高速跟蹤雙向電流感測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開通常設(shè)及在電子電路中的電流感測技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 跟蹤電流感測電路一般提供跟蹤電流，并可在應(yīng)用例如用于服務(wù)器的DC-DC轉(zhuǎn)換 器和移動計(jì)算機(jī)應(yīng)用中使用。常規(guī)跟蹤電流感測電路常常包括運(yùn)算放大器，其由于為了穩(wěn) 定性被引入的電容而具有有限轉(zhuǎn)換速率和有限帶寬。使用運(yùn)算放大器導(dǎo)致跟蹤電流感測電 路具有下限速度，且因此可能不能夠W有時被現(xiàn)代技術(shù)/系統(tǒng)所要求的速度匯集或獲得電 流。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 通常，本公開描述了用于改進(jìn)跟蹤電流感測系統(tǒng)的速度、帶寬和穩(wěn)定性的技術(shù)和 電路。本文所述的技術(shù)和電路中的一些使跟蹤電流感測系統(tǒng)能夠預(yù)偏置半橋的不活動側(cè)的 電流，使得當(dāng)半橋的不活動側(cè)稍后變得活動時，在不活動側(cè)處的電流的水平在操作電流的 水平處或附近。W運(yùn)種方式，預(yù)偏置半橋的不活動側(cè)可減小當(dāng)半橋的一側(cè)被激活時出現(xiàn)的 穩(wěn)定時間的量。
[0004] 本文所述的技術(shù)和電路中的一些可使跟蹤電流感測系統(tǒng)能夠跟蹤正和負(fù)電流。例 如，使用零電流交叉比較器來檢測電流的極性的改變或通過使用被設(shè)置成供應(yīng)可能需要的 最大負(fù)電流的偏置電流發(fā)生器. 本文所述的技術(shù)和電路中的一些可使跟蹤電流感測電路能夠跟蹤正和負(fù)電流而不考 慮半橋的哪一側(cè)是活動的。因此，跟蹤電流感測電路可跟蹤在半橋的高側(cè)和低側(cè)開關(guān)兩者 中的正和負(fù)電流。
[0005] 在一些示例中，本公開的技術(shù)被指向跟蹤電流感測系統(tǒng)，其包括：配置成復(fù)制流過 第一開關(guān)的第一電流的第一電流跟蹤系統(tǒng)；配置成復(fù)制流過第二開關(guān)的第二電流的第二電 流跟蹤系統(tǒng)；W及預(yù)偏置器件。預(yù)偏置器件配置成：基于在第一電流跟蹤系統(tǒng)處檢測到的 指示第一電流的第一信息預(yù)偏置第二電流跟蹤系統(tǒng)；W及基于在第二電流跟蹤系統(tǒng)處檢測 到的指示第二電流的第二信息預(yù)偏置第一電流跟蹤系統(tǒng)。
[0006] 在一些示例中，本公開的技術(shù)被指向一種方法，其包括在預(yù)偏置器件處接收由第 一跟蹤電流感測系統(tǒng)檢測的指示流過第一開關(guān)的第一電流的信息。該方法還包括通過預(yù)偏 置器件基于所述信息預(yù)偏置配置成復(fù)制流過第二開關(guān)的第二電流的第二跟蹤電流感測系 統(tǒng)。
[0007] 在一些示例中，本公開的技術(shù)被指向跟蹤電流感測系統(tǒng)，其包括用于復(fù)制流過第 一開關(guān)的第一電流的裝置，和用于復(fù)制流過第二開關(guān)的第二電流的裝置。跟蹤電流感測系 統(tǒng)還包括用于基于從第一電流跟蹤系統(tǒng)接收的指示第一電流的第一信息預(yù)偏置第二電流 跟蹤系統(tǒng)的裝置，和用于基于從第二電流跟蹤系統(tǒng)接收的指示第二電流的第二信息預(yù)偏置 第一電流跟蹤系統(tǒng)的裝置。
[0008] 在下面的描述和附圖中闡述了本公開的一個或多個示例和技術(shù)的細(xì)節(jié)。根據(jù)描述 和附圖W及根據(jù)權(quán)利要求，本公開的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。
【附圖說明】
[0009] 圖1是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的示例跟蹤電流感測系統(tǒng)的 示意圖。
[0010] 圖2是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的在圖1的跟蹤電流系統(tǒng)中的 反饋電流的示例行為的時序圖。
[0011] 圖3是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的在穩(wěn)定閉環(huán)電流感測系統(tǒng) 中的運(yùn)算放大器和比較器的增益-帶寬乘積之間的示例差異的曲線圖。
[0012] 圖4是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的圖1的跟蹤電流感測系統(tǒng)的 示例實(shí)現(xiàn)的示意圖。
[0013] 圖5是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的在配置成跟蹤正電流的示 例跟蹤電流感測系統(tǒng)中使用的示例電流跟隨器的示意圖。
[0014] 圖6是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的用于與半橋一起使用的示 例跟蹤電流感測系統(tǒng)的示意圖。
[0015] 圖7A-7C是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的在不同的跟蹤電流感 測系統(tǒng)中的示例電流的時序圖。
[0016] 圖8是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的配置成跟蹤在半橋的兩側(cè) 中流動的正和負(fù)電流的替換的示例跟蹤電流感測系統(tǒng)的示意圖。
[0017] 圖9是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的用于操作配置成跟蹤在半 橋的兩側(cè)中流動的正和負(fù)電流的跟蹤電流感測系統(tǒng)的示例過程的流程圖。
[0018] 圖10是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的配置成檢測在半橋中的電 流的零交叉的示例跟蹤電流感測系統(tǒng)的示意圖。
[0019] 圖IlA和IlB是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的用于在示例跟蹤電 流感測系統(tǒng)中使用的活動電流鏡的示意圖。
[0020] 圖12是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的用于操作具有雙向感測的 跟蹤電流感測系統(tǒng)的示例過程的流程圖。
[0021] 附圖不一定按比例繪制。相似的參考數(shù)字指示相似的特征，雖然在相似的特征之 間的變化可存在于各種示例中。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 一些功率系統(tǒng)依賴于基于線性感測放大器("LSA")的電流感測系統(tǒng)來執(zhí)行電流跟 蹤技術(shù)?；贚SA的電流感測系統(tǒng)的一個缺點(diǎn)是，LSA可能在高速功率系統(tǒng)中是不穩(wěn)定的。 也就是說，一些基于LSA的電流感測系統(tǒng)可具有"剩余偏移"（例如總系統(tǒng)在繼續(xù)其它非感 測操作之前需要等待的在執(zhí)行感測操作之后的時間的量）和/或大的穩(wěn)定時間。一些功率 系統(tǒng)(例如降低電壓或"降壓"轉(zhuǎn)換器)執(zhí)行快切換和/或高/低占空比操作，并具有可用于 基于LSA的電流感測系統(tǒng)的可用來執(zhí)行電流感測技術(shù)的非常少的時間。相應(yīng)地，具有剩余 偏移和/或大穩(wěn)定時間的基于LSA的電流感測系統(tǒng)在功率系統(tǒng)已經(jīng)可用于感測的時間期間 可能不穩(wěn)定和/或結(jié)束執(zhí)行感測操作。即使基于LSA的電流感測系統(tǒng)在可用于執(zhí)行感測的 所分配的時間內(nèi)確實(shí)穩(wěn)定下來或在可用于執(zhí)行感測的所分配的時間內(nèi)執(zhí)行感測操作，基于 LSA的電流感測系統(tǒng)可能由于其它原因(例如當(dāng)平均電流值被使用時)對于一些功率系統(tǒng)是 不充足的。描述了用于改進(jìn)功率系統(tǒng)(例如DC-DC功率轉(zhuǎn)換器等)中的跟蹤電流感測系統(tǒng)的 速度的技術(shù)和電路。也就是說，本文所述的技術(shù)和電路可減少功率系統(tǒng)必須分配到跟蹤電 流感測系統(tǒng)W執(zhí)行電流感測操作的時間的總量。在一些示例中，技術(shù)和電路可使跟蹤電流 感測系統(tǒng)能夠跟蹤正和負(fù)電流兩者，且在一些示例中，技術(shù)和電路可使跟蹤電流感測系統(tǒng) 能夠跟蹤正和負(fù)電流而不考慮在功率系統(tǒng)內(nèi)的電流的位置(例如高側(cè)或低側(cè))。
[0023] 圖1是示出根據(jù)在本公開中所述的一種或多種技術(shù)的示例跟蹤電流系統(tǒng)10的示 意圖。跟蹤電流系統(tǒng)10是非線性系統(tǒng)，其依賴于比較器12來確保功率開關(guān)18-0的兩個 "匹配的"晶體管18-2和18-3同時W相等的電流密度進(jìn)行傳導(dǎo)。
[0024] 通常，為了使感測晶體管18-3和功率晶體管18-2分別W相同的電流密度傳導(dǎo)電 流Ifwdb。。!^和電流I 比較器12首先比較在匹配的晶體管18-2和18-3上的相應(yīng)的電壓 降。基于在晶體管18-2和18-3兩端的相應(yīng)的電壓降中的差異，比較器12驅(qū)動開關(guān)14-1 和14-2姐本文被共同稱為"開關(guān)14")W改變在晶體管18-3的輸出處的負(fù)載電流的量(例 如與晶體管18-1相關(guān)聯(lián)的負(fù)載電流的量)。如下面更詳細(xì)描述的，比較器12改變在晶體管 18-3的輸出處的負(fù)載電流的量，直到負(fù)載電流的量足夠充足W使晶體管18-3中的電流密 度在晶體管18-1產(chǎn)生電流Ifwdb。。!^時匹配在晶體管18-2中的電流密度，同時晶體管18-2傳 導(dǎo)電流I power。
[00巧]功率開關(guān)18-0是半橋的基于晶體管的高側(cè)開關(guān)。雖然被示為半橋的高側(cè)開關(guān)，但 如果功率開關(guān)18-0作為半橋的低側(cè)開關(guān)操作，則本文所述的原理和技術(shù)也可應(yīng)用于功率 開關(guān)18-0,。當(dāng)功率開關(guān)18-0被接通時，Viw的電壓被施加到系統(tǒng)10的輸出（例如切換節(jié) 點(diǎn)）。
[002引功率開關(guān)18-0包括晶體管18-2 (例如大功率晶體管）和晶體管18-3 (例如作為 晶體管18-2的電流鏡起作用的較小的感測晶體管)。晶體管18-2和18-3可均是場效應(yīng)晶 體管("陽T")。在運(yùn)個示例中，晶體管18-2和18-3的漏極都連接到Viw。在一些示例中，晶 體管18-3是晶體管18-2的1/N。晶體管18-2和18-3 W相同的柵極信號被控制。當(dāng)晶體 管18-2被接通時，晶體管18-3也被接通。晶體管18-2傳導(dǎo)電流晶體管18-3傳導(dǎo) Ifeecitiack。
[0027]系統(tǒng)10依賴于晶體管18-2來將系統(tǒng)10的輸出（例如被標(biāo)記為"OUT")禪合到電 壓源Vw而系統(tǒng)10依賴于晶體管18-3來執(zhí)行電流感測技術(shù)W便傳導(dǎo)Ifwdhek(即復(fù)制或"跟 蹤"電流)，系統(tǒng)10可從Ifwdbaek感測與晶體管18-2相關(guān)聯(lián)的電流I PDWf的水平。從晶體管 18-3出來的Ifwdb。。!^的水平可W是從晶體管18-2出來的IPower的水平的1/N(例如只要晶 體管18-2和18-3的漏極-源極電壓和柵極-源極電壓是相同的)。如遍及運(yùn)個公開使用 的，術(shù)語"反饋電流"，1:。。4^。1<，跟蹤電流和復(fù)制電流，都可互換地用于通常描述成比例地鏡 像從功率晶體管流出的電流的水平的電流。通常，Ifwdhek的術(shù)語"反饋電流"用于在感測晶 體管(例如晶體管18-3)中流動的電流。當(dāng)電流跟蹤系統(tǒng)10已經(jīng)穩(wěn)定時，Ifwdhek等于I pD、wf/ N。術(shù)語"復(fù)制電流"或"鏡像電流"通常描述作為反饋電流Ifwdhek的"復(fù)制"或"鏡像"的 電流。換句話說，如果電流跟蹤系統(tǒng)10輸出等于Ifwdb。。!^的電流(例如類似于圖6所示的系 統(tǒng)400的輸出)，則運(yùn)個輸出電流將被稱為"鏡像電流"。
[0028] 雖然被示為半橋的高側(cè)開關(guān)，開關(guān)18-0也可類似地被配置為半橋的低側(cè)開關(guān)。開 關(guān)18-0可用于給禪合到半橋的切換節(jié)點(diǎn)(例如在節(jié)點(diǎn)OUT處)的負(fù)載(例如電感負(fù)載)供電。 系統(tǒng)10可接通和關(guān)斷晶體管18-0的晶體管18-2 W控制在節(jié)點(diǎn)OUT處的電壓(或在一些示 例中，電流)。例如，系統(tǒng)10可依賴于開關(guān)晶體管18-2的控制來在節(jié)點(diǎn)OUT處產(chǎn)生PWM輸 出信號。在系統(tǒng)10依賴于柵極信號(例如從接收自控制器的脈沖寬度調(diào)制信號導(dǎo)出的，為 了簡單的目的，未在圖1中描繪該控制器）W使晶體管18-2接通和關(guān)斷，系統(tǒng)10可同時將 晶體管18-3驅(qū)動到與晶體管18-2相同的操作狀態(tài)(例如接通或關(guān)斷沖W傳導(dǎo)Ifwdb。。!^。系 統(tǒng)10可依賴于Ifwdb。。!^來感測或W其它方式確定從晶體管18-2出來的電流I PUWf的量。
[0029] 在基于LSA的跟蹤電流系統(tǒng)中，其它系統(tǒng)的LSA可通過鏡像晶體管例如晶體管 18-3來拉電流W使在鏡像晶體管兩端的電壓與在對應(yīng)的功率晶體管例如晶體管18-2兩端 的電壓降匹配，W創(chuàng)建比從功率晶體管出來的電流的量小(例如是1/N)的從鏡像晶體管出 來的鏡像電流。然而，在將穿過鏡像晶體管的電流的水平升高到適當(dāng)?shù)乃綍r可能有相當(dāng) 大的延遲。因此，具有LSA的其它系統(tǒng)可具有剩余偏移或不充足的穩(wěn)定時間中的至少一個， 因而有積分/平均誤差。
[0030] 與基于LAS的跟蹤電流系統(tǒng)不同，系統(tǒng)10是非線性的并包括比較器12 W驅(qū)動開 關(guān)14,控制可變電流發(fā)生器16-1和16-2 (在本文被共同稱為"電流發(fā)生器16")并給電容 器20充電和放電W改變與晶體管18-1相關(guān)聯(lián)的負(fù)載電流的量和正由晶體管18-1匯集的 電流的量。跟蹤電流系統(tǒng)10可具有更低的穩(wěn)定時間，并因此比其它跟蹤電流感測系統(tǒng)更快 地跟蹤電流（即在更少的時間量內(nèi)）。
[0031] 例如，跟蹤電流系統(tǒng)10包括布置成平行于晶體管18-1 (在本文也被稱為"晶體管 Ml")的電容器20。晶體管18-1可W是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（"M0SFET")晶體 管，例如N型M0SFET。晶體管18-1配置成與基于LSA的跟蹤電流系統(tǒng)的運(yùn)算放大器的輸 出級類似地操作。然而如本文所述，跟蹤電流系統(tǒng)10不包括運(yùn)算放大器，但更確切地，跟蹤 電流系統(tǒng)10替代地依賴于比較器12來驅(qū)動開關(guān)14, W便控制電容器20的充電和放電，W 便調(diào)節(jié)與晶體管18-1相關(guān)聯(lián)的負(fù)載電流的量并調(diào)節(jié)跟蹤電流系統(tǒng)10的反饋電流Ifwdb。。!^。 也就是說，比較器12可控制開關(guān)14-1 W使來自電流發(fā)生器16-1的電流行進(jìn)到電容器20。 比較器12可控制開關(guān)14-2 W使電流遠(yuǎn)離電容器20行進(jìn)并匯集在電流發(fā)生器16-2處。
[0032] 電流發(fā)生器16-1連接到高參考電壓Viw 3。電流發(fā)生器16-2連接到低參考電壓22。 低參考電壓22在圖1中被示為地電壓，其在系統(tǒng)10的示例中在與晶體