- 一種新型的電流極限比較器
- 電流極限比較器的新結(jié)構(gòu)及原理
- 采用電流鏡結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻網(wǎng)絡(luò)
- 采用cascode 結(jié)構(gòu)組成電流比較器
- 不需要開關(guān)管和電阻網(wǎng)絡(luò)
1.引言
開關(guān)電源因體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在電子、電器設(shè)備、家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入了快速發(fā)展期。開關(guān)電源的基本工作原理為： 在不同的負(fù)載情況下，反饋控制電路通過(guò)改變功率開關(guān)管的占空比使輸出電壓穩(wěn)定。反饋控制電路分為電流模式和電壓模式，電流模式因動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單、增益帶寬大、輸出電感小、易于均流等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。
極限電流比較器是電流模式控制電路中一個(gè)非常重要的部分， 其對(duì)不同的負(fù)載情況， 產(chǎn)生不同的極限電流， 去限制電感上的峰值電流或平均電流，從而盡可能地減小輸出電壓紋波和提高電源效率。例如：
重負(fù)載情況對(duì)應(yīng)的電源輸出電流比較大， 此時(shí)應(yīng)設(shè)定較大極限電流， 保證輸出電壓穩(wěn)定；輕負(fù)載情況對(duì)應(yīng)的極限電流較小，此時(shí)應(yīng)設(shè)定較小極限電流， 使輸出電壓穩(wěn)定。因此不同的負(fù)載情況對(duì)應(yīng)不同的極限電流， 從而得到不同的占空比，保證電源效率高和輸出電壓紋波小。
傳統(tǒng)的開關(guān)電源控制電路中， 電流極限比較器結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示， 檢測(cè)電流由M1（ sense MOSFET）流入由多個(gè)開關(guān)管和電阻組成的網(wǎng)絡(luò)R1 中，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)控制開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷， 改變R1 的電阻值，得到不同的占空比。另外一基準(zhǔn)電流流過(guò)一阻值固定的電阻R, 產(chǎn)生一固定參考電壓。當(dāng)R1 的壓降隨檢測(cè)電流上升到參考電壓時(shí)，比較器關(guān)斷功率管， 保證輸出電壓穩(wěn)定。其工作原理如圖2（a） 所示，例如： R1 上的電壓從a 上升到d, 從而關(guān)斷功率管產(chǎn)生一占空比， 當(dāng)改變R1 的電阻值， R1 上的電壓從a 上升到f 得到另一占空比。從圖1（a）可以看出：傳統(tǒng)的開關(guān)電源電流極限比較器是將兩種電流先轉(zhuǎn)化成電壓再進(jìn)行比較，需要占芯片面積非常大的電阻網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)管， 并且為保證電阻精度， 一般需要激光修調(diào)技術(shù)，這大大增加了芯片成本。因此本文在此基礎(chǔ)上提出一種新型的電流極限比較器結(jié)構(gòu)。
圖1 傳統(tǒng)的與新穎的電流極限比較器結(jié)構(gòu)
圖2 傳統(tǒng)的與新穎的電流極限比較器結(jié)構(gòu)的工作原理
[page]2.新結(jié)構(gòu)及原理
圖1（b）給出了本文所提出的電流極限比較器的基本框架， 其中Iref 為通過(guò)電流鏡產(chǎn)生的極限電流， 其值可變。檢測(cè)電流由M1（ sense MOSFET）流入電流比較器， 直接與所設(shè)定的極限電流比較， 當(dāng)其值上升到極限電流時(shí)，關(guān)斷功率管。通過(guò)改變極限電流的大小， 得到不同的占空比， 其工作原理如圖2（b）所示。
圖3 為本文所提出的新型電流極限比較器具體電路。其中M0- -M11 構(gòu)成電流鏡網(wǎng)絡(luò)， 用于設(shè)定電源所需的幾種極限電流值。Mc1- -Mc10 構(gòu)成電流比較器， 使極限電流與檢測(cè)電流直接比較產(chǎn)生不同的占空比（即不同的導(dǎo)通時(shí)間）。與非門和倒相器構(gòu)成控制電路，直接驅(qū)動(dòng)功率MOS 管， 控制其導(dǎo)通或關(guān)斷。此電流極限比較器采用電流鏡結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生電源所需的幾種極限電流，采用cascode結(jié)構(gòu)組成電流比較器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓比較器使兩種電流直接比較。
圖3 一種新型的電流極限比較器
M0 通過(guò)電流鏡引入基準(zhǔn)電流， M2,M3,M4,M5通過(guò)M1 以一定的比例產(chǎn)生四種大小不同的基準(zhǔn)電流， 然后分別通過(guò)電流鏡傳到M7, M9, M11 及M5,四種電流以不同的組合產(chǎn)生電源所需的各種極限電流。檢測(cè)電源輸出電壓的狀態(tài)機(jī)通過(guò)對(duì)輸出電壓的檢測(cè)，產(chǎn)生相應(yīng)的高低電平信號(hào)去設(shè)定所需的極限電流[4].此電路巧妙地用狀態(tài)機(jī)的輸出電壓作為電流鏡的電源電壓， 分別接到s0,s1,s2, 直接控制電流鏡導(dǎo)通或關(guān)斷， 產(chǎn)生所需要的極限電流， 從而不需要占芯片面積非常大的開關(guān)管。
由于采用電流鏡網(wǎng)絡(luò)代替電阻網(wǎng)絡(luò)， 工藝上MOS 管的匹配性遠(yuǎn)高于電阻的匹配性， 從而避免了電阻網(wǎng)絡(luò)為保證精確度而采用的激光修調(diào)技術(shù)，大大降低了成本。并且電流鏡所占的芯片面積大大小于電阻網(wǎng)絡(luò)所占的面積，進(jìn)一步降低成本。另外本文非常巧妙地利用狀態(tài)機(jī)輸出的控制信號(hào)直接作電流鏡的電源，從而使電流極限比較器不需要占版圖面積非常大的開關(guān)管。例如， s0,s2 接高電平， s1 接低電平時(shí)， M9 中沒有電流， M7,M8 和M5 中的電流之和Mc1 和Mc2 作為極限電流。在傳統(tǒng)的電流極限比較器中， 為保證開關(guān)管導(dǎo)通電阻非常小， 其寬長(zhǎng)比非常大，從而占比較大的版圖面積。本結(jié)構(gòu)巧妙地省去開關(guān)管， 進(jìn)一步減少芯片面積， 降低成本。為滿足低功耗設(shè)計(jì)， 本文設(shè)定M5 中的電流作為幾種極限電流的最小值， 并且始終存在電流。當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)， 控制信號(hào)s0,s1,s2 為低電平，則電流鏡網(wǎng)絡(luò)中只有M5中存在電流， 由于其靜態(tài)電流非常小， 從而保證電路低功耗。而在帶電阻網(wǎng)絡(luò)的電流極限比較器（其實(shí)為電壓比較器）中，一般需要產(chǎn)生大約1V 以上的參考電壓， 從而開關(guān)管關(guān)斷時(shí)靜態(tài)電流相對(duì)比較大。M5中的電流既可以作為正常工作時(shí)的極限電流，又可以防止由于狀態(tài)機(jī)和電流鏡的延時(shí)或噪聲引起的誤動(dòng)作。
Mc3- -Mc6 組成cascode 結(jié)構(gòu)作為電流比較器
檢測(cè)電流引入到Mc8, 這可采用中的結(jié)構(gòu)完成。然后鏡像到Mc5.當(dāng)主功率管開始導(dǎo)通時(shí)， Mc5 和Mc6中的電流鏡像檢測(cè)電流緩緩上升，只要檢測(cè)電流小于此時(shí)所設(shè)定的極限電流， Mc3 和Mc4 就至少有一個(gè)工作在線性區(qū)， Mc3 和Mc4 作為一個(gè)整體呈電阻特性。因?yàn)槿鬗c3 和Mc4 已工作于飽和區(qū)， 則其電流一定會(huì)鏡像Mc1 和Mc2 中的電流即極限電流。這就會(huì)出現(xiàn)Mc3 和Mc4 中的電流與Mc5 和Mc6 中的電流不等的矛盾。因此， 只有當(dāng)Mc3 和Mc4 中的電流與Mc5 和Mc6 中的電流相等時(shí)， Mc3 和Mc4 才工作于飽和區(qū)。
當(dāng)檢測(cè)電流與極限電流相等時(shí)， cascode 輸出電源電壓與地的平均值給反相器， 此時(shí)正好達(dá)到反相器的中轉(zhuǎn)電壓， 反相器開始翻轉(zhuǎn)電平，從而關(guān)斷功率管。由于比較器采用cascode 結(jié)構(gòu)， 其輸出電阻非常大， 則只要檢測(cè)電流剛上升到極限電流時(shí)，即可馬上使反相器電平翻轉(zhuǎn)， 關(guān)斷功率管， 具有非常高的精度。cascode 結(jié)構(gòu)代替電壓比較器使檢測(cè)電流與極限電流直接比較，也避免了由電壓比較器的失調(diào)電壓引起的不精確性。例如， 假設(shè)失調(diào)電壓為20mV, 電阻網(wǎng)絡(luò)的最小值為5kΩ，則失調(diào)電壓會(huì)引起4μA的檢測(cè)電流誤差，極大地影響了系統(tǒng)的性能。總之，本文所提出的電流極限比較器結(jié)構(gòu)無(wú)論是電流鏡部分還是電流比較器部分比之相應(yīng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)都具有較大的改進(jìn)。
3.仿真
本文采用TSMC 0.25μm 工藝模型對(duì)圖3 設(shè)定參數(shù)進(jìn)行性能仿真。設(shè)最小極限電流即通過(guò)m5 中的電流為4μA, s0 所控制的極限電流為12μA, s1所控制的極限電流為20μA, s2 所控制的極限電流為36μA.
圖4-圖7 給出了極限電流分別為4μA,16μA, 24μA 和40μA 時(shí)電流比較器的工作情況，四種電流所對(duì)應(yīng)的占空比分別為10%, 40%, 60%和100%.圖4-圖7 中橫軸代表檢測(cè)電流， 其從0 慢慢增大， 縱軸代表圖3 中某些關(guān)鍵點(diǎn)的電壓隨檢測(cè)電流變化的情況。
圖4 當(dāng)極限電流為4uA時(shí)電流極限比較器的特性
圖5 當(dāng)極限電流為16uA時(shí)電流極限比較器的特性
圖6 當(dāng)極限電流為24uA時(shí)電流極限比較器的特性
圖7 當(dāng)極限電流為40uA時(shí)電流極限比較器的特性
現(xiàn)以圖4 為例闡述電流極限比較器的工作情況。此時(shí)極限電流為4μA, 其虛線代表cascode 結(jié)構(gòu)的輸出電壓波形，黑色實(shí)線代表反相器的輸出電壓波形即與非門的輸入電壓波形， 另外兩條點(diǎn)劃線分別代表cascode 結(jié)構(gòu)中Mc3 和Mc4 的柵電壓波形。
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從虛線即cascode 結(jié)構(gòu)的輸出電壓波形可以看出，電流極限比較器的工作過(guò)程分為五個(gè)階段， 第一階段： 檢測(cè)電流從0 慢慢上升到A, 在此過(guò)程中， 由于檢測(cè)電流遠(yuǎn)小于極限電流， 強(qiáng)迫Mc3 和Mc4 都工作于線性區(qū)。第二階段： 檢測(cè)電流從A 上升到B, cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓也隨著上升， 使Mc4 工作于飽和區(qū)， Mc3 工作于線性區(qū)。但是Mc4 只是剛剛進(jìn)入飽和區(qū)，還受溝道調(diào)制因素影響， 這可從圖中很清析地看出當(dāng)cascode 結(jié)構(gòu)的輸出電壓隨檢測(cè)電流上升時(shí)， Mc4 中電流慢慢接近所設(shè)定的極限電流。第三階段： 檢測(cè)電流從B 上升到C, 此時(shí)檢測(cè)電流已上升到所設(shè)定的極限電流， Mc3 和Mc4 都工作于飽和區(qū)， 同時(shí)cascode 結(jié)構(gòu)的輸出電壓也上升到后面反相器的中點(diǎn)電壓， 經(jīng)過(guò)后續(xù)控制電路關(guān)斷功率管。第四階段：檢測(cè)電流從C 上升到D, 此時(shí)檢測(cè)電流大于所設(shè)定的極限電流， 迫使Mc5 工作于線性區(qū)， 雖Mc6 還工作于飽和區(qū)，但受溝道調(diào)制因素影響， 另外Mc3 和Mc4 工作于飽和區(qū)。第五階段： 檢測(cè)電流從D 繼續(xù)往上升， 迫使Mc5 和Mc6 都工作于線性區(qū)，Mc3 和Mc4 工作于飽和區(qū)。從圖4 中可以看出， 當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到4.1μA 時(shí)， 關(guān)斷功率管，滿足系統(tǒng)要求。圖5- - 圖7 的工作情況與圖4 類似， 圖5 設(shè)定極限電流為16μA, 可以看出當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到15.97μA 時(shí)，關(guān)斷功率管。圖6 設(shè)定極限電流為24μA, 可以看出當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到23.82μA 時(shí)， 關(guān)斷功率管。圖7 設(shè)定極限電流為40μA, 可以看出當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到39.6μA 時(shí)， 關(guān)斷功率管。
仿真結(jié)果表明， 本文所提出的新結(jié)構(gòu)能使檢測(cè)電流非常精確地達(dá)到所設(shè)定的極限電流值，滿足系統(tǒng)的要求。但是圖中顯示檢測(cè)電流與極限電流還是有一定的偏差（最大為0.4μA），通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)這是因溝道調(diào)制因素引起電流鏡鏡像的誤差造成的。若將電流鏡的柵寬增大能進(jìn)一步提高精度， 但這會(huì)一定程度上增大芯片的面積，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求折中考慮。
結(jié)束
本文提出了一種新型的電流極限比較器結(jié)構(gòu)，其采用電流鏡結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生開關(guān)電源所需的幾種極限電流， 采用cascode 結(jié)構(gòu)組成電流比較器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓比較器使兩種電流直接比較。此結(jié)構(gòu)不需要開關(guān)管和電阻網(wǎng)絡(luò)， 使得芯片面積大幅度降低， 減小了成本，同時(shí)具有速度快， 功耗低， 精度高的優(yōu)點(diǎn)。
