高速高精度电流检测电路的设计

黄淑燕，赖松林

（1．福建江夏学院电子信息科学学院，福建福州，350108；2．福州大学物理与信息工程学院，福建福州，350108）

随着便携式电子设备的普及，DC-DC变换器因其效率高、输出大电流等优点而被广泛应用于电源管理中。根据调制方式和控制方式的不同，DC-DC变换器分为电压模PWM型、峰值电流模PWM型和均值电流模PWM型。[1-3]相比电压模PWM型和均值电流模PWM型，峰值电流模PWM型具有瞬态响应快、电路环路比较简单、电路规模较小等优点。作为峰值电流模PWM型DC-DC核心电路，峰值电流检测电路是将检测到的电感电流转换为电压，经斜坡补偿后与电压回路的误差信号Vc比较产生控制功率管开断的PWM脉冲信号。[4,5]常用的电流检测方式有电感串联电阻、功率管导通电阻和功率管镜像拷贝以及运放钳位等方式。[6-8]串联电阻造成功率损耗，功率管电阻受负载影响较大，高速高增益的运放使得设计复杂，这些方法在功耗、速度和精度上都存在缺陷。因此，提高检测速度、精度以及负载内环路保持稳定成为研究电流检测电路的热点问题。现有的关于电流检测的研究除了解决电阻功耗以及运放设计难等问题之外，还采用负反馈的方式快速跟踪电感电流变化，但因带宽受限使得检测速度不理想。[7-9]本文在对比分析传统型电流检测电路的带宽受限原因后，提出一种动态偏置并联负反馈方式。基于该方式设计的电流检测电路不仅功耗低，且具有较快的检测速度和精度。

一、传统型电流检测电路

现有的电流检测电路原理如图1所示。电路中利用Mos管Mps与功率管Mp以1：K的比例镜像拷贝电流Ips后在电阻Rs上产生感应电压Vsen，经斜坡补偿后与电压回路的误差信号Vc比较产生控制功率管开断的PWM脉冲信号；电路中不含运放，有效地降低了整体功耗；采用由M5、Ms和M4构成的负反馈环路来跟踪电感电流变化，有效地提高了检测速度。其中L、RL和CL是片外电路，信号Q是控制电源管理芯片内功率管开断的PWM脉冲信号，Ibias是偏置电流。

图1 传统电流检测电路

该电路使用M5、Ms和M4构成的反馈环路来保证Vc跟随Vsw的变化，M4和M5相当于一对差分输入管，M2和M3为有源负载，Ms是跟随放大管。环路的增益影响电流检测的精度，环路的带宽影响电流检测的速度。进行该环路的小信号分析，从Vo处断开，对应的小信号等效电路如图2所示：

图2 传统检测电路小信号等效电路

由图2得到该环路的传输函数为：

其中，Rc是Mps的小信号电阻，是Ms的小信号跨导电阻。由式（2）可知，Ms的尺寸需较大以承受大负载检测的电流值，该环路的主极点是非主极点为因此环路的增益和增益带宽积为：

由增益带宽积UGF、非主极点pnd和相位裕度PM三者的关系如下：[10]

其中，Co是差分对管的栅极寄生电容，gm4是差分对管的小信号跨导。

一般地，M4和M5的尺寸较大，Co也就较大。为了降低功耗，gm4不能取太大。从式（8）可以看出，该环路的增益带宽积受到了gm4和Co的限制。同时，当gms较小且PM足够时，、较小，检测速度受到限制。gms随着负载变大后，、也变大，然而非主极点位置固定使得PM降低，导致检测电压产生过冲，进而影响检测精度。

二、高速高精度电流检测电路

由于现有检测电路在带宽和增益上受限，使得检测速度和精度存在缺陷，因此在其基础上引入动态偏置并联负反馈电路来改善，如图3所示：

图3 新型电流检测电路

虚线框内是由M6～M13组成的动态偏置并联负反馈电路，与M4、M5和Ms构成的负反馈并联，通过调节M11的线性电阻来调整M6跨导，使得Vo尽快稳定，以减少由于开关引起的过冲电压。M12将系统内置的基准电流源镜像后提供给M10，其中VB是偏置信号。引入二极管连接的M13配合M10工作，保证M10～M13的电流形成，加快环路的建立，提高电流感应速度。Ms1与Ms2分别受PWM信号Q及其反相信号Q'控制，防止当信号Q高电平时环路电压Va和Vb的电位降到零，缩短了当Q电平为低时的环路建立时间。图3对应的小信号等效电路如图4所示，方便比较新型检测电路与传统检测电路。

图4 新型峰值电流检测电路小信号等效电路

其中，gm4、gms、gm5、gm6分别是M4、Ms、M5、M6的小信号跨导，Gmf是M7～M13的等效跨导，当且时，Gmf等效为M11的小信号跨导gm11。Rop是M4和M6的并联小信号电阻，其大小为：

从图4可以得到传输函数T(s)：

将式（11）代入式（10），整理得到传输函数的分母Den(s)为：

比较式（5）和（13）以及式（6）和（14），可以看出增益和带宽积均得到提高，改进后的电路能有效提高电流的检测速度和精度。

三、仿真结果及分析

基于上华0.35μm BCD CMOS工艺，用Cadence的Spectre工具进行电路仿真，仿真结果如图5～8所示：

图5 整体静态电流及其与负载电流Iload的关系

图6 不同负载下传统型和新型检测电路的环路幅频响应

图7 不同负载电流下的相位裕度

图8 不同负载下传统型和新型检测电路的瞬态响应

由图5可知，电路的静态电流随着负载的增加而增加，而静态电流与负载电流的比例却不断减小，而且永远低于0.25%，因此新型峰值检测电路具有较高的效率。由图6可知，在负载电流为50mA时，单位增益带宽从2.983MHz提高到5.511MHz，增益从26.88dB提高到36.06dB；在负载电流为1A时，单位增益带宽从11.83MHz提高到17.19MHz，增益从37.59dB提高到43.7dB。相对传统型的电流检测电路，新型电路在宽负载范围内具有良好的环路特性，增益和带宽均有提高。虽然相位裕度相对降低，但是由图7可知，在整个负载变化内都在65℃以上，满足工程上对系统稳定性的要求。从图8传统型和新型电路在不同负载下的瞬态响应对比可以看出，新型峰值电流检测电压的上冲电压得到解决，同时峰值比较靠近理想电压，具有较高的检测精度。因此，新型峰值电流检测电路的检测速度和精度比之传统型，均有所改善，而且满足系统宽负载的设计要求。

该新型电路已使用于电源管理芯片中，模块在芯片中显影照片如图9所示：

图9 电流检测模块的显影照片

四、总结

本文对传统检测电路进行分析，发现电路带宽受限导致的速度和精度问题，由此提出一种新型结构，并用上华0.35μm工艺进行设计仿真验证。仿真结果表明：在宽负载电流变化下，新型电路的单位增益带宽以及增益相比传统型有较明显的提高，相位裕度在整个负载变化内都在65℃以上，检测电压的上冲现象得到有效抑制，且峰值比较靠近理想电压，具有较高的检测精度。与传统电路相比，本文设计的电流检测电路具有快速高精度等优点，可以满足峰值电流模DC-DC在微处理器系统中的应用需求。