高速高精度电流检测电路的设计

第9卷第3期 福建江夏学院学报 Vol.9 No.3 2019年6月 Journal of Fujian Jiangxia University Jun.2019高速高精度电流检测电路的设计

黄淑燕1，赖松林2

（1．福建江夏学院电子信息科学学院，福建福州，350108；

2．福州大学物理与信息工程学院，福建福州，350108）

摘　要：传统的电流检测电路中，单一的负反馈回路结构因带宽受限，无法满足用于微处理器的电源管理芯片对速度和精度的要求，需进行改进。在传统电流检测的基础上多引入一条负反馈回路，得到一种带动态偏置并联负反馈电路的新型电流检测电路。用Cadence EDA工具Spectre进行仿真，结果表明：在宽负载电流变化下，新型电路的单位增益带宽和增益相比传统型有较明显的提高，相位裕度在整个负载变化内都在65℃以上，检测电压的上冲现象得到有效抑制，且峰值比较靠近理想电压，具有较高的检测精度。因此，新型峰值电流检测电路的检测速度和精度与传统型相比，均有所改善，满足系统宽负载的设计要求。

关键词：电流检测电路；动态偏置并联负反馈；峰值电流模DC-DC

中图分类号：TN47 文献标识码：A 文章编号：2095-2082（2019）03-0103-07

随着便携式电子设备的普及，DC-DC变换器因其效率高、输出大电流等优点而被广泛应用于电源管理中。根据调制方式和控制方式的不同，DC-DC变换器分为电压模PWM型、峰值电流模PWM 型和均值电流模PWM型。[1-3]相比电压模PWM型和均值电流模PWM型，峰值电流模PWM型具有瞬态响应快、电路环路比较简单、电路规模较小等优点。作为峰值电流模PWM型DC-DC核心电路，峰值电流检测电路是将检测到的电感电流转换为电压，经斜坡补偿后与电压回路的误差信号V c比较产生控制功率管开断的PWM脉冲信号。[4,5]常用的电流检测方式有电感串联电阻、功率管导通电阻和功率管镜像拷贝以及运放钳位等方式。[6-8]串联电阻造成功率损耗，功率管电阻受负载影响较大，高速高增益的运放使得设计复杂，这些方法在功耗、速度和精度上都存在缺陷。因此，提高检测速度、精度以及负载内环路保持稳定成为研究电流检测电路的热点问题。现有的关于电流检测的研究除了解决电阻功耗以及运放设计难等问题之外，还采用负反馈的方式快速跟踪电感电流变化，但因带宽受限使得检测速度不理想。[7-9]本文在对比分析传统型电流检测电路的带宽受限原因后，提出一种动态偏置并联负反馈方式。基于该方式设计的电流检测电路不仅功耗低，且具有较快的检测速度

收稿日期：2019-02-23

基金项目：福建省中青年教师教育科研项目（JAT170621）；福建省中青年教师教育科研项目（JAT170618）

作者简介：1．黄淑燕（1986—），女，福建泉州人，福建江夏学院电子信息科学学院讲师；

2．赖松林（1972－），男，福建龙岩人，福州大学物理与信息工程学院副教授。

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和精度。

一、传统型电流检测电路

现有的电流检测电路原理如图1所示。电路中利用Mos管M ps与功率管M p以1：K的比例镜像拷贝电流I ps后在电阻Rs上产生感应电压Vsen，经斜坡补偿后与电压回路的误差信号V c比较产生控制功率管开断的PWM脉冲信号；电路中不含运放，有效地降低了整体功耗；采用由M5、M s和M4构成的负反馈环路来跟踪电感电流变化，有效地提高了检测速度。其中L、R L和C L是片外电路，信号Q是控制电源管理芯片内功率管开断的PWM脉冲信号，I bias

是偏置电流。

图1　传统电流检测电路

，根据MOS管工作在线性区的平方

（1）

（2）

由式（1）和式（2）可知，只要

，则有b，可得：

该电路使用M5、M s和M4构成的反馈环路来保证V c跟随V sw的变化，M4和M5相当于一对差分输入管，M2和M3为有源负载，Ms是跟随放大管。环路的增益影响电流检测的精度，环路的带宽影响电流检测的速度。进行该环路的小信号分析，从V o

处断开，对应的小信号等效电路如图2所示：

图2　传统检测电路小信号等效电路

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由图2得到该环路的传输函数为：

其中，R c是M ps

s

的小信号跨导电阻。由式（2）可知，M s的尺寸需较大

以承受大负载检测的电流值，该环路的主极点是

，非主极点为

增益带宽积为：

由增益带宽积UGF、非主极点p nd和相位裕度PM三者的关系如下：[10]

工程上，环路稳定的条件是，因此有：

其中，C o是差分对管的栅极寄生电容，g m4是差分对管的小信号跨导。

一般地，M4和M5的尺寸较大，C o也就较大。为了降低功耗，g m4不能取太大。从式（8）可以

看出，该环路的增益带宽积受到了g m4和C o的限制。同时，当g ms

、较

小，检测速度受到限制。g ms 、也变大，然而非主极点位置固定使得PM降低，导致检测电压产生过冲，进而影响检测精度。

二、高速高精度电流检测电路

由于现有检测电路在带宽和增益上受限，使得检测速度和精度存在缺陷，因此在其基础上引入

动态偏置并联负反馈电路来改善，如图3所示：

图3　新型电流检测电路

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虚线框内是由M6~M13组成的动态偏置并联负反馈电路，与M4、M5和M s构成的负反馈并联，通过调节M11的线性电阻来调整M6跨导，使得V o尽快稳定，以减少由于开关引起的过冲电压。M12将系统内置的基准电流源镜像后提供给M10，其中V B是偏置信号。引入二极管连接的M13配合M10工作，保证M10～M13的电流形成，加快环路的建立，提高电流感应速度。M s1与M s2分别受PWM信号Q及其反相信号Q'控制，防止当信号Q高电平时环路电压V a和V b的电位降到零，缩短了当Q电平为低时的环

路建立时间。图3对应的小信号等效电路如图4所示，方便比较新型检测电路与传统检测电路。

图4　新型峰值电流检测电路小信号等效电路

其中，g m4、g ms、g m5、g m6分别是M4、M s、M5、M6的小信号跨导，G mf是M7~M13

的等效跨导，当

mf

等效为M11的小信号跨导g m11。R op是M4和M6的并联小信号电阻，其大小为：

从图4可以得到传输函数T(s)：

c

到V o的传递函数，其值为：

将式（11）代入式（10），整理得到传输函数的分母Den(s)为：

从式（12）可以看出，环路中有4个极点，主极点仍为

比较式（5）和（13）以及式（6）和（14），可以看出增益和带宽积均得到提高，改进后的电路能有效提高电流的检测速度和精度。

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