[实用新型]一种电流采样比较器电路

说明书

本实用新型提供一种电流采样比较器电路，包括：电流比例感应器及电流比较器。实现功率开关管几百毫安至几安培的大电流与微安级别的阈值电流进行直接的比较，进而最终达到判断功率开关管电流的大小并对其进行控制的目的。兼顾采样效率、采样信号的质量和精度、成本，同时获得高效采样效率、高采样质量和低成本有益效果。

技术领域

本实用新型属于开关电源电流采样技术领域，尤其涉及一种电流采样比较器电路。

背景技术

由于电压环路与电流环路的双环控制对开关电源的环路稳定性和对输入纹波的抑制具有特别的优势，所以开关电源的控制从原来的电压环路的单环控制过渡到了现在流行的双环控制。由于每个周期需要检测、判断、控制开关电流的大小，所以如何高效而精确地检测通过功率开关的电流大小成为人们不断研究的课题。

如图1所示是常用的通过在功率管下面串联电阻来感应电流的采样方式，通过功率开关管的电流在采样电阻上产生压降，该电压通过比较器与阈值电压进行比较就可以决定电流的大小，调节阈值电压就可以控制开通电流的大小。这种采样的方式最大的优势就是简单、直接，比较适合电流不大的应用中，所以在中小功率的ACDC的领域类引用最为广泛，因为ACDC本身输入电压高，相应的励磁电流就偏小。但是，在功率较大的ACDC和中等功率的输入电压较低的DCDC的应用中，由于励磁电流较大，采样电阻发热，不仅导致开关电源的效率低下，而且容易损坏。采样电阻的面积较大，需要将多个电阻并联在一起才能通过大电流。在电流较大的应用中，常常采用以下三种方式来进行电流采样：

第一种，采用电流互感器的方式。如图2所示，在功率开关管下面串联的不是采样电阻，取而代之的是一个电流互感器。电流从主变流入，从副边流出，这个流出的电流被衰减了N倍，所衰减的倍数是互感器主变与副边的匝比数之比。成比例衰减后的电流再利用电阻来采样就很容易了。这种方式的优点就是采样效率高，因为互感器线圈的内阻小。缺点是，这样的互感器需要磁芯，体积不小，不容易制造，成本高。而且根据实际经验，在应用中会经常出现因开路而失效的现象。

第二种，差分放大采样电阻电压的方式。例如TI公司有型号为INA180的芯片，可将采样电阻电压放大几十倍，然后再与控制电流大小的阈值电压进行比较，这样的话采样电阻可以成倍地减小。之所以需要先把采样电压差分放大，然后再跟阈值电压比较，而不是把比较阈值成倍降低，仍然用采样电阻上的电压直接与阈值电压比较，是因为后者极大地降低采样的信噪比。例如，图3中的阈值电压原来的最小值是200mV，最大值是1V，若把阈值电压减小到1/50, 虽然采样电阻也可以相应地减小1/50，但是比较阈值电压最小值变为4mV，最大值变为20mV，这是非常小的比较电压了，采样电阻上产生的开关噪声或者电阻到芯片内部的路径上的干扰信号都很可能超过此电压，误触发功率开关管的关断。先用差分放大器对采样电压进行放大，由于两个输入端口直接连接在电阻的两端，且靠得很近，干扰信号被认为是共模信号而被抑制，产生放大倍数的电阻在芯片内部且进行匹配，也阻止误差放大器自身产生额外的噪声，所以这样先进行预放大可以较大幅度地抑制噪声，提高信噪比。该种采样方式的优点就是在一定程度上减小采样电阻，减小损耗和电阻占板面积，缺点是预放大的倍数是有限的，否则仍然存在信噪声比差的问题，同时差分放大器的失调电压对电流采样的精度有直接的影响，失调电压与放大前的电压在同一数量级了。

第三种，利用功率MOS管源极本身存在的寄生电阻或者其自身的内阻作为采样电阻来感应电流的大小，这样没有为了采样电流额外串联电阻而引起不必要的损耗，因此常称为无损电流采样。如图4所示，是常见的芯片内部集成 LDNMOS一类芯片电流采样部分的原理框图，功率管下面的采样电阻RSENSE 是功率管源极金属走线的寄生电阻，是固有存在的。金属走线的内阻是很小的，所以需要预放大采样进行比较，从而存在第二种采样方式一样的信噪比等问题，同时由于金属走线的电阻阻值精度差且正温度系数大，所以这种电流采样的精度差，一般在±20％之外。