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 ] 本公開通常涉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)換器和移動計算機應(yīng)用中使用。常規(guī)跟蹤電流感測電路常常包括運算放大器，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，且因此可能不能夠以有時被現(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。以這種方式，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M。
[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)被指向包括電流源和電流控制器件的跟蹤電流感測系統(tǒng)。電流源替換地和基本上復(fù)制流過第一開關(guān)的第一電流和流過第二開關(guān)的第二電流。電流控制器件配置電流源以在復(fù)制第一電流和第二電流之間交替。
[0006]在一些示例中，本公開的技術(shù)被指向配置成控制跟蹤電流系統(tǒng)的電流源的電流控制器件。跟蹤電流感測系統(tǒng)替換地和基本上復(fù)制流過第一開關(guān)的第一電流和流過第二開關(guān)的第二電流。
[0007]在一些示例中，本公開的技術(shù)被指向包括用于確定是第一開關(guān)傳導(dǎo)第一電流還是第二開關(guān)傳導(dǎo)第二電流的器件和用于配置電流源以在確定第二開關(guān)不再傳導(dǎo)第二電流之后平滑地從復(fù)制第二電流轉(zhuǎn)變到復(fù)制第一電流的器件的跟蹤電流感測系統(tǒng)。跟蹤電流感測系統(tǒng)還包括用于配置電流源以在確定第一開關(guān)不再傳導(dǎo)第一電流之后平滑地從復(fù)制第一電流轉(zhuǎn)變到復(fù)制第二電流的器件。
[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)描述和附圖以及根據(jù)權(quán)利要求，本公開的其它特征、目的和優(yōu)點將是明顯的。
【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1lA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)的個缺點是，LSA可能在尚速功率系統(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)以執(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同時以相等的電流密度進行傳導(dǎo)。
[0024]通常，為了使感測晶體管18-3和功率晶體管18-2分別以相同的電流密度傳導(dǎo)電流Ifeedback和電流Ipower，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?；谠诰w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 (在本文被共同稱為“開關(guān)14”)以改變在晶體管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以使晶體管18-3中的電流密度在晶體管18-1產(chǎn)生電流Ifeedback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Ipower。
[0025]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，VIN的電壓被施加到系統(tǒng)10的輸出(例如切換節(jié)點)。
[0026]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(“FET”)。在這個示例中，晶體管18-2和18-3的漏極都連接到VIN。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以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Ipower。晶體管18_3傳導(dǎo) Ifeedback0
[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”)耦合到電壓源VIN，而系統(tǒng)10依賴于晶體管18-3來執(zhí)行電流感測技術(shù)以便傳導(dǎo)Ifeedback (即復(fù)制或“跟蹤”電流)，系統(tǒng)10可從Ifeedback感測與晶體管18_2相關(guān)聯(lián)的電流Ipower的水平。從晶體管18-3出來的Ifeedback的水平可以是從晶體管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)。如遍及這個公開使用的，術(shù)語“反饋電流”，Ifeedback,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，Ifeedback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，Ifeedback等于Ipower/N。術(shù)語“復(fù)制電流”或“鏡像電流”通常描述作為反饋電流Ifeedback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Ifeedback的電流(例如類似于圖6所示的系統(tǒng)400的輸出)，則這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可用于給耦合到半橋的切換節(jié)點(例如在節(jié)點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以控制在節(jié)點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OUT處產(chǎn)生PffM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)以使晶體管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)中以傳導(dǎo)Ifeedback。系統(tǒng)10可依賴于Ifeedback來感測或以其它方式確定從晶體管18_2出來的電流Ipower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來拉電流以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，以創(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以驅(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充電和放電以改變與晶體管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可以是金屬氧化物半導(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，以便控制電容器20的充電和放電，以便調(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Ifeedback。也就是說，比較器12可控制開關(guān)14-1以使來自電流發(fā)生器16-1的電流行進到電容器20。比較器12可控制開關(guān)14-2以使電流遠(yuǎn)離電容器20行進并匯集在電流發(fā)生器16-2處。
[0032]電流發(fā)生器16-1連接到高參考電壓VIN_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的示例中在與晶體管18-1的源極相同的電位處。在其它示例中，低參考電壓可以在與晶體管18-1的源極不同的電位處。以這種方式，通過控制開關(guān)14，比較器12可控制