DC-DC芯片中的新型電流感應(yīng)電路技術(shù)

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：R_on=L／[μ_NC_oxW(V_gs-V_t)]，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：

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(duì)電感電壓對(duì)時(shí)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?；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。M_H是PMOS功率管，有較大輸出電流流過(guò)。將M_HS設(shè)計(jì)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(qiáng)制A點(diǎn)電壓與B點(diǎn)電壓相等，則I_S：I_MH=1：N。另外，由于電流鏡強(qiáng)制I₁=I₂，那么，