一種適用于大電流DC-DC高精度電流采樣電路

楊子航， 徐衛(wèi)林， 韋雪明

(桂林電子科技大學(xué) 廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室,廣西 桂林 541004)

隨著人類社會的進步，電能作為社會發(fā)展的動力，人類工作生活的源泉，其重要性越發(fā)明顯。而電源是電子產(chǎn)品的一個重要組成部分，其性能的優(yōu)劣會直接影響到整個芯片的性能指標[1]。開關(guān)電源由于具有重量輕、功耗低、效率高等優(yōu)點，在大多數(shù)領(lǐng)域迅速地取代了線性穩(wěn)壓電源的地位，成為了現(xiàn)代電源管理技術(shù)的發(fā)展主流，在國防、交通、通信等方面都影響著人們的生活[2]。為了進一步減少便攜式設(shè)備的體積和重量，通常需要提高DC-DC變換器的開關(guān)頻率，從而減小片外功率器件的體積，這就要求及時檢測電感電流和輸出電壓的狀態(tài)，也就是提高電流采樣電路的采樣精度[3]。

1 控制模式及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

和電壓控制模式相比，電流控制模式多了一個反饋電路。這說明電流控制模式不僅有電壓反饋而且還增加了一個電流內(nèi)環(huán)反饋網(wǎng)[4]。電流控制模式結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中振蕩器用來產(chǎn)生邏輯控制時鐘，電感電流采樣電路用于產(chǎn)生一個合適的斜坡信號，并與誤差放大器(EA)的輸出送入PWM比較器中進行比較，比較器的輸出結(jié)果再作為邏輯控制單元的輸入。采用電感電流采樣的方式，能周期性的檢測到電感瞬態(tài)電流，因此電流控制模式對電壓的改變有著更快的響應(yīng)速度，并且可以限制電路的最大電流，起到電流保護的作用[5]。所以電感電流采樣電路的設(shè)計成為DC-DC變換器的核心問題之一。

圖1 電流控制模式結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的電流采樣電路一般都會采用運算放大器來提供一定增益，但是運放的電路結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，內(nèi)部帶寬受到負載限制，雖然精度可以設(shè)計的很高，但是這是以采樣的速率較慢作為代價的，因此傳統(tǒng)的電流采樣電路只適用于低頻的DC-DC開關(guān)電源設(shè)計。反之，若采用較快的采樣速度，則會影響其精度。吳了等[6]設(shè)計的電流采樣電路如圖2所示，并未考慮到電流IPL所帶來的誤差，因此降低了采樣精度。本研究設(shè)計了一種高精度電流采樣電路，增加一條額外的電流支路，加入了補償電流，提高了采樣精度，并且使其在高負載電流的情況下也能保持良好的精度。

圖2 傳統(tǒng)采樣電路原理圖

2 電流檢測的方法

DC/DC變換器廣泛應(yīng)用于模擬集成電路中，成為IC中基本單元。作為電流型DC/DC的基本模塊，電流采樣電路的精度高低成為衡量DCDC性能的關(guān)鍵因素。目前來看，電流檢測的方法主要有串聯(lián)電阻檢測法、功率管漏源壓降檢測法、積分器檢測法以及MOS管和待測電阻共同檢測法等[7]。

串聯(lián)電阻檢測法的實現(xiàn)方法是用一個待測電阻，把它和輸出電源串聯(lián)起來，該方法中運放的共模輸入不會受到太大的影響，但是若待測電阻與開關(guān)串聯(lián)，那么運放的共模輸出就會產(chǎn)生波動，給電路的設(shè)計增加了難度。除此之外，該方法中的電感電流很高，這會增加電路功耗，大大降低DC-DC變換器的效率。所以電阻檢測的方法適合在小電流的情況下使用，精度較高，簡便快捷。

功率管源漏壓降檢測法是通過檢測功率管在BJT晶體管區(qū)域內(nèi)測量它源漏端的壓降來實現(xiàn)電流檢測的功能。這方法十分簡單，但是功率管在BJT晶體管區(qū)內(nèi)受到了電壓和溫度等的影響，精度不能達到預(yù)期的標準。

積分器檢測法是通過對電感電壓和電感電流的關(guān)系式的計算來檢測電感電流的。VL=L(diL/dt)為電感電壓和電感電流的關(guān)系式，對其兩端積分，最終可得電感電流。這個方法雖然對系統(tǒng)效率影響不高，但是通過計算獲得結(jié)果，使得誤差累積，并且需要知道電感值，因此精度會有所下降，也不適用于片上集成電路。

MOS管和待測電阻共同檢測法采用了電流鏡像技術(shù)，檢測了一對有著電流鏡像關(guān)系的MOS管，從而獲得最終的電感電流。這個方法相對于前面幾種方法來說，功耗更小、精度更高、速度更快[8]，綜上所述，選用MOS管和待測電阻共同檢測的方法來檢測電感電流。

MOS管電流鏡像采樣示意圖如圖3所示，其中MPS和MP分別為采樣管和主功率管。其溝道長度相等，寬度比值為1∶M(M?1)。假設(shè)VA=VB，那么采樣管電流IPS與主功率管電流IP的比值也是1∶M。這種電流鏡像的方法簡捷方便，而且?guī)缀鯖]有采樣電阻，降低了電路功耗，從而提高了精度。

圖3 MOS管電流鏡像采樣示意圖

3 適用于大電流DC-DC高精度電流采樣電路

設(shè)計的電流采樣電路如圖4所示，在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上增加了一個電流釋放管MP6和開關(guān)狀態(tài)管MS3，給電路增加了一條放電支路，使其產(chǎn)生補償電流，大小與Iref相同。其中MP為功率管，MN為同步整流管。MP1為采樣管，寬長比是MP的1/M。MS1、MS2和MS3為開關(guān)狀態(tài)管，導(dǎo)通時的VDS=0。MP2和MP3寬長比相同。MN1、MN2、MN3和MN4寬長比相同，構(gòu)成NMOS電流鏡。MP4、MP5和MP6的寬長比相同，構(gòu)成PMOS電流鏡。Iref是一個基準電流源，它為MN1、MN2和MN3供應(yīng)偏置電流。

當(dāng)Q為低電平，XQ為高電平，MP、MS1導(dǎo)通，MS2、MN截止，那么

IMP=IMS1+IL，

(1)

IMS1+IMS4=IMP3，

(2)

VA=VB=VL，

(3)

MN1、MN2、MN3構(gòu)成電流鏡，所以

IMP2=IMP3=Iref，

(4)

由式(2)、(3)、(4)可得

IMS1+IMS4=Iref，

(5)

因為MP1是MP的1/M倍，所以

(6)

由式(1)、(2)、(5)、(6)得

IL=M×IMP1-Iref+IMS4，

(7)

因為MN1與MN4構(gòu)成電流鏡，MP4、MP5和MP6也構(gòu)成電流鏡，所以

IMS4=Iref，

(8)

那么式(7)就可以寫為

IL=M×IMP1，

(9)

又因為：

IMP5+Iusen=Isen，

(10)

IMP1=Iusen+Iref，

(11)

由式(9)、(10)、(11) 得

圖4 適用于大電流DC-DC高精度電流采樣電路原理圖

(12)

誤差率(error rate, 簡稱ER)和采樣精度(sampling accuracy,簡稱 SA)的表達式分別為

(13)

AS=1-RE=100%，

(14)

從式(13)、(14)可知，電路采樣精度理論上可達100%，但是因為MOS管體效應(yīng)和工藝誤差等問題，實際結(jié)果會有極小的誤差，能實現(xiàn)了高精度采樣。

4 仿真結(jié)果與分析

對所提出的高精度電流采樣電路以及傳統(tǒng)的電流采樣電路進行對比分析。最終采樣電流和電感電流的比率設(shè)為1∶25 000。圖5為負載7 A時，采樣電流和電感電流的瞬態(tài)波形，圖中電感電流縮小25 000倍，與采樣電流波形基本重合，說明誤差很小，在大電流情況下電路能實現(xiàn)高精度采樣。

圖5 負載7 A時，采樣電流和電感電流波形

提出的電流采樣電路與傳統(tǒng)電流采樣電路的采樣精度隨輸入電壓的變化曲線如圖6所示，當(dāng)輸入電壓在3～4 V之間變化時，采樣精度皆大于98 %，最高為99.45 %，最低為98.53 %，波動僅為0.92 %。相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說，精度一直較高且穩(wěn)定。

圖7是當(dāng)負載電流為5 A，提出的電流采樣電路與傳統(tǒng)電流采樣電路的采樣精度隨溫度變化的曲線，最高精度可達99.71 %，最低為99.56 %，波動為0.15 %。而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在相同的溫度下精度明顯有所差距。由此表明，電路不僅能在大負載電流下精度高，而且在溫度不斷升高的情況下也能保持穩(wěn)定，此電路設(shè)計有著顯著的效果和可行性。

圖8為負載電流從0 .05 A變化到7 A的過程中，提出的電流采樣電路與傳統(tǒng)電流采樣電路的采樣精度變化曲線。從圖8可看出，當(dāng)負載到0.15 A時，精度已經(jīng)能達到99 %，在0.15 A到7 A基本保持穩(wěn)定，雖然提出的結(jié)構(gòu)在負載電流不斷升高的過程中，采樣精度有所降低，但是總體趨勢還算平穩(wěn)，采樣精度最高為99.67 %，最低也有98.78 %，波動僅為0.89 %，說明電路能夠在大電流環(huán)境下正常工作。

圖6 采樣精度隨輸入電壓的變化曲線

圖7 采樣精度隨溫度的變化曲線

圖8 采樣精度隨負載電流的變化曲線

而傳統(tǒng)的采樣電路在負載電流不斷增大的情況下，采樣精度下降比較明顯，最低僅為96.55 %，不能達到高精度電流采樣的要求。

5 結(jié)束語

提出了一種適用于大電流DC-DC變換器的電流采樣電路，通過增加電流釋放管，從而增加了一條電流放電支路，利用補償電感電流的方法，提升了采樣精度。仿真結(jié)果表明，提出的采樣電路在大負載電流下也有很高的精度，而且?guī)缀醪皇茌斎腚妷汉蜏囟鹊挠绊?，能精確檢測0～7 A的電感電流，相比傳統(tǒng)的電流采樣電路有明顯的優(yōu)勢。