一种用于SIMO直流转换器的负载电流计算装置的制作方法

本发明涉及一种开关电源输出电流计算系统，特别涉及一种用于simo直流转换器的负载电流计算装置。

背景技术：

1、在多路输出simo电路闭环控制系统中，每路输出功率管的电流需要被实时监控，以达到保护负载和保护系统的作用，然而同时采集多路输出电流的技术目前并不成熟；

2、现有的多路输出电流采样电路方法，主要有两种：方法一（如图3所示）：对每路输出iload1 - iloadn分别串联感应电阻r_sen1 - r_senn，iloadn在r_senn上流过时会产生一定的电压降，该压降可通过运放放大而获得感应电压vsenn。此方法比较准确，可实时感应每路负载电流，然而串联电阻会产生能量消耗，在重载情况下会严重影响转换器效率。方法二（如图4所示）：通过电流镜以一定比例拷贝输出功率管的电流，并将其灌入感应电阻，通过运放钳位镜像管的漏极电压，使其与输出功率管漏极电压相近，以增加电流传感准确性。此方法不会影响转换器效率，但受限于运放带宽和增益，传感器速度和准确度会受到影响，而且结构复杂，芯片面积大，设计成本较高。

3、因此，有必要设计一种结构简单，感应速度快并且不会影响转换器效率的负载电流计算装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于simo直流转换器的负载电流计算装置，以解决上述背景技术中提出的传统技术中物料成本高，设计难度大以及会影响转换器效率的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于simo直流转换器的负载电流计算装置（图1），包括：电流传感器，通过电流镜镜像后，采样上拉功率管电流并产生传感电压vsen，vsen与上拉周期的电感电流成正比；求平均值电路，通过对对vsen的峰值与谷值采样并相加，获得vsen的平均值vsen_avg，vsen_avg与电感电流的平均值成正比；输出电流积分器，将vsen_avg转换成等效电流，并基于pwm<1:n>对vsen_avg进行积分，输出vc<1:n>，为每路负载电流的等效电压。

3、优选的，本发明提出的负载电流计算装置工作原理如图2所示，当simo直流控制环路进入稳态，且电感电流纹波较小时，电感电流il可被视为其直流均值il_avg；在稳态时，因为电感电流il分别在开关信号pwm<1:3>时通过输出功率管s_out1, s_out2,和s_out3，所以每路负载电流恰好为该路开关信号占空比与电感电流均值il_avg的乘积；基于这项观察，可以使用电流采样器获得与il成正比关系的传感电压vsen，并求出其平均值vsen_avg；通过将vsen_avg与每路开关信号占空比相乘，可以获得vc<1:3>，其值等效于每路输出负载。

4、优选的，如图5所示，电流传感器包括：放大器amp1，上拉功率管s_hs，上拉镜像管s_hs_mir，n型晶体管mn1，p型晶体管mp1，mp2和感应电阻rs。放大器amp1和mn1组成钳位电路，使vin_clp等于vin。因为s_hs和s_hs_mir源极、漏极和栅极电压皆相同，且s_hs_mir与s_hs尺寸比值为1:m，所以s_hs_mir中电流为s_hs中电流的1/m。在上拉管导通周期内，经过s_hs电流与电感电流il相同，因此s_hs_mir电流为il×(1/m)。该电流通过电流镜mp1 -mp2镜像并灌入rs上输出感应电压vsen，其公式为：

5、 (1)

6、优选的，如图6所示，求平均值电路包括：开关s1 - s8，采样电容c1 - c4（容值相同），输入信号为感应电压vsen，输出电压为感应电压平均值vsen_avg；ф_sv1、ф_sv2为谷值采样(sample valley)信号，ф_sp1、ф_sp2为峰值采样(sample peak)信号，ф_avg1、ф_avg2为求平均控制信号；当ф_sv1或ф_sv2为高电平时，vsen的谷值被s1、s7采样，其电平(vsen_vly1、vsen_vly2)被分别存储在c1和c3中；当ф_sp1或ф_sp2为高电平时，vsen的峰值被s2、s8采样，其电平(vsen_pk1、vsen_pk2)被分别存储在c2和c4中；当ф_avg1为高电平时，vsen_vly1和vsen_pk1被相加求平均以输出vsen_avg；当ф_avg2为高电平时，vsen_vly2和vsen_pk2被相加求平均以输出vsen_avg；ф_avg1和ф_avg2交替为高电平以不间断输出vsen_avg。

7、优选的，如图7所示，输出电流积分器包括：放大器amp2，n型晶体管mn2，电阻r0，电流镜管mpa0 - mpan，充电开关s_chg1-n，复位开关s_rst1-n，采样开关s_sp1-n，采样电容c_sp1-n，保持电容c_hold1-n；充电开关s_chg1-n由输出功率管开关信号pwm<1:n>分别控制，复位开关由复位信号ф_rst统一控制，采样信号s_sp1-n由采样信号ф_sp统一控制。放大器amp2，r0，mn2构成电压-电流转换电路，amp2将vr点电压钳制在vsen_avg，因此mn2中电流为vsen_avg/r0；此电流被镜像到mpa1 - mpan中每一路，通过电容做积分运算并获得每路负载电流的等效电压vc<1:n>。假设第n路输出功率管占空比为d(n)，c_spn的容值为c0且远大于c_holdn，则vc的表达式为：

8、 (2)

9、其中t为simo直流转换器的工作周期；

10、将公式(1)代入公式(2)，可获得第n路负载等效电压vc与电感电流平均值il_avg的关系：

11、 (3)

12、其中rs，r0，m，t，c0均为定值，vc与il_avg成正比且比值为第n路输出功率管开关信号的占空比。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明不需要使用串联的传感电阻，因此不会影响转换器效率；并且本发明只需要使用作用于上拉管的电流传感器（电流模式的转换器的必备模块），不需要额外设计对每路输出功率管电流传感器，即可计算出每路输出的等效负载，大大减少了设计成本和芯片面积。本发明可以被广泛应用在simo系统中，通过对负载电流的监控达到保护输出负载的效果，延长simo系统的使用寿命。

技术特征：

1.一种用于simo直流转换器的负载电流计算装置，所述系统包括电流传感器，求平均值电路和输出电流积分器。电流传感器镜像上拉功率管电流，输出传感电压vsen；求平均值电路输入端接vsen，输出平均传感电压vsen_avg；输出电流积分器输入端接vsen_avg，控制端接输出管控制信号pwm<1:n>，输出每路负载电流的等效电压vc<1:n>。

2.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其结构包括：上拉功率管s_hs，其漏极接在输入电源电压点vin，其源极接在开关电源切换点vsw，其栅极接在控制信号pwm_hs；上拉镜像管s_hs_mir，其尺寸与s_hs成1:m大小比例关系，其漏极、源极和栅极连接方式与s_hs相同；放大器amp1，其正极输入端连接vin，其负极输入端连接vin的钳位信号vin_clp，其输出连接缓冲管mn1的栅极；缓冲管mn1，其源极连接vin_clp，其漏极连接vpg；电流镜管mp1和mp2之公共栅极电压为vpg，mp1和mp2之源极皆连自举电压vboot，mp1形成二极管连接方式，其漏极连在vpg，mp2之漏极连接在输出传感电压vsen；传感电阻rs端子1连在vsen点，其端子2接地。

3.根据权利要求1所属的一种求平均值电路，其结构包括：开关s1 - s8，采样电容c1 -c4，输入信号为感应电压vsen，输出电压为感应电压平均值vsen_avg；其中c1负极接地，正极连vsen_vly1点；开关s1端子1连vsen_vly1，端子2连vsen，控制端子连接谷值采样(sample valley)信号ф_sv1；开关s2端子1连vsen，端子2连vsen_pk1，控制端子连接峰值采样(sample peak)信号ф_sp1；采样电容c2正极连vsen_pk1，负极接地；开关s3端子1连vsen_vly1，端子2连vsen_avg，控制端子连求平均(average)信号ф_avg1；开关4端子1连vsen_avg，端子2连vsen_pk1，控制端子也连ф_avg1；c3正极连vsen_vly2，负极接地；开关s5端子1连vsen_vly2，端子2连vsen_avg，控制端子连求平均(average)信号ф_avg2；开关s6端子1连vsen_avg，端子2连vsen_pk2，控制端子也连ф_avg2；c4正极连vsen_pk2，负极接地；开关s7端子1连vsen_vly2，端子2连vsen，控制端子连谷值采样(sample valley)信号ф_sv2；开关s8端子1连vsen，端子2连vsen_pk2，控制端子连峰值采样(sample peak)信号ф_sv2。

4.根据权利要求1所述的一种输出电流积分器，其结构包括：放大器amp2，其正极输入端子接vsen_avg，负极输入端子接vr，输出端子接n型晶体管mn2栅极；电阻r0端子1接vr，端子2接地；mn2源极接vr，其漏极接p型电流镜管mpa0-n之共同栅极电压vpag；p型电流镜管mpa0-n之源极皆连接电源电压；mpa1，充电开关s_chg1，复位开关s_rst1，采样电容c_sp1，采样开关s_sp1和电荷保持电容c_hold1组成对第1路输出的电流积分器；充电开关s_chg1，其端子1连接mpa1之漏极，其端子2连接第1路的采样电压v_sp1，其控制端子连接第1路输出开关管控制信号pwm<1>；复位开关s_rst1，其端子1连接vsp1，其端子2接地，其控制端子连接公共复位信号ф_rst；采样电容c_sp1端子1连接v_sp1，端子2接地；采样开关s_sp1，其端子1连接v_sp1，其端子2连接第一路的负载电流的等效电压vc<1>，其控制端子连接公用采样信号ф_sp；第n路输出的电流积分器包括mpan，充电开关s_chgn，复位开关s_rstn，采样电容c_spn，采样开关s_spn和电压保持电容c_holdn，其连接方式与第1路输出电流积分器相同。

5.根据权利要求1所述的一种用于simo直流转换器的负载电流计算装置，其原理包括：当电感电流il纹波较小时，每路负载电流iload1-n正比于电感电流的平均值il_avg，其比例系数为每路输出功率管控制信号pwm<1:n>的占空比。

6.根据权利要求1所述的一种用于simo直流转换器的负载电流计算装置，其工作方式包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种用于SIMO直流转换器的负载电流计算装置。所述系统包括电流传感器，求平均值电路以及输出电流积分器。电流传感器镜像上拉开关管S_HS的瞬态电流并输出传感电压Vsen，Vsen与在S_HS导通时间内的电感电流IL成正比关系；求平均值电路首先对Vsen的峰值和谷值分别采样，再将两者相加获得平均传感电压Vsen_avg，Vsen_avg与平均电感电流成正比关系；输出电流积分器将Vsen_avg与每路输出管控制信号PWM<1:n>分别相乘，以计算出每路负载电流的等效电压VC<1:n>，VC<1:n>与每路负载电流Iload1‑n成正比。不同于传统的多路输出电流传感技术（每路串联传感电阻或每路使用电流镜检测电路），本发明装置可利用上拉管电流（电流模转换器必备）和输出功率管控制信号，直接计算出每一路的输出负载电流，结构精简，且减少了芯片面积，不会影响转换器效率。

技术研发人员：李兴,孟潇东,陈阳
受保护的技术使用者：江苏鑫康微电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16