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1、(10)申请公布号 CN 102426284 A (43)申请公布日 2012.04.25 CN 102426284 A *CN102426284A* (21)申请号 201110264854.7 (22)申请日 2011.09.08 G01R 19/00(2006.01) (71)申请人 复旦大学 地址 200433 上海市杨浦区邯郸路 220 号 (72)发明人 吕旦竹 虞佳乐 洪志良 (74)专利代理机构 上海正旦专利代理有限公司 31200 代理人 陆飞 盛志范 (54) 发明名称 适用于高频降压型电压转换器的无损电感电 流检测电路 (57) 摘要 本发明属于集成电路设计技术领域， 具。
2、体为 一种用于高频降压型电压转换器的无损电感电流 检测电路。所述降压型电压转换器电路由功率级 和控制级电路组成 ； 所述无损电感电流检测电路 包括 ： 一个四输入运算放大器 OP， 4 个分压电阻 Rf1、 Rf2、 Rf3、 Rf4， 和三对 Rc和 Cc组成的积分元件， 用于检测电感 L 中流过的电流。该电路通过对开 关降压型转换器中电感两端的电压进行积分， 得 到相应的电感电流信息， 从而实现对电感电流的 无损检测。 相比于传统的电流检测电路， 本发明实 现了高频降压型电压转换器中的无附加功耗， 低 成本的电感电流检测， 使得传统的电流控制方法 在高开关频率的应用成为可能。 (51)In。
3、t.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102426291 A1/1 页 2 1. 一种适用于高频降压型电压转换器的无损电感电流检测电路， 所述降压型电压转换 器电路由功率级和控制级电路组成 ； 其中功率级由功率管 PMOS、 NMOS 和滤波电感 L、 滤波电 容 C、 负载电阻 Ro组成 ； 控制级由无损电感电流检测电路， 误差放大器， 补偿电路， 锯齿波发 生器， 补偿电路等模块组成 ； 其特征在于所述无损电感电流检测电路包括 ： 一个四输入运 算放大器 OP， 4 个分压电阻 Rf1、 Rf2、 R。
4、f3、 Rf4， 和三对 Rc和 Cc组成的积分元件， 用于检测电感 L 中流过的电流 ； 其中一个四输入运算放大器 OP 的一对正负输入端对电感两端信号 VLX 与 VOUT 经 4 个分压电阻 Rf1、 Rf2、 Rf3、 Rf4分压后的信号进行积分， 积分常数为 RcCc； 四输入运算 放大器OP的另一对正负输出端通过反馈使输出电压的直流电平与输入电压直流电压Vc相 等 ； 根据电感 L 两端电压是电感电流的微分的原理， 对于电感 L 两端电压的积分， 得到电感 电流的波形。 权 利 要 求 书 CN 102426284 A CN 102426291 A1/4 页 3 适用于高频降压型电。
5、压转换器的无损电感电流检测电路 技术领域 0001 本发明属于集成电路设计技术领域， 具体涉及一种用于高频降压型电压转换器的 无损电感电流检测电路。 技术背景 0002 在当今消费类电子市场中， 电池供电的便携式设备诸如智能手机、 平板电脑、 MP3 等在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。由于集成电路工艺随着摩尔定律不断发展， 为了较小功耗密度等问题， MOS 管的驱动电压也随之不断下降。然而供电电源的电池电压 却没有随之下降， 因此作为将高电压转换为低电压的降压型电压转换器在便携式装置中成 为了应用最为广泛的电源转换器。 而由于提高开关频率， 在同样的输出纹波下， 开关电源转 换器中所需要。
6、使用的电感和电容减小， 从而大大减小了芯片的面积和成本。因此高频降压 型直流转换器已经成为了一种设计趋势， 并具有广阔的应用前景。 0003 对于高频降压型电压转换器的控制器， 则要求其有稳定的响应、 更大的带宽和更 快的速度。传统的电流模式脉冲宽度调制 （PWM） 方式由于其相应速度快， 稳定性好， 开关频 率固定， 没有 EMI 问题等优势一直以来都受到设计者的青睐。但是这种控制方法运用于高 频降压型电压转换器时， 由于开关频率的提高， 对于其中必须的电感电流检测就变得越发 困难， 对于运算放大器等元件的性能要求也越来越高， 直接导致了电流检测成本与功耗的 增加， 使得该控制方法在高频降压。
7、型电压转换器中的应用受到了限制。 0004 本发明针对应用于高频降压型电压转换器中的无损电感电流检测电路， 通过对降 压型电压转换器中电感两端的电压进行积分， 得到相应的电感电流信号， 从而实现对于电 感电流的无损检测。由于采用了积分的方法， 对于电流检测所需的运算放大器带宽要求降 低， 并且没有附加功耗， 因此使得传统的电流模式脉冲宽度调制方式在高频降压型电压转 换器中的广泛应用成为可能。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种低成本， 无功耗损失的适用于高频降压型电压转换器 的无损电感电流检测电路。 0006 本发明所述降压型电压转换器电路由功率级和控制级电路组成。 其中功率级由功 。
8、率管 PMOS、 NMOS 和滤波电感 L、 滤波电容 C、 负载电阻 Ro组成 ； 控制级由无损电感电流检测 电路， 误差放大器， 补偿电路， 锯齿波发生器， 补偿电路等模块组成。 控制级电路通过将无损 电感电流检测电路检测得电感电流 IL 与基准电压 VREF 与输出反馈电压 VFB 之间的差值经 误差放大器放大后的差值 ERROR 这两个信号经过补偿电路形成 COM 信号， 并将其与固定频 率的锯齿波比较， 得到占空比 DUTY 信号， 最后通过驱动电路产生非重叠的驱动信号分别控 制功率管 PMOS 和 NMOS 的导通与关断， 从而实现对于降压型电压转换器的固定频率脉冲宽 度调制。当 。
9、DUTY 信号为低电平时， PMOS 管导通而 NMOS 管关断时， 电感左端与电源相连接， 电源通过电感对输出电容充电， 电感电流上升， 输出电压上升。当锯齿波信号 SAW 高于补偿 说 明 书 CN 102426284 A CN 102426291 A2/4 页 4 信号 COM 时， 比较器输出触发控制 DUTY 信号为高电平， NMOS 管导通而 PMOS 管关断时， 电感 左端直接连地， 输出电容通过电感放电， 电感电流下降， 输出电压下降。而当锯齿波信号经 过一个周期后再次低于于补偿信号 COM 时， 比较器输出触发控制 DUTY 信号为低电平， 再次 开启PMOS而关断NMOS。。
10、 而无损电感电流检测电路的作用是检测电感电流的值， 与输出电压 与基准的误差相结合进行补偿， 对补偿信号 COM 进行调节， 从而使得系统稳定工作于锯齿 波所在的频率。 0007 本发明提供的无损电感电流检测电路， 包括 ： 一个四输入运算放大器 OP， 4 个分压 电阻 Rf1、 Rf2、 Rf3、 Rf4， 和三对积分元件 Rc和 Cc组成的积分元件， 用于检测电感 L 中流过的电 流。其中一个四输入运算放大器 OP 的一对正负输入端对电感两端信号 VLX 与 VOUT 经分压 电阻 Rf1、 Rf2、 Rf3、 Rf4 分压后的信号进行积分， 积分常数为 RcCc； 四输入运算放大器的另。
11、 一对正负输出端通过反馈使得输出电压的直流电平与输入电压直流电压 Vc相等。由于电 感两端电压是电感电流的微分， 因此对于电感两端电压的积分可以得到电感电流的波形， 解决了传统的电流检测方式中附带额外的功耗损失和运算放大器带宽要求较高的问题。 从 而实现了一种应用于高开关频率电流信号的低成本， 无功耗损失的电流检测电路。 0008 本发明电路可以应用于诸如手机、 平板电脑、 MP3 等电池供电的便携式设备中。 附图说明 0009 以下附图描述了本发明的实施例， 这些附图和实施例提供了本发明的实例并且它 们是非限制性的和非穷尽的。 0010 图 1 是电流模式脉冲宽度调制方式控制的高频降压型电压。
12、转换器的电路结构。 0011 图 2 是本发明设计的无损电感电流检测电路图。 0012 图 3 是无损电感电流检测电路的电压传递函数与实际电感电流信号传递函数两 者波特图的比较。 0013 图 4 是无损电感电流检测电路功能的仿真结果验证。 具体实施方式 0014 以下根据附图及设计实例对本发明进行进一步详细说明。 0015 本发明设计的是一种应用于高频降压型电压转换器的无损电感电流检测电路。 该 电路的典型应用结构如图 1 所示。高频降压型直流电压转换器由功率级和控制级电路组 成。其中功率级由功率管 PMOS、 NMOS 和滤波电感 L、 滤波电容 C、 负载电阻 Ro组成 ； 控制级 由无。
13、损电感电流检测电路， 误差放大器， 补偿电路， 锯齿波发生器， 补偿电路等模块组成。 控 制级电路通过将无损电感电流检测电路检测得电感电流IL与基准电压VREF与输出反馈电 压 VFB 之间的差值经误差放大器放大后的差值 ERROR 这两个信号经过补偿电路形成 COM 信 号， 并将其与固定频率的锯齿波比较， 得到占空比 DUTY 信号， 最后通过驱动电路产生非重 叠的驱动信号分别控制功率管 PMOS 和 NMOS 的导通与关断， 从而实现对于降压型电压转换 器的固定频率脉冲宽度调制。 当DUTY信号为低电平时， PMOS管导通而NMOS管关断时， 电感 左端与电源相连接， 电源通过电感对输出。
14、电容充电， 电感电流上升， 输出电压上升。当锯齿 波信号 SAW 高于补偿信号 COM 时， 比较器输出触发控制 DUTY 信号为高电平， NMOS 管导通而 PMOS 管关断时， 电感左端直接连地， 输出电容通过电感放电， 电感电流下降， 输出电压下降。 说 明 书 CN 102426284 A CN 102426291 A3/4 页 5 而当锯齿波信号经过一个周期后再次低于于补偿信号COM时， 比较器输出触发控制DUTY信 号为低电平， 再次开启PMOS而关断NMOS。 而无损电感电流检测电路的作用是检测电感电流 的值， 与输出电压与基准的误差相结合进行补偿， 对补偿信号 COM 进行调节。
15、， 从而使得系统 稳定工作于锯齿波所在的频率。 0016 图 2 是无损电感电流检测电路详细的结构图。无损电感电流检测电路由一个四输 入运算放大器， 分压电阻 Rf1、 Rf2、 Rf3、 Rf4和三对积分元件 （Rc和 Cc） 组成， 用于检测电感 L 中 流过的电流。 其中一个四输入运算放大器的一对正负输入端对电感两端信号VLX与VOUT经 分压电阻 Rf1、 Rf2、 Rf3、 Rf4分压后的信号进行积分， 积分常数为 RcCc。而四输入运算放大器的 另一对正负输出端则通过反馈使得输出电压的直流电平与输入电压直流电压 Vc 相等。由 与电感两端电压与电感电流的关系式可以得到 ： 其中 V。
16、 为电感两端电压， L 为电感值， i 为电感电流。可见可以通过对电感两端的电压 的积分来检测电感电流。 0017 图 3 是无损电感电流检测电路的输入输出传递函数与实际电感电流信号传递函 数两者波特图的比较。下面分析一下无损电感电流检测电路的输入输出传递函数。图 2 电 路结构中的四输入运算放大器在负反馈的情况下其四个输入 in1+、 in1-、 in2+、 in2- 应满 足如下关系 ： 当分压电阻 Rf1、 Rf2、 Rf3、 Rf4满足如下关系 ： 并且分压电阻阻值远远小于 Rc， 可以得到积分输出电压 Vs相对于输入信号的频域传递 函数 ： 其中 Vc 为直流参考电压， 为电路的直流。
17、输出工作点。由于电感电流为两段电压差的积 分， 因此可以表示为 ： 因此无损电感电流检测电路的输出电压 Vs频域传递函数可以简化为 ： 其中前一项为输出电压的交流分量， 后一项为输出电压的直流分量。 在高频处， 即开关 频率附近， 由于 sRcCc1， 输出电压 Vs频域传递函数可以进一步简化为 ： 说 明 书 CN 102426284 A CN 102426291 A4/4 页 6 可以看到在高频时 Vs 与电感电流的交流分量 iL(s) 成正比， 从而实现精确检测电感电 流的目的。取 Rf1=Rf2=Rf3=Rf4=50K， Rc=500K， Cc=1pF， 将无损电感电流检测电路的输出检。
18、 测信号与实际电流信号两者的波特图进行比较， 如图 3 所示。可以看出两者在大于 5MHz 的 高频处仅相差一个常数倍数， 而没有相位差。因此本发明可以精确地检测电感电流的交流 分量。 0018 图4为无损电感电流检测电路在10MHz开关频率的降压型电压转换器中的应用后 的电路稳态仿真结果。 可以看到检测信号与实际电感电流信号波形相同， 且没有延时， 因此 本设计所产生的检测信号可以精确表示电感电流。 说 明 书 CN 102426284 A CN 102426291 A1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102426284 A CN 102426291 A2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102426284 A 。