一种高精度电流检测电路的设计_刘满雀
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下面介绍传统的基于并联管检测技术的电流检 测电路。该类电路主要分为两种，分别是基于电流 镜结构与运算放大器结构的电流检测电路。图 1 是 为基于电流镜的电流检测电路[3]。其中，二极管 D，电 感 L，电容 Co，电阻 Ro，还有功率管 Mp 构成了降压转 换器拓扑结构。Ms 是检测管，Mcs 与采样电阻 Rcs 构 成输出检测电流支路，检测电压 Vsense 输出被转换器 的其他模块使用。该电路基本原理：当 S1 关闭，S2 打 开的时候，检测电流电路处于检测状态。由于 IB1 与 IB2 电流相等，即流过 M1 与 M2 电流相等，M1 与 M2 的 Vgs 相等，迫使 VA 与 VB 的电压相等。而 Mp 与 Ms 成 一定的比例 N，相当于两个成 N 比例的电阻，并且 由于 VA 等于 VB，所以流过 Mp 电感电流 IL 与流过 Mcs 的检测电流 Isense 成比例 N。最终近似得出 Isense＝ IL/N。当 S1 打开，S2 关闭的时候，检测电流处于等待 状态，Isense 为 0。这时两条支路保持平衡，即相应电流 以及各点电压相等，为进入电流检测阶段做好准备。
由于三极管电流镜比 CMOS 管失配更加小，所以有 部分电路采用三极管取代图 1 中的 M1 与 M2[3]。
2 传统电流检测电路的介绍
电流检测电路模块主要用于检测电感上的电 流，文献[2]提出了许多电流检测技术，包括利用串 联电阻、并联检测管以及对电感的电流积分等方法 检测电感电流。其中，电阻检测技术由于是用外挂 电阻进行电流检测，所以精度较高，但是难以集成于 芯片内部，而且消耗功率较大。滤波器检测技术检 测的是平均电流，而不是实时的电感电流，则难以完 成过流保护的功能。而并联检测管因其具有较高精 度，较低功耗，且易于集成芯片内等优点，所以在集 成电路设计中，多是采用基于这种检测技术的电流 检测电路。
（9）
由于采样管 Mcs 与功率管 Mp 是以 N 的比例进
行匹配，则得最后得电流检测公式，为：
图 1 基于电流镜结构的电流检测电路
图 2 是基于运算放大器结构的电流检测电路[4]， 工作原理与图 1 基本相似，不同之处在于图 2 所示 的电流检测电路是通过运算放大器的负反馈作用， 使运放的两个输入 VA 与 VB 电压相等。
图 2 基于运放结构的电流检测电路
54 （总第 118 期） 2009·3·
（1）
IE
1=
IB1 β2-
1
（2）
电流检测电路右边支路，电流，电压情况，
（IL- IE2）·RP +IE·2 RS1 =VD
IE
2=
IB2 β2-
1
（3） （4）
电流检测电路两边支路之间的关系，
VC=VD
（5）
其中，RCS，RS 1，RP 分别是 Mcs、Ms1、Mp 的等效电 阻，IE 1，IE 2，IB1，IB2，β1，β2 分别为 Q1、Q2 对应的发射
http：//www.cicmag.com
2009·3· （总第 118 期） 55
设计
CIC 中国集成电路
China lntegrated Circult
Isen·RCS -
IB1 β1+1
·RCS
=IL·RP-
IB2 β2-
1
·RS1+
IB2 Leabharlann Baidu2-
1
·RP
（6）
图 5 等待阶段的电路状态
下面主要介绍本电流检测电路的特点。
本文基于对各种电流检测电路优缺点的分析， 提出了一种基于并联检测管方法的电流检测电路。
http：//www.cicmag.com
2009·3· （总第 118 期） 53
设计
CIC 中国集成电路
China lntegrated Circult
该电流检测电路通过增大环路增益，以及降低误差 源等方法，进一步提高了电流检测精度，并且不会牺 牲电路响应速度。本文已基于 Chartered 的 0.35μm 的 3 V/13.5 V CMOS 工艺，对该检测电路进行了仿 真与验证。结果证明，该电流检测电路与同类型电 路相比，有着结构简单、检测精度高的优点。
正是基于速度和精度这两个参数的折衷考虑， 本文提出的电流检测电路不采用运算放大器，而是 利用镜像管的衬偏效应增加电路环路增益，以及降 低误差源等方法，在保证达到响应速度的前提下，提 高检测电路的电流检测精度。下面主要介绍本文提 出的新型高精度电流检测电路及其实现方法。整体 具体电路实现如图 3 所示，其中，二极管 D，电感 L， 电容 Co，电阻 Ro，还有功率管 Mp 构成了升压转换器 拓扑结构。Vbias 以及 Ibias，为整个电流检测电路中的 由 M3，M4，M5，M6，M7，M8，M9，M10 分别组成的共源共 栅电流镜结构提供偏置。检测管 Mcs 与功率管 Mp 成 1 : 5000 的比例，而驱动信号 Q 通过控制开关管 Ms1 与 Ms2 来完成电路状态的转换。由于流过 M11、M12、Q1 与 Q2 电流相等，即 M11 与 M12 的 Vgs，同样，Q1 与 Q2 的 Vbe 相等，所以迫使 VA 与 VB 的电压相等，VC 与 VD 电压相等。与传统结构电路不同的是，本电路把 M11 与 M12 的衬底分别连接在 VB 与 VA 上，以增加电 路的环路增益，并且利用三极管 Q1 与 Q2 进一步减 少电流检测的误差。由 M7，M8，M13 组成的电流支路 则是输出最终的检测电流，供升压转换器的其他模 块使用，如斜率补偿，过流保护模块等。
小的，所以，偏置电流的影响可以忽略。最终，可以把 检测电流引入到有 M7，M8，M13 组成的支路中，供升 压转换器的其他模块使用。
图 3 整体具体电路
图 4 检测电流阶段的电路状态
在驱动信号 Q 为低电平时，如图 5 所示，Ms1 以 及功率管 Mp 关断，Mcs，Ms2 导通，电路处于等待阶 段。这时候两边电路处于平衡状态，并且由于 M11 与 M12，Q1 与 Q2 的工作状态完全一样，所以两边电流支 路相应各点电压都相等，这时检测电流恒为 0。本电 路不需要检测电感电流的时候， 仍然浪费功耗，主 要目的是保证在进入电流检测阶段之前，电路电流 以及各点电压处于预备状态[5]。否则，必然会影响到 开始阶段电流检测的速度以及精度。
CIC 中国集成电路 China lntegrated Circult
设计
一种高精度电流检测电路的设计
刘满雀，姚若河 （华南理工大学 电子与信息学院 广州 510640）
摘要：针对常用电流模式的升压转换器结构，提出了一种高精度电流检测电路。 该电路在保证响应速度的 前提下，通过增加电路环路增益，降低误差源等方法，提高检测电路的电流检测精度。 与其他结构电路相 比，有结构简单，响应速度快，电流检测精度高的优点。 基于 Chartered 的 0.35μm 的 3.3 V/13.5 V CMOS 工 艺，使用 Spectre 仿真器，对该电路进行了仿真与验证。 结果证明，在输入电压为 2.5 V～5.5 V,电感电流为 100 mA～500 mA，工作频率为 1 MHz 的情况下，能够正常稳定工作，并且电流精度高达 93％。 关键词：电流模式；电流精度；电流检测
A high-accuracy current sense circuit design
LIU Man-que，YAO Ruo-he （South China University of Technology, School of Electronic and Information Engineering, Guangzhou, 510640 China）
本文的电流检测电路分为两个工作阶段，分别 是电流检测阶段以及等待阶段。
在驱动信号 Q 为高电平时，如图 4 所示，Mcs， Ms1 以及功率管 Mp 导通，Ms2 关断，电路处于电流检 测阶段。由于流经 M11 与 Q1，M12 与 Q2 的两路都等于 Ibias，并且 Vgs，Vbe 都相等，所以 VC 与 VD 近似相等。而 由于 Ms 与 Mp 管工作在深度线性区，相当于比例为 1 : 5000 的两个电阻。并且由于 Ibais 为几个 μA 的级 别，与电感上高达 100 mA 以上的电流相比是非常
（1）镜像 CMOS 管 M11 与 M12 采用衬底控制技
术，增加环路增益。对 M11 与 M12 管采用衬底控制技
术，把 M11 的衬底连到 VB 点，把 M12 的衬底连到 VA
点。这样的连接方法主要利用 M11 与 M12 管的衬偏
效应提高系统环路的增益，进而提高检测电流的精
度。同时，这种连接方法可以带来另外一个好处，即
1 概述
近年来，随着便携式数码产品的快速发展，开关 电源芯片得到广泛的应用。市场在推动开关电源芯 片技术发展的同时，也对开关电源芯片的性能提出 了更高要求。电压模式开关电源芯片基本上已经被
淘汰，取而代之的则是电流模式的开关电源芯片。这 主要是由于电流模式的开关电源芯片与电压模式相 比，有补偿网络简单、瞬态响应快、易于电流保护等 优点 [1]。而电流模式的开关电源芯片与电压模式相 比，增加了一个重要的电路模块－电流检测电路。
http：//www.cicmag.com
CIC 中国集成电路 China lntegrated Circult
设计
3 高精度电流检测电路的介绍
从前面对传统电流检测电路的分析，得知以上 两种结构都各自存在优缺点。电流镜结构虽然响应 速度较快，但是电流检测精度不够。基于运算放大 器的结构，虽然电流检测精度较高，但是由于运算放 大器带宽的限制，使得响应速度较慢。
极电流，基极电流以及电流放大系数。
联立（1）（2）（3）（4）（5），得出：
由于 Mcs 与 Ms1，Q1 与 Q2 都是对应匹配的晶体 管，则有
Isen·RCS=
IB2 β2-
1
·RP+IL·RP
（7）
由于
IB2 β2-
1
远远小于电感电流 IL，则有
Ise·n RCS≈IL·RP
（8）
Isen·=IL·RRCPS
由于 M11 与 M12 消耗的阈值电压变低，使得该电流
检测电路可以工作在更低的工作电压下，能够满足
低电压应用。
（2）采用三极管 Q1 与 Q2 减少偏置电流对电流
检测精度的影响。在说明这个原理之前，有必要先
推导出检测电流的公式。
电流检测电路左边支路，电流，电压情况，
（Isen- IE 1）·RCS =VC
Abstract: Aimed at current-mode boost converter, a high-accuracy current sense circuit is presented. The circuit has improved current sense accuracy with fast response time, by increasing the circuit loop gain, and reducing error sources. Compared with other circuits, the circuit have many advantages such as simple structure, fast response and high accuracy current sense. Based on Chartered's 0.35um process of 3.3 V/13.5 V CMOS technology, circuit simulation and verification is made with Spectre simulator. The results showed that when the input voltage is 2.5 V ~ 5.5 V, the inductor current is 100 mA ~ 500 mA, operating frequency is 1 MHz, the circuit can work correctly, and current sense accuracy can be up to 93％. Keywords: current mode; current accuracy; current sense
由于三极管电流镜比 CMOS 管失配更加小，所以有 部分电路采用三极管取代图 1 中的 M1 与 M2[3]。
2 传统电流检测电路的介绍
电流检测电路模块主要用于检测电感上的电 流，文献[2]提出了许多电流检测技术，包括利用串 联电阻、并联检测管以及对电感的电流积分等方法 检测电感电流。其中，电阻检测技术由于是用外挂 电阻进行电流检测，所以精度较高，但是难以集成于 芯片内部，而且消耗功率较大。滤波器检测技术检 测的是平均电流，而不是实时的电感电流，则难以完 成过流保护的功能。而并联检测管因其具有较高精 度，较低功耗，且易于集成芯片内等优点，所以在集 成电路设计中，多是采用基于这种检测技术的电流 检测电路。
（9）
由于采样管 Mcs 与功率管 Mp 是以 N 的比例进
行匹配，则得最后得电流检测公式，为：
图 1 基于电流镜结构的电流检测电路
图 2 是基于运算放大器结构的电流检测电路[4]， 工作原理与图 1 基本相似，不同之处在于图 2 所示 的电流检测电路是通过运算放大器的负反馈作用， 使运放的两个输入 VA 与 VB 电压相等。
图 2 基于运放结构的电流检测电路
54 （总第 118 期） 2009·3·
（1）
IE
1=
IB1 β2-
1
（2）
电流检测电路右边支路，电流，电压情况，
（IL- IE2）·RP +IE·2 RS1 =VD
IE
2=
IB2 β2-
1
（3） （4）
电流检测电路两边支路之间的关系，
VC=VD
（5）
其中，RCS，RS 1，RP 分别是 Mcs、Ms1、Mp 的等效电 阻，IE 1，IE 2，IB1，IB2，β1，β2 分别为 Q1、Q2 对应的发射
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设计
CIC 中国集成电路
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Isen·RCS -
IB1 β1+1
·RCS
=IL·RP-
IB2 β2-
1
·RS1+
IB2 Leabharlann Baidu2-
1
·RP
（6）
图 5 等待阶段的电路状态
下面主要介绍本电流检测电路的特点。
本文基于对各种电流检测电路优缺点的分析， 提出了一种基于并联检测管方法的电流检测电路。
http：//www.cicmag.com
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设计
CIC 中国集成电路
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该电流检测电路通过增大环路增益，以及降低误差 源等方法，进一步提高了电流检测精度，并且不会牺 牲电路响应速度。本文已基于 Chartered 的 0.35μm 的 3 V/13.5 V CMOS 工艺，对该检测电路进行了仿 真与验证。结果证明，该电流检测电路与同类型电 路相比，有着结构简单、检测精度高的优点。
正是基于速度和精度这两个参数的折衷考虑， 本文提出的电流检测电路不采用运算放大器，而是 利用镜像管的衬偏效应增加电路环路增益，以及降 低误差源等方法，在保证达到响应速度的前提下，提 高检测电路的电流检测精度。下面主要介绍本文提 出的新型高精度电流检测电路及其实现方法。整体 具体电路实现如图 3 所示，其中，二极管 D，电感 L， 电容 Co，电阻 Ro，还有功率管 Mp 构成了升压转换器 拓扑结构。Vbias 以及 Ibias，为整个电流检测电路中的 由 M3，M4，M5，M6，M7，M8，M9，M10 分别组成的共源共 栅电流镜结构提供偏置。检测管 Mcs 与功率管 Mp 成 1 : 5000 的比例，而驱动信号 Q 通过控制开关管 Ms1 与 Ms2 来完成电路状态的转换。由于流过 M11、M12、Q1 与 Q2 电流相等，即 M11 与 M12 的 Vgs，同样，Q1 与 Q2 的 Vbe 相等，所以迫使 VA 与 VB 的电压相等，VC 与 VD 电压相等。与传统结构电路不同的是，本电路把 M11 与 M12 的衬底分别连接在 VB 与 VA 上，以增加电 路的环路增益，并且利用三极管 Q1 与 Q2 进一步减 少电流检测的误差。由 M7，M8，M13 组成的电流支路 则是输出最终的检测电流，供升压转换器的其他模 块使用，如斜率补偿，过流保护模块等。
小的，所以，偏置电流的影响可以忽略。最终，可以把 检测电流引入到有 M7，M8，M13 组成的支路中，供升 压转换器的其他模块使用。
图 3 整体具体电路
图 4 检测电流阶段的电路状态
在驱动信号 Q 为低电平时，如图 5 所示，Ms1 以 及功率管 Mp 关断，Mcs，Ms2 导通，电路处于等待阶 段。这时候两边电路处于平衡状态，并且由于 M11 与 M12，Q1 与 Q2 的工作状态完全一样，所以两边电流支 路相应各点电压都相等，这时检测电流恒为 0。本电 路不需要检测电感电流的时候， 仍然浪费功耗，主 要目的是保证在进入电流检测阶段之前，电路电流 以及各点电压处于预备状态[5]。否则，必然会影响到 开始阶段电流检测的速度以及精度。
CIC 中国集成电路 China lntegrated Circult
设计
一种高精度电流检测电路的设计
刘满雀，姚若河 （华南理工大学 电子与信息学院 广州 510640）
摘要：针对常用电流模式的升压转换器结构，提出了一种高精度电流检测电路。 该电路在保证响应速度的 前提下，通过增加电路环路增益，降低误差源等方法，提高检测电路的电流检测精度。 与其他结构电路相 比，有结构简单，响应速度快，电流检测精度高的优点。 基于 Chartered 的 0.35μm 的 3.3 V/13.5 V CMOS 工 艺，使用 Spectre 仿真器，对该电路进行了仿真与验证。 结果证明，在输入电压为 2.5 V～5.5 V,电感电流为 100 mA～500 mA，工作频率为 1 MHz 的情况下，能够正常稳定工作，并且电流精度高达 93％。 关键词：电流模式；电流精度；电流检测
A high-accuracy current sense circuit design
LIU Man-que，YAO Ruo-he （South China University of Technology, School of Electronic and Information Engineering, Guangzhou, 510640 China）
本文的电流检测电路分为两个工作阶段，分别 是电流检测阶段以及等待阶段。
在驱动信号 Q 为高电平时，如图 4 所示，Mcs， Ms1 以及功率管 Mp 导通，Ms2 关断，电路处于电流检 测阶段。由于流经 M11 与 Q1，M12 与 Q2 的两路都等于 Ibias，并且 Vgs，Vbe 都相等，所以 VC 与 VD 近似相等。而 由于 Ms 与 Mp 管工作在深度线性区，相当于比例为 1 : 5000 的两个电阻。并且由于 Ibais 为几个 μA 的级 别，与电感上高达 100 mA 以上的电流相比是非常
（1）镜像 CMOS 管 M11 与 M12 采用衬底控制技
术，增加环路增益。对 M11 与 M12 管采用衬底控制技
术，把 M11 的衬底连到 VB 点，把 M12 的衬底连到 VA
点。这样的连接方法主要利用 M11 与 M12 管的衬偏
效应提高系统环路的增益，进而提高检测电流的精
度。同时，这种连接方法可以带来另外一个好处，即
1 概述
近年来，随着便携式数码产品的快速发展，开关 电源芯片得到广泛的应用。市场在推动开关电源芯 片技术发展的同时，也对开关电源芯片的性能提出 了更高要求。电压模式开关电源芯片基本上已经被
淘汰，取而代之的则是电流模式的开关电源芯片。这 主要是由于电流模式的开关电源芯片与电压模式相 比，有补偿网络简单、瞬态响应快、易于电流保护等 优点 [1]。而电流模式的开关电源芯片与电压模式相 比，增加了一个重要的电路模块－电流检测电路。
http：//www.cicmag.com
CIC 中国集成电路 China lntegrated Circult
设计
3 高精度电流检测电路的介绍
从前面对传统电流检测电路的分析，得知以上 两种结构都各自存在优缺点。电流镜结构虽然响应 速度较快，但是电流检测精度不够。基于运算放大 器的结构，虽然电流检测精度较高，但是由于运算放 大器带宽的限制，使得响应速度较慢。
极电流，基极电流以及电流放大系数。
联立（1）（2）（3）（4）（5），得出：
由于 Mcs 与 Ms1，Q1 与 Q2 都是对应匹配的晶体 管，则有
Isen·RCS=
IB2 β2-
1
·RP+IL·RP
（7）
由于
IB2 β2-
1
远远小于电感电流 IL，则有
Ise·n RCS≈IL·RP
（8）
Isen·=IL·RRCPS
由于 M11 与 M12 消耗的阈值电压变低，使得该电流
检测电路可以工作在更低的工作电压下，能够满足
低电压应用。
（2）采用三极管 Q1 与 Q2 减少偏置电流对电流
检测精度的影响。在说明这个原理之前，有必要先
推导出检测电流的公式。
电流检测电路左边支路，电流，电压情况，
（Isen- IE 1）·RCS =VC
Abstract: Aimed at current-mode boost converter, a high-accuracy current sense circuit is presented. The circuit has improved current sense accuracy with fast response time, by increasing the circuit loop gain, and reducing error sources. Compared with other circuits, the circuit have many advantages such as simple structure, fast response and high accuracy current sense. Based on Chartered's 0.35um process of 3.3 V/13.5 V CMOS technology, circuit simulation and verification is made with Spectre simulator. The results showed that when the input voltage is 2.5 V ~ 5.5 V, the inductor current is 100 mA ~ 500 mA, operating frequency is 1 MHz, the circuit can work correctly, and current sense accuracy can be up to 93％. Keywords: current mode; current accuracy; current sense