一種適合于開關穩壓器的新穎電流檢測方法

摘 要:針對開關穩壓器中負載電流檢測難以同時做到準確、同步和結構簡單這一難題，結合自己多年工作經驗，提出了一種新穎的開關穩壓器負載電流檢測的新方法。其基本原理是利用斷續模式(DCM)下負載電流與同步管柵極驅動信號N_DRV的同步關系，通過檢測該柵極信號來檢測開關穩壓器的輸出負載電流。這種方法不僅使負載電流檢測同步和準確，且同時克服檢測電感平均電流帶來的電路結構復雜及實現上的困難。該電路經過HSpice仿真驗證，其僅消耗5 μA的靜態電流，工作狀態良好。 關鍵詞:開關穩壓器; 斷續模式; 電流檢測; 柵極信號

中圖分類號:TN433-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0198-04

Novel Current Testing Method Suitable for Switching Voltage Stabilizers

HE Wei

(School of Electronics Engineering， Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710121， China)

Abstract: A method to test the load current of switching voltage stabilizers is presented to implement the aim of testing the load current synchronously and exactly， and meanwhile to achieve the simplization of the circuit structure. Based on the correlation between the load current and the grid signal N_DRV of synchronous switch in discontinuous conduction mode (DCM)， the output load current of switching voltage stabilizers is tested through detecting the grid signal. This technique mentioned above can not only detect the load current synchronously and exactly， but also overcome the circuit structure complexity brought about by the detection of the average inductance current. The Hspice simulation of the circuit indicates that the circuit only consumes 5μA quiescent current.

Keywords: switching voltage stabilizer; discontinuous conduction mode (DCM); current testing; grid signal

0 引 言

隨著電子產品向小型化、便攜化的趨勢發展，單片集成的高效、低電源電壓DC-DC變換器被廣泛應用。在許多電源管理IC中都用到了電流檢測電路。在電流模式PWM控制DC-DC變換器中，電流檢測模塊是組成電流環路的重要部分，用于檢測流過功率管和電感上的電流，并通過將電流檢測結果和電壓環路的輸出做比較，實現脈寬調制的效果。在電壓模式PWM控制DC-DC變換器、LDO、Charge Pump等電路中，它還可以用作開路、短路、過流等節能和保護性目的。

傳統的電流檢測方法[1-3]有3種:

(1)利用功率管的RDS進行檢測;

(2)使用檢測場效應晶體管檢測;

(3) 場效應晶體管與檢測電阻結合。

針對開關穩壓器，不同于傳統的電流檢測方式，本文提出了一種新穎的電流檢測方法。

1 傳統的電流檢測方法[4]

1.1 利用功率管的RDS進行檢測(RDS SENSING)

當功率管(MOSFET)打開時，它工作在可變電阻區，可等效為一個小電阻。MOSFET工作在可變電阻區時等效電阻[5]為:

RDS=1μCOX(W/L)(VGS-VTH)

式中:μ為溝道載流子遷移率;COX為單位面積的柵電容;VTH為MOSFET的開啟電壓。

如圖1所示，已知MOSFET的等效電阻，可以通過檢測MOSFET漏源之間的電壓來檢測開關電流[4]。

這種技術理論上很完美，它沒有引入任何額外的功率損耗，不會影響芯片的效率，因而很實用。但是這種技術存在檢測精度太低的致命缺點:

(1) MOSFET的RDS本身就是非線性的。

(2) 無論是芯片內部還是外部的MOSFET，其RDS受μ，COX，VTH影響很大。

(3) MOSFET的RDS隨溫度呈指數規律變化(27～100 ℃變化量為35%)。

可看出，這種檢測技術受工藝、溫度的影響很大，其誤差在-50%～+100%。但是因為該電流檢測電路簡單，且沒有任何額外的功耗，故可以用在對電流檢測精度不高的情況下，如DC-DC穩壓器的過流保護。

圖1 利用功率管的RDS進行電流檢測

1.2 使用檢測場效應晶體管(SENSEFET)

這種電流檢測技術在實際的工程應用中較為普遍。它的設計思想是:如圖2在功率MOSFET兩端并聯一個電流檢測FET，檢測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應是檢測FET的100倍以上(假設兩者的有效長度相等，下同)，以此來保證檢測FET所帶來的額外功率損耗盡可能的小。節點S和M的電流應該相等，以此來避免由于FET溝道長度效應所引起的電流鏡像不準確。

圖2 使用場效應晶體管進行電流檢測

在節點S和M電位相等的情況下，流過檢測FET的電流IS為功率MOSFET電流IM的1/N(N為功率FET和檢測FET的寬度之比)，IS的值即可反映IM的大小。

1.3 檢測場效應晶體管和檢測電阻相結合

如圖3所示，這種檢測技術是上一種的改進形式，只不過它的檢測器件不是FET而是小電阻。在這種檢測電路中檢測小電阻的阻值相對來說比檢測FET的RDS要精確很多，其檢測精度也相對來說要高些，而且無需專門電路來保證功率FET和檢測FET漏端的電壓相等，降低了設計難度，但是其代價就是檢測小電阻所帶來的額外功率損耗比第一種檢測技術[6]的1/N2還要小(N為功率FET和檢測FET的寬度之比)。

此技術的缺點在于，由于M1，M3的VDS不相等(考慮VDS對IDS的影響)，IM與IS之比并不嚴格等于N，但這個偏差相對來說是很小的，在工程中N應盡可能的大，RSENSE應盡可能的小。在高效的、低壓輸出、大負載應用環境中，就可以采用這種檢測技術。

圖3 場效應晶體管與電阻相結合進行電流檢測

2 新型的電流檢測方法

在圖4中，N_DRV為BUCK穩壓器的同步管柵極驅動信號，N_DRV_DC為N_DRV經過1個三階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電壓值[7]BIAS3，比較器的輸出LA28(數字信號，輸出到芯片的控制邏輯)為DC-DC負載電流狀態檢測信號。

圖4 新型電流檢測方法基本原理等效架構圖

該電流檢測電路的作用如下:

在一個穩壓器芯片中，既包括一個DC-DC(BUCK)，又包括一個LDO，中載和重載時工作于PWM模式，輕載時(約為3 mA以下)工作于LDO下，而本文提出電流檢測電路的作用是:當其負載電流小于一定值時(此時開關穩壓器處于DCM模式下)，LA28電平跳遍，實現PWM模式向LDO模式的模式切換。

這里需要注意的是，如果對輸出負載電流直接進行檢測或是通過將電感電流取平均值[8]的方式來檢測輸出負載電流，則將會帶來電路實現上的困難。而在此提出的這種檢測方法卻不存在這個問題。

該架構圖是DC-DC負載電流狀態檢測電路的等效圖。其作用是當DC-DC負載電流低于3 mA時，其輸出信號LA28由高變低，從而實現PWM模式向LDO的切換。它的基本原理是利用DCM模式下(當負載電流為3 mA時，DC-DC處于DCM模式下)負載電流與開關管柵極驅動信號N_DRV的關系，通過檢測N_DRV來監控輸出負載電流的變化，從而實現當負載電流低于3 mA時PWM模式向LDO的切換。

下面將用圖5來說明該電路檢測負載電流的原理。

圖5 檢測DCDC負載電流的基本原理

圖5是DCM模式下電感電流IL與同步管柵極驅動信號N_DRV的波形圖。

在該圖中，電感電流的上升斜率為(VIN-VOUT)L，而下降斜率為VOUTL，則有:ΔIΔt=VIN-VOUTL 且 ΔIΔT=VOUTL。

此時:

Δt=ΔTVOUTVIN-VOUT

又由于每個周期通過電感輸出到負載的電荷量是不變的，故有12ΔI(Δt+ΔT)=IOUTT。其中:T為開關周期;IOUT為輸出負載電流。

從上面幾式得:

12ΔT2VOUTL#8226;VINVIN-VOUT=IOUTT(1)

故有:

ΔT=2IOUTTL(Vi-VOUT)VINVOUT

Δt=VOUTVIN-VOUT2IOUTTL(VIN-VOUT)VINVOUT

ΔI=VOUTL2IOUTTL(VIN-VOUT)VINVOUT

現在再來分析圖4，在頻域內，從N_DRV到N_DRV_DC的系統傳遞函數[9]為:

H(s)=11+sR1C1#8226;11+sR2C2#8226;11+sR3C3

故圖4中的R與C組成的網絡是1個三階的RC低通濾波器。下面計算N_DRV_DC，從t=0接入脈寬為ΔT，周期為T的周期性矩形脈沖信號N_DRV，其復頻域的象函數[9]為

Vi1-e-sΔTs(1-e-Ts)。

故N_DRV_DC的象函數為:

Vi1-e-sΔTs(1-e-Ts)#8226;11+sR1C1#8226;11+sR2C2#8226;11+sR3C3

需要注意的是，在設計三階RC低通濾波器時，其帶寬應設置得遠小于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;但也不宜設置得太小，否則所使用的電阻和電容將會比較大。

當DC-DC負載電流減小，N_DRV_DC也會減小，若減小至N_DRV_DC=BIAS3時，比較器開始由高變低，芯片將從PWM模式進入LDO模式。設此時的負載電流為ILDO(ON)，則:

BIAS3=ΔTTVi

即:

ΔT=BIAS3TVi(2)

聯立式(1)和式(2)得:

ILDO(ON)=12#8226;TLBIAS32VoVi#8226;1Vi-Vo

由上式可知，DC-DC向LDO的切換閾值ILDO(ON)與電感值L成反比。

最終的電流檢測實現電路如圖6所示。由于該電路原理比較簡單，分析從略。

圖6 最終的電流檢測實現電路

3 仿真結果數據

仿真結果數據如表1所示。TA=25 ℃，L=2.2 μH。

表1

輸入電壓Vi /V輸出電壓VOUT/V切換負載電流閾值ILDO(ON)/mA

4 結 語

提出了一種開關穩壓器電流檢測的新方法，通過檢測DCM模式下同步管柵極驅動信號，實現對輸出負載電流的檢測，從而得出芯片從PWM模式向LDO模式的切換。由此解決了通過檢測電感平均電流而使的電路實現的困難。經過HSpice仿真驗證，其僅消耗5 μA的靜態電流。該種檢測方法主要適用于需要對開關穩壓器的DCM模式下負載電流進行檢測的場合。

參考文獻

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