电流模式DC-DC转换器中高性能电流检测电路的分析与设计

引言

随着电子技术的迅猛发展，开关电源设备的应用越来越广泛，因而对开关电源芯片的性能也提出了更高的要求。电子设备的小型化、低成本和电源利用效率成为了主要发展方向。在电流模式控制的DC-DC转换器中，电流检测电路是重要的组成模块。其在整个电路中不仅起到过流保护作用，而且将电流检测结果加上斜坡补偿信号与电压环路的输出比较，实现脉冲宽度调制，其精度、速度和功耗对电路整体性能具有很大影响。本文基于对比较常规的电流检测电路的优缺点分析，给出了一种用于Boost型DC-DC转换器的电流检测方法。通过对功率管长条形源端上产生的压差进行放大来实现电流检测，从而使该电路结构更加简单、易于实现且无额外功耗，可满足设计要求。

1三种常用的电流检测方法

图1所示是一个电流模式Boost型DC-DC转换器的结构图。本文通过对功率管长条形源端上产生的压差(等效于图1中的电压源V0)进行放大来实现电流检测。

事实上，目前比较流行的电流检测方法有串联电阻检测、功率管RDS检测和并联电流镜检测等三种，分别对应于图2中的(a)、(b)、(c)三种简化电路。

串联电阻检测是在片外电感或功率管一端串联一个小的采样电阻，因为对于一定的电阻值，通过检测电阻上的压降即可检测出对应电感上流过的电流。这种方法检测精度高，但由于检测电阻的存在会引入一个额外的功耗,从而降低了电源转换效率，因此，该电阻不能太大，该方法也只适用于小电流检测电路，与此同时，小电阻受工艺的影响精度不够。

功率管RDS检测是通过检测功率管上的电压来实现的，因功率管工作在线性区，故其可以等效为一个电阻RDS=L/WμCox(VGS-VT)。该方法无额外功耗，但是μCox和VT受温度的影响变化较大，功率管的RDS会产生非线性的变化，最大误差范围可达-50%~+100%，因而电流检测精度较差。

并联电流镜检测是通过并联一个与功率管具有相同类型的检测管，宽长比为N∶1，这样，流过检测管的电流就为功率管电流的1/N。这种方法需要预算放大器，使检测管和功率管所构成的电流镜有很好的匹配，因此电路结构比较复杂，带宽较低，响应时间较慢，对电路的匹配性要求较高。

2电流检测电路的设计

基于以上三种电路的优缺点，本文设计的电流检测电路如图3所示。

电路没有采用运算放大器。偏置电流为基准产生恒温电流源，采用微安级电流。采用PNPQ1~PNPQ4和PMOS7~PMOS10共同组成的电流镜镜像偏置，减小沟道长度调制效应等各种失配对电路的影响[5]，提高电流检测的精度。图3中的PMOS7~PMOS10的B端接PNP的基极，利用镜像管的衬底偏置效应增加电路的环路增益，同时降低了它们的阈值电压[6]，在保证达到响应速度的前提下，提高检测电路的电流检测精度。P8的尾电流流入R3，在其上产生几十毫伏的压差连接到PWM比较器的负向输入端，防止整体电路启动时的误触发。R2连接的是功率管的地PGND2，R1连接的是PGND1。版图上，PGND1和PGND2是通过金属连接在一起的，都接功率管的GND，晶体管的设计版图如图4所示，但这两端的电位是有一定差异的。结合图4简要说明的是：由于功率管为开关型NLDMOS，版图中采用的是叉指状直栅结构，其S端都要接GND。DC-DC转换器中的功率管具有很高的宽长比，因而面积很大，叉指状的功率管S端的metal连接几乎贯穿芯片的两端。通过不同的金属将某一根接GND的叉指两端分别连接到R1和R2，由于叉指上有电流流过，两端会产生一定的压差，可以通过电流检测电路检测这两端的压差V0(约为几十毫伏)，进而进行放大，实现电流检测的功能。

电路的工作原理：设图3中流过P5和P6的电流分别为I1和Isense，R1=R2，P7~P10的宽长比相同，Q1~Q4的发射极面积相同，而且通过镜像偏置使流过N1和N2的两条支路的电流相等，都为IBIAS。N1和N2的宽长之比也相同，那么，由于反馈环路的作用，N1、N2的栅源电压相等，即Vgs1=Vgs2。P5和P6的宽长比也相等，所以I1=Isense。

根据KVL定律：

                             Vgs1+Va=Vb+Vgs2                     (1)

Vgs1+(I1+IBIAS)R1=V0+IBIASR2+Vgs2                      (2)

由于Vgs1=Vgs2，R1=R2，I1=Isense，所以有：

                                                                                     Isense=V0/R1                       (3)

由式(3)可知，检测的电流主要由R1和V0决定。由于V0是对功率管源端上的长条形叉指进行采样，叉指可以等效于一个电阻，所以V0∝IL，即Isense∝IL。

版图设计时应注意：电阻R1和R2选用相同类型的电阻，并应做好匹配性设计。功率管的GND与普通地分离，这样可以减少对电路中其他信号的干扰。连接R1、R2到功率地的金属线要做好信号隔离，以防止其他噪声信号的干扰。

3电路仿真结果分析

对该电路可在HHNECBCD0.35μm的工艺下用Spectre软件进行仿真验证。仿真时，电流检测电路的供电电压为5V，功率管的工作频率为1.3MHz，Temp=27℃，偏置电流IBIAS=16.9μA。其电路的瞬态仿真结果如图5所示。

图 5 中从上到下依次为电感电流、功率管电流和检测电流的波形。对图 5 的观察可知，其电流检测的信号电流和流过功率管的电流成线性关系。

表 1 所列为常温下测量得到的功率管电流、检测电流和两端压差 V0。通过观察可知，其结果与理论相符 ：V0 ∝ IL，Isense ∝ IL。当功率管电流为 600 mA 时，Isense=21.450 3 μA，理论值 V0/R1 为 21.211 μA，误差为 1.15%。

表 2 所列是在不同温度下 (-40 ℃、0 ℃、27 ℃和 85 ℃ )检测电流 Isense 和功率管输出电流 IL 的比率。该比率随着温度的升高而降低，随功率管电流的增大而略微减小。在 -40~85 ℃范围内，当 IL=200 mA 时，比率变化最大，误差为 13.3%，因此，该电路受温度影响的检测精度为86.7%以上。需要说明的是，当温度 T=-40 ℃时电流很大，由于芯片发热，该结果不一定成立，因此可见，该电路的检测精度会更高。

4 结 语

本文设计的用于电流模式 DC-DC 转换器的高性能电流检测电路，不需要额外的检测器件，只需对功率管的长条形源端上的压降进行采样，即可实现电流检测。通过仿真验证可知，该电流检测电路功率管电流和检测电流具有很好的线性关系，检测精度高于 86.7%，并且无额外功耗、故可以满足设计要求。

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