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[導讀]DC-DC芯片中的新型電流感應電路技術(shù)在DC-DC設計中,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

DC-DC芯片中的新型電流感應電路技術(shù)

在DC-DC設計中,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。

1 電流感應方法綜述

電流感應的核心設計思想就是:設計的電路輸出信號(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的辦法,都會增加兩個額外的芯片引腳,這在很多設計中是不可接受的。

在片上集成電阻電流感應中,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,進而電阻感應的精度受到影響。其二,是利用PMOS本身的導通電阻:Ron=L/[μNCoxW(Vgs-Vt)],這樣不存在集成電阻的問題,但MOS管的導通電阻受到工藝、工作溫度因素的影響,很難精確控制。

由于通過電感的電壓:

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,對電感電壓對時間積分,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技術(shù)、霍耳效應傳感技術(shù)、電感變壓器等。平均電流感應技術(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,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,其應用也受到一定限制,一般在多應用于電機控制領(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方法

圖3給出了一種利用SENSE-FET方式電流感應的電路。MH是PMOS功率管,有較大輸出電流流過。將MHS設計成與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,放大器強制A點電壓與B點電壓相等,則IS:IMH=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,且不易對輸出電路產(chǎn)生如效率降低等影響,因而得到了廣泛的應用。但是,放大器的使用增大了電路的復雜性。

由于電路處理的對象IL是電流形式,那么,如果使用電流模設計技術(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)路電路設計。新設計的電流感應如圖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,使感應更精確。電流感應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Vgate為高時,額外的電流通過Rsense。因為,當Vgate為高時,偏移消除電路中Vgate控制的NMOS管也導通,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技術(shù),這種新型的電流感應技術(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設計場合。

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