基于電流極限比較器的設計

中心議題：

• 基于電流極限比較器的設計
• 電流極限比較器的新結(jié)構(gòu)及原理

解決方案：

• 采用電流鏡網(wǎng)絡代替電阻網(wǎng)絡
• 采用TSMC0.25μm工藝模型

• 采用cascode結(jié)構(gòu)組成電流比較器

1.引言

開關電源因體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點在電子、電器設備、家電等領域得到了廣泛的應用，進入了快速發(fā)展期。開關電源的基本工作原理為：在不同的負載情況下，反饋控制電路通過改變功率開關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，電流模式因動態(tài)響應快、補償電路簡單、增益帶寬大、輸出電感小、易于均流等優(yōu)點而被廣泛應用。

極限電流比較器是電流模式控制電路中一個非常重要的部分，其對不同的負載情況，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：

重負載情況對應的電源輸出電流比較大，此時應設定較大極限電流，保證輸出電壓穩(wěn)定；輕負載情況對應的極限電流較小，此時應設定較小極限電流，使輸出電壓穩(wěn)定。因此不同的負載情況對應不同的極限電流，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，檢測電流由M1（senseMOSFET）流入由多個開關管和電阻組成的網(wǎng)絡R1中，該網(wǎng)絡通過控制開關管導通或關斷，改變R1的電阻值，得到不同的占空比。另外一基準電流流過一阻值固定的電阻R，產(chǎn)生一固定參考電壓。當R1的壓降隨檢測電流上升到參考電壓時，比較器關斷功率管，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，從而關斷功率管產(chǎn)生一占空比，當改變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)的開關電源電流極限比較器是將兩種電流先轉(zhuǎn)化成電壓再進行比較，需要占芯片面積非常大的電阻網(wǎng)絡和開關管，并且為保證電阻精度，一般需要激光修調(diào)技術，這大大增加了芯片成本。因此本文在此基礎上提出一種新型的電流極限比較器結(jié)構(gòu)。

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為通過電流鏡產(chǎn)生的極限電流，其值可變。檢測電流由M1（senseMOSFET）流入電流比較器，直接與所設定的極限電流比較，當其值上升到極限電流時，關斷功率管。通過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。

M0通過電流鏡引入基準電流，M2，M3，M4，M5通過M1以一定的比例產(chǎn)生四種大小不同的基準電流，然后分別通過電流鏡傳到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。檢測電源輸出電壓的狀態(tài)機通過對輸出電壓的檢測，產(chǎn)生相應的高低電平信號去設定所需的極限電流[4].此電路巧妙地用狀態(tài)機的輸出電壓作為電流鏡的電源電壓，分別接到s0，s1，s2，直接控制電流鏡導通或關斷，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管。

由于采用電流鏡網(wǎng)絡代替電阻網(wǎng)絡，工藝上MOS管的匹配性遠高于電阻的匹配性，從而避免了電阻網(wǎng)絡為保證精確度而采用的激光修調(diào)技術，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)絡所占的面積，進一步降低成本。另外本文非常巧妙地利用狀態(tài)機輸出的控制信號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管。例如，s0，s2接高電平，s1接低電平時，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，為保證開關管導通電阻非常小，其寬長比非常大，從而占比較大的版圖面積。本結(jié)構(gòu)巧妙地省去開關管，進一步減少芯片面積，降低成本。為滿足低功耗設計，本文設定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。當功率管關斷時，控制信號s0，s1，s2為低電平，則電流鏡網(wǎng)絡中只有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)絡的電流極限比較器（其實為電壓比較器）中，一般需要產(chǎn)生大約1V以上的參考電壓，從而開關管關斷時靜態(tài)電流相對比較大。M5中的電流既可以作為正常工作時的極限電流，又可以防止由于狀態(tài)機和電流鏡的延時或噪聲引起的誤動作。

Mc3--Mc6組成cascode結(jié)構(gòu)作為電流比較器。

檢測電流引入到Mc8，這可采用中的結(jié)構(gòu)完成。然后鏡像到Mc5.當主功率管開始導通時，Mc5和Mc6中的電流鏡像檢測電流緩緩上升，只要檢測電流小于此時所設定的極限電流，Mc3和Mc4就至少有一個工作在線性區(qū)，Mc3和Mc4作為一個整體呈電阻特性。因為若Mc3和Mc4已工作于飽和區(qū)，則其電流一定會鏡像Mc1和Mc2中的電流即極限電流。這就會出現(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Mc3和Mc4中的電流與Mc5和Mc6中的電流相等時，Mc3和Mc4才工作于飽和區(qū)。

當檢測電流與極限電流相等時，cascode輸出電源電壓與地的平均值給反相器，此時正好達到反相器的中轉(zhuǎn)電壓，反相器開始翻轉(zhuǎn)電平，從而關斷功率管。由于比較器采用cascode結(jié)構(gòu)，其輸出電阻非常大，則只要檢測電流剛上升到極限電流時，即可馬上使反相器電平翻轉(zhuǎn)，關斷功率管，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，假設失調(diào)電壓為20mV，電阻網(wǎng)絡的最小值為5kΩ，則失調(diào)電壓會引起4μA的檢測電流誤差，極大地影響了系統(tǒng)的性能?？傊?，本文所提出的電流極限比較器結(jié)構(gòu)無論是電流鏡部分還是電流比較器部分比之相應的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)都具有較大的改進。

3.仿真

本文采用TSMC0.25μm工藝模型對圖3設定參數(shù)進行性能仿真。設最小極限電流即通過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時電流比較器的工作情況，四種電流所對應的占空比分別為10%，40%，60%和100%.圖4-圖7中橫軸代表檢測電流，其從0慢慢增大，縱軸代表圖3中某些關鍵點的電壓隨檢測電流變化的情況。

現(xiàn)以圖4為例闡述電流極限比較器的工作情況。此時極限電流為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，另外兩條點劃線分別代表cascode結(jié)構(gòu)中Mc3和Mc4的柵電壓波形。

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程分為五個階段，第一階段：檢測電流從0慢慢上升到A，在此過程中，由于檢測電流遠小于極限電流，強迫Mc3和Mc4都工作于線性區(qū)。第二階段：檢測電流從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cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓隨檢測電流上升時，Mc4中電流慢慢接近所設定的極限電流。第三階段：檢測電流從B上升到C，此時檢測電流已上升到所設定的極限電流，Mc3和Mc4都工作于飽和區(qū)，同時cascode結(jié)構(gòu)的輸出電壓也上升到后面反相器的中點電壓，經(jīng)過后續(xù)控制電路關斷功率管。第四階段：檢測電流從C上升到D，此時檢測電流大于所設定的極限電流，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，當檢測電流達到4.1μA時，關斷功率管，滿足系統(tǒng)要求。圖5--圖7的工作情況與圖4類似，圖5設定極限電流為16μA，可以看出當檢測電流達到15.97μA時，關斷功率管。圖6設定極限電流為24μA，可以看出當檢測電流達到23.82μA時，關斷功率管。圖7設定極限電流為40μA，可以看出當檢測電流達到39.6μA時，關斷功率管。

仿真結(jié)果表明，本文所提出的新結(jié)構(gòu)能使檢測電流非常精確地達到所設定的極限電流值，滿足系統(tǒng)的要求。但是圖中顯示檢測電流與極限電流還是有一定的偏差（最大為0.4μA），通過仿真分析發(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一步提高精度，但這會一定程度上增大芯片的面積，設計時應根據(jù)系統(tǒng)指標要求折中考慮。

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)絡產(chǎn)生開關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)不需要開關管和電阻網(wǎng)絡，使得芯片面積大幅度降低，減小了成本，同時具有速度快，功耗低，精度高的優(yōu)點。