一種適合于開關(guān)穩(wěn)壓器的新穎電流檢測(cè)方法

0 引言
隨著電子產(chǎn)品向小型化、便攜化的趨勢(shì)發(fā)展，單片集成的高效、低電源電壓DC-DC變換器被廣泛應(yīng)用。在許多電源管理IC中都用到了電流檢測(cè)電路。在電流模式PWM控制DC-DC變換器中，電流檢測(cè)模塊是組成電流環(huán)路的重要部分，用于檢測(cè)流過功率管和電感上的電流，并通過將電流檢測(cè)結(jié)果和電壓環(huán)路的輸出做比較，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的效果。在電壓模式PWM控制DC-DC變換器、LDO、Charge Pump等電路中，它還可以用
作開路、短路、過流等節(jié)能和保護(hù)性目的。
傳統(tǒng)的電流檢測(cè)方法有3種：
(1)利用功率管的RDS進(jìn)行檢測(cè)；
(2)使用檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管檢測(cè)；
(3)場(chǎng)效應(yīng)晶體管與檢測(cè)電阻結(jié)合。
針對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器，不同于傳統(tǒng)的電流檢測(cè)方式，本文提出了一種新穎的電流檢測(cè)方法。

1 傳統(tǒng)的電流檢測(cè)方法
1．1 利用功率管的RDS進(jìn)行檢測(cè)(RDS SENSING)
當(dāng)功率管(MOSFET)打開時(shí)，它工作在可變電阻區(qū)，可等效為一個(gè)小電阻。MOSFET工作在可變電阻區(qū)時(shí)等效電阻為：

式中：μ為溝道載流子遷移率；Cox為單位面積的柵電容；VTH為MOSFET的開啟電壓。
如圖1所示，已知MOSFET的等效電阻，可以通過檢測(cè)MOSFET漏源之間的電壓來檢測(cè)開關(guān)電流。

這種技術(shù)理論上很完美，它沒有引入任何額外的功率損耗，不會(huì)影響芯片的效率，因而很實(shí)用。但是這種技術(shù)存在檢測(cè)精度太低的致命缺點(diǎn)：
(1)MOSFET的RDS本身就是非線性的。
(2)無論是芯片內(nèi)部還是外部的MOSFET，其RDS受μ，Cox，VTH影響很大。
(3)MOSFET的RDS隨溫度呈指數(shù)規(guī)律變化(27～100℃變化量為35％)。
可看出，這種檢測(cè)技術(shù)受工藝、溫度的影響很大，其誤差在-50％～+100％。但是因?yàn)樵撾娏鳈z測(cè)電路簡(jiǎn)單，且沒有任何額外的功耗，故可以用在對(duì)電流檢測(cè)精度不高的情況下，如DC-DC穩(wěn)壓器的過流保護(hù)。
1．2 使用檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SENSEFET)
這種電流檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際的工程應(yīng)用中較為普遍。它的設(shè)計(jì)思想是：如圖2在功率MOSFET兩端并聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)FET，檢測(cè)FET的有效寬度W明顯比功率MOSFET要小很多。功率MOSFET的有效寬度W應(yīng)是檢測(cè)FET的100倍以上(假設(shè)兩者的有效長(zhǎng)度相等，下同)，以此來保證檢測(cè)FET所帶來的額外功率損耗盡可能的小。節(jié)點(diǎn)S和M的電流應(yīng)該相等，以此來避免由于FET溝道長(zhǎng)度效應(yīng)所引起的電流鏡像不準(zhǔn)確。

在節(jié)點(diǎn)S和M電位相等的情況下，流過檢測(cè)FET的電流，IS為功率MOSFET電流IM的1／N(N為功率FET和檢測(cè)FET的寬度之比)，IS的值即可反映IM的大小。
1．3 檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和檢測(cè)電阻相結(jié)合
如圖3所示，這種檢測(cè)技術(shù)是上一種的改進(jìn)形式，只不過它的檢測(cè)器件不是FET而是小電阻。在這種檢測(cè)電路中檢測(cè)小電阻的阻值相對(duì)來說比檢測(cè)FET的RDS要精確很多，其檢測(cè)精度也相對(duì)來說要高些，而且無需專門電路來保證功率FET和檢測(cè)FET漏端的電壓相等，降低了設(shè)計(jì)難度，但是其代價(jià)就是檢測(cè)小電阻所帶來的額外功率損耗比第一種檢測(cè)技術(shù)的1／N2還要小(N為功率FET和檢測(cè)FET的寬度之比)。