抗干擾電流采樣電路的設計

屈 凡， 劉國權， 張秋建， 秦 力， 秦曉紅， 孫 玲

（中國石油集團測井有限公司技術中心， 陜西省 西安市 710077）

0 引言

DC-DC轉換器具有高效率的突出優(yōu)點[1-2]，已經成為目前電源管理的主流方案，在通信、計算機、便攜式電子設備等諸多領域得到廣泛應用和迅速發(fā)展。電流采樣不僅應用于電壓模DC-DC轉換器[3]的過流保護電路中，更廣泛地應用于電流模DC-DC轉換器[4]的電流控制環(huán)路中。然而電流采樣電路[5]在存在較強干擾（例如電源電壓干擾和開關管開關動作所造成的干擾）時，采樣信號與電感電流的真實值偏差較大，甚至出現錯誤，致使整個電路的控制邏輯發(fā)生混亂。

目前針對采樣干擾問題的研究還比較少，文獻[6]提出了通過采樣保持電路在開關管動作瞬間保持前面的狀態(tài)，屏蔽掉采樣信號的方法，來消除導通瞬間的毛刺影響。這種方法電路簡單，容易實現，應用很普遍，但僅適用于低頻慢速采樣場合，如果芯片高頻工作時需要在很短時間采樣時，這種方法將會失效。

除了上述方法外，針對采樣干擾問題，文獻[7]提出了一種Sensorless方法，這個方法構造了一個可控的系統(tǒng)模型，并利用模型自身的狀態(tài)信息加以控制。其思想是對電感兩端的電壓進行積分，在芯片內部“重構”出虛擬的電感電流信號。該文獻中給出了buck、buck-boost、boost轉換器的Sensorless控制環(huán)路法則。它們分別如公式（1）、（2）、（3）所示。

這種積分式采樣與傳統(tǒng)的線性采樣不同，是將采樣信號進行積分處理，這樣可以濾除各種干擾，抗干擾能力比較強，但是積分后的信息與真實采樣信號的關系發(fā)生變化，不再是簡單的線性關系，因此基于線性采樣的環(huán)路控制理論和穩(wěn)定性理論都不再適用，必須研究基于積分式采樣的環(huán)路控制理論和方法，然后結合新方法進行穩(wěn)定性補償、電路設計和實現、實驗驗證等。此外，由上述公式可以看出，不同模式下的DC-DC轉換器的Sensorless控制法則不同，電路結構也會不同，因此增加了復雜性。

目前針對采樣干擾問題的研究還比較少，Sensorless方法具有較好的抑制噪聲的能力，但由于沒有進行真實采樣，沒法進行實時的過流保護，電路實現過分復雜。

1 對消法原理

圖1所示為對消法[8]采樣原理示意圖。在傳統(tǒng)方法基礎上，增加一組沒有輸出的較小輔助開關管MPX和MNX，并保證輔助開關管與工作開關管MP、MN匹配良好（圖中虛線框表示匹配器件），然后對輔助開關管進行相同的采樣。

圖1 對消法采樣原理圖

圖1 中，MP，MN是主開關管，MP，MN的漏端接到電感，OP是主采樣電路，Is是開關管MP的采樣電流；MPX，MNX是輔助開關管，MP，MN的漏端不接輸出，OPX是輔助采樣電路，Isx是輔助采樣的電流值。R，RX分別是主，輔采樣電路的采樣電阻，當采樣電流流過它們時，形成采樣電壓Vs，Vsx。由于輔助開關沒有連接輸出，因此輔助采樣得到采樣電流Isx僅是各種干擾信號，又因為與主采樣電路的環(huán)境相同，所以采集到的干擾信號Isx與主 采樣信號Is中的干擾信號具有形同的 “形狀”，因此將它通過合適的加權與主采樣信號疊加，就可以從正常采樣信號中抵消掉干擾分量而得到“干凈”的電感電流采樣信號Isc，具體過程如圖2所示。

圖2 對消法采樣過程

圖3 所示電路是實際的抗干擾電流采樣電路。

圖3 抗干擾采樣電路

為了直接得到對消后的電流采樣信號，把主、輔采樣電路輸出端用電阻R3連接起來，R1、R2分別是主、輔采樣電路的采樣電阻。則流過R3的電流就是對消掉干擾的采樣電流Isc。取R1=R2=R3=R。設原采樣電路的采樣比例為N，即IM/IS=N，其中IM流過主PMOS開關管Mp的電流，IS是主采樣電路的輸出值。加入電阻R3后，采樣電流Isc與開關管電流IM的比例發(fā)生了變化。Isx是輔采樣電路的輸出值，IMX是流過輔PMOS開關管Mpx的電流。其中，IM≈IL。Is，Isx分別可以表示為：

主、輔采樣電路的輸出端的電壓Vs、Vsx分別為：

Isc可以表示為：

由式（4）～（8）可以導出Isc與IM、IMX的關系：

Isc很好地反映了沒有干擾的電感電流，并且提高了采樣比例。這個對消法電流采樣電路可以很好的屏蔽掉開關管寄生電容對采樣電流的影響，消除電源電壓干擾的影響。

2 仿真結果

仿真條件：采用3.6V的電源電壓。采樣比例為N=30000，仿真圖中ILscaled為電感電流縮小N倍的值。開關管的控制信號是周期為300ns的方波。

(1)未加電源擾動的仿真結果

圖4顯示的是未加電源擾動時對電感電流采樣的仿真結果，Is是未進行干擾對消的采樣電流，Isc是對消掉干擾的采樣電流。可以很明顯的看出，對消掉干擾的采樣電流完全濾除了開關管轉換瞬間的電流尖峰，并且消除了固定的采樣電流偏差，能很好的反映電感電流在上升階段的變化，采樣精度也比較高。

圖4 未加電源擾動時對電感電流采樣的仿真結果

（2）加入電源擾動的仿真結果

給電源加入了一個擾動，讓其由3.6V跳變到4V再跳變回3.6V。

圖5顯示的是加入電源擾動后的電流采樣仿真結果。Is是未進行干擾對消的采樣電流，Isc是對消了干擾的采樣電流。圖中，由于電源擾動的影響，Is在上升過程中有一跳變，Isc將這個跳變消除了大約90%，使其對采樣電流的影響降低了許多，并且濾除了電流偏差。可以看出，干擾對消電路具有很好的濾除干擾的能力。

3 總結

圖5 加入電源擾動后的電流采樣仿真結果

本文針對集成電流模DC-DC轉換器的高速電流采樣抗干擾性差的問題，提出了一種解決方案，利用輔助采樣、干擾對消的方法，來消除電源擾動和開關管寄生效應對采樣電流的影響。從仿真結果來看，基于對消法的抗干擾電流采樣電路能夠很好的消除開關管寄生效應的影響，能夠大部分消除電源電壓擾動對采樣電流的影響，在DC-DC高速電流采樣中起到了很好的抗干擾的作用，具有十分重要的意義。

[1]趙負圖.電源集成電路手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003.

[2]張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計（修訂版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

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