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    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法

    發(fā)布時(shí)間:2019-01-10 責(zé)任編輯:wenwei

    【導(dǎo)讀】隨著電子產(chǎn)品向小型化、便攜化的趨勢(shì)發(fā)展,單片集成的高效、低電源電壓DC-DC變換器被廣泛應(yīng)用。在許多電源管理IC中都用到了電流檢測(cè)電路。在電流模式PWM控制DC-DC變換器中,電流檢測(cè)模塊是組成電流環(huán)路的重要部分,用于檢測(cè)流過(guò)功率管和電感上的電流,并通過(guò)將電流檢測(cè)結(jié)果和電壓環(huán)路的輸出做比較,實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的效果。在電壓模式PWM控制DC-DC變換器、LDO、Charge Pump等電路中,它還可以用作開(kāi)路、短路、過(guò)流等節(jié)能和保護(hù)性目的。
     
    傳統(tǒng)的電流檢測(cè)方法有3種:
     
    (1)利用功率管的RDS進(jìn)行檢測(cè);
    (2)使用檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管檢測(cè);
    (3)場(chǎng)效應(yīng)晶體管與檢測(cè)電阻結(jié)合。
     
    針對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,不同于傳統(tǒng)的電流檢測(cè)方式,本文提出了一種新穎的電流檢測(cè)方法。
     
    1 傳統(tǒng)的電流檢測(cè)方法
     
    1.1 利用功率管的RDS進(jìn)行檢測(cè)(RDS SENSING)
     
    當(dāng)功率管(MOSFET)打開(kāi)時(shí),它工作在可變電阻區(qū),可等效為一個(gè)小電阻。MOSFET工作在可變電阻區(qū)時(shí)等效電阻為:
     
    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    式中:μ為溝道載流子遷移率;Cox為單位面積的柵電容;VTH為MOSFET的開(kāi)啟電壓。
     
    如圖1所示,已知MOSFET的等效電阻,可以通過(guò)檢測(cè)MOSFET漏源之間的電壓來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)電流。
     
    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    這種技術(shù)理論上很完美,它沒(méi)有引入任何額外的功率損耗,不會(huì)影響芯片的效率,因而很實(shí)用。但是這種技術(shù)存在檢測(cè)精度太低的致命缺點(diǎn):
     
    (1)MOSFET的RDS本身就是非線性的。
    (2)無(wú)論是芯片內(nèi)部還是外部的MOSFET,其RDS受μ,Cox,VTH影響很大。
    (3)MOSFET的RDS隨溫度呈指數(shù)規(guī)律變化(27~100℃變化量為35%)。
     
    可看出,這種檢測(cè)技術(shù)受工藝、溫度的影響很大,其誤差在-50%~+100%。但是因?yàn)樵撾娏鳈z測(cè)電路簡(jiǎn)單,且沒(méi)有任何額外的功耗,故可以用在對(duì)電流檢測(cè)精度不高的情況下,如DC-DC穩(wěn)壓器的過(guò)流保護(hù)。
     
    1.2 使用檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SENSEFET)
     
    這種電流檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際的工程應(yīng)用中較為普遍。它的設(shè)計(jì)思想是:如圖2在功率MOSFET兩端并聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)FET,檢測(cè)FET的有效寬度W明顯比功率MOSFET要小很多。功率MOSFET的有效寬度W應(yīng)是檢測(cè)FET的100倍以上(假設(shè)兩者的有效長(zhǎng)度相等,下同),以此來(lái)保證檢測(cè)FET所帶來(lái)的額外功率損耗盡可能的小。節(jié)點(diǎn)S和M的電流應(yīng)該相等,以此來(lái)避免由于FET溝道長(zhǎng)度效應(yīng)所引起的電流鏡像不準(zhǔn)確。
     
    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    在節(jié)點(diǎn)S和M電位相等的情況下,流過(guò)檢測(cè)FET的電流,IS為功率MOSFET電流IM的1/N(N為功率FET和檢測(cè)FET的寬度之比),IS的值即可反映IM的大小。
     
    1.3 檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和檢測(cè)電阻相結(jié)合
     
    如圖3所示,這種檢測(cè)技術(shù)是上一種的改進(jìn)形式,只不過(guò)它的檢測(cè)器件不是FET而是小電阻。在這種檢測(cè)電路中檢測(cè)小電阻的阻值相對(duì)來(lái)說(shuō)比檢測(cè)FET的RDS要精確很多,其檢測(cè)精度也相對(duì)來(lái)說(shuō)要高些,而且無(wú)需專(zhuān)門(mén)電路來(lái)保證功率FET和檢測(cè)FET漏端的電壓相等,降低了設(shè)計(jì)難度,但是其代價(jià)就是檢測(cè)小電阻所帶來(lái)的額外功率損耗比第一種檢測(cè)技術(shù)的1/N2還要小(N為功率FET和檢測(cè)FET的寬度之比)。
     
    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    此技術(shù)的缺點(diǎn)在于,由于M1,M3的VDS不相等(考慮VDS對(duì)IDS的影響),IM與IS之比并不嚴(yán)格等于N,但這個(gè)偏差相對(duì)來(lái)說(shuō)是很小的,在工程中N應(yīng)盡可能的大,RSENSE應(yīng)盡可能的小。在高效的、低壓輸出、大負(fù)載應(yīng)用環(huán)境中,就可以采用這種檢測(cè)技術(shù)。
     
    2 新型的電流檢測(cè)方法
     
    在圖4中,N_DRV為BUCK穩(wěn)壓器的同步管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào),N_DRV_DC為N_DRV經(jīng)過(guò)1個(gè)三階RC低通濾波器之后濾出的直流分量,并且該直流分量為比較器的一端輸入,比較器的另一端輸入為一基準(zhǔn)電壓值BIAS,,比較器的輸出LA28(數(shù)字信號(hào),輸出到芯片的控制邏輯)為DC-DC負(fù)載電流狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)。
     
    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    該電流檢測(cè)電路的作用如下:
     
    在一個(gè)穩(wěn)壓器芯片中,既包括一個(gè)DC-DC(BLYCK),又包括一個(gè)LDO,中載和重載時(shí)工作于PWM模式,輕載時(shí)(約為3 mA以下)工作于LD0下,而本文提出電流檢測(cè)電路的作用是:當(dāng)其負(fù)載電流小于一定值時(shí)(此時(shí)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器處于DCM模式下),LA28電平跳遍,實(shí)現(xiàn)PWM模式向LD0模式的模式切換。
     
    這里需要注意的是,如果對(duì)輸出負(fù)載電流直接進(jìn)行檢測(cè)或是通過(guò)將電感電流取平均值的方式來(lái)檢測(cè)輸出負(fù)載電流,則將會(huì)帶來(lái)電路實(shí)現(xiàn)上的困難。而在此提出的這種檢測(cè)方法卻不存在這個(gè)問(wèn)題。
     
    該架構(gòu)圖是DC-DC負(fù)載電流狀態(tài)檢測(cè)電路的等效圖。其作用是當(dāng)DC-DC負(fù)載電流低于3 mA時(shí),其輸出信號(hào)LA28由高變低,從而實(shí)現(xiàn)PWM模式向LD0的切換。它的基本原理是利用DCM模式下(當(dāng)負(fù)載電流為3 mA時(shí),DC-DC處于DCM模式下)負(fù)載電流與開(kāi)關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)N_DRV的關(guān)系,通過(guò)檢測(cè)N_DRV來(lái)監(jiān)控輸出負(fù)載電流的變化,從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載電流低于3 mA時(shí)PWM模式向LDO的切換。
    下面將用圖5來(lái)說(shuō)明該電路檢測(cè)負(fù)載電流的原理。
     
    圖5是DCM模式下電感電流IL與同步管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)N_DRV的波形圖。
     
    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    在該圖中,電感電流的上升斜率為適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法,而下降斜率為適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法,則有適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法:且適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    此時(shí):適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    又由于每個(gè)周期通過(guò)電感輸出到負(fù)載的電荷量是不變的,故有。其中:T為開(kāi)關(guān)周期;IOUT為輸出負(fù)載電流。
     
    從上面幾式得:適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    故有:適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    現(xiàn)在再來(lái)分析圖4,在頻域內(nèi),從N_DRV到N_DRV_DC的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:
     
    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    故圖4中的R與C組成的網(wǎng)絡(luò)是1個(gè)三階的RC低通濾波器。下面計(jì)算N_DRV_DC,從t=O接入脈寬為△T,周期為T(mén)的周期性矩形脈沖信號(hào)N_DRV,其復(fù)頻域的象函數(shù)為適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    故N_DRV_DC的象函數(shù)為:適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    需要注意的是,在設(shè)計(jì)三階RC低通濾波器時(shí),其帶寬應(yīng)設(shè)置得遠(yuǎn)小于DC-DC的振蕩器頻率(即N_DRV的頻率),以保證很好地濾出N_DRV中的高頻分量;但也不宜設(shè)置得太小,否則所使用的電阻和電容將會(huì)比較大。
     
    當(dāng)DC-DC負(fù)載電流減小,N_DRV_DC也會(huì)減小,若減小至N_DRV_DC=BIAS3時(shí),比較器開(kāi)始由高變低,芯片將從PWM模式進(jìn)入LD0模式。設(shè)此時(shí)的負(fù)載電流為ILDO(ON),則:適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    即:適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    聯(lián)立式(1)和式(2)得:適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    由上式可知,DC-DC向LDO的切換閾值ILDO(ON)與電感值L成反比。
     
    最終的電流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。由于該電路原理比較簡(jiǎn)單,分析從略。
     
    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    3 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)
     
    仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表l所示。TA=25℃,L=2.2μH。
     
    適合開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法
     
    4 結(jié)語(yǔ)
     
    提出了一種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電流檢測(cè)的新方法,通過(guò)檢測(cè)DCM模式下同步管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出負(fù)載電流的檢測(cè),從而得出芯片從PWM模式向LDO模式的切換。由此解決了通過(guò)檢測(cè)電感平均電流而使的電路實(shí)現(xiàn)的困難。經(jīng)過(guò)HSpice仿真驗(yàn)證,其僅消耗5μA的靜態(tài)電流。該種檢測(cè)方法主要適用于需要對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的DCM模式下負(fù)載電流進(jìn)行檢測(cè)的場(chǎng)合。
     
     
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