開關式功率轉換器電流感測裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本申請設及功率轉換電路，并且更具體地設及用于在沒有串聯(lián)感測組件的情況下 感測開關式功率轉換器電流的裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 功率轉換電路被用于許多應用，如用在使用來自通用串行總線扣SB)連接的外部 功率來操作設備和/或為內(nèi)部電池充電的便攜式設備中。在許多實例中，例如根據(jù)針對 從USB連接汲取功率的設備所公開的說明書，可能需要限制從電源汲取的電流。例如，便 攜式設備被限制為從USB 2. 0連接汲取最多100mA，除非協(xié)商了更高的限值（例如，高達 500mA)。類似地，USB 3.0連接通常被限制為汲取150mA，除非協(xié)商了更高的量（例如，高達 900mA)。相應地，許多便攜式設備中的功率管理電路借助連接在功率輸入端子和高壓側功 率FET之間的感測電阻器或感測FET使用板上輸入電流感測來提供具有電流極限的輸入功 率轉換。在其他類型的功率轉換器中，高壓側電流感測可能也是很重要的，例如用于感測和 調節(jié)來自升壓轉換器或降壓/升壓轉換器的輸出電流。然而，常規(guī)電流感測方法W通過傳 導流過感測設備的高壓側電流所生成的熱量的方式引發(fā)顯著的功率損耗。此外，感測組件 (例如，電阻器或FET)必須被確定尺寸W適應最高水平的輸入電流，并且相應地，感測設備 W集成電路管巧面積和/或外部板面積的形式占據(jù)大量空間，由此增加成本。因此，改進的 電流感測裝置和技術令人期望，通過其可W減少感測組件功率耗散和/或感測組件尺寸和 成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本申請描述了使用與功率FET并聯(lián)禪合的感測電路感測功率轉換器電流的集成 電路W及感測裝置和方法。相應地，實施例可W有利于在不使用如過去所做的那樣串聯(lián)連 接的感測組件的情況下減小感測設備尺寸和功率損耗。因此，所公開的裝置和技術在W下 各項中具有特別的實用性；便攜式電子設備如便攜式計算機、膝上計算機、筆記本計算機、 PDA、便攜式電話、平板計算機、MP3播放器等W及其功率管理集成電路（1C)，所述功率管理 1C對通過USB或其他外部連接所接收到的功率進行轉換。而且，本公開在其中有待測量流 過功率轉換晶體管的電流的各種應用中具有實用性。
[0004] 本文公開了用于感測流過開關式轉換器的功率FET的電流的集成電路及其感測 裝置。該感測裝置包括串聯(lián)連接的第一和第二FET、并聯(lián)功率FET W及感測電路，該感測電 路至少部分基于第一 FET兩端的電壓提供表示在功率FET中流動的電流的輸出。在某些實 施例中，該第一 FET被連接在高壓側功率FET端子與第一電路節(jié)點之間，其中該第一 FET由 恒定電壓柵極信號驅動。某些實施例提供了禪合在該第一電路節(jié)點與電路接地端之間的電 容。在某些實施方式中，該第二FET被連接在該第一電路節(jié)點與該第二高壓側功率FET端 子之間，其中該第二FET由用于高壓側功率FET的同一柵極信號所驅動。
[0005] 某些實施例中的感測裝置包括感測FET，該感測FET被連接在該第一高壓側功率 FET端子與第二電路節(jié)點之間并且具有與該第一 FET的柵極連接的柵極端子；W及放大器 電路，該放大器電路包括帶有禪合至該第一和第二電路節(jié)點的輸入端的運算放大器；W及 輸出P型FET，該輸出P型FET具有連接至運算放大器輸出端的柵極、連接至第二電路節(jié)點 的源極W及提供表示在該功率晶體管中流動的電流的電流輸出的漏極。在一些實施例中， 一個或多個電阻器被禪合在放大器輸出端與電路接地端之間W從該放大器電路接收電流 輸出。此外，在某些實施例中，可W橫跨電阻器布置濾波電路組件（例如，RC組件）。
[0006] 在某些實施例中，功率FET和感測電路中的所有FET都是使用在集成電路的半導 體主體中形成的相應整數(shù)個匹配晶體管單元構建而成的。該些整數(shù)被選擇為使得感測比和 感測準確度都能夠相對較高，并且整體感測電路能夠具有小的管巧面積。因此，操作中的感 測組件損失與串聯(lián)連接的感測設備的常規(guī)使用相比可W被顯著減小，并且專用于電流感測 組件的管巧和/或電路板面積可W被減小。
[0007] 本文還公開了用于感測在開關式功率轉換器高壓側功率FET中流動的電流的方 法，其包括；感測連接在與高壓側功率FET并聯(lián)的串聯(lián)電路支路中的第一 FET兩端的電壓， W及至少部分基于該感測電壓提供輸出信號W指示在該高壓側功率FET中流動的電流。在 某些實施例中，該方法包括根據(jù)脈寬調制（PWM)信號同時接通在串聯(lián)電路支路中連接的功 率FET和第二FET，W及感測第一 FET兩端的電壓。此外，可W至少部分根據(jù)該感測電壓使 用運算放大器來控制輸出FET的柵極端子，從而提供表示在高壓側功率FET中流動的平均 電流的電流輸出。某些實施例還設及用在感測電壓時提供給第一 FET的柵極的恒定電壓來 控制連接在第一高壓側功率FET端子與輸出FET之間的感測FET。
[000引本文提供了集成電路，其包括具有至少一個功率晶體管的開關式轉換器電路W及 如上所述的感測裝置。
【附圖說明】
[0009] 圖1是示出具有與高壓側功率FET并聯(lián)連接的改進的低損耗電流感測電路的開關 式降壓轉換器的示意圖；
[0010] 圖2是示出圖1的轉換器中的各種電壓和電流波形的圖表；
[0011] 圖3是示出具有另一電流感測電路實施例的降壓轉換器的示意圖；
[0012] 圖4和圖5是示出具有感測電路W感測流過升壓轉換器的高壓側功率FET的輸出 電流的開關式升壓轉換器的示意圖；
[0013] 圖6是示意性示出利用匹配的單元晶體管在集成電路半導體主體中單獨形成的 感測電路的場效應晶體管的部分側視圖；W及
[0014] 圖7是示出包括降壓轉換器和用于反向阻塞及充電電流感測的功率FET怕6)的示 例性開關式充電器電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0015] 圖1示出了包括開關式降壓轉換器2的集成電路（1C) 200,該開關式降壓轉換器具 有與高壓側功率FET Q1并聯(lián)連接的輸入電流感測裝置30。轉換器2可W是在便攜式電子 設備（例如，膝上計算機、便攜式電話等）中采用的功率管理1C 200的一部分，并且具有輸 入端子或節(jié)點4 (1腳，高壓側功率FET Q1從該輸入端子或節(jié)點汲取電流Ip。該種降壓轉換 器應用通常出于遙測的目的而需要輸入電流感測，如在膝上PMIC應用中。圖示的實施例中 的高壓側功率FET Q1是N溝道LDMOS，盡管可W使用其他形式和類型的功率晶體管。在圖 示的示例中，Q1的漏極值）與輸入端子4連接，并且Q1的源極（巧與開關節(jié)點（SW) 6連接， 其中低壓側N溝道LDMOS Q0禪合在開關節(jié)點6與電路接地端之間。開關節(jié)點6經(jīng)由降壓 轉換器電感器L連接至輸出端或電池端子8。在圖示的示例中，高壓側器件Q1和低壓側器 件Q0使用電感L形成降壓轉換器W便在降壓轉換器驅動器電路10的控制下向輸出端子8 提供穩(wěn)壓DC輸出，該降壓轉換器驅動器電路具有連接在輸出節(jié)點8與電路接地端之間的輸 出電容器C2。如圖所示，驅動器10向Q1提供柵極驅動信號12,并向Q0提供低壓側柵極驅 動信號14。可W使用其他降壓轉換器拓撲結構，例如，其中低壓側晶體管Q0用二極管（未 示出）來代替，該二極管具有與電路接地端連接的陽極和與開關節(jié)點6連接的陰極。
[0016] 在某些實施例中，降壓驅動器10根據(jù)來自轉換器控制器28的脈寬調制（PWM)信 號或值11提供交變的柵極驅動信號12和14。為了有效地接通高壓側功率晶體管Q1，需要 低漏碼（LDO)調節(jié)器、二極管D2和電容器C3。在操作中，降壓驅動器10提供信號14 W在 Q1關斷時接通Q0,從而將電容器C3充電至高達LDO輸出電壓值（例如，在某些實施方式中 為5V)。一旦Q0被關斷，BOOT節(jié)點16處于比開關節(jié)點6高出近似5V的電壓（例如，在Q1 被接通之后并且輸入為5V時為10V)，并且驅動器電路10提供高壓側柵極驅動信號12, W 便正柵極-源極電壓電平足W接通高壓側晶體管Q1。而且，如在圖1中所見，BOOT節(jié)點16 經(jīng)由第一二極管D1連接至感測電路柵極驅動信號節(jié)點17,并且第二二極管D2具有與BOOT 節(jié)點16連接的陰極和與穩(wěn)壓電源電壓節(jié)點18連接的陽極（LD0,例如，在一個示例中為5V DC)，其中電容器C4連接在電源節(jié)點18與電路接地端之間。
[0017] 可W為轉換器控制器28提供一個或多個反饋信號或值，W便調節(jié)輸出節(jié)點