傳統(tǒng)與新穎電流極限比較器設計

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，檢測電流由M1（senseMOSFET）流入由多個開關(guān)管和電阻組成的網(wǎng)絡R1中，該網(wǎng)絡通過控制開關(guān)管導通或關(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(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)化成電壓再進行比較，需要占芯片面積非常大的電阻網(wǎng)絡和開關(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

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(guān)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。

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，用于設定電源所需的幾種極限電流值。Mc1--Mc10構(gòu)成電流比較器，使極限電流與檢測電流直接比較產(chǎn)生不同的占空比（即不同的導通時間）。與非門和倒相器構(gòu)成控制電路，直接驅(qū)動功率MOS管，控制其導通或關(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(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(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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)管關(guān)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。