（电力电子与电力传动专业论文）开关电源电流检测技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第 a bs t r a c t i np o w e rc i r c u i t s ，t h es e n s eo fv o l t a g ei sm u c hs i m p l e rt h a nt h a to fc u r r e n t s e n s eo fv o l t a g ec o u l db ep e r f o r m e dc o n v e n i e n t l yi nt h ec i r c u i tw i t h o u te f f e c t so n t h ec i r c u i tp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h es e n s eo fc u r r e n ti sm o r ec o m p l i c a t e db e c a u s e i ti sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c ec u r r e n ts e n s o r sw h i c hw i l la f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e c i r c u i t b a s e do nas p e c i f i cc i r c u i t ，c h o o s i n ga na p p r o p r i a t ec u r r e n t s e n s i n gm e t h o d a n dp e r f o r m i n gac o r r e c tc i r c u i td e s i g na r ei m p o r t a n tf o rt h es u c c e s s f u ld e s i g no f p o w e r c i r c u i t s i nt h e d e s i g n o f p o w e rc o n v e r t e r s ，c u r r e n t - s e n s i n g f u n c t i o ni so f g r e a t i m p o r t a n c e a c c u r a t em e a s u r i n ga n dc o n t r o lo fc u r r e n ti st h ek e yo ft h ed e s i g no f p o w e rc o n v e r t e r s t h i st h e s i sf i r s t l ya n a l y s es e v e r a lc o n v e n t i o n a lc u r r e n t s e n s i n g m e t h o d si nd e t a i l ，s u c ha sr e s i s t o rs e n s i n g ，m a g n e t i cs e n s i n ga n dm o s f e ts e n s i n g ， e t c s u c hm e t h o d sa r ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h e i rr e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n d h o wt oc h o o s ea p p r o p r i a t es e n s i n gm e t h o df o rp o w e rc o n v e r t e r sw a sa l s op o i n t e d o u t a tt h es a m et i m e ，t w on e wk i n d so fc u r r e n t s e n s i n gc i r c u i tf o rc u r r e n t m o d e c o n t r o l p o w e rc o n v e r t e r s a r e p r o p o s e d i nt h i st h e s i s w h i c ha r ed e s i g n e db y c o m b i n i n gt h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s o fam o s f e td u r i n gt h eo n s t a t ea n d c u r r e n t - m i r r o rp r i n c i p l e t h ep r o p o s e dc i r c u i t sc a ni n s t a n t l ys e n s et h ec u r r e n t f l o w i n g t h r o u g h t h e p o w e rt r a n s i s t o r f o rt h ee f f e c t i v es w i t c h c o n t r o la n d o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n p u r p o s e f i n a l l y , as e n s o r l e s s c u r r e n t m o d ec o n t r o li s i n t r o d u c e d ，i nw h i c ham e t h o df o ra n a l y z i n go fr a m pc o m p e n s a t i o ni sp r o p o s e da n d t h ei m p o r t a n c eo ft h er a m pc o m p e n s a t i o ni nc u r r e n t m o d ec o n t r o li sv e r i f i e di n p r i n c i p l e k e y w o r d s ：p o w e rc o n v e r t e r s ，c u r r e n t - s e n s i n g ，b o o s tc o n v e r t e r s ，c u r r e n t - m o d e c o n t r o l 西南交通大学 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 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：陶雪慧 日期：2 0 0 8 年5 月3 1 号 指捌币虢带妒 日期：) 棚留多乡 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： 1 提出了一种基于电流镜像的可集成电流检测电路。所提出的电流检测电路 结合了场效应晶体管导通电阻特性和电流镜像原理，其中的电流镜像结构 由具有高增益的运算放大器提供，从而提高了电流检测精度； 2 提出了一种利用匹配电流源电路构成的检测电路。该匹配电流源结构仅由 c m o s 晶体管构成，可有效的为检测晶体管提供良好的电压跟随。匹配电 流源结构的使用可以提高电路的反应速度，能够进一步简化电路结构、简 化制作工艺以，为芯片面积的最小化做出了贡献； 3 提出了一种分析无传感器电流型控制斜坡补偿问题的方法。采用对电感电 流进行数学建模的方法，对无传感器电流型控制的斜坡补偿问题进行了理 论分析及证明； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 所有电压型和电流型控制开关电源，都需要对输出电流信号进行检测，输 出电流检测信号能够探测开路，短路和过电流状态。 电流型控制由于具有快速的动态响应和自动的过流保护功能【l q j ，被广泛的 应用于工业中。电流型控制需要精确的电流检测信号来实现准确的回路控制， 检测到的电流信号将引入到控制回路里提供电流反馈回路。同时，文献 4 ，5 中 报道了电流检测技术在d c d c 变换器中的又一种应用，其中，检测到的电流 用来决定连续模式和非连续模式进行转换的时间，这样d c d c 变换器的总效 率将得到增长。检测电路的精度、能量损耗、体积和反馈速度几方面直接影响 着整个开关电源的性能。 近年来，随着便携式移动终端设备的发展，对电源管理芯片提出了新的要 求。更高的效率和集成度，是开关电源的发展趋势。为了减小便携式设备的尺 寸和重量，电源模块的最小化是必需的。电流检测技术是电源管理芯片的重要 组成部分，因此，研究高精度、小尺寸的电流检测电路对开关电源具有较大的 实用价值。本论文的目的是对开关电源电流检测电路进行详细研究与设计。 1 2 电压型控制和电流型控制 开关电源有两种典型的控制方法，电压型控制方法和电流型控制方法【6 1 。 1 2 1 电压型控制 图1 1 为电压型控制开关电源的拓扑结构。电压型控制的基本原理是：开 关变换器输出的电压v f b 与参考电压v r 进行比较并放大，得到误差信号v e ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 v e 又通过p w m 比较器和锯齿波信号相比较，从而输出一系列脉冲，这些脉冲 的宽度随误差信号v e 的变化而变化 7 10 1 。电压控制开关电源的反馈控制环路只 需要一个反馈信号，以实现输出电压的控制。 电压型控制的优缺点主要体现在以下几个方面【1 1 】。 优点： ( 1 ) 单环回路容易设计和分析。 ( 2 ) 锯齿波的幅度比较大，抗干扰能力比较强。 缺点： ( 1 ) 输入或输出的变化只能在输出改变时才能检测到并反馈来进行纠正， 响应速度比较慢。 ( 2 ) 电压型控制对负载电流没有限制，因而需要额外的电路来限制输出电 流。 1 2 2 电流型控制 图1 - 1 电压模式开关电源工作原理图 电流型控制技术是在传统的电压型控制技术的基础上，增加了一个内环 ( 电流反馈环) ，使其成为一个双环控制系统。在电流型控制开关电源中，电感 电流不再是一个独立变量。图1 - 2 为电流型控制开关电源的原理图。电流信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 v s 与误差放大器的输出电平v e 进行比较，p w m 比较器的输出脉冲与振荡器 ( o s c ) 所产生的时钟信号一起输入到触发器( l o g i c 模块) ，触发器的输出 将驱动功率管导通。功率管导通后，开关电源回路中的电流脉冲将逐渐增大， 当电流在检测电阻r s 上的幅度达到v e 电平时，脉宽比较器状态翻转，功率管 截止。开始另一个开关周期，从而达到控制开关电源输出的目的。 o s c门门目l 儿 v v ；= 7 7 历e 瓦兀 图1 2 电流型控制开关电源的原理图 电流型控制利用电感电流来进行p w m 调制，它具有自动的过电流保护功能 和快速的动态响应性能，并且电流型控制是双回路控制，动态性能比电压型控 制的动态性能要好很多【7 10 1 。电流型控制在开关电源中得到了广泛应用。 电流型控制的优缺点主要体现在以下几个方面j ： 优点： ( 1 ) 回路稳定性好、负载响应快。电感电流的上升斜率由( 一v o 叭) 决 定，这个波形直接反映了电压的变化，从而消除了响应时延。当输入电压波动 时，电流检测电路会立即检测到峰值电流的变化，快速调整占空比，使输出电 压稳定，从而消除了输入电压变化所引起的增益变化。 ( 2 ) 过流保护和可并联性。在电流控制型d c d c 变换器中，由于内环采 用了直接的电流峰值控制技术，它可以及时、准确的检测输出负载或变压器以 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 及开关管中的瞬态电流，自然形成了逐个电流脉冲检测电路。只要给定或限制 参考电流，就可以准确地限制流过开关管和变压器中的最大电流，从而在输出 过载或短路时保护开关管和变压器，有效的克服因输入电压的浪涌产生的尖峰 电流对功率开关管造成的损坏。同时，由于有了这个逐个电流脉冲限制的电流 环，当多台开关电源并联运行时，每台电源都有独立的电流负反馈，并联输出 电压有一个总的电压负反馈控制电路，使各个电流反馈系统有相同的电流参考 值，这样就可以实现多台开关电源之间的并联均流。这在当今电源规格要求繁 多、电子设备整机可靠性要求提高的形势下，为模块化电源系统和电源冗余结 构设计提供了捷径。 缺点： ( 1 ) 双环反馈回路使得电路分析变得比较复杂。 ( 2 ) 如果不进行斜坡补偿，当占空比大于0 5 时，将存在次谐波震荡，从 而使控制回路变得不稳定。 ( 3 ) 由于控制回路需要电感电流检测信息，检测电路的存在增加了整个变 换器设计的复杂度，同时也会影响变换器的效率。 1 3 电流型控制b o o s td c d c 变换器的结构及电感电流波形 b o o s t 变换器也称升压变换器，电流型控制b o o s td c d c 变换器的结构如 图1 3 所示 1 2 , 1 3 j 。它由功率级电路和反馈控制电路构成。功率级含有由半导体 功率器件构成的开关元件，以及由电感j 乙和滤波电容c 所构成的输出滤波器。 电阻尺。和尺：构成电压取样电路，它以比例倍数b 来取样输出电压。这个比例输 出电压信号与参考电压信号一起输入到误差放大器中。误差放大器的输出和加 了斜坡补偿的电感电流信号一起进行比较，通过数字控制模块产生控制开关导 通和关断的控制信号【l 训。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 3b o o s t 开关变换器电路结构图 下面我们将详细的介绍各个模块的功能： ( 1 ) 同步整流器 传统的b o o s t 开关变换器的功率电路采用一个可控的场效应晶体管 ( m o s f e t ) 开关和一个不可控的二极管开关。由于二极管具有一定的前向偏 置电压圪触( 0 7 ) ，将严重影响低电压开关电源的功率变换效率。为了提高 低电压开关电源的功率变换效率，可以采用n m o s 晶体管取代二极管的同步整 流技术。此时，由于n m o s 上的压降为i l o a d r 州m 傩) ，而尺州朋脚) 通常都小于 1 0 0 m r 2 ，所以此时的n m o s 上的压降将比屹触小很多 1 5 , 1 6 。 ( 2 ) 输出滤波器 由三和c 构成的输出滤波器的功能是为了减小同步整流器直流输出电压的 厅了 纹波。实际上，由于历和，! 都会影响变换器的动态响应，在设计中应该综 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 合考虑c 和、导项。 yl ( 3 ) 输出电压取样电路 输出电压取样电阻网络是用来比例缩小输出电压的。通过适当选择电阻尺， 和尺：的比例，反馈电阻网络可以将输出电压按此比例缩减，比例缩减后的输出 电压通常能够和参考电压相匹配。为了减少总功率损耗，需要较大的反馈电阻。 ( 4 ) 误差放大器 用于放大比例输出电压和参考电压之间的误差。 ( 5 ) 电流检测电路 电感电流检测电路通常是使用与电感串联的检测电阻或者使用功率m o s 晶 体管来检测电感电流。检测信号和补偿斜坡通过比较器与误差放大器的输出进 行比较，从而进行脉宽调制。因为负载电流将全部通过检测电阻，将影响开关 电源的功率变换效率，特别是对于低电压大电流开关电源，效率的降低将更为 明显。 ( 6 ) 振荡器和斜坡发生器 振荡发生器用于产生时钟信号，并以此决定p i n 控制的开关频率。斜坡发 生器用于产生一个斜坡信号，此斜坡信号用于电流型控制开关电源的斜坡补偿。 另外，所产生的人工斜坡可以改善电路的噪声免疫性【1 7 19 1 。 ( 7 ) 调制器和数字控制部分 调制器和数字控制部分分别由比较器和r s 锁存器构成。误差放大器的输出 将和加了斜坡补偿的电感检测电流比较，从而重置r s 锁存器产生占空比信号。 r s 锁存器是一个数字控制模块，它的输出将驱动开关的门级。 ( 8 ) 门驱动器 门驱动器含有一系列的反向器，以增加r s 锁存器驱动功率m o s f e t 门极 的驱动能力。在开关变换过程瞬间，两开关之间可能会存在一个暂时的短路路 径，因此需要d e a d - t i m e 电路为开关导通和关断的瞬间提供一个小时延，以确 保两个开关装置不可能瞬间导通。 图卜4 是b o o s t 变换器中的电感电流图，如图所示，在功率开关导通和关 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 断期间的电感电流有上升和下降阶段，这个电感电流需通过电流检测电路引入 到控制回路里。电流检测电路产生的检测信号，一。经过斜坡补偿后转换成为一 个电压值，并作为p w m 控制电路中比较器的一个输入端，以达到p w m 控制 目的。电流检测电路的目的之一就是检测p w m 控制电路所需要的电感电流。 0 d t t 图1 4b o o s t 变换器中的电感电流 1 4 开关电源中电流检测点的选择 在选择电流检测位置时，应该清楚各支路所含有的各种电流信号，以确保 所选择的检测支路包含所需要得到的信号。例如，在p w m 控制的开关变换器 中，功率开关上的电流和负载上的电流就不相同，在半桥电路中，尽管低端开 关上的电流比较容易检测，但是这个位置不能提供输出短路的保护信号。下面， 以b u c k 电路为例分别讨论了在功率级开关电路中几个可能的电流检测点，这 些检测点如图1 5 所示。 图1 5b u c k 变换器中典型电流检测位置 ( e ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 位置( a ) ：这里的电流是总的输入电流，包括直流电流和电流的纹波部分。 对于输入功率计算和功率因数校正，此点是很好的检测位置。这个高端位置的 检测电流信号可用于对电路进行短路保护。 位置( b ) ：此位置的电流是开关电流。因为开关上的电流是脉动的电流波 形，所以可以使用电流互感器对此处电流进行检测。对于峰值电流型控制和总 电路的短路保护，这是一个很好的检测位置。 位置( c ) ：这个支路将产生平均负载电流或电感电流。因为在开关导通和 关断期间，此处电压将从输入电压变化为零电压，很宽的电压变化幅度导致此 处成为最不适合进行电流检测的地方。 位置( d ) ：此点的电压变化范围由输出电压来决定。对于平均电流型控制 来说这是一个理想的检测位置，因为此点电流既是瞬时电感电流也是平均负载 电流。 位置( e ) ：此位置的电流是真正的负载电流，检测比较容易，然而在此处 不能进行短路保护。而且，该点涉及到接地的问题，如果系统的地的位置如图 上所示，负载电压应减去检测元件上的压降，变换器的调制也将受到影响。电 池可以作为这个位置的负载，因为不管是充电电流还是放电电流，此点的电流 都能从双向( 正负两方向) 进行检测。 位置( f ) ：此检测位置将负载接地端和输入端分隔开。电流检测信号的极 性相对于负载接地端来说是负的。 1 5 论文的主要工作 如前所述，电流检测电路是开关变换器设计的关键，并将影响开关电源的 性能。为了对开关电源的电流检测技术有深入的认识和了解，本文详细分析了 现有的几种无损电流检测技术，并在电流镜像检测技术的基础上提出了两种用 于b o o s t 变换器的可集成电流检测电路。本文所提出的电流检测方法具有检测 精度高，结构简单，以及检测精度不随频率、温度、外部元件等参数的变化而 变化的优点。此外，本文提出的电流检测电路可以方便地由标准c m o s 工艺制 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 作，可以方便地与b o o s td c d c 变换器的控制电路集成在一起，因此大大减小 了开关电源的体积和控制电路的复杂性。论文还对各种检测方法进行了比较， 分析了他们各自的优缺点以及适用范围。本文的主要工作如下： 4 归纳和总结了开关电源电流检测的几种主流技术； 5 提出了一种基于电流镜像的可集成电流检测电路。所提出的电流检测电路 结合了场效应晶体管导通电阻特性和电流镜像原理，其中的电流镜像结构 由具有高增益的运算放大器提供，从而提高了电流检测精度。同时它具有 简单的电路结构，由此可以减小芯片面积、降低成本以及提高系统的可靠 性； 6 对开关电源的电流检测电路进行了比较，分析了各种方法的优缺点，为开 关电源电流检测电路的设计与选择提供了参考； 7 提出了一种利用匹配电流源电路构成的检测电路。该匹配电流源结构仅由 c m o s 晶体管构成，可有效的为检测晶体管提供良好的电压跟随。匹配电 流源结构的使用可以提高电路的反应速度，能够进一步简化电路结构、简 化制作工艺以，为芯片面积的最小化做出了贡献； 8 提出了一种分析无传感器电流型控制斜坡补偿问题的方法。采用对电感电 流进行数学建模的方法，对无传感器电流型控制的斜坡补偿问题进行了理 论分析及证明； 9 通过仿真验证了论文中的理论分析和电路功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章传统d c d c 变换器的电流检测方法 传统电流检测方法是在要检测的电流路径中插入一个电阻，这种方法会引 起严重的功率损耗，特别是对于大的被检测电流来说，损耗更为严重。所以设 计具有低损耗的电流检测方法尤为重要。本章首先介绍了电阻检测法，其次详 细介绍并推导了四种准无损电流检测技术的原理。 2 1 电阻检测法 2 1 1 电阻检测法的基本原理 利用电阻器来检测电流的原理如图2 1 所示。 图2 1 电阻检测的电路原理图 r s 在理想状态下，被检测电流，流过检测电阻尺，时，由欧姆定律可得 v = i r ，。当电阻为固定值时，电压y 的变化就反映出电流的变化情况。但在 实际电路中，由于各种寄生效应的影响，实际的检测电路可用图2 2 表示。 图2 - 2 实际的检测电阻原理图 图2 2 中，三为寄生电感，c 为寄生电容，寄生元件形成的二阶网络将形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 成高频振荡，其中，寄生电感的影响尤为重要，在相同电流变化率的情况下， 它直接决定振荡幅度的大小。图2 3 是理想检测波形与实际检测波形的比较。 a ) 理想波形 b ) 实际波形 图2 3 理想检测波形与实际检测波形的比较 检测电路设计的一个重点就是减小寄生电感的影响，避免高频振荡。 检测电阻的引入对电路的主要影响是给电路带来额外的功率损耗，因此， 由它引起的功耗应越小越好。电阻的功耗为尸：，z 尺，为了减小功耗，在保证 控制的情况下，应尽量减小电阻的值。此外，为了减小检测电阻的寄生效应， 在电阻选择时应注意选择寄生电感小的电阻。 由欧姆定理可知，在电阻值一定时，电压矿反映了电流，的变化，如何选 择合适的检测电阻十分重要。在选择电阻时，主要考虑以下几个方面：1 ) 在满 足控制需要的前提下，尽量减小电阻值，以减小电路的功耗；2 ) 寄生电感要小， 以减小电流变化率的影响；3 ) 容差要小，以保证产品的一致性：4 ) 温度系数 要低，使电阻阻值随温度的变化尽可能小；5 ) 足够的功率容量，保证电阻可以 承受大电流脉冲的冲击；6 ) 足够的温度余量，以提高电路的可靠性。 2 2 功率开关导通电阻检测法 功率开关管导通电阻检测法又称r o n 检测法。随着微电子技术的发展， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 采用m o s f e t 作为电流检测的手段已得到越来越广泛的应用。m o s f e t 作为 多子器件，在其导通时具有电阻特性 2 1 ，2 2 1 。功率开关导通电阻检测法就是通过 检测m o s f e t 导通电阻尺。上的电压，达到检测电流的目的。 2 2 1 开关导通电阻检测法的基本原理 m o s f e t 工作在可变电阻区时电流为： 如一c z o , w l 2 ( v o s 一_ ) 一咯】( 2 - 1 ) m o s f e t 用作开关使用时，漏极与源极间电压很小 g s r 册时，等效检测电阻为r 。： ( 2 ) 当r ，n r 。时，等效的检测电阻为r ，n ；( 3 ) 在其他情况下，等效 检测电阻跟r 。和r ，有关。 由式( 3 1 ) 可得： 如。等一1 ( 3 - 6 ) 由方程( 3 6 ) 可以看出r 。将随着v c 的值的增大而减小，同时当温度变化 时，以也会改变。为了得到更好的检测线性度，应消除r 。对检测电阻的影响， 所以检测电阻值应该满足第二种情况，即r ，n r 。此时，检测电路的等效 检测电阻为r ，n 。检测电压为k = ( ，m ) xr ，n ，此信号与功率管电流成比例， 堕塑塾曼整差堕圭塑茎茎塑笙塞 蔓! ：里 3 1 4 仿真验证 盲友雹主i 登娑j 艺和h s p i c e 软件对电路进行仿真。以下仿真结果的仿 真竺? 兰兰嚣q ，在配6a ) 和卧7a ，中：菇磊磋苫3 - 6b ) 和图3 7 b ) 中，尽：2 0 0 q 。 。 l l 因 由厍妻耋翼曼麓入从。至i j 3 0 0 m a 变化的电流。图3 - 6 为温度2 7o c 输入 岖分型黧5v、5v时的等熬捌电阻仿魑高。蒜爻毛三舅3 5 v , 温度分别为4 0 0 c 、2 7 。c 、8 5 。c 时的等效检测电阻的仿i 一匕比刖 a ) 满足b 亿。的条件 b 不满足匙 如的条件 图3 - 6 输入电压变化时的等效检测电阻的仿真 图3 6 a ) 中，等效检测电阻的值几乎不随输入电压和厶变化，而图3 6b ) 一 g莹髻毒莹l(1墓钟i潞罾基孑 蜘 撕 。 搿学冕糍秀蹦乎一马品城_it露浮口著 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 中，等效检测电阻随输入电压增大而减小，在同一输入电压条件下，还随，吖的 增大而增大，使得电流检测的线性度减弱。这是因为在图3 - 6a ) 中，等效检测 电阻为b ，与输入电压和厶均无关；而在图3 - 6b ) 中，等效检测电阻的值 跟r 。有关，由式( 3 - 6 ) 可知兄。随输入电压的增加而减小，在计算咒。时，忽 略了曙这一项，当电流增加时? 也会增加，导致如的增加，最终导致等 效检测电阻的增加。同样，在图3 7a ) 中，等效检测电阻的值几乎与咒。无关， 所以，在不同温度下等效检测电阻的变化只与电阻尺，本身的温度特性有关，而 与功率开关导通电阻如随温度的变化无关，所以等效检测电阻随温度变化就比 较小。在图3 7b ) 中，等效检测电阻的值与兄。有关，温度对等效检测样电阻 的值影响比较大。因此，要得到较好的检测效果，就必须满足b r 。 霍 屡 委 茎 曩 墓 趸 嘉 藿 萋 喜 耋 搿 a ) 满足b r o 。的条件 b ) 不满足b n 1 时，才有i 。，膦i 。2 ，才会有圪。l 圪。2 ，即v e l 圪2 仅在 l 时成立。然而在集成电路里只有纵向晶体管的在百倍以上，横向晶体管的只 有几倍到几十倍2 ，这就大大的增加了镜像误差。如图3 一1 2b ) 所示，由三极 管构成的电压跟随器结构使a 点电压和b 点电压相差约1 2 5 m v ，也就是m n 2 和m n 4 的漏极电压具有1 2 5 m v 的误差。此误差将影响检测管m n 2 和m n 4 的 电流镜像精度，从而影响输出的检测电流的精度。 此电路的另一个缺点是电路结构复杂，多个电流源，删s 与双极性工艺的使 用使电路结构复杂，实施困难。 3 3 本文提出的改进电流镜检测方法 为了提高电流检测精度，本文提出了一种检测精度高的电流镜检测电路。 它采用0 6 微米的c m o s 技术制作，避免了由于b i m o s 技术带来的制作困难， 另外，此电路结构简单，检测精度也比改进前的电路高。所提出的电流检测电 路通过改变电路元件参数，便可适用于低电压供电，适用于低电压的便携式电 子设备。 3 3 1 改进电路结构及原理分析 图3 1 7 是针对图3 - 9 电流镜检测电路提出的一种改进电路【5 4 1 。它充分结合 了导通电阻特性和电流镜原理，主要由两部分构成，第一部分是与功率晶体管 并联的检测支路，第二部分是检测电路的输出电路。与功率开关m n l 相并联 的检测支路由两个串联检测晶体管m n 2 和m n 3 构成，它将通过电阻分流特性， 将主功率开关m n l 的电流分流，m n 2 上的电流将作为检测电流并通过输出电 路输出。输出电路中，为了克服文献 5 2 中双极性晶体管给电路带来的不精确 性，此电路中使用的高增益放大器可使a 点电压和b 点电压精确相等。同时此 电路中采用了由c m o s 构成的电流源结构( m p l m p 2 ) 来提供偏置电流，。泌。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 在输出端采用由c m o s 构成的电流源结构( m r l m r 2 ) 来输出检测电流，此 电路中仅使用了一个电流源( i b 诅。) 取代了图3 - 9 中所使用的4 个电流源( l 。) ， 这样不仅简化了电路结构，同时由于他们全由c m o s 管构成，大大简化了制备 工艺。 图3 1 7 本文提出的用于b o o s t 变换器的电流检测电路 在图3 1 7 所示检测电路中，m n 3 和m n 2 构成检测支路，它与功率开关 m n l 并联，通过并联分流来检测开关电流。m o s 晶体管的导通电阻如下： r d s2 面i 锄( 3 - 2 0 ) 因此，通过选择合适的长宽比( w l ) 以及合适的栅源电压，可以确定它们的 电阻关系。虽然温度也会对导通电阻产生影响，但这种并联分流结构抵消了由 于温度对导通电阻的影响所引起的温度对检测精度的影响。 检测电路中独立供电的偏置电流源用于为运算放大器提供偏置电流，它的 结构如图3 1 8 所示【5 5 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 偏置电流由。，给出， v d d 图3 1 8 独立供电的偏置电流源结构 乙= 而历2 两去( 一去) p 2 - ， 其中，( 吲三) v 是晶体管m 1 的宽长比，k 代表) ：( w l ) 。 检测电路中使用运算放大器来获得电压镜像的思想主要基于尾状电流源 ( t a i lc u r r e n ts o u r c e ) 的工作原理【5 6 】。f y o u 等人所提出的尾状电流源中引入运 算放大器来获得更精确的电流镜像，克服了以往电流源的缺点。如图3 1 3 所示， 功率f e t 和检测f e t 的漏极分别接到o p a m p 的两端，由运放的特性我们可 知圪= 圪，故功率f e t 和检测f e t 的漏极电压相等。同时运放的输入电流为 零，则检测到的功率管m n 2 电流将精确的镜像到m n 3 ，只要放大器选择的合 适，检测信号便可以较为精确的输出到电路的输出端。 专利文献 5 2 所用的电压镜和此处所采用的尾状电流源结构如图3 1 9 所 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 9 页 v i n v i n a )b ) 图3 - 1 9a ) 文献【5 2 中所使用的电压镜，b ) 尾状电流源 其中，使用的放大器是一个二阶共源共栅( c a s c o d e ) n m o s 输入放大器，如 图3 2 0 所示，此放大器具有高电压增益，所以可以减小有限增益误差，它还具 有较低的偏置电压能够确保= ，另外还具有较宽的输出电压幅度以便不同 的圪产生不同的检测电流 5 7 1 。 图3 2 0 检测电路中所使用的二阶共源共栅放大器 3 3 2 本文提出的检测电路工作原理 本文提出的检测电路如图3 1 7 所示。b o o s t 开关电源控制电路中的锁存器 输出高电平时，即v q 为高电平时，n m o s 功率开关m n l 导通。同时，由于检 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 0 页 测晶体管m n 3 与功率开关m n l 具有相同的门极驱动电压，因此，m n l 导通 的同时m n 3 也被v n 导通。另外，晶体管m n 2 和m n 4 的门极驱动电压均为 b o o s t 变换器的输入电压，所以将一直保持导通。当m n l 、m n 2 和m n 3 导通 时，根据它们的等效电阻分流关系可知，流过检测晶体管m n 2 的电流为： j m n m n 2 = 尘丛+ 二，6 协 (322)22 一n 。2 1 6 协 、u 。7 当n 取5 0 0 时，检测管m n 2 上的电流将是千分之一的开关m n l 电流与二分之 一的偏置电流，m 。之和。这个电流只是主电路中流过开关m n l 电流的一小部分 ( 千分之一) ，因此，由检测电路引起的损耗非常小，可以忽略。检测到的电流 和开关管m n l 上的电流，m n ，成固定比例。 在检测电路的输出部分中，运算放大器的虚短特性为a 点电压和b 点电压 提供了精确的电压镜像，发生在a 点的任何电压变化都会引起b 点相同的变化。 这样，晶体管m n 2 和m n 4 的漏源电压v d s 可以非常精确的相等。再由式( 3 1 4 ) 可知，相等的漏源电压为m n 4 和m n 2 提供了相等的漏电流，也即 i 枞2i m 2 哿- t - 1 ”( 3 - 2 3 n 晶体管m n 4 上的漏电流再通过简单的电流源结构( m r l m r 2 ) 输出到检 测电路的输出端，检测电路所输出的检测电流为： ，。= 坐丛+ 二，6 协 (324)2n2 1 j e w p。6 l 胁 、7 它是按一定比例缩小的开关电流( 乏 ) 和二分之一的偏置电流( 圭乇晒) 之和。 通常要求偏置电流的值应非常小( 可以忽略不计) ，即壹，n 洒 之等，它的功 能只是使电流检测电路能够正常工作。这样输出的检测电流，。邮。与电感电流成 比列并且远小于电感电流。 b o o s t 变换器的控制电路输出低电平时，即v 0 为低电平时，功率开关m n i 关断，同时v n 也使晶体管m n 3 关断。此时，整个电流检测电路完全与功率级 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 1 页 b o o s t 主电路断开。管m p 2 上的偏置电流，b 酞流经晶体管m n 2 ，可保持检测电 路的正常工作。此时m n 4 和m n 2 上的漏电流为i b i 弱，输出的电流为i s 。嘴= i b i 。 关断期间的电流检测电路如图3 - 2 1 所示。 v i n 图3 2 l 关断期间的电流检测电路 此电路检测了当b o o s t 变换器中功率开关m n l 导通时的电感电流波形。 通过改变晶体管m n 2 和m n 3 的导通电阻关系，可使此检测电路应用于低 电压供电。当选择的检测晶体管m n 3 的导通电阻非常小，即远小于晶体管m n 2 的导通电阻时，我们可以忽略m n 3 导通电阻的影响，只把它看作是连接检测 电路与b o o s t 功率变换器的开关。例如，选择的检测晶体管m n 2 的导通电阻是 功率开关m n l 的n 倍，那么根据并联分流原理，m n 2 上得到的检测电流将是 功率开关电流的n 分之一，即，删1 。 3 3 3 仿真分析 提出的检测电路采用h s p i c e 软件进行仿真分析，采用标准的0 6 朋的 c m o s 工艺设计，b o o s t 变换器工作在5 0 0 k h z ，电源电压圪为2 v 。n 取值为 5 0 0 ，也就是检测晶体管m n 2 和m n 3 的导通电阻为功率开关的m n l 导通电阻 的5 0 0 倍。电路中的偏置电流，6 伽选为3 。图3 2 2 、3 2 3 、3 2 4 、3 2 5 和 3 2 6 分别为检测电路的仿真结果( 此电路仅检测了电感电流上升阶段) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 图3 - 2 2 功率开关管m n l 的门极驱动电压v o 图3 2 2 是电路图3 1 7 中功率管m n l 和检测管m n 3 的门极驱动的仿真 结果。当为高电平时，功率开关m n l 导通，当为低电平时，功率开关 m n l 关断。 a ) 检测电路中电压比和 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 b ) 检测电路中电压圪和放大图 图3 - 2 3 运算放大器所提供的电压跟随器中和的电压跟随情况 图3 2 3 为检测电路中a 点和b 点电压的仿真图，从图中可以看放大器可 以为a 点和b 点提供良好的电压跟随。从图3 2 3a ) 可以看出b 点电压在第一 个周期就可以跟a 点电压保持一致，再由图3 2 3b ) 可以看出b 点电压和a 点 电压之间仅存在l m v 的误差。而改进前的检测电路中吒和相差1 2 5 m v ( 如 图3 1 2b ) 所示) ，由此可知运算放大器可提供良好的电压跟随，电流镜像精度 得到提高。 图3 2 4 功率开关m n l 上的电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 4 页 墨 量 4u6 u8 u 图3 2 5 检测电路输出的功率开关m n l 的检测电流 ， ：套一 一 。一一一一一一一一一一一一名 l 7 一一一； 一 l ! 。一! i 7 一 ! 矧 i - * d h _ _ h h _ _ ，一一! 一于 i ：一：一：。：“，一。； ，一 ，一； 一一，。 ”。- 一毒一 一一一一一 量一一一 一 i j 一- 一 一一。，一一 j：二：二j 一二：二二： l l 一，l ? 二：! l f | ：? - ? 兰一一! = t - - = _ ： tu-l 图3 2 6 输出的检测电压与开关电流对比电路 童 羹 图3 2 4 为b o o s t 变换器中功率开关m n l 上的电流仿真波形，图3 2 5 为开 关m n l 上电流的检测电流。图3 2 6 是开关电流和检测电流的对比图。从图3 2 4 和3 2 5 可以看出，1 2 4 m a 的电感电流，得到的检测电流为1 2 6 ( 期望的检测 电流应为1 2 4 ) ，此检测电路具1 6 的误差，而改进前的检测电路则具有3 2 的误差，可见改进后的检测精度比文献 5 2 中介绍的检测电路提高了。由仿真 结果可以看出本章所提出的电流检测电路能够精确的检测电感电流的上升信 号。 3 4 匹配电流源技术 本文提出的电流检测电路( 图3 1 7 ) 提高了电流检测精度，但此电路仍然 存在一些不足：运算放大器的使用增加了电路的损耗，降低了电路的检测速度， 此外，运算放大器的选择必须满足高增益、低偏置的条件，增加了难度；此电 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 5 页 流检测电路得到的检测电流中含有偏置电流因子1 2 1 m 。，即检测电流比实际的 开关电流的n 分之一多了电流1 2 i k 雒，虽然这个电流很小，但还是对检测精度 产生一定的影响。针对上述问题，我们将研究该电路的改进方案。在改进的检 测电路中，我们不再使用运算放大器作为电压跟随器结构，而是利用匹配的电 流源技术来提供电压跟随 5 8 , 5 9 1 ，它结构简单，电压跟随能力较强。另外，p m o s 晶体管的加入可消除输出检测电流中包含的偏置电流，检测精度可得到进一步 的提高。 3 4 1 本文改进的电流检测电路原理及结构分析 改进的电流检测电路结构如图3 2 7 所示【6 0 1 ，门极相连的晶体管m 1 、m 2 和m p 4 、m p 5 一起构成电压跟随器结构，m p 2 ，m p 3 ，m p 4 和m p 5 是相同的 晶体管，其中m p 4 和m p 5 用于提供偏置电流k 。，晶体管m 1 和m 2 相互匹配 且均工作在饱和区。两个相等的小偏置电流，和，使晶体管m 1 和m 2 有相 同的，即= 。这是因为，n m o s 晶体管工作于饱和区的漏电流为： i 脚：华f 了w1 ( 一) 2 ( 3 - 2 5 ) 二 l 其中，晶体管m 1 和m 2 的宽长比( w l ) 相等，又因为它们有相同的漏电流 ( i i = i 2 = i 6 加。所以根据式( 3 - 2 5 ) ，晶体管m 1 和m 2 的相等( i 阳= 2 阳) ， 这样就形成了电压跟随( 圪= ) ，取代了图3 - 1 7 电路中放大器的作用。另外， 在检测电路中通过补偿晶体管m p 3 ，便可以消除以上两种检测电路( 图3 - 9 ， 图3 1 7 ) 中输出检测信号含有的偏置电流信号。此电路所检测的电流完全是功 率开关电流的2 n 分之一，没有了偏置电流的影响，检测精度进一步提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 c u r r e n t s e n s i n g c i r c u l 。t + 图3 2 7 本文提出的匹配电流源技术检测电路 3 4 2 检测电路工作原理 当功翠晶体管m n l 导通时，检测电路与b o o s t 变换器相连，此时m n 2 上 的检测电流与功率电流的关系可表示为： 拿52 ：。n r + i m n ，。凇(3-26)i 【3 = m n 2 2 i b i m v 7 这样，我们可以推导出晶体管i v i n 2 上的电流为哿+ 厶姗。 同时m n 2 与m n 4 是相同的晶体管，它们有相同的漏源电压( 电压跟 随器提供) 和相同的栅源电压，所以m n 2 的漏电流和m n