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[導(dǎo)讀]DC-DC芯片中的新型電流感應(yīng)電路技術(shù)在DC-DC設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電流控制環(huán)路的第一步,也是必不可少的一部分

DC-DC芯片中的新型電流感應(yīng)電路技術(shù)

在DC-DC設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)流保護(hù)、零電流保護(hù)、斜坡補(bǔ)償?shù)裙δ艿膶?shí)現(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(jì)思想就是:設(shè)計(jì)的電路輸出信號(hào)(電壓或者電流)與輸出電流(通過(guò)功率管或電感等)存在一個(gè)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(hào)也是一種容易想到的辦法。遺憾的是,通常通過(guò)PMOS管的電流極大(如500 mA或幾A),那么,如果該處電阻值過(guò)大將會(huì)產(chǎn)生極大的功耗進(jìn)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(dāng)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(huì)增加兩個(gè)額外的芯片引腳,這在很多設(shè)計(jì)中是不可接受的。

在片上集成電阻電流感應(yīng)中,常見(jiàn)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(guò)電阻的電流減小為原來(lái)的1/(N+1),但是,該支路由于電阻的加入,與流過(guò)大電流之路的等效阻值已經(jīng)不再精確成比例,進(jìn)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:Ron=L/[μNCoxW(Vgs-Vt)],這樣不存在集成電阻的問(wèn)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(guò)電感的電壓:

VL=(RL+SL)IL

式中:RL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/RL;T1=RfCf;RL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(duì)電感電壓對(duì)時(shí)間積分,并除去L值,也可以得出IL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?;舳б?zhèn)鞲屑夹g(shù)需要對(duì)電感電流變化引起的磁場(chǎng)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(jī)控制領(lǐng)域,目前尚不見(jiàn)有用于DC/DC芯片集成的報(bào)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。MH是PMOS功率管,有較大輸出電流流過(guò)。將MHS設(shè)計(jì)成與MH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(qiáng)制A點(diǎn)電壓與B點(diǎn)電壓相等,則IS:IMH=1:N。另外,由于電流鏡強(qiáng)制I1=I2,那么,

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這里,也得到了Vsense與IL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(duì)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(duì)象IL是電流形式,那么,如果使用電流模設(shè)計(jì)技術(shù),可以大大簡(jiǎn)化電路。而且,如果后繼電路更多地使用電流模,也可以簡(jiǎn)化電流控制環(huán)路電路設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)的電流感應(yīng)如圖4虛框外部分所示,這里還包含了一個(gè)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(jiǎn)化且能工作在更廣泛的范圍。偏移消除電路作用是抑制當(dāng)Vgate為高時(shí),額外的電流通過(guò)Rsense。因?yàn)?,?dāng)Vgate為高時(shí),偏移消除電路中Vgate控制的NMOS管也導(dǎo)通,則電路會(huì)從A點(diǎn)抽取適量的電流Ioffset。同樣,與SENSE-FET結(jié)構(gòu)分析過(guò)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(duì)比。由圖5可見(jiàn),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(yǔ)

通過(guò)總結(jié)對(duì)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(jiǎn)單、精度較高、易于集成等優(yōu)點(diǎn),適用于多數(shù)DC-DC設(shè)計(jì)場(chǎng)合。

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