电流采样电路
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2023年3月3日发(作者：饭粒邪恶网)电子科技2009年第22卷第4期电子#电路
收稿日期:2008-12-08
作者简介:裴杰(1982-),男,助教。研究方向:航空
电子。王江燕(1981-),女,硕士,助教。研究方向:信
息与信号处理。
DC/DC转换器中电流采样电路的设计
裴杰1,王江燕2
(11空军第一航空学院军械工程系,河南信阳464000;
21空军第一航空学院电子工程系,河南信阳464000)
摘要设计了一种用于DC/DC开关电源转换器的新型电流采样电路。常见的电流采样电路是通过检测采
样管串联电阻上压降来得到采样电流,而该采样电路是通过检测开关管串联电感上压降来得到采样电流的。由
于后者所需电阻更少,从而降低了采样电路的功耗,提高了效率;并且由于电感上压降对采样电流变化的灵敏
度更高,有效地提高了采样的精度。
关键词开关电源;采样电流;高精度低功耗
中图分类号TN432文献标识码A文章编号1007-7820(2009)04-033-03
DesignoftheCurrentSamplingCircuitforDC/DCConverters
PeiJie1,WangJiangyan2
(11DepartmentofOrdnanceEngineering,TheFirstAviationCollegeofAirforce,Xinyang464000,China;
21DepartmentofElectronicEngineering,TheFirstAviationCollegeofAirforce,Xinyang464000,China)
AbstractAnovelcurrentsamplingcircuitinDC/ventionalcurrent
samplingcircuitobtainsthesamplingcurrentbytestingthevoltageacrosstheserialresistorofthesamplingtran-
sistor,whilethenovelcircuitobtainsitbytestingthevoltageacrosstheserialinductoroftheswitchtransistor.
Requiringfewerresistors,thelatterlowersthepowerdissipationofthesamplingcurrentandenhancesefficien-
tageacrosstheinductorhashighersensitivitytothechangeofthesamplingcurrent,sothelattera-
chieveshighersamplingprecision.
Keywordsswitchpowersupply;samplingcurrent;highaccuracyandlowpowerdissipation
在DC/DC开关电源转换器工作过程中,其控
制环路通常应用的反馈方式有电压反馈和电流反
馈。电流反馈环路工作的原理是通过检测开关管
的电流,从而控制开关管的导通时间占空比,最
终保持输出电压的稳定。采样开关管上电流的方
法有多种,常见的方法是制作一个与开关管结构
相同,但是宽长比很小的MOS管,并且将其与一
个电阻串联,通过检测电阻上的压降,就可以采
样开关管上的电流。而本文重点介绍的方法是通
过检测开关管串联电感上的压降来实现对开关管
上电流的采样。
对于开关电源转换器来说,其主要组成部分
为:充电开关管,续流开关管,电感和电容构成
了输出滤波电路。开关管与其串联电感上的电流
在开关管导通时电流大小相等,所以通过检测串
联电感上电流的大小就可以得到开关管上电流的
变化情况,为控制开关管的通断提供依据。
1电路设计
首先简单介绍一下通过常用方法得到采样电
流的原理电路,如图1所示,然后再详细分析通过
检测开关管串联电感上压降得到采样电流的新型
采样电路,如图2所示。
111电流采样常用方法分析
在常用电流采样方法的原理电路中,如图1所
示,V
in为电源电压,P_DRIVE为开关管驱动控制
33
电子#电路DC/DC转换器中电流采样电路的设计
ElectronicSci1&Tech1/Apr115,2009
信号,I
BIAS为偏置电流,M1为主开关管,M2为采
样管,M
2与M1结构相同,但是M2宽长比相对
M1很小。SW点为检测点,该点接入开关管的串
联电感,V
SW为该点电压,表征了开关管串联电感
两端的电压大小。IPK点为采样点,V
IPK为采样电
压,MOS管M
3~M7构成该采样电路的主干部分,
为采样电压比较放大电路,最后输出采样电流I
S,
输出比较电压V
S。
图1常用电流采样电路
当P_DRIVE为高电平时,主开关管M
1截止,
采样管M
2也截止,电阻R1上电流为0,则VIPK=
Vin,采样放大器电路处于平衡态,IS=0。
当P_DRIVE为低电平时,主开关管M
1导通,
此时,电感电流I
L流过主开关管,RES(ON)MP1为
M1导通电阻,则在主开关管上的压降VON为
VON=Vin-VSW=IL@RES(ON)MP1(1)
RES(ON)MP2为M2导通电阻,则
VIPK=Vin-VON
R1
RES(ON)MP2+R1
=Vin-IL@
RES(ON)MP1+R1(2)
由式(2)可以看出,主开关管导通时,随着电感电
流I
L增大,VIPK下降。由M3~M8、和R2、R3组成
的采样电压放大电路开始工作,其中,R
2=R3=R。
采样电压放大器由于M
5的负反馈作用可以用
运放的虚短路来分析采样增益[1-2]。由深度负反馈
运放的输入端虚短路使得M
3的源极和M4的源极
电位相等,设为V
X。由运放的偏置电路而决定了
流过M
3的源漏电流IDM3和流过M4的源漏电流IDM4
的电流相等,根据基尔霍夫定律可得
IDM3=
VIPK-VX
R
=IDM4=
Vin-VX
R
-IS(3)
根据式(2),式(3),可得
IS=
Vin-VIPK
R
=IL
R1@RES(ON)MP1
(RES(ON)MP2+R1)@R
(4)
而在放大器的输出端得到的采样电压为
VS=IS@R4=IL@R4
R1@RES(ON)MP1
(RES(ON)MP2+R1)@R
(5)
由式(4)可以看出,采样电流I
S与电感电流IL
成正比关系。因此,通过该采样电路得到的采样
电流I
S即可以反应电感电流IL的变化。
112新型电感电流采样方法分析
在新型的电流采样电路的原理图中,如图2所
示,V
in为电源电压;M1为主开关管;M2为采样
管,M
3~M5与电阻R1和电容C1构成采样电路;
P_DRIVE为开关管驱动控制信号;IBIAS为芯片电流
偏置信号;SW为检测点,该点接入开关管的串联
电感,V
SW为该点电压,表征了开关管串联电感两
端的电压大小。I
S即为电感电流采样输出
信号[3-6]。
图2新型电感电流采样原理图
该采样电路的原理是利用电感两端电压V
L与
电感电流I
L变化率成正比来实现的[3-4]。即
L
dIL
dt
=VL(6)
在Buck型DC/DC中,SW检测点接电感后得
到输出电压V
O。当开关管导通时,电感电流不断
增加,电感两端电压可以表示为
VL=VSW-VO(7)
由于在Buck型DC/DC中,其输出电压是非常
稳定的,因此可以将V
O近似看作定值。
在此条件下,由式(7)可以看出,SW端电压
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DC/DC转换器中电流采样电路的设计电子#电路
电子科技/2009年4月15日
VSW与电感两端电压VL成线性关系,因此,VSW即
可以反映出电感电流的变化量。
而在Boost和Buck-Boost型DC/DC中,SW
检测点接电感后直接接地,所以,当开关管导通
时,SW点的检测电压就是电感两端电压,所以
VSW可以直接反映出电感电流的变化量。
综上可以看出,在DC/DC开关电源转换器
中,开关管的串联电感接点电压V
SW可以反映出电
感电流的变化量,通过检测V
SW即可得到电感电流
IL的变化情况。
在图2中,当P_DRIVE为高时,主开关管M
1
和采样管M
2不导通,采样电流电路处于平衡态,
IS=0。
当P_DRIVE为低时,主开关管M
1和采样管
M2将导通,电感电流IL流过主开关管,主开关管
导通电阻为RES(ON)
MP1,则在主开关管上的压降
VON1为
VON1=Vin-VSW=IL@RES(ON)MP1(8)
SW处的电压VSW为
VSW=Vin-VON1=Vin-IL@RES(ON)MP1(9)
M5的栅极电压VG5为
VG5=VSW-IBIAS@(RES(ON)MP2+RES(ON)MP4+
R2)(10)
其中,RES(ON)
MP2、RES(ON)MP4分别为M2、
M4的导通电阻;M5的源极电压为VS5
VS5=Vin-(IBIAS+IS)@R1(11)
VSG5=VS5-VG5=IBIAS@(RES(ON)MP2+
RES(ON)MP4+R2-R1)-IS@R1+IL@RES(ON)MP1
(12)
根据采样管M
5源级电流IS与栅源电压VSG5的关
系式
IS=015LpCox
W
L5
(VSG5-VTH5)2(13)
VSG5=
2IS
upCox
W
L5
+VTH5(14)
由式(12)和式(14)可得
I
L@RES(ON)MP1=VTH5+IS@R1
2IS
upCox
W
L5
-
IBIAS@(RES(ON)MP2+RES(ON)MP4+R2-R1(15)
由式(15)可以看出,I
L与IS存在一定的正比
关系,当I
L越大时,IS越大;当IL越小时,IS越
小,所以I
S可以作为采样电流反映电感电流IL的
变化。由于开关管串联电感的电压对于电感电流
的变化比采样管串联电阻上压降对电流的变化更
敏感,因此,采样精度也更高。
2结束语
文中主要介绍了在DC/DC开关电源转换器中
电流反馈环路中采样电流产生电路。并且对常用
采样方法和新型采样方法进行了分析和比较。文
中设计的电流采样电路所需电阻更少,从而降低
了功耗,提高了效率;并且由于电感上压降的变
化灵敏度更高,从而提高了采样的精度。由此可
见,新型采样电路的性能比常用的方法有了很大
的改善,是一种可供参考的采样电路。
参考文献
[1]nofAnalogCMOSIntegratedCir-
cuits[M].Xipan:PublishingHouseofXipanJiaotong
University,2003.
[2]王水平,武芒,彭学愚.开关电源及其展动态[J].
电子科技,1996(4):3-10.
[3]PhillipE,AllenDouglas,alog
CircuitDesign[M].g:Publish-
ingHouseofElectronicsIndustry,2002.
[4]田锦明,王松林,来新泉,等.AC/DC开关电源脉
宽调制芯片的低功耗设计[J].电子科技,2006(6):
11-14.
[5]PaulRGray,PaulJHurst,StephenHLewis,eta.l
AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits[M].
k:JohnWiley&Sons,2000.
[6]withOperationalAmplifiersandAnalog
IntegratedCircuits[M].k:
McGrawHil,l1998.
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