当电流跟踪系统10已经稳定时，Ifwdhek等于I pD、wf/ N。术语"复制电流"或"镜像电流"通常描述作为反馈电流Ifwdhek的"复制"或"镜像"的 电流。换句话说，如果电流跟踪系统10输出等于Ifwdb。。!^的电流(例如类似于图6所示的系 统400的输出)，则运个输出电流将被称为"镜像电流"。
[0028] 虽然被示为半桥的高侧开关，开关18-0也可类似地被配置为半桥的低侧开关。开 关18-0可用于给禪合到半桥的切换节点(例如在节点OUT处)的负载(例如电感负载)供电。 系统10可接通和关断晶体管18-0的晶体管18-2 W控制在节点OUT处的电压(或在一些示 例中，电流)。例如，系统10可依赖于开关晶体管18-2的控制来在节点OUT处产生PWM输 出信号。在系统10依赖于栅极信号(例如从接收自控制器的脉冲宽度调制信号导出的，为 了简单的目的，未在图1中描绘该控制器）W使晶体管18-2接通和关断，系统10可同时将 晶体管18-3驱动到与晶体管18-2相同的操作状态(例如接通或关断冲W传导Ifwdb。。!^。系 统10可依赖于Ifwdb。。!^来感测或W其它方式确定从晶体管18-2出来的电流I PUWf的量。
[0029] 在基于LSA的跟踪电流系统中，其它系统的LSA可通过镜像晶体管例如晶体管 18-3来拉电流W使在镜像晶体管两端的电压与在对应的功率晶体管例如晶体管18-2两端 的电压降匹配，W创建比从功率晶体管出来的电流的量小(例如是1/N)的从镜像晶体管出 来的镜像电流。然而，在将穿过镜像晶体管的电流的水平升高到适当的水平时可能有相当 大的延迟。因此，具有LSA的其它系统可具有剩余偏移或不充足的稳定时间中的至少一个， 因而有积分/平均误差。
[0030] 与基于LAS的跟踪电流系统不同，系统10是非线性的并包括比较器12 W驱动开 关14,控制可变电流发生器16-1和16-2 (在本文被共同称为"电流发生器16")并给电容 器20充电和放电W改变与晶体管18-1相关联的负载电流的量和正由晶体管18-1汇集的 电流的量。跟踪电流系统10可具有更低的稳定时间，并因此比其它跟踪电流感测系统更快 地跟踪电流（即在更少的时间量内）。
[0031] 例如，跟踪电流系统10包括布置成平行于晶体管18-1 (在本文也被称为"晶体管 Ml")的电容器20。晶体管18-1可W是金属氧化物半导体场效应晶体管（"M0SFET")晶体 管，例如N型M0SFET。晶体管18-1配置成与基于LSA的跟踪电流系统的运算放大器的输 出级类似地操作。然而如本文所述，跟踪电流系统10不包括运算放大器，但更确切地，跟踪 电流系统10替代地依赖于比较器12来驱动开关14, W便控制电容器20的充电和放电，W 便调节与晶体管18-1相关联的负载电流的量并调节跟踪电流系统10的反馈电流Ifwdb。。!^。 也就是说，比较器12可控制开关14-1 W使来自电流发生器16-1的电流行进到电容器20。 比较器12可控制开关14-2 W使电流远离电容器20行进并汇集在电流发生器16-2处。
[0032] 电流发生器16-1连接到高参考电压Viw 3。电流发生器16-2连接到低参考电压22。 低参考电压22在图1中被示为地电压，其在系统10的示例中在与晶体