基于電流極限比較器的設(shè)計(jì)

中心議題：

• 基于電流極限比較器的設(shè)計(jì)
• 電流極限比較器的新結(jié)構(gòu)及原理

解決方案：

• 采用電流鏡網(wǎng)絡(luò)代替電阻網(wǎng)絡(luò)
• 采用TSMC0.25μm工藝模型

• 采用cascode結(jié)構(gòu)組成電流比較器

1.引言

開關(guān)電源因體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在電子、電器設(shè)備、家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入了快速發(fā)展期。開關(guān)電源的基本工作原理為：在不同的負(fù)載情況下，反饋控制電路通過改變功率開關(guān)管的占空比使輸出電壓穩(wěn)定。反饋控制電路分為電流模式和電壓模式，電流模式因動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單、增益帶寬大、輸出電感小、易于均流等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

極限電流比較器是電流模式控制電路中一個(gè)非常重要的部分，其對(duì)不同的負(fù)載情況，產(chǎn)生不同的極限電流，去限制電感上的峰值電流或平均電流，從而盡可能地減小輸出電壓紋波和提高電源效率。例如：

重負(fù)載情況對(duì)應(yīng)的電源輸出電流比較大，此時(shí)應(yīng)設(shè)定較大極限電流，保證輸出電壓穩(wěn)定；輕負(fù)載情況對(duì)應(yīng)的極限電流較小，此時(shí)應(yīng)設(shè)定較小極限電流，使輸出電壓穩(wěn)定。因此不同的負(fù)載情況對(duì)應(yīng)不同的極限電流，從而得到不同的占空比，保證電源效率高和輸出電壓紋波小。

傳統(tǒng)的開關(guān)電源控制電路中，電流極限比較器結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，檢測(cè)電流由M1（senseMOSFET）流入由多個(gè)開關(guān)管和電阻組成的網(wǎng)絡(luò)R1中，該網(wǎng)絡(luò)通過控制開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷，改變R1的電阻值，得到不同的占空比。另外一基準(zhǔn)電流流過一阻值固定的電阻R，產(chǎn)生一固定參考電壓。當(dāng)R1的壓降隨檢測(cè)電流上升到參考電壓時(shí)，比較器關(guān)斷功率管，保證輸出電壓穩(wěn)定。其工作原理如圖2（a）所示，例如：R1上的電壓從a上升到d，從而關(guān)斷功率管產(chǎn)生一占空比，當(dāng)改變R1的電阻值，R1上的電壓從a上升到f得到另一占空比。從圖1（a）可以看出：傳統(tǒng)的開關(guān)電源電流極限比較器是將兩種電流先轉(zhuǎn)化成電壓再進(jìn)行比較，需要占芯片面積非常大的電阻網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)管，并且為保證電阻精度，一般需要激光修調(diào)技術(shù)，這大大增加了芯片成本。因此本文在此基礎(chǔ)上提出一種新型的電流極限比較器結(jié)構(gòu)。

2.新結(jié)構(gòu)及原理

圖1（b）給出了本文所提出的電流極限比較器的基本框架，其中Iref為通過電流鏡產(chǎn)生的極限電流，其值可變。檢測(cè)電流由M1（senseMOSFET）流入電流比較器，直接與所設(shè)定的極限電流比較，當(dāng)其值上升到極限電流時(shí)，關(guān)斷功率管。通過改變極限電流的大小，得到不同的占空比，其工作原理如圖2（b）所示。

M0通過電流鏡引入基準(zhǔn)電流，M2，M3，M4，M5通過M1以一定的比例產(chǎn)生四種大小不同的基準(zhǔn)電流，然后分別通過電流鏡傳到M7，M9，M11及M5，四種電流以不同的組合產(chǎn)生電源所需的各種極限電流。檢測(cè)電源輸出電壓的狀態(tài)機(jī)通過對(duì)輸出電壓的檢測(cè)，產(chǎn)生相應(yīng)的高低電平信號(hào)去設(shè)定所需的極限電流[4].此電路巧妙地用狀態(tài)機(jī)的輸出電壓作為電流鏡的電源電壓，分別接到s0，s1，s2，直接控制電流鏡導(dǎo)通或關(guān)斷，產(chǎn)生所需要的極限電流，從而不需要占芯片面積非常大的開關(guān)管。

由于采用電流鏡網(wǎng)絡(luò)代替電阻網(wǎng)絡(luò)，工藝上MOS管的匹配性遠(yuǎn)高于電阻的匹配性，從而避免了電阻網(wǎng)絡(luò)為保證精確度而采用的激光修調(diào)技術(shù)，大大降低了成本。并且電流鏡所占的芯片面積大大小于電阻網(wǎng)絡(luò)所占的面積，進(jìn)一步降低成本。另外本文非常巧妙地利用狀態(tài)機(jī)輸出的控制信號(hào)直接作電流鏡的電源，從而使電流極限比較器不需要占版圖面積非常大的開關(guān)管。例如，s0，s2接高電平，s1接低電平時(shí)，M9中沒有電流，M7，M8和M5中的電流之和Mc1和Mc2作為極限電流。在傳統(tǒng)的電流極限比較器中，為保證開關(guān)管導(dǎo)通電阻非常小，其寬長(zhǎng)比非常大，從而占比較大的版圖面積。本結(jié)構(gòu)巧妙地省去開關(guān)管，進(jìn)一步減少芯片面積，降低成本。為滿足低功耗設(shè)計(jì)，本文設(shè)定M5中的電流作為幾種極限電流的最小值，并且始終存在電流。當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，控制信號(hào)s0，s1，s2為低電平，則電流鏡網(wǎng)絡(luò)中只有M5中存在電流，由于其靜態(tài)電流非常小，從而保證電路低功耗。而在帶電阻網(wǎng)絡(luò)的電流極限比較器（其實(shí)為電壓比較器）中，一般需要產(chǎn)生大約1V以上的參考電壓，從而開關(guān)管關(guān)斷時(shí)靜態(tài)電流相對(duì)比較大。M5中的電流既可以作為正常工作時(shí)的極限電流，又可以防止由于狀態(tài)機(jī)和電流鏡的延時(shí)或噪聲引起的誤動(dòng)作。

Mc3--Mc6組成cascode結(jié)構(gòu)作為電流比較器。

檢測(cè)電流引入到Mc8，這可采用中的結(jié)構(gòu)完成。然后鏡像到Mc5.當(dāng)主功率管開始導(dǎo)通時(shí)，Mc5和Mc6中的電流鏡像檢測(cè)電流緩緩上升，只要檢測(cè)電流小于此時(shí)所設(shè)定的極限電流，Mc3和Mc4就至少有一個(gè)工作在線性區(qū)，Mc3和Mc4作為一個(gè)整體呈電阻特性。因?yàn)槿鬗c3和Mc4已工作于飽和區(qū)，則其電流一定會(huì)鏡像Mc1和Mc2中的電流即極限電流。這就會(huì)出現(xiàn)Mc3和Mc4中的電流與Mc5和Mc6中的電流不等的矛盾。因此，只有當(dāng)Mc3和Mc4中的電流與Mc5和Mc6中的電流相等時(shí)，Mc3和Mc4才工作于飽和區(qū)。

當(dāng)檢測(cè)電流與極限電流相等時(shí)，cascode輸出電源電壓與地的平均值給反相器，此時(shí)正好達(dá)到反相器的中轉(zhuǎn)電壓，反相器開始翻轉(zhuǎn)電平，從而關(guān)斷功率管。由于比較器采用cascode結(jié)構(gòu)，其輸出電阻非常大，則只要檢測(cè)電流剛上升到極限電流時(shí)，即可馬上使反相器電平翻轉(zhuǎn)，關(guān)斷功率管，具有非常高的精度。cascode結(jié)構(gòu)代替電壓比較器使檢測(cè)電流與極限電流直接比較，也避免了由電壓比較器的失調(diào)電壓引起的不精確性。例如，假設(shè)失調(diào)電壓為20mV，電阻網(wǎng)絡(luò)的最小值為5kΩ，則失調(diào)電壓會(huì)引起4μA的檢測(cè)電流誤差，極大地影響了系統(tǒng)的性能。總之，本文所提出的電流極限比較器結(jié)構(gòu)無論是電流鏡部分還是電流比較器部分比之相應(yīng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)都具有較大的改進(jìn)。

3.仿真

本文采用TSMC0.25μm工藝模型對(duì)圖3設(shè)定參數(shù)進(jìn)行性能仿真。設(shè)最小極限電流即通過m5中的電流為4μA，s0所控制的極限電流為12μA，s1所控制的極限電流為20μA，s2所控制的極限電流為36μA.

圖4-圖7給出了極限電流分別為4μA，16μA，24μA和40μA時(shí)電流比較器的工作情況，四種電流所對(duì)應(yīng)的占空比分別為10%，40%，60%和100%.圖4-圖7中橫軸代表檢測(cè)電流，其從0慢慢增大，縱軸代表圖3中某些關(guān)鍵點(diǎn)的電壓隨檢測(cè)電流變化的情況。

現(xiàn)以圖4為例闡述電流極限比較器的工作情況。此時(shí)極限電流為4μA，其虛線代表cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓波形，黑色實(shí)線代表反相器的輸出電壓波形即與非門的輸入電壓波形，另外兩條點(diǎn)劃線分別代表cascode結(jié)構(gòu)中Mc3和Mc4的柵電壓波形。

從虛線即cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓波形可以看出，電流極限比較器的工作過程分為五個(gè)階段，第一階段：檢測(cè)電流從0慢慢上升到A，在此過程中，由于檢測(cè)電流遠(yuǎn)小于極限電流，強(qiáng)迫Mc3和Mc4都工作于線性區(qū)。第二階段：檢測(cè)電流從A上升到B，cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓也隨著上升，使Mc4工作于飽和區(qū)，Mc3工作于線性區(qū)。但是Mc4只是剛剛進(jìn)入飽和區(qū)，還受溝道調(diào)制因素影響，這可從圖中很清析地看出當(dāng)cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓隨檢測(cè)電流上升時(shí)，Mc4中電流慢慢接近所設(shè)定的極限電流。第三階段：檢測(cè)電流從B上升到C，此時(shí)檢測(cè)電流已上升到所設(shè)定的極限電流，Mc3和Mc4都工作于飽和區(qū)，同時(shí)cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓也上升到后面反相器的中點(diǎn)電壓，經(jīng)過后續(xù)控制電路關(guān)斷功率管。第四階段：檢測(cè)電流從C上升到D，此時(shí)檢測(cè)電流大于所設(shè)定的極限電流，迫使Mc5工作于線性區(qū)，雖Mc6還工作于飽和區(qū)，但受溝道調(diào)制因素影響，另外Mc3和Mc4工作于飽和區(qū)。第五階段：檢測(cè)電流從D繼續(xù)往上升，迫使Mc5和Mc6都工作于線性區(qū)，Mc3和Mc4工作于飽和區(qū)。從圖4中可以看出，當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到4.1μA時(shí)，關(guān)斷功率管，滿足系統(tǒng)要求。圖5--圖7的工作情況與圖4類似，圖5設(shè)定極限電流為16μA，可以看出當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到15.97μA時(shí)，關(guān)斷功率管。圖6設(shè)定極限電流為24μA，可以看出當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到23.82μA時(shí)，關(guān)斷功率管。圖7設(shè)定極限電流為40μA，可以看出當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到39.6μA時(shí)，關(guān)斷功率管。

仿真結(jié)果表明，本文所提出的新結(jié)構(gòu)能使檢測(cè)電流非常精確地達(dá)到所設(shè)定的極限電流值，滿足系統(tǒng)的要求。但是圖中顯示檢測(cè)電流與極限電流還是有一定的偏差（最大為0.4μA），通過仿真分析發(fā)現(xiàn)這是因溝道調(diào)制因素引起電流鏡鏡像的誤差造成的。若將電流鏡的柵寬增大能進(jìn)一步提高精度，但這會(huì)一定程度上增大芯片的面積，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求折中考慮。

結(jié)束

本文提出了一種新型的電流極限比較器結(jié)構(gòu)，其采用電流鏡結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生開關(guān)電源所需的幾種極限電流，采用cascode結(jié)構(gòu)組成電流比較器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓比較器使兩種電流直接比較。此結(jié)構(gòu)不需要開關(guān)管和電阻網(wǎng)絡(luò)，使得芯片面積大幅度降低，減小了成本，同時(shí)具有速度快，功耗低，精度高的優(yōu)點(diǎn)。