靈巧功率集成電路中功率MOSFET電流感知方法的研究
1 引言
20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了世界性的能源危機(jī),電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效能變換和控制,其發(fā)展為節(jié)約能源做出了巨大貢獻(xiàn)。在電能傳輸與轉(zhuǎn)換(包括綠色電源產(chǎn)品)中,如何減少能源損耗已成為很重要的研究方向。80年代,新型功率mos器件和以其為基礎(chǔ)的靈巧功率集成電路(smart power integrated circuit,spic)隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步迅速發(fā)展起來(lái),spic把控制集成電路與功率mos器件做在同一顆芯片上[1],具有低成本,高效率,高可靠性等優(yōu)點(diǎn),baliga曾提出spic的發(fā)展將會(huì)引起第二次電子革命。
spic集控制邏輯、保護(hù)電路、功率器件于一體,如圖1所示,在很多領(lǐng)域如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,電子鎮(zhèn)流器,dc-dc轉(zhuǎn)換器,功率因數(shù)校正器,開(kāi)關(guān)電源等都有應(yīng)用,并體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。
由于保護(hù)電路集成于器件內(nèi),可以大大提高spic的可靠性。其中,功率器件的過(guò)流保護(hù)是非常重要一部分。通常功率器件的電流檢測(cè)有以下幾種方法:
在輸出回路中串接電阻[2] 此方法優(yōu)點(diǎn)是電流檢測(cè)準(zhǔn)確,但是由于輸出電流很大,則在檢測(cè)電流上有很大的功率損耗。
rds檢測(cè) 此方法利用mos器件導(dǎo)通時(shí)工作于線(xiàn)性區(qū),可以當(dāng)作有源電阻。此方法雖可以?xún)?nèi)部集成,但是由于rds隨工作條件和外界環(huán)境條件(如溫度等)的變化而有很大的檢測(cè)誤差。
在輸出回路中加入互感線(xiàn)圈 雖然比串聯(lián)電阻減少了功率損耗,但也是成本很高的一種辦法。
sensefet的方法[2-4] sensefet感知電流方法的思想來(lái)源于電流鏡。相比其他方法有很多優(yōu)勢(shì),如可完全集成,損耗功耗小,相對(duì)準(zhǔn)確等,是spic中較常使用的方法。
2 sensefet方法檢測(cè)電流的工作原理
用sensefet進(jìn)行電流檢測(cè),即是用sensefet與功率器件主體(以下稱(chēng)main fet)并聯(lián),圖2為此方法的示意圖,圖中kelvin線(xiàn)表示考慮了電路中的電流流過(guò)金屬線(xiàn)造成的電壓差的影響[5]。通常sensefet的寬度遠(yuǎn)小于mainfet的柵寬,比例越小,功耗越小,但是電流檢測(cè)準(zhǔn)確度也會(huì)降低,因此要在功耗和準(zhǔn)確度之間取合適的值,通常取n=1:1 500,功率mos是許多單元并聯(lián)構(gòu)成,電流完全按照單元數(shù)多少來(lái)分配,如果假設(shè)vsense很小,可以忽略其對(duì)sensefet源極電位s’與main fet的源極s的電位差,那么在sensefet上流過(guò)的電流可近似為功率器件電流的1/n,用此方法進(jìn)行電流檢測(cè)的過(guò)流保護(hù)電路[6]如圖3所示。
圖3中rsense上得到的反映電流變化的電壓vsense,經(jīng)過(guò)放大得到電壓v,再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,如果電流超過(guò)額定值,保護(hù)電路將輸出保護(hù)信號(hào)protect signal來(lái)關(guān)斷功率器件。
3 影響電流檢測(cè)準(zhǔn)確性的原因分析
從以上分析可知,電流感知的準(zhǔn)確度直接影響過(guò)流保護(hù)的輸出是否會(huì)有誤操作,那么怎樣才能準(zhǔn)確地檢測(cè)功率器件的電流呢?下面將對(duì)可能引起電流感知誤差的因素進(jìn)行詳細(xì)的分析,使設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)考慮如何降低這樣因素對(duì)電流檢測(cè)的影響,從而得到更加準(zhǔn)確的電流檢測(cè)電路。
在功率器件的工作過(guò)程中,從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2方面來(lái)分析影響電流檢測(cè)準(zhǔn)確性的原因,靜態(tài)工作時(shí),主要有以下幾個(gè)方面:
(1)源極連線(xiàn)電阻和pad電阻的不同,也就是mainfet的大電流流過(guò)金屬線(xiàn)產(chǎn)生的壓降與sensefet不同造成的誤差,此處可用kelvin連線(xiàn)降低該誤差。
(2)電流比例因子n的變化,如果不能忽略rsense的大小,那么sensefet源極電位s’與main fet的源極s的電位差將使比例因子n’變大[7],見(jiàn)圖2所示,工作在線(xiàn)性區(qū)的sensefet電阻見(jiàn)公式(1):
rs=l/wμcos(vgs-vt) (1)
由于rsense的加入,n’變化為公式(2)所示,比n有所增加。
(3)溫度變化引起的電流檢測(cè)的誤差:由于溫度的變化,帶來(lái)的閾值電壓以及ron變化,從而影響了電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
功率mosfet動(dòng)態(tài)工作[6]時(shí),考慮:
(1)功率管工作區(qū)從飽和區(qū)到線(xiàn)性區(qū)變化帶來(lái)的ron變化,改變了電流比例因子。當(dāng)柵壓從低到高時(shí),功率管導(dǎo)通,其漏極高電平降為低電平,將從飽和區(qū)過(guò)渡為線(xiàn)性區(qū)。在飽和區(qū),電流比即為sensefet和mainfet的柵寬之比;在完全導(dǎo)通的狀態(tài),電流比則由sensefet和maifet導(dǎo)通電阻決定。
(2)襯偏效應(yīng):由于sensefet源極電位s’為檢測(cè)電流和rsense的乘積,若檢測(cè)電流為周期變化的正弦半波,則源極電位s’與襯底電位之間也隨時(shí)間有個(gè)變化,則帶來(lái)sensefet的襯偏效應(yīng),使電流比例產(chǎn)生誤差。
(3)連線(xiàn)和封裝在高頻工作時(shí)互感的影響。
圖4中看到由于mainfet與sensefet引線(xiàn)單元排列之間將產(chǎn)生1:1的互感器,則在一側(cè)產(chǎn)生的di/dt由于耦合作用就會(huì)在電流檢測(cè)中產(chǎn)生很大的誤差[6]。
4 討論與總結(jié)
綜合以上的分析,對(duì)功率mosfet進(jìn)行準(zhǔn)確的電流檢測(cè)是確保及時(shí)有效地過(guò)流保護(hù)的必要條件,本文介紹了功率mosfet的電流感知的幾種方法,并重點(diǎn)分析了靈巧功率集成電路中最常用的sensefet方法。該方法有許多優(yōu)點(diǎn),完全集成于芯片內(nèi),功耗小、高可靠性??紤]檢測(cè)電流的變化,檢測(cè)方法結(jié)構(gòu)的影響,以及功率mosfet工作特點(diǎn)等因素,本文分析了影響電流檢測(cè)準(zhǔn)確性的誤差源,可以為設(shè)計(jì)高性能的電流檢測(cè)過(guò)程提供參考。
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