参考电流产生电路及用于DC-DC变换器的谷值电流检测电路的制作方法

参考电流产生电路及用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路
技术领域
1.本公开的实施例涉及集成电路技术领域，具体地，涉及参考电流产生电路及用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路。


背景技术：

2.dc-dc变换器被广泛应用于各种芯片供电应用中。为了防止出现异常情况导致电流过大而烧毁芯片，dc-dc变换器的电流需要受到限制。上功率管导通时对峰值电流进行限制，而下功率管导通时对谷值电流进行限制。下功率管导通时，电感电流必须下降到谷值电流以下才能让电感电流重新上升，能有效降低发生过流时的平均电感电流。谷值电流限制能使芯片的安全得到保障。


技术实现要素：

3.本文中描述的实施例提供了一种参考电流产生电路、用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路、以及dc-dc变换器。
4.根据本公开的第一方面，提供了一种参考电流产生电路。该参考电流产生电路包括：第一电阻器、电压保持电路、第一电流镜电路、第二电流镜电路、限流电路、以及第三电流镜电路。其中，第一电阻器的第一端经由第一节点耦接电压保持电路，第一电阻器的第二端耦接第二电压端。电压保持电路被配置为：将第一节点的电压保持为来自参考电压端的参考电压，并经由第二节点向第一电流镜电路传递流过第一电阻器的第一电流。第一电流镜电路被配置为：根据第一电流生成第二电流，并经由第三节点向限流电路传递第二电流。第二电流镜电路被配置为：根据第三节点的电压生成第三电流和第四电流，经由第三节点向限流电路提供第三电流，以及向输出端提供第四电流。其中，第四电流是第三电流的镜像电流。限流电路被配置为：限制第二电流与第三电流之和的最小值。第三电流镜电路被配置为：根据第一电流生成第五电流，并向输出端提供第五电流。其中，第五电流的电流值等于第二电流的电流值。
5.在本公开的一些实施例中，电压保持电路包括：运放、以及第一晶体管。其中，运放的第一输入端耦接参考电压端。运放的第二输入端耦接第一节点和第一晶体管的第一极。运放的输出端耦接第一晶体管的控制极。第一晶体管的第二极耦接第二节点。
6.在本公开的一些实施例中，运放的第一输入端是同相输入端。运放的第二输入端是反相输入端。
7.在本公开的一些实施例中，第一电流镜电路包括：第二晶体管、以及第三晶体管。其中，第二晶体管的控制极耦接第二晶体管的第二极和第二节点。第二晶体管的第一极耦接第一电压端。第三晶体管的控制极耦接第二晶体管的控制极。第三晶体管的第一极耦接第一电压端。第三晶体管的第二极耦接第三节点。
8.在本公开的一些实施例中，第二电流镜电路包括：第四晶体管、以及第五晶体管。其中，第四晶体管的控制极耦接第四晶体管的第二极和第三节点。第四晶体管的第一极耦
接第一电压端。第五晶体管的控制极耦接第四晶体管的控制极。第五晶体管的第一极耦接第一电压端。第五晶体管的第二极耦接输出端。
9.在本公开的一些实施例中，第四晶体管与第五晶体管的尺寸相同。
10.在本公开的一些实施例中，限流电路包括：第六晶体管。其中，第六晶体管的控制极耦接偏置电压端。第六晶体管的第一极耦接第二电压端。第六晶体管的第二极耦接第三节点。
11.在本公开的一些实施例中，第三电流镜电路包括：第七晶体管。其中，第七晶体管的控制极耦接第二节点。第七晶体管的第一极耦接第一电压端。第七晶体管的第二极耦接输出端。
12.根据本公开的第二方面，提供了一种参考电流产生电路。该参考电流产生电路包括：第一电阻器、运放、第一晶体管至第七晶体管。其中，第一电阻器的第一端耦接第一晶体管的第一极。第一电阻器的第二端耦接第二电压端。运放的第一输入端耦接参考电压端。运放的第二输入端耦接第一晶体管的第一极。运放的输出端耦接第一晶体管的控制极。第一晶体管的第二极耦接第二晶体管的控制极和第二极。第二晶体管的第一极耦接第一电压端。第三晶体管的控制极耦接第二晶体管的控制极。第三晶体管的第一极耦接第一电压端。第三晶体管的第二极耦接第四晶体管的控制极和第二极。第四晶体管的第一极耦接第一电压端。第五晶体管的控制极耦接第四晶体管的控制极。第五晶体管的第一极耦接第一电压端。第五晶体管的第二极耦接输出端。第六晶体管的控制极耦接偏置电压端。第六晶体管的第一极耦接第二电压端。第六晶体管的第二极耦接第三晶体管的第二极。第七晶体管的控制极耦接第二晶体管的控制极。第七晶体管的第一极耦接第一电压端。第七晶体管的第二极耦接输出端。
13.在本公开的一些实施例中，第四晶体管与第五晶体管的尺寸相同。
14.在本公开的一些实施例中，第七晶体管与第三晶体管的尺寸相同。
15.根据本公开的第三方面，提供了一种用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路。该谷值电流检测电路包括根据本公开的第一方面或者第二方面所述的参考电流产生电路。
16.根据本公开的第四方面，提供了一种dc-dc变换器。该dc-dc变换器包括根据本公开的第三方面所述的谷值电流检测电路。
附图说明
17.为了更清楚地说明本公开的实施例的技术方案，下面将对实施例的附图进行简要说明，应当知道，以下描述的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制，其中：
18.图1示出一种用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路的示例性电路图；
19.图2是一种参考电流产生电路的示例性电路图；
20.图3是根据本公开的实施例的参考电流产生电路的示意性框图；以及
21.图4是根据本公开的实施例的参考电流产生电路的示例性电路图。
22.需要注意的是，附图中的元素是示意性的，没有按比例绘制。
具体实施方式
23.为了使本公开的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本公开的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，也都属于本公开保护的范围。
24.除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开主题所属领域的技术人员所通常理解的相同含义。进一步将理解的是，诸如在通常使用的词典中定义的那些的术语应解释为具有与说明书上下文和相关技术中它们的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的形式来解释，除非在此另外明确定义。如在此所使用的，将两个或更多部分“连接”或“耦接”到一起的陈述应指这些部分直接结合到一起或通过一个或多个中间部件结合。
25.在本公开的所有实施例中，由于晶体管的源极和漏极(发射极和集电极)是对称的，并且n型晶体管和p型晶体管的源极和漏极(发射极和集电极)之间的导通电流方向相反，因此在本公开的实施例中，将晶体管的受控中间端称为控制极，将晶体管的其余两端分别称为第一极和第二极。本公开的实施例中所采用的晶体管主要是金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，简称mos)晶体管。另外，诸如“第一”和“第二”的术语仅用于将一个部件(或部件的一部分)与另一个部件(或部件的另一部分)区分开。
26.图1示出一种用于dc-dc变换器的谷值电流检测电路的示例性电路图。在图1中示出了dc-dc变换器的一部分10，包括电感器l、下功率管nm1、以及采样管nm2。下功率管nm1与采样管nm2的宽长比的比值是m：1。其中，m大于1。在图1中还示出了谷值电流检测电路20。通过控制信号lg开启下功率管nm1后，电感电流i
l
开始下降。采样管nm2也同时开启，开始对节点sw的电压进行采样。采样管nm2的源极电压为采样电压v
sns
。此时，可以得到下式：
[0027]vsw
＝v
pgnd-i
l
×rds1
＝v
sns-i
s2
×rds2
，
[0028]
其中，v
sw
表示节点sw的电压，v
pgnd
表示节点pgnd的电压，i
l
表示电感电流，r
ds1
表示下功率管nm1的导通电阻，v
sns
表示采样电压，i
s2
表示流过采样管nm2的电流，r
ds2
表示采样管nm2的导通电阻。
[0029]
谷值电流检测电路20可被看作电流比较器，其中，晶体管q1与晶体管q2的宽长比的比值为1：k。晶体管q3与晶体管q4的宽长比的比值为k：1。
[0030]is1
＝i
q1
i
q2
，
[0031]is2
＝i
q3
i
q4
，
[0032]iq1
i
q4
＝i
ref
，
[0033]iq2
＝k
×iq1
，i
q3
＝k
×iq4
。
[0034]iq1
表示流过晶体管q1的电流，i
q2
表示流过晶体管q2的电流，i
q3
表示流过晶体管q3的电流，i
q4
表示流过晶体管q4的电流，i
ref
表示参考电流。
[0035]
下功率管nm1开启时，如果电感电流i
l
过高，则节点sw的电压比较低，i
s2
也比较大，v
sns
低于v
pgnd
。下功率管nm1开启之后电感电流i
l
逐渐下降，节点sw的电压逐渐上升，i
s2
逐渐减小，v
sns
逐渐上升。当v
sns
和v
pgnd
相等时，vs1＝vs2，比较器comp的输出电压v
lim
翻转为高电平，用于指示进行谷值电流限制。此时i
q1
＝i
q4
＝0.5
×iref
，i
s1
＝i
s2
＝0.5
×
(1 k)
×iref
，i
l
×rds1
＝i
s2
×rds2
，此时电感电流i
l
＝i
s2
×rds2
/r
ds1
。由于此时下功率管nm1和采样管nm2的栅
极、漏极和源极的电压都相等，所以二者导通电阻的比例和尺寸成正比。此时电感电流可以表示为：
[0036]il
＝m
×is2
＝0.5
×
(1 k)
×m×iref
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0037]
可以通过设置m、k和参考电流i
ref
的值来设置进行谷值电流限制时的电感电流值。
[0038]
图2示出了一种参考电流产生电路200的示例性电路图。参考电流产生电路200包括：运算放大器(可简称运放)amp，电阻器r1、晶体管nm3、晶体管pm3、以及晶体管pm4。在图2中，vdd表示电源电压。由运算放大器的虚短虚断特性可知，参考电压v
ref
等于电阻器r1的第一端的电压v
r1
。流过晶体管nm3的电流为i
p3
＝v
r1
/r1。其中，r1表示电阻器r1的电阻值。经过晶体管pm3和晶体管pm4构成的电流镜对电流i
p3
的复制，可得到参考电流i
ref
＝i
p3
/n。因此，i
ref
＝v
r1
/(n
×
r1)＝v
ref
/(n
×
r1)。将参考电流i
ref
作为图1中的谷值电流检测模块20的参考电流。由式(1)可以得到进行谷值电流限制时的电感电流值：
[0039]il
＝0.5
×
(1 k)
×m×vref
/(n
×
r1)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0040]
所以可通过设置电阻器r1的电阻值来实现可调的谷值电流限制。
[0041]
本公开的发明人发现在实际使用中可能出现电阻器r1悬空(虚焊或者断路)的情况。如果电阻器r1悬空，则晶体管nm3的源极相当于接了一个无穷大的电阻，流过晶体管nm3的电流几乎为零，因此参考电流i
ref
也几乎为零。这样，使用参考电流产生电路200所生成的参考电流i
ref
的谷值电流检测电路无法正常工作，dc-dc变换器进行谷值电流限制时的电感电流值为零，导致dc-dc变换器无法正常带载输出。
[0042]
本公开的实施例提出了一种参考电流产生电路以避免参考电流产生电路内部的电阻器r1悬空时所造成的上述危害。图3示出根据本公开的实施例的参考电流产生电路300的示意性框图。参考电流产生电路300可包括：第一电阻器r1、电压保持电路310、第一电流镜电路320、第二电流镜电路330、限流电路340、以及第三电流镜电路350。
[0043]
第一电阻器r1的第一端经由第一节点n1耦接电压保持电路310。第一电阻器r1的第二端耦接第二电压端v2。
[0044]
电压保持电路310可经由第一节点n1耦接第一电阻器r1的第一端。电压保持电路310可经由第二节点n2耦接第一电流镜电路320和第三电流镜电路350。电压保持电路310还可耦接参考电压端v
ref
。电压保持电路310可被配置为：将第一节点n1的电压保持为来自参考电压端v
ref
的参考电压v
ref
，并经由第二节点n2向第一电流镜电路320传递流过第一电阻器r1的第一电流i1。正常情况下，流过第一电阻器r1的第一电流i1＝v
ref
/r1。其中，r1表示第一电阻器r1的电阻值。
[0045]
第一电流镜电路320可经由第二节点n2耦接电压保持电路310和第三电流镜电路350。第一电流镜电路320可经由第三节点n3耦接第二电流镜电路330和限流电路340。第一电流镜电路320还可耦接第一电压端v1。第一电流镜电路320可被配置为：根据第一电流i1生成第二电流i2，并经由第三节点n3向限流电路340传递第二电流i2。在本公开的一些实施例中，i2＝i1/n。其中，n大于1。
[0046]
第二电流镜电路330可经由第三节点n3耦接第一电流镜电路320和限流电路340。第二电流镜电路330还可耦接输出端iout。第二电流镜电路330可被配置为：根据第三节点n3的电压生成第三电流i3和第四电流i4，经由第三节点n3向限流电路340提供第三电流i3，以及向输出端iout提供第四电流i4。其中，第四电流i4是第三电流i3的镜像电流。
[0047]
限流电路340可经由第三节点n3耦接第一电流镜电路320和第二电流镜电路330。限流电路340还可耦接第二电压端v2。限流电路340可被配置为：限制第二电流i2与第三电流i3之和的最小值。在本公开的一些实施例中，第二电流i2与第三电流i3之和的最小值被限制为imin。
[0048]
第三电流镜电路350可经由第二节点n2耦接第一电流镜电路320和电压保持电路310。第三电流镜电路350还可耦接输出端iout。第三电流镜电路350可被配置为：根据第一电流i1生成第五电流i5，并向输出端iout提供第五电流i5。其中，第五电流i5的电流值等于第二电流i2的电流值。
[0049]
在正常情况(第一电阻器r1正常工作的情况)下，第二电流i2大于限流电路340所限制的最小值imin。此时第三电流i3和第四电流i4几乎为零。由于第五电流i5的电流值等于第二电流i2的电流值，所以参考电流i
ref
＝i5＝i2＝i1/n＝v
ref
/(r1
×
n)。因此，在正常情况下，限流电路340不影响参考电流i
ref
的大小。
[0050]
在第一电阻器r1悬空的情况下，第一电流i1几乎为零，因此，第二电流i2几乎为零。限流电路340限制i2 i3＝imin。由于i
ref
＝i4 i5，i5＝i2且i4＝i3，所以i
ref
＝i2 i3＝imin。限流电路340相当于限制住了参考电流i
ref
的最小值，此时进行谷值电流限制时的电感电流值i
l
＝0.5
×
(1 k)
×m×
imin。通过设置imin可避免谷值电流检测电路无法正常工作，进而避免dc-dc变换器无法正常带载输出。
[0051]
图4示出根据本公开的实施例的参考电流产生电路400的示例性电路图。
[0052]
电压保持电路410可包括：运放amp、以及第一晶体管m1。其中，运放amp的第一输入端耦接参考电压端v
ref
。运放amp的第二输入端耦接第一节点n1和第一晶体管m1的第一极。运放amp的输出端耦接第一晶体管m1的控制极。第一晶体管m1的第二极耦接第二节点n2。在本公开的一些实施例中，运放amp的第一输入端是同相输入端。运放amp的第二输入端是反相输入端。
[0053]
第一电流镜电路420可包括：第二晶体管m2、以及第三晶体管m3。其中，第二晶体管m2的控制极耦接第二晶体管m2的第二极和第二节点n2。第二晶体管m2的第一极耦接第一电压端v1。第三晶体管m3的控制极耦接第二晶体管m2的控制极。第三晶体管m3的第一极耦接第一电压端v1。第三晶体管m3的第二极耦接第三节点n3。在本公开的一些实施例中，第二晶体管m2的宽长比与第三晶体管m3的宽长比的比值为n：1。其中，n大于1。
[0054]
第二电流镜电路430可包括：第四晶体管m4、以及第五晶体管m5。其中，第四晶体管m4的控制极耦接第四晶体管m4的第二极和第三节点n3。第四晶体管m4的第一极耦接第一电压端v1。第五晶体管m5的控制极耦接第四晶体管m4的控制极。第五晶体管m5的第一极耦接第一电压端v1。第五晶体管m5的第二极耦接输出端iout。在本公开的一些实施例中，第四晶体管m4与第五晶体管m5的尺寸相同。
[0055]
限流电路440可包括：第六晶体管m6。其中，第六晶体管m6的控制极耦接偏置电压端vb。第六晶体管m6的第一极耦接第二电压端v2。第六晶体管m6的第二极耦接第三节点n3。
[0056]
第三电流镜电路450可包括：第七晶体管m7。其中，第七晶体管m7的控制极耦接第二节点n2。第七晶体管m7的第一极耦接第一电压端v1。第七晶体管m7的第二极耦接输出端iout。第七晶体管m7可与第二晶体管m2构成电流镜。在本公开的一些实施例中，第七晶体管m7与第三晶体管m3的尺寸相同，第二晶体管m2的宽长比与第七晶体管m7的宽长比的比值为
n：1。其中，n大于1。
[0057]
在图4的示例中，从第一电压端v1输入高电压信号，第二电压端v2接地。第一晶体管m1和第六晶体管m6是nmos晶体管。第二晶体管m2至第五晶体管m5和第七晶体管m7是pmos晶体管。本领域技术人员应理解，基于上述发明构思对图4所示的电路进行的变型也应落入本公开的保护范围之内。在该变型中，上述晶体管和电压端也可以具有与图4所示的示例不同的设置。
[0058]
在正常情况下，由运放amp的虚短虚断特性可知，参考电压v
ref
等于第一电阻器r1的第一端的电压(即，第一节点n1的电压v
n1
)。流过第一电阻器r1的第一电流为i1＝v
n1
/r1＝v
ref
/r1。其中，r1表示第一电阻器r1的电阻值。通过设置第二晶体管m2的宽长比与第三晶体管m3的宽长比的比值为n：1，可使得i2＝i1/n。通过设置来自偏置电压端vb的偏置电压vb的值，可使得在正常情况下第二电流i2大于第六晶体管m6产生的偏置电流imin。第三晶体管m3会进入线性区，且流过第四晶体管m4的第三电流i3几乎为零。第五晶体管m5复制流过第四晶体管m4的第三电流i3，因此流过第五晶体管m5的第四电流i4也几乎为零。参考电流i
ref
等于流过第七晶体管m7的第五电流i5。由于第五电流i5等于第二电流i2，因此，参考电流i
ref
＝i1/n＝v
ref
/(r1
×
n)。因此，在正常情况下，参考电流i
ref
不会被额外注入电流。这样，进行谷值电流限制时的电感电流i
l
＝0.5
×m×
(1 k)
×vref
/(n
×
r1)。此时，进行谷值电流限制时的电感电流值仍然由第一电阻器r1的电阻值r1决定。
[0059]
在第一电阻器r1悬空的情况下，第一晶体管m1的第一极相当于接了一个无穷大的电阻，因此，第一电流i1几乎为零，从而使得第二电流i2几乎为零。流过第四晶体管m4的第三电流i3＝imin-i2。第五晶体管m5复制流过第四晶体管m4的第三电流i3，并将复制的第四电流i4注入参考电流i
ref
。由于i
ref
＝i4 i5，i5＝i2且i4＝i3，所以i
ref
＝i2 i3＝imin。根据本公开的实施例的参考电流产生电路400能够限制参考电流i
ref
的最小值，此时进行谷值电流限制时的电感电流值i
l
＝0.5
×
(1 k)
×m×
imin。通过设置imin可避免谷值电流检测电路无法正常工作，进而避免dc-dc变换器无法正常带载输出。
[0060]
综上所述，根据本公开的实施例的参考电流产生电路在第一电阻器r1悬空(例如，虚焊或者断路)时能够限制参考电流产生电路输出的参考电流的最小值，以避免使用该参考电流产生电路的谷值电流检测电路无法正常工作，进而避免使用该谷值电流检测电路的dc-dc变换器无法正常带载输出。
[0061]
除非上下文中另外明确地指出，否则在本文和所附权利要求中所使用的词语的单数形式包括复数，反之亦然。因而，当提及单数时，通常包括相应术语的复数。相似地，措辞“包含”和“包括”将解释为包含在内而不是独占性地。同样地，术语“包括”和“或”应当解释为包括在内的，除非本文中明确禁止这样的解释。在本文中使用术语“示例”之处，特别是当其位于一组术语之后时，所述“示例”仅仅是示例性的和阐述性的，且不应当被认为是独占性的或广泛性的。
[0062]
适应性的进一步的方面和范围从本文中提供的描述变得明显。应当理解，本技术的各个方面可以单独或者与一个或多个其它方面组合实施。还应当理解，本文中的描述和特定实施例旨在仅说明的目的并不旨在限制本技术的范围。
[0063]
以上对本公开的若干实施例进行了详细描述，但显然，本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下对本公开的实施例进行各种修改和变型。本公开的保护
范围由所附的权利要求限定。