高精度電流采樣電路設(shè)計(jì)*

張治東，劉興輝，阮 昊，尹飛飛，趙皆輝，郜嘉銘

（1.遼寧大學(xué) 物理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036；2.江蘇集萃智能集成電路研究所有限公司，江蘇 無錫 214028）

0 引 言

對(duì)于直流刷式電機(jī)來說，采樣并檢測(cè)到電流信息可以確定負(fù)載條件的變化，也可以用來限制啟動(dòng)電流或者失速電流。因此，一種高精度的電流采樣電路以及相對(duì)應(yīng)的電流調(diào)節(jié)功能對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來說十分重要。傳統(tǒng)上，H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電流采樣是通過在外部并聯(lián)電阻器接地從而對(duì)電流進(jìn)行限制。產(chǎn)生分流器檢測(cè)電機(jī)的電壓降，與芯片內(nèi)部或者外部的參考電壓進(jìn)行比較［1］。這種方式采樣電流的精度十分依賴功率電阻的阻值大小，很難保證較高的精度［2，3］。因此，在電阻采樣方法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種帶有特殊電流鏡架構(gòu)的電壓鉗位電流采樣電路。

1 一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的新型電流采樣方法

1.1 電流采樣系統(tǒng)組成

本文提出的電流采樣電路在芯片內(nèi)部集成了一個(gè)電流采樣電路模塊用來取代傳統(tǒng)的并聯(lián)電阻器采樣電流的方法。圖1給出了該電流采樣系統(tǒng)的具體組成結(jié)構(gòu)。

圖1 電流采樣系統(tǒng)的電路組成

1.2 電流采樣電路的結(jié)構(gòu)與原理

如圖2所示，電流鏡架構(gòu)包括采樣管MNDRV以及鏡像管MNsense，輸入電流由采樣管的漏極流向采樣管的源極；鏡像管用來鏡像功率管的漏極電流，并以一定的比例將該電流縮小，當(dāng)柵極電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓值時(shí)，采樣管與鏡像管能夠線性導(dǎo)通，而不需要管子處于完全飽和狀態(tài)（處于線性區(qū)即可），便可以對(duì)采樣的電流進(jìn)行比例鏡像。鏡像管和采樣管的漏極分別接到誤差放大器的正負(fù)兩端，2 個(gè)管子的源極接地。

圖2 電流采樣電路具體結(jié)構(gòu)

理想情況下，MOS管處于線性區(qū)時(shí)，漏極電流為

因此，若采樣管MNDRV與鏡像管MNsense的VGS與VDS相同，則其鏡像電流與采樣電流的比例就會(huì)與MNDRV與MNsense的寬長(zhǎng)比呈線性，但由于采樣管與鏡像管的漏極電位在實(shí)際情況下很難做到完全相同，因此，本文采用高精度誤差放大器將2個(gè)管子的漏端電壓鉗位到近似相同的電位。

傳統(tǒng)的誤差放大器鉗位電流鏡架構(gòu)中常使用1 個(gè)MOS管作為鏡像管，在本文中采用將多個(gè)鏡像管串聯(lián)、采樣管并聯(lián)的連接方式。因?yàn)殡娏餍枰R像的比例較大，為了版圖的匹配性更好，將采樣管與鏡像管采用相同的單位柵寬以及相同的柵長(zhǎng)，為此將具有相同單位柵寬以及相同柵長(zhǎng)的NMOS管進(jìn)行并聯(lián)以增大柵寬作為采樣管，將具有相同單位柵寬以及相同柵長(zhǎng)的NMOS管進(jìn)行串聯(lián)以增大柵長(zhǎng)作為鏡像管，則鏡像管整體的柵長(zhǎng)Lsense為

式中 Lsense1～Lsensen為單個(gè)鏡像管的柵長(zhǎng)。當(dāng)MOS 管柵漏之間的電壓增大時(shí)，實(shí)際的反型層溝道長(zhǎng)度會(huì)逐漸減小，會(huì)對(duì)處于飽和區(qū)時(shí)的鏡像管的漏極電流iD有一定的影響，如式（3）所示

式中 μ0為鏡像管的溝道表面電子遷移率；Cox為單位面積柵氧層電容；VGS為鏡像管的柵源電壓；VTH為鏡像管的閾值電壓；VDS為鏡像管的漏源電壓；λ 為鏡像管的溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)，表示給定的VDS增量所引起的溝道長(zhǎng)度的相對(duì)變化量，因此對(duì)于較長(zhǎng)的溝道，溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)較小。在實(shí)現(xiàn)與采樣管具有相同柵長(zhǎng)從而滿足良好的版圖匹配性的前提下，采用這種串聯(lián)鏡像管的方式增大了鏡像管整體的柵長(zhǎng)，從而能夠有效地抑制溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，將大大提高電流鏡的精度，同時(shí)也將增大輸出阻抗和電源抑制比。這種連接方式盡管會(huì)帶來面積上的損耗，但相對(duì)于傳統(tǒng)的外部電阻器采樣方式，依舊能夠節(jié)省大量的面積。

通過誤差放大器采用負(fù)反饋的接法將采樣管與鏡像管的漏極鉗位到同一電位使2個(gè)MOS管的漏極電壓相同，最后誤差放大器的輸出連接到輸出管MN1 的柵極，MN1 的源極接鏡像管MNsense的漏極，采樣電流即從輸出管MN1 的漏極輸出到共源共柵電流鏡中。

基于以上的考慮通過將4 個(gè)采樣管MNDRV并聯(lián)并將3個(gè)鏡像管MNsense串聯(lián)使其電流比例為1：K，使得鏡像管鏡像到的理想電流值為

式中 Isense為通過電流鏡鏡像后的電流，IDRV為低側(cè)功率管的待采樣電壓，K 為電流鏡的鏡像比例，本文中K 定為1 000。

共源共柵電流鏡由4 個(gè)PMOS 管組成，采樣電流由輸出管MN1的漏極連接到MP3 的源極同時(shí)連接到MP1 與MP2的柵極，其中MP3、MP4 為cascode 級(jí)，MP1、MP2 為電流鏡，將采樣電流鏡像到MP2 的漏極即MP4 的漏極，輸入到采樣電阻Rsense中，最后使用標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將負(fù)載電流作為Rsense電阻器兩端的電壓進(jìn)行測(cè)量，默認(rèn)情況下電流鏡的比例為1：1，若所需采樣的電流值過小，可適當(dāng)調(diào)整電流鏡的比例來降低對(duì)采樣電阻的要求。若電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為雙相或三相結(jié)構(gòu)，則當(dāng)兩相或者三相的低側(cè)MOS功率管同時(shí)開啟，通過本文中的采樣電路可將兩路或者三路的采樣電流通過共源共柵電流鏡相加輸入到采樣電阻Rsense中。

1.3 誤差放大器和修調(diào)模塊

為了將鏡像管MNsense與采樣管MNDRV的漏極電壓以較高的精度鉗位到同一電位，需要誤差放大器具有低失調(diào)電壓、高增益、較高的電源抑制比、較大的共模輸入范圍等性能［4，5］。本文中的誤差放大器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，采用了折疊共源共柵—共源的兩級(jí)放大器結(jié)構(gòu)，采樣管MNDRV的電壓與鏡像管MNsense的漏極電壓分別輸入到誤差放大器第一級(jí)的共源共柵放大器中M1與M2管的柵極，M5、M6、M7、M8、M9、M10、R1、R2構(gòu)成了低壓共源共柵電流鏡，由電流源I2為運(yùn)放提供偏置電流，增大運(yùn)放的電源抑制比，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)所消耗的電壓相比于非低壓的結(jié)構(gòu)減少了一個(gè)閾值電壓。I2也為第二級(jí)運(yùn)放的M21 提供了偏置電流作負(fù)載。I1為第一級(jí)的M3、M4 提供了偏置電流作為共源共柵管M16、M17的電流鏡，且為了保證M3、M4 的直流電流恒不為0，在本文中I1的電流值為I2的1.5 倍。第一級(jí)的輸出電壓從M15的漏極流出輸入到M20 的柵級(jí)，并從M20 的漏極得到最終的輸出電壓Vout。

圖3 電壓鉗位運(yùn)算放大器

采用了折疊共源共柵作為第一級(jí)保證了運(yùn)放的增益同時(shí)采用了共源級(jí)作為第二級(jí)進(jìn)一步增大了運(yùn)放的增益，整體增益為

由于第一級(jí)為折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，輸出阻抗Rout1較大，具體為

因此，主極點(diǎn)在第一級(jí)的輸出端，次主極點(diǎn)在第二級(jí)的輸出端，為了保證運(yùn)放的穩(wěn)定性，在第一級(jí)的輸出端與第二級(jí)的輸出端之間加入補(bǔ)償電容C1，從而將主極點(diǎn)推向了更低頻處，增大了主次極點(diǎn)之間的距離，此時(shí)的主極點(diǎn)p1和次主極點(diǎn)p2分別為

但是，由于補(bǔ)償電容C1會(huì)使第二級(jí)的輸入與輸出短接從而產(chǎn)生一個(gè)右半平面的零點(diǎn)將會(huì)影響電路穩(wěn)定性，需要增加調(diào)零電阻來消去此零點(diǎn)。在本文中將共源共柵管M17的rds作為調(diào)零電阻，采用合適的尺寸從而將零點(diǎn)抵消。

在實(shí)際中，由于制造工藝的偏差，標(biāo)稱相同的器件都存在有限的不匹配，從而會(huì)產(chǎn)生直流失調(diào)，即當(dāng)VDRV與Vsense相等時(shí)，Vout并不等于零而是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)電壓VOS，in

式中 ΔID為由于失調(diào)產(chǎn)生的漏極失調(diào)電流，因此為了抑制由于該失調(diào)電流對(duì)于誤差放大器的影響，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)修調(diào)模塊，具體電路如圖4 所示。該模塊由8 個(gè)NMOS管組成，其中MN1 -MN4 的柵極分別由EN1 -EN4控制，MN5 -MN8的柵極由偏置電壓Vbias進(jìn)行輸入從而產(chǎn)生四路偏置電流，通過4個(gè)使能信號(hào)控制MN1 -MN4 的導(dǎo)通狀態(tài)，從而產(chǎn)生不同的偏置電流。再通過ENsense與ENDRV兩個(gè)使能信號(hào)控制為哪一支路注入額外的偏置電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)失調(diào)電壓的補(bǔ)償。

圖4 修調(diào)模塊

2 仿真結(jié)果與分析

采用海力士0.18 μm 的BCD 工藝進(jìn)行電流采樣電路設(shè)計(jì)，并采用Spectre工具進(jìn)行功能與性能的仿真［6］。電路整體的供電電壓為24 V，誤差放大器的供電電壓為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片中低壓差線性穩(wěn)壓器（low dropout regulator，LDO）模塊提供的5 V 電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)使驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，對(duì)底邊驅(qū)動(dòng)管的電流進(jìn)行采樣，采樣電流的大小由電機(jī)外部負(fù)載大小決定，如圖5 所示為不同待采樣電流下的仿真結(jié)果。

圖5 IDRV由200 mA～1 A變化Isense的值

根據(jù)電流采樣誤差公式δ ＝ΔI／IDRV×100%?？傻貌蓸与娏髟?.1～1 A范圍內(nèi)變化時(shí)的具體采樣精度值，具體如表1所示。當(dāng)IDRV為400 mA 時(shí)，電流采樣誤差達(dá)到了0.81，相比于其他的電路結(jié)構(gòu)具有較大優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中采用了特殊的電流鏡架構(gòu)以及較高增益的誤差放大器所致。表2為本文與其他電流采樣電路的采樣方式以及采樣誤差的對(duì)比。

表1 電流采樣精度

表2 電流采樣精度對(duì)比

圖6（a）所示為誤差放大器的環(huán)路特性曲線，運(yùn)放的環(huán)路增益為100 dB 左右，相位裕度為59.3°。該運(yùn)放的目的是為了將采樣管與鏡像管的漏端鉗位，足夠的增益與相位裕度保證了鉗位的精度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖6（b）所示為誤差放大器的電源抑制比（power supply rejection ratio，PSRR），因?yàn)殡娏鞑蓸与娐分饕獞?yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片中，因此對(duì)于速度的要求較低，在低頻下PSRR 最好情況可以得到121 dB左右，在10 kHz下最差的PSRR為73 dB左右，滿足運(yùn)放對(duì)于電源小信號(hào)的抑制要求。

圖6 增益與相位裕度及電源抑制比

3 結(jié) 論

本文提出了一種應(yīng)用于H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的高精度電流采樣電路，通過特殊的電流鏡結(jié)構(gòu)以及高增益高電源抑制比的誤差放大器實(shí)現(xiàn)了較高的精度，最好可以達(dá)到99.19%，相比于傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)的電流采樣方法，本文的電流采樣電路可以節(jié)省較大的面積，同時(shí)適用于雙相以及三相的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，能夠有效地監(jiān)測(cè)芯片的電流大小。