新型電流極限比較器分析

　　1.引言

　　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(yīng)的電源輸出電流比較大， 此時應(yīng)設(shè)定較大極限電流， 保證輸出電壓穩(wěn)定;輕負載情況對應(yīng)的極限電流較小， 此時應(yīng)設(shè)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(yīng)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(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( sense MOSFET)流入由多個開關(guān)管和電阻組成的網(wǎng)絡(luò)R1 中，該網(wǎng)絡(luò)通過控制開關(guān)管導(dǎo)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(luò)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)。

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　　圖1 傳統(tǒng)的與新穎的電流極限比較器結(jié)構(gòu)

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　　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( sense MOSFET)流入電流比較器， 直接與所設(shè)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(luò)， 用于設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(luò)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。

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　　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(yīng)的高低電平信號去設(shè)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(dǎo)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(luò)代替電阻網(wǎng)絡(luò)， 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(luò)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(luò)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(dǎo)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(shè)計， 本文設(shè)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(luò)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(luò)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。

　　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(dǎo)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(shè)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(guān)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(guān)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(shè)失調(diào)電壓為20mV, 電阻網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)都具有較大的改進。