DC-DC芯片中的新型電流感應(yīng)電路技術(shù)

在DC-DC設(shè)計中，由于電流環(huán)路控制模式具有的巨大優(yōu)越性，電流環(huán)路控制已經(jīng)成為一種普遍采用的控制方法。在電流環(huán)路中，電流感應(yīng)是實現(xiàn)電流控制環(huán)路的第一步，也是必不可少的一部分。另外，電流感應(yīng)也是過流保護、零電流保護、斜坡補償?shù)裙δ艿膶崿F(xiàn)基礎(chǔ)。

1 電流感應(yīng)方法綜述

電流感應(yīng)的核心設(shè)計思想就是：設(shè)計的電路輸出信號(電壓或者電流)與輸出電流(通過功率管或電感等)存在一個可以量化的關(guān)系式，即Vout=f(ILx)。一般而言，電流感應(yīng)電路的取樣位置在電感之后或PMOS功率管之前，如圖1所示。而根據(jù)歐姆定律，用電阻將電流轉(zhuǎn)換為容易處理的電壓信號也是一種容易想到的辦法。遺憾的是，通常通過PMOS管的電流極大(如500 mA或幾A)，那么，如果該處電阻值過大將會產(chǎn)生極大的功耗進而降低了DC／DC芯片的轉(zhuǎn)換效率，而用片上集成電阻技術(shù)要做到極小阻值且精確的電阻(如小于100 mΩ)是相當困難的。但是不管將此電阻外接或者使用電感之后感應(yīng)的辦法，都會增加兩個額外的芯片引腳，這在很多設(shè)計中是不可接受的。

在片上集成電阻電流感應(yīng)中，常見的優(yōu)化方法有兩種：其一是將PMOS管按比例分割，如分成N：1，只在一條支路加入電阻取樣。這樣流過電阻的電流減小為原來的1／(N+1)，但是，該支路由于電阻的加入，與流過大電流之路的等效阻值已經(jīng)不再精確成比例，進而電阻感應(yīng)的精度受到影響。其二，是利用PMOS本身的導(dǎo)通電阻：R_on=L／[μ_NC_oxW(V_gs-V_t)]，這樣不存在集成電阻的問題，但MOS管的導(dǎo)通電阻受到工藝、工作溫度因素的影響，很難精確控制。

由于通過電感的電壓：

V_L=(R_L+SL)I_L

式中：R_L是電感寄生電阻。

那么，在電感兩端加入如圖2(a)的RC濾波器，則在電容兩端的電壓：



式中：T=L／R_L；T₁=R_fC_f；R_L為電感等效損耗電阻。

另外，由于電感電壓變化與電流變化存在關(guān)系式：V=Ldi／dt，那么反之，對電感電壓對時間積分，并除去L值，也可以得出I_L值，電路如圖2(b)所示。


但是，這兩種方法需要L或RL已知，并且同樣也需要增加芯片引腳。

其他方法還有平均電流感應(yīng)技術(shù)、霍耳效應(yīng)傳感技術(shù)、電感變壓器等。平均電流感應(yīng)技術(shù)也需要知道外部電感的寄生電阻而不適合IC集成。霍耳效益?zhèn)鞲屑夹g(shù)需要對電感電流變化引起的磁場變化有靈敏的感應(yīng)，但一般CMOS工藝集成的霍耳傳感器通常存在低帶寬、溫度敏感、靈敏度低等缺陷，否則需要特殊的工藝參雜，其應(yīng)用也受到一定限制，一般在多應(yīng)用于電機控制領(lǐng)域，目前尚不見有用于DC／DC芯片集成的報道。電感變壓器限于體積、成本等因素，通常在大電流領(lǐng)域采用。

2 基于電流模的電流感應(yīng)方法

圖3給出了一種利用SENSE-FET方式電流感應(yīng)的電路。M_H是PMOS功率管，有較大輸出電流流過。將M_HS設(shè)計成與M_H成1：N的比例，放大器有較大增益。那么，根據(jù)反饋控制理論，放大器強制A點電壓與B點電壓相等，則I_S：I_MH=1：N。另外，由于電流鏡強制I₁=I₂，那么，

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這里，也得到了V_sense與I_L的關(guān)系式。一般而言，這種電路結(jié)構(gòu)比前述各種結(jié)構(gòu)更適合芯片集成，且不易對輸出電路產(chǎn)生如效率降低等影響，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但是，放大器的使用增大了電路的復(fù)雜性。

由于電路處理的對象I_L是電流形式，那么，如果使用電流模設(shè)計技術(shù)，可以大大簡化電路。而且，如果后繼電路更多地使用電流模，也可以簡化電流控制環(huán)路電路設(shè)計。新設(shè)計的電流感應(yīng)如圖4虛框外部分所示，這里還包含了一個偏移消除電路，即圖4虛框內(nèi)部分，使感應(yīng)更精確。電流感應(yīng)電路工作原理與傳統(tǒng)的SENSE-FET結(jié)構(gòu)相似，這里使用電流模放大器替代通常的電壓模放大器，使電路結(jié)構(gòu)簡化且能工作在更廣泛的范圍。偏移消除電路作用是抑制當V_gate為高時，額外的電流通過R_sense。因為，當V_gate為高時，偏移消除電路中V_gate控制的NMOS管也導(dǎo)通，則電路會從A點抽取適量的電流Ioffset。同樣，與SENSE-FET結(jié)構(gòu)分析過程相似，Ioffset是由MHSC與MHS的比例決定的。


3  結(jié)  果

圖5給出在Spectre仿真器環(huán)境下，電流感應(yīng)電路的輸出波形的仿真結(jié)果，并與電感電流對比。由圖5可見，電流感應(yīng)電路的結(jié)果與電感電流有較好的傳感精度。


4 結(jié)  語

通過總結(jié)對比可以使用于DC-DC芯片集成的各種電流感應(yīng)技術(shù)，這種新型的電流感應(yīng)技術(shù)有結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、易于集成等優(yōu)點，適用于多數(shù)DC-DC設(shè)計場合。