DC-DC芯片中的新型電流感應電路技術

在DC-DC設計中，由于電流環路控制模式具有的巨大優越性，電流環路控制已經成為一種普遍采用的控制方法。在電流環路中，電流感應是實現電流控制環路的第一步，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、斜坡補償等功能的實現基礎。

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。而根據歐姆定律，用電阻將電流轉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生極大的功耗進而降低了DC／DC芯片的轉換效率，而用片上集成電阻技術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：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技術、霍耳效應傳感技術、電感變壓器等。平均電流感應技術也需要知道外部電感的寄生電阻而不適合IC集成。霍耳效益傳感技術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。M_H是PMOS功率管，有較大輸出電流流過。將M_HS設計成與M_H成1：N的比例，放大器有較大增益。那么，根據反饋控制理論，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，



這里，也得到了V_sense與I_L的關系式。一般而言，這種電路結構比前述各種結構更適合芯片集成，且不易對輸出電路產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I_L是電流形式，那么，如果使用電流模設計技術，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虛框內部分，使感應更精確。電流感應電路工作原理與傳統的SENSE-FET結構相似，這里使用電流模放大器替代通常的電壓模放大器，使電路結構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管也導通，則電路會從A點抽取適量的電流Ioffset。同樣，與SENSE-FET結構分析過程相似，Ioffset是由MHSC與MHS的比例決定的。


3? 結? 果

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


4 結? 語

通過總結對比可以使用于DC-DC芯片集成的各種電流感應技術，這種新型的電流感應技術有結構簡單、精度較高、易于集成等優點，適用于多數DC-DC設計場合。