（微电子学与固体电子学专业论文）降压型变换器中高端电流检测的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着消费电子的迅速发展和电子类产品的广泛应用，电源应用 的效率也成为了关注的焦点，低功耗高效率的d c d c 电源转换器也 成为了当前电源管理的研究热点。电流模式控制具有很多电压模式 控制无法具有的优点：比如更好的稳定性和更快的动态响应，所以 电流模式d c d c 转换器成为了市场的主流产品，作为其核心部分的 电流检测也成为了研究的热点。 本文深入地研究了电流模式控制的d c d c 转换器的电流检测设 计，对电流检测的检测方法，检测方法的选择做了详细的探讨，巧 妙地结合了d c d c 系统的需求，融合了几种检测方法的优点，运用 了一种折中的检测方案，取得了很好的效果，此为本文工作之一； 随后在电路设计方案选择上，由于系统输入电压范围跨度很大，- 根 据系统特点和电路的要求，设计出了一个合适的电流检测电路，适 应整个系统的需求，其检测精度保持在9 7 以上，此为本文工作之 二：其后研究了电流检测的误差对系统的影响，此为本文工作之三； 最后在0 6 u r n3 0 vb c d 工艺模型下，使用了h s p i c e 软件对所设计 的电路进行了仿真验证，最后与文献中的电流检测电路做了对比， 此为本文工作之四。 本文开篇简要地介绍了电源i c 芯片的重要性，市场需求展望及 国内外研究的现状和面临的主要问题问题，接着叙述了传统d c d c 电源管理芯片的控制模式电流模式控制和电压模式控制，介绍了 高低端电流检测，几种业界常用的传统电流检测方法，原理与技术， 分析了各自的优缺点，紧接着讲解了检测方法的选择与本文运用的 方法的设计背景，然后阐述了电流检测放大器和电流检测电路的具 体设计，随后给出了在电流检测电路基础上的降压型d c d c 电源转 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 换器芯片以及芯片中电流检测电路的仿真结果，并与文献中的传统 的电流检测电路的分析与比较，最后归纳了本次工作的意义以及对 存在哪些不足给出总结与讨论。 关键词：电流模式；电流检测；电阻电平平移网络；共基极结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第 il 页 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c sa n dt h ei n c r e a s i n g d e m a n df o rc o n s u m e re l e c t r o n i c ，t h e e f f i c i e n c y o ft h eb a t t e r yh a s b e c o m eaf o c u s ，a n dt h eh i g h e f f i c i e n c y sd ct od ec o n v e r t e r sb e c o m et o t h ep o w e rm a n a g e m e n t st o p i ct o o t h ec u r r e n tm o d ec o n t r o lh a sm a n y a d v a n t a g e st h a nt h ev o l t a g em o d es u c ha sb e t t e rs t a b i l i t ya n df a s t e r d y n a m i cr e s p o n s ea n ds oo n s ，0t h ec u r r e n t s e n s i n gi sa ni m p o r t a n tp a r t i nt h ed ct od ec o n v e r t e r s i nt h i sp a p e r ，w er e s e a r c ht h ec u r r e n tm o d ec o n t r o ld ct od c c o n v e r t e r sd e s i g n ，t h ec u r r e n t s e n s i n gm e t h o d sa n dt h ec h o i c e so f c u r r e n t s e n s i n gt ot h ed ct od cs y s t e m sn e e d s c o m b i n e st h ea d v a n t a g e s o fs e v e r a ld e t e c t i o nm e t h o d s ，d e s i g nan e wm e t h o d ，a n dg e tg o o d r e s u l t s ，t h i si st h ef i r s tjo bo ft h i sp a p e r t h e no nt h ec h o i c e so ft h e d e s i g nc i r c u i t s ，b e c a u s eo ft h ew i d er a n g e so ft h ei n p u tv o l t a g e ，d e s i g n t h ec i r c u i tt of i tt h es y s t e m sn e e d s ，m a k et h ea c c u r a c yt ot h e9 7 ，t h i s i st h e s e c o n djo bo ft h i sp a p e r + b e h i n di tw er e s e a r c ht h ee r r o ri nt h e c u r r e n tl o o p ，a n da n a l y s i st h ec a u s e so ft h ee r r o r , t h i si st h et h i r dj o bo f t h i s p a p e r f i n a l l y , i nt h e o 6 u r n3 0 vb c dp r o c e s s ，w es i m u l a t et h e c i r c u i tw i t ht h eh s p i c es o f t w a r e ，a n dd oac o m p a r ew i t ht h ei e e e s c i r c u i t s ，t h i si st h ef o r t hj o bo ft h i sp a p e r i nt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e rw ei n t r o d u c et h ei m p o r t a n c eo ft h e p o w e ri c sa n dt h ed e v e l o p m e n t t h e nw ed e s c r i b e t h et r a d i t i o n a l c u r r e n tm o d ed c d cp o w e rm a n a g e m e n ti cc o n t r o l c u r r e n tm o d ea n d v o l t a g em o d e ，a n d i n t r o d u c e ss e v e r a lt r a d i t i o n a l c u r r e n t s e n s i n g m e t h o d s ，w i t ha na n a l y s i so ft h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e n 西南交通大学硕士研究生学位论文第lv 页 g i v et h em e t h o d so ft h i sp a p e ra n dt h e c i r c u i td e s i g n sb a c k g r o u n d ， f o l l o w e di tw es h o wt h ec u r r e n t - s e n s i n ga m p l i f i e ra n dc u r r e n t s e n s i n g c i r c u i t d e s i g n b e h i n di t ，w eg i v e t h e c u r r e n t - s e n s i n g c i r c u i t s s i m u l a t i o nr e s u l t sba s e do nah i g h - v o l t a g eb u c kd ct od cp o w e r c o n v e r t e r ss y s t e m f i n a l l yw e s u mu pt h i sw o r k k e y w o r d s ：c u r r e n tm o d e ；c u r r e n t - s e n s i n g ；v o l t a g el e v e l s h i f tr e s i s t o r n e t w o r k ；c o m m o nb a s e 西南交通大学曲南爻遗大莩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密、一使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：电艮孰诹 日期： ) 嵋曩弘 ， 指导老师签名：溜壁易红 日期：冲彻 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下； 本文在3 0 v0 6 u r nb c d 工艺下，以降压型直流变换器为应用背 景，研究并设计了电流检测电路。 ，本文深入地研究了电流模式控制的d c d c 转换器的电流检测设 计，对电流检测的检测方法，检测方法的选择做了深入的探讨，巧 妙的结合了d c d c 系统的需求，融合了几种检测方法的优点，运用 了一种折中的检测方案，取得了很好的效果。 随后在电路设计方案选择上，由于系统输入电压范围跨度很大， 根据系统特点和电路的要求，设计出了一个合适的电流检测电路， 适应系统需求，使其检测精度能够达到9 7 。 浓 乙 尹 ，丑 t 协川 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 在集成电路高速发展的今天，便携式设备大量的涌入生活，数码相机、 手提电脑等一系列数码产品方便了我们的生活，这些便携式设备都离不开电 源的支持，随着这些数码产品的功能日益丰富，体积越发的小型化，对电源 管理也提出了越来越多的挑战。目前活跃在市场上的电源管理产品有低压差 稳压器【1 1 ，d c d c 转换器【2 1 ，电荷泵【3 】，充电装置 4 】等。 由于电子产品在我们生活中占有越来越重要的地位，电源i c 也成为了 模拟i c 里比较重要的一部分【5 ，6 1 ，图1 1 就显示了中国国内的半导体行业最 近几年的市场销售情况，年增长率，当然电源i c 作为i c 行业中的一部分， 增长率也可以通过此图做一个参考。 拍2 挪3 湘t 晒硪狮搬 图1 1 中国国内的半导体销售额及年增长率 从上图可以清晰的看中国国内对于i c 的需求是与日俱增，从2 0 0 2 年的不 n 2 0 0 0 亿n 2 0 0 8 年的7 0 0 0 多亿，国外的市场研究公司也非常看好i c 这个领域 的发展，并对其做了一个预期，如图1 2 所示。 嘲姗撇瓣龇鼬姗姗船皿 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ，础w ￥i 图1 2 全球i c 市场2 0 0 7 年一2 0 n 年预估 从图1 1 和1 2 可见i c 市场拥有非常大的潜力市场，作为i c 的一份子， 电源i c 的前景也是非常光明的。 在电源半导体市场中，国外公司仍然占据了主导地位，t i ，a d i ，n s 等国际大公司几乎垄断了全球的电源高端市场，+ 但是近年来有不少的中国大 陆和台湾企业从需求出发，根据地方的特点，有针对性的开发电源i c ，逐 渐的在中低端应用领域占的了一席之地。 以上是对于电源半导体行业的一个简单的概述，随着用户对电源的需求 越来越大，电源i c 行业的竞争就会越激烈，除了低廉的价格是打入市场的 一个突破口，更重要的是技术的革新，为用户得到性能更优异的电源i c 。 现在电源i c 的发展方向已经不是原来单一的实现功能，而是朝着低功耗， 高效率，体积小等诸多方向发展，因此电源设计者们为了设计出功能强大， 功耗低，电路简单而且便捷高效率的电源管理芯片而对电源i c 中主要应用 的模块进行了大量的研究设计，其中包括对基准，误差放大器，本文所研究 的电流检测等模块的研究。 1 2 研究意义 电源作为便携式电子产品最基本的组成部分，面对着重大的挑战，在众 多的电源i c 中电流模式的电源转换器具有电压模式无可比拟的优势。在电 撇 珊 珊 撇 撇 瑚 姗 娜 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 流模式控制方式下，系统要对不同范围的负载做出精确的检测，然后在以检 测得到的信号作为反馈信号回馈进系统来控制功率管工作，这就需要电流检 测电路来检测电流大小产生反馈信号。 此外电流检测电路也有着极为广泛的应用，许多系统中都需要检测流 入、流出电流的大小。例如，电流保护、电流监测设备、电流环系统、可编 程电流源、线性模式电源、以及需要掌握流入流出电流比例的充电器或电池 电量计量器等。这些都需要高性能的电流检测电路来检测负载端的电流。近 来由于汽车电子的需求日益增大，电流检测技术也朝着新的方向发展，高压 是发展的新方向，比如l i n e a r 公司在2 0 0 6 年投入市场的l t c 6 1 0 1 h v 7 】 集成电流检测芯片，如图1 3 所示，其检测范围从5 v 1 0 0 v 。在这种情况下 许多大公司都着重对电流检测【黏9 】进行研究，t i ，n s 近期就宣布了推出新 一代的电量检测系统，l i n e a r 公司也加快了对电流检测的研发速度，从而 为了抢占不断扩大的电子消费市场。 图l ，3 电流检测示意图 从上述可以得知，研究和设计高性能的电流检测电路有着重大的意义。 1 3 当前电流检测的研究现状 电流检测电路在电流模式控制电源管理芯片以及其他模拟系统中有着 极其重要的作用，所以世界范围内对电流检测技术投入了大量的研究，以求 得新的电流检测方法以及高性能的电流检测电路来提高整个应用系统的效 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 率。 从模拟芯片制造厂商来看，l i n e a r 和t i 都在近几年推出了大量的电 流检测芯片，其具有的特点是适应宽范围输入【1 1 熨，失调电压小，损耗小， 精度高，总的来说良好的通用性和高精度是业界所追求的目标。 国内这几年对电流检测也进行了一定的研究，但是基本上是基于国外 些比较成熟的技术做的一些分析，并无重大成果。国外对电流检测技术的研 究起步较早，在很多文献中出现大量的电流检测电路的研究成果。在阅读了 大量的相关方面的文献后，总结起来其对电流检测的研究方向大体可以分为 以下两个方面。 1 3 1 精度 精度是电流检测最早研究的一个课题。在工艺水平相对比较低的二十世 纪八九十年代，精度一般通过复杂的运算放大器来提高，在1 9 9 2 年研究者 们提出了运用两个放大器来提高精度，这也大大增加了功耗，在随后的众多 研究中，很多都是围绕着工艺和检测电阻取值大小进行的讨论，b r a db r y a n t 就检测电阻取值大小发表了自己的研究，在文献 1 6 1 他提到了检测电阻的 取值与功率管的导通电流的关系，并且提出了一个选择检测电阻值的基本思 想，这也为后来的研究提供了依据。当然随着工艺的日益成熟，电流检测的 精度不在成为研究的主要问题了。 1 3 2 损耗 集成化的增加，检测电流的增大，损耗便取代精度成为了电流检测研究 的最新问题。韩国的w h k i 于1 9 9 7 年在文献 1 7 中提出的最基本的 s e n s e f e t 电流检测电路，以其全面的功能，较高的精度，为电流检测电路 的研究开拓出了新的领域，检测方法的革新，让我们认知到电流检测分为两 个部分，检测方法和检测电路。2 0 0 2 年f o r g h a n iz a d e h 在文献 1 9 1 运用无耗 检测方式，并且能够自我检测校准的电流检测电路，无论是在精度和速度上， 都能达到很高的性能指标，但是由于电路庞大，不适合通用系统使用。2 0 0 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 年香港大学的c h e t m gf a il e e 在文献 1 8 】中提出了一种用c m o s 工艺设计的 电流检测电路，但是其采用的m o s 管数目众多，虽然精度很高，却导致了 芯片面积和速度等诸多方面问题。这些就是近年来对电流检测的研究概况， 由于近年来电流检测电路的应用越来越广泛，对于电流检测的研究也越来越 多，可是国内在这方面的研究仍然属于空白。 1 4 本文的主要工作 从当前的电流检测研究现状可以看出，电流检测最重要的两个指标就是 精度和损耗。本文在查阅了大量参考文献，深入研究了大量的电流检测电路 结构后，从检测方法和电路结构两个方面入手，进行了深入的研究，结合了 几种电路的特点设计出了高性能的电流检测电路，经过仿真验证，此电路能 够正常的应用于高压降压型d c d c 系统中，其性能指标表现优异。 本文主要是叙述了本人在研究生阶段对d c d c 转换器芯片中电流检测 部分的研究。主要的工作为： 1 、了解了整个电源i c 市场的动态，及当前电流检测的国内外研究现状 和研究方向，确定了电流检测的两个重要指标损耗和检测精度。 2 、分析了当前的降压型d c d c 转换器的工作原理和控制模式，总结了 当前主要存在的电流检测技术其优势与不足，并且对他们进行了对比。 3 、在传统的电流检测电路的基础上，根据系统的需求，巧妙的结合了 基础电路设计的特点，根据具体需求设计了电流检测电路，并且简单地分析 了该电路的误差产生因素。 4 、将设计的电路应用于b u c k 型d c d c 转换器系统中，在o 6 u m3 0 v b c d 工艺参数模型下运用h s p i c e 进行了仿真验证，给出了仿真结果并且 对其进行了讨论，仿真结果表明设计电路能够使得系统稳定正常的工作，达 到设计期望。 5 、最后与文献 1 7 】【2 0 中的电路做了方案对比，分析两个电路的优点和 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 缺陷，为更好的研究电流检测打下基础，也展望了未来电流检测的发展方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章电流检测的研究基础 本文设计是应用于降压型d c d c 转换器系统中的，本章开始会介绍 d c d c 转换器的基本知识，然后介绍了电流检测的相关基础。 2 1d c - d c 系统的控制模式 这一节主要介绍d c d c 电源管理系统中常见的两种脉冲宽度调制 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制方式及其各具有的特点。 2 1 1 电压模式控制p w m 。 电压模式 2 1 - 2 5 】控制p w m 是二十世纪六十年代后期开关稳压电源刚刚 开始发展起就采用的第二种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路 相结合，至今仍然在工业界得到广泛的应用。电压模式控制只有一个电压反 馈闭环，采用p w m 调制，将电压误差放大器检测放大的慢变化的直流信号 与恒定频率的三角波上斜波相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉 冲宽度，见图2 1 所示。 a 图2 1 电压模式原理图 电压控制p w m 主要缺点是动态响应慢，当输入电压突然变小( 负载电 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 流变小) 或负载阻抗突然变小( 。负载电流变大) 时，因为有较大的输出电容 c 及电感l 相移延时作用，使得负载电流的变化也延时滞后，同时由于电压 控制模式中电压误差放大器的补偿电路非常复杂，其也会产生延时滞后。这 两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。 2 1 2 峰值电流模式控制p w m 峰值电流模式【2 5 。0 1 控制直至二十世纪八十年代初期才得到迅速推广应 用。峰值电流模式控制由输出电压v o u t 与基准信号v f a i f 的差值经过误差 放大器( e 砌己o ra m p l 口i e r ) 放大得到的误差电压信号v e 送至p w m 比 较器后，并不是像电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜波比 较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形波形信号 v s 比较，然后得到p w m 脉冲关断信号。因此电流模式控制不是用电压误 差信号直接控制p w m 脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小， 然后间接地控制p w m 脉冲宽度，如图2 2 所示， 图2 。2 电流模式控制原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 3 电流模式与电压模式的比较 电流模式控制和电压模式控制各具特点，这里我们粗略的对其优点和缺 点总结在表2 - 1 中，便于对比。 表2 1 电流模式与电压模式控制对比 控制类型电压模式控制p w l v l峰值电流模式控制p w m a 暂态闭环响应较快，对输入电 a p w m 三角波幅值较大，脉冲 压的变化和输出负载的变化的宽度调节时具有较好的抗噪声 瞬态响应均快。b 控制环易于设裕量。b 占空比调节不受限制。 计。c 输入电压的调整可与电压对于多路输出电源，它们之间的 优点 模式控制的输入电压前馈技术 交互调节效应较好。c 单一反馈 相妣美。d 简单自动的磁通平衡电压闭环设计、调试比较容易。 功能。e 瞬时峰值电流限流功d 对输出负载的变化有较好的 能，内在固有的逐个脉冲限流功响应调节。 能。f 自动均流并联功能。 a 对输入电压的变化动态响应a 占空比大于5 0 的开环不稳 较慢。b 补偿网络设计本来就较定性，存在难以校正的峰值电流 为复杂，闭环增益随输入电压而 与平均电流的误差。b 式控制理 变化使其更为复杂。c 输出l c 想。c 容易发生次谐波振荡，即 滤波器给控制环增加了双极点，使占空比小于5 0 ，也有发生 缺点 在补偿设计误差放大器时，需要高频次谐波振荡的可能性因而 将主极点低频衰减，或者增加一需要斜坡补偿。d 对噪声敏感， 个零点进行补偿。d 在传感及控抗噪声性差。e 电路拓扑受限 制磁芯饱和故障状态方面较为制。对多路输出电源的交互调 麻烦复杂。 节性能不好。g 最主要的应用障 碍是容易振荡及抗噪声性差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 在现在的系统设计中，电流模式由于具有更强的可控性，使得电流模式 成为了业界首先的控制模式，本次毕业设计也是基于峰值电流模式系统设计 的电流检测电路，用于检测电感电流产生控制信号与e r r o ra m p l i f i e r 的输出控制信号共同控制p w m 脉冲宽度。 2 2 高端检测和低端检测 设计系统采用的是电流模式控制，那么电流检测的输入位置也是一个需 要考虑的问题。 由于电流检测的输入位置不同，大致可以分为高端电流检测和低端电流 检测。 低端检测电路f 3 2 1 的检测电阻串联到地，而高端检测电路【3 2 。3 】的检测电 阻是串联到高电压端。两种方法各有特点：低端检测方式在地线回路中增加 了额外的电阻，高端检测方式则要处理较大的共模信号。 2 h “r 1 e 盯 。=r=：_ ( b ) 图2 3 ( a ) 低端电流检测示意图( b ) 高端电流检测示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 图2 3 中( a ) 图是典型的低端电流检测的示意图，其检测电阻r s 饥。一 端直接与地相连，一般来说在高频率的开关管动作时，会产生很大的噪声， 对于低端电流检测来说，耦合地噪声非常难以避免，会严重的影响检测精度， 在过去的电路应用中由于低端检测可以避免直接与输入电压相接，在精度要 求不高的地方非常实用，结构简单，但是由于低端检测耦合地噪声，不适合 便携式电子产品的要求，所以现在高端检测被越来越广泛的应用，在本次毕 业设计中也将使用高端电流检测。 2 3 电流检测的常见方案 电流检测电路用于检测功率管导通时的电流，一方面由于是该系统是峰 值电流控制模式的，另一方面是过流保护的需要。电流检测和感应的方法选 择和设计，直接影响着整个芯片性能，特别是效率和精度。目前存在的各种 检测方法【3 4 删比较分析如表2 2 所示。 表2 2 ：电流检测技术 检测技术优点缺点 电阻检测 高精度高的电源损耗 r d s 检测 无损耗低精度 滤波器型检测无损耗对电感要求过高，需要已知电感的等效串联电阻 s e n s e f e t 检测 无损耗高噪声，低精度 电感检测无损耗电感选择性低 平均电流检测无损耗须已知电感的等效串联电阻和平均电流大小 感应测试无损耗价格高，占用面积大，不能集成使用 表2 2 中一共列举了七种业界主要使用的电流检测方法，而最常用到的 是电阻检测，r o s 检测，滤波器检测和s e n s e f e t 检测，下面将分别对这四 种方法进行简单的介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 3 1 电阻检测( rs e n sln g ) 传统的电阻检测方法是将检测电阻串联于需要检测的电流途径上，如图 为电阻检测方法的示意图，当然检测电阻的位置可以在高端功率管m h 处也 可以在m l 处，可以很清楚的看到r s e n s e 的位置，也很容易想到，r s e n s e 的取值不能太大，而且此种检测方式不适于大电流的d c d c 转换器， v t n 图2 4 电阻检测原理图 气 l 00 5i1 522 53 蝴v o l t a g e ( 、，) 图2 5 电阻检测下电阻损耗随输出电压的变化 由参考文献【8 得到图2 5 中当检测电阻为0 1 0 h m 输出电压为0 7 5 v 时， 电阻的损耗是很大的。 一 一 一 蝴 祧 一 燃 。誊岳iso矗誊o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 电阻检测方法在电流检测中是精度最高的一种检测方法，因此，虽然现 在出现了很多无损耗的检测方法，但是电阻检测方法由于其精度高的优点还 是广泛的应用于各种电子设计中。 2 3 2r 。检测技术( r 。s e n sin g ) 众所周知的，当m o s 管工作在线性区域的时候可以作为电阻的特点， 在现在日益要求高集成的电路设计中，我们可以利用这种特性进行电流检测 的设计。从图2 6 就可以看到检测功率管两端的电压从而检测功率管的电流。 图2 6r d s 检测原理图 此种方法的优点在于没用任何外加器件实现了电流检测，拥有高的集成 度，属于真正的无损耗检测( l o s s l c s ss e n s i n g ) ，但是缺点也很明显，其精 度远不及电阻检测，由于功率管是非线性的，其值随工艺的变化而变化。随 温度的变化也会导致最多5 0 的浮动，所以电流检测出的电流并不精确，而 且电流检测时会检测到由于开关管高速动作所产生的开关噪声，对检测放大 器提出了很高的要求。 2 3 3 滤波器型检测( fll t e rs n e s in g ) 这种检测方法示意图如图2 7 ，用一个简单的电阻和电容的串联网络就 能很好的感应流过电感和电感等效电阻上的电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 = 图2 7 滤波器检测原理图 设定通过电感的电流为，那么通过电感的电压为： 圪= l + s l ) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中l 为电感值，吃为电感的等效串联电阻( e s r ) ，由于并联 网络，那么电容c 分到的电压为： 獬( 恐+ 蚴盘= 五揣亿2 ， s c 。 ：i li + s l r lr l 置k o + l 从式( 2 2 ) 可以得到，如果也= r c ，整个式子便可以简化成= l 吃， 这样检测的电流丘与电容电压成线性关系，感应l 变可以转化到感应。 运用这种技术，使得检测没有损耗，。但是必须要知道电感值l 和电感 的等效串联电阻吃，这样才能确定尺和c 的数值。这就决定了其不具有通用 性，可以使用于某些特定的电子设备中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 4s e n s e f e t 检测 矗 i u o d 图2 8s e n s e f e t 检测原理图 s e n s e f e t 检测技术如图2 8 ，将s e n s e f e t 管m s 和功率管m h 并联。 由于晶体管的源漏连在一起所以m s 上流过的电流会按尺寸的比例减小为功 率管的很小比例值。 2 4 小结 本章主要对电流检测技术中的关键要点进行了必要的介绍，首先从电压 电流控制模式开始，阐述了电流模式的优势及其应用的场合，提点出电流检 测电路存在的意义；再从电流检测技术本身出发，电流检测技术从技术本身 分为三个大方面：电流检测方式，电流检测位置和电流检测电路。本章从检 测位置入手，引出了高端检测和低端检测，叙述了两者的优势及缺点，并给 出了本次设计采用的是高端检测，随后对业界的几种常用的电流检测方式进 行了总结，并详细的介绍了其中的三种最常用的方法，为电路设计打下铺垫。 随后的第三章将详细叙述本设计的具体电路结构，电路原理及有代表性 的仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第兰章电流检测研究与设计 任何电路的设计都会应用于某特定的系统，而系统的需求就直接决定了 该电路所具备的性能，从而使得设计者能从众多的方案选择中择优设计，当 然这次毕业设计的电流检测也是这样，所以在设计具体电路前，我们要分析 下这次系统的特点以及其对电流检测模块的需要。 3 1 设计背景 系统参数要求如表3 一 表3 - 1 系统参数 输入电压4 7 5 v 2 3 v 输出电压0 9 2 5 v 2 0 v 负载电流3 a ( 典型值) 上文中已经提到这次设计的电流检测电路是运用于d c d c 芯片内部 的，其目标是通过转换电感电流来控制整个系统，从而达到稳压的效果。 这次设计的应用系统为一个b u c k 型d c d c 转换器，采用p w m 峰值电 流模式控制，控制环路分为电流环路和电压环路，本次设计的电流检测主要 运用于电流环，其控制方法是起转换作用的功率管被固定频率控制信号作用 到d m o s 管的栅极控制其导通和关断，通过调整控制信号的占空比保持转 换器的输出电压稳定。 图3 1 ( a ) ，左图为系统中高端功率开关管的一个电路简图，h e a t e 为高 端功率管的驱动信号，右图为电感电流，高端功率管电流的波形示意图，由 于在电感电流下降时，+ 高端功率管是出于关闭状态，所以k h 只有电感电流 的上升周期的波形。 由图3 1 f b ) 可见由于上管导通，电感电流持续增大，当超过了预计电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 大小的时候，这是控制信号将上管关断，打开下管从地电位抽取地电流使得 电感电流减小，从而在一个很高的频率下达到动态的系统稳定。 k b 饧 t h e ( s ) t j m i _ - _ _ - 一 - _ _ _ - _ 一- _ 、 l - - t 1 t ”一 f 一 轧_ l l i cf - - 1 一1：lj | 71 l、卜 ( b ) 图3 1 典型的电流模式示意图 图( a ) 高端电感电流波形图( b ) 电流模式典型波形图 本次采用的系统运用传统的控制方法是因为应用系统的输入电压的跨 度很大，而且其负载电流很大，传统的控制方法在重载情况下能够达到很高 的效率，虽然控制方法很简单，但是对其电流环路和电压环路的设计提出了 巨大的挑战，由于其输入电压的范围十分大，作为电流检测电路，如果运用 玷删k ，上 西南交通大学硕士研究生学位论文。第18 页 传统的设计要达到高精度低损耗就变得十分困难，在方案的选择上我们就要 仔细分析选择。 3 2 电流检测方案选择 在第二章第三小节中就提及到了现在的电流检测方法的大致分类，并对 其中常用的四种各自的工作原理和优缺点进行了简单的分析，下面我们将具 体的从系统应用角度来分析选择检测方法。 3 2 1 电流检测方案对比 业界对电流检测方法的选择总结起来是按照以下几个方面来考虑的。如 若选择电阻检测方式，那么电压损耗就需要仔细的考虑，检测电阻阻值过大 会引起电源电压降低。为了减少电压损耗，应选用小阻值的检测电阻，这就 对工艺提出了要求，有可能会增加成本。较大的检测电阻可以获得更高的小 电流的测量精度，但是这样效率会降低。总的来说制约着电阻检测方式的是 损耗，如果有合适的工艺是可以采用这种方式的。 如若选择s e n s e f e t 管检测方式，那么唯一制约其应用的是精度问题， 在系统应用对于精度要求不是很高的场合，这种方式是最适合的，成本小， 效率高，但是如果应用于一个通用的系统，这种方式局限性就很大。 滤波器检测方式由于对电感选择要求太高，这里就不在讨论。 3 2 2 本文运用的电流检测方案 可以看出以上的两种电流检测方式，优点和缺点都很突出，而本次设计 系统要求对于精度和损耗都有定的要求，所以本次采用的电流检测方法是 将两种检测方式巧妙的结合在一起的方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图3 2 本文所采用的电流检测方式原理图 我们将电阻检测和s e n s e f e t 检测两种方法综合起来，通过将一个并 联电路设计在其中，设定m h 的导通电阻为r o n ( d s ) h ，那么我们可以的到电 感电流i l 与流过并联支路的电流i 。髓。的一个关系式 t 村e = 墨彻( 脚) 日x 屯c + ( 脚) 日) ( 3 1 ) 从上式可以看到，式中检测电流和电感电流是呈线性关系的，其系数为 r o n ( d s ) h ( r s + n r o n ( d s ) h ) ，这样将将我们原来要检测的电感电流缩小 r o n ( d s ) h ( r s + n r o n ( d s ) h ) 倍后，运用电阻检测的方式进行，这样两个方案。 的综合，这就是本文所运用的电流检测方式，经过最终的仿真验证，其损耗 相当小而且精度也非常高。 图3 3 系统的精度仿真图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图3 3 为最终电流检测模块的精度仿真图，纵坐标为精度，横坐标为电 源电压，电源电压是从4 7 5 v 扫描到2 3 v 的，整个电路的精度维持在9 7 以上，性能很优异；说明了这种检测方法不会大幅度影响整个检测电路的精 ， 度。损耗由于无法通过仿真波形表示，只有通过数据表示，所以这里就不加 以讨论，具体的数据会在第四章中给出。 3 3 电流检测电路的研究 确定了电流检测的方案，下面我们要设计电流检测的具体电路，电流检 测的具体电路大体上可以分为两个部分，一是电流检测放大器的设计，一是 斜坡补偿电路的设计。 3 3 1 设计挑战 在b u c kd c - d c 转换器的应用中，检测电流中检测电阻上的p w m 共模 电压在从地到电源的范围内摆动。利用从电源级到f e t 的控制信号可以确 定这个p w m 输入信号的周期、频率和上升下降时间。因此，监控检测电 阻上电压的差分检测电路应具有极高共模电压抑制与高压处理能力，以及高 精度和低失调一其目的是为了反映真实的负载电流值。 由于采用的高端电流检测，电流检测放大器的设计的挑战不在于结构的 复杂程度，而是在于系统。整个系统的输入电压为4 7 5 v 一2 3 v ，宽范围 输入，那么要求该放大器的共模电压输入范围指标相当的高，而且工艺采用 的3 0 vb c d 高压工艺，工艺对高压管的设计限制很大，而低压管的耐压能 力有限，如果设计不当，很有可能造成电压过高击穿低压管，使得系统崩溃。 在业界中研究这类应用的设计工程师发现，高压电流检测放大器的设计 方案都可以遵循两个截然不同的高压结构来进行分类：电流检测放大器和差 动放大器。 3 3 2 电流检测放大器设计一电阻平移网络( 差动放大器) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 由于要求的宽的共模输入范围+ ，那么设计上来讲就不可能按照一般的放 大器设计，但是为了节约开发成本，电阻电平位移网络 4 3 ，4 4 】这种设计思想就 孕育而生了。电阻电平位移网络结果的基本思想是通过电阻分压，将输入电 压由高转化到低，并在此过程中尽量减小对差模信号的影响。 图3 4 为电阻电平位移网络的基本结构，它通过r l 一电阻分压输入信 号的共模电平，使得输入信号共模电平从原来的y 鳓通过电阻r l 、r 2 和r 3 、 恐 分压，此电路要求r 1 = r 3 ，r 2 = r 4 ，那么共模信号就降低为( 置+ 恐) ，当 然这样也降低了差模增益的大小。 这种结构在工程上的实用性非常广泛，也有对此进行改进的，具体的修 改电路在参考文献 4 5 有详细提及。图中其稳定性也要考虑，在文献 4 5 的 研究表明，其稳定性是很容易保证的。 g n d ( a ) ( b ) 图3 4 电阻平移网络电路图 图3 4 是电阻电平平移网络宅路图，经过仿真验证能够达到很好的检测 效果，图3 5 为电阻电平平移网络的仿真图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 引 。0：j54 霸翻 广1 一t t t _ o 02 u4 u6 u8 u 1 d u t ( s ) 图3 5 电阻电平平移网络的仿真图 上图3 5 横坐标为时间，上面波形为电感电流，下面波形为输出电压， 其关系可以通过调节电阻来调整。 这种电阻电平平移结构不仅可以用于高压转化为低压，也可以将低压转 换为高压，可以应用于低压电流检测电路中，图3 6 是文献 4 6 中提出的电 阻电平平移网络的电路。 图3 6 文献 4 6 】中使用的电阻电平平移网络 总的来说，此种结构可以节约设计成本，利用已有的资源来进行设计， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 但是使用电阻的结构都有一个共同的问题，就是在选择阻值时存在很大的困 难并且对制造工艺的要求也很高，电阻足和r 的选择直接关系到放大器输 入的偏置电流，如果选择较小的电阻值将增大输入偏置电流，直接导致检测 精度的下降，如果增大r 和马的阻值，将会增加芯片的面积不适于芯片的 成本控制。 3 4 电流检测放大器一共基极输入结构 上节中是采用外加电阻分压网络来解决宽的共模输入范围问题，由于输 入偏置电流的限制使得其应用受到了限制，那么我们只能通过对放大器结构 的改变来达到设计要求。 下面将介绍共基极电流检测放大器设计的几个设计基础知识。 3 4 1 基本电流镜 v c c 图3 7 基本的电流镜结构 图3 7 为基本的电流镜电路结构1 4 7 1 ，q 1 为二极管接法，这是q 1 工作在 正向放大去中，由于q l 和q 2 的相等 ， = 巧1 1 1 等 ( 3 2 ) ls l 为集电极电流，根据公式可得到流过q l 和q 2 集电极的电流也是相 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 等，这个将作为本次毕业设计的基础，贯穿整个电路设计。 3 4 2 共基极结构 v c c v i n v o u t j = 图3 8 典型的共基极结构 图3 8 为一个典型的共基极结构【4 8 】，信号从发射极输入，从集电极输出， 一般来说传统放大器的输入级采用共射极结构的居多，下面我们来对比下它 与共基极结构的特点。 设定三极管的值为风，那么可以得到共基极组态中的输入电阻是共 射组态中的输入电阻的倍，其电流增益减少至共射组态的七倍，从 i 十ni 十p n 这点可以看出其共基极组态具有的特点，与共射组态不同的是集电极电容不 能产生从输出到输入的高频反馈，而且共基极组态可以比共射极组态得到更 大的输出电阻，因此当电流不依赖电压时，共基极组态可以作为电流源。换 句话说，共基极组态可以很有效的隔离电压和电流，可以得到不受电压控制 的电流，是理想的构成电流检测放大器的结构，这也是本文设计电路的基础。 3 5 系统需求分析 在设计具体的电流检测放大器前，对于系统的需求，我们应该进行分析， 由于电流检测放大器作为整个控制系统首先设计的部分并无严格的设计参 数可言，但是其设计性能直接影响着电压环的设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 电流环本身设计并不复杂，主要构成模块就是电流检测，但是由于它输 出的信号要与电压环输出信号共同控制p w m 信号，所以其电平就有一定的要 求。这部分首先从整个系统入手，分析电流检测部分的性能需求，对高精度 设计提出了理论依据以及设计思路。 电流检测斜坡补偿 厂、一厂、 电感电流 时钟脉冲 斜坡信号 号 p w m _ o u t 图3 j 9 系统控制简图 峰值电流模式型的降压型转换器在工作时，用电流环路将电感的电流检 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 测后与斜坡( c o r r e c t i v er a