设计应用

一种无损电流检测电路设计

0 引言

    随着科技的发展,便携式和可穿戴式设备给人们带来了更智能和便利的生活。因此就需要电源管理芯片对设备模块的用电进行优化处理,同时对电池性能要求更高。于是就需要高效的直流电源管理单元(PMU)确保设备能够长时间稳定工作,为了优化电源管理芯片的转换效率和过流保护,需要精确采集电流信息[1]。随着集成电路制造工艺的最小特征尺寸不断减小,核心模块供电(Vcore)所需的电压低、电流大[2]。在大电流条件下采用无损电流检测技术能更有效检测电流信息。

    2016年文献[3]用RC滤波无损电流检测技术,并用∑△ADC检测电流,应用于数字控制DC-DC降压型,由于∑△ADC具有带宽较宽、噪声整形的特性,此电路具有高速度和高精度的特性。2017年,文献[4]提出基于开关电容的低失配电流检测电路,最终达到消除失调电压的目的。

    从文献分析可知,为得到精确的电流信息,必须消除offset电压。从经济和应用角度出发,本文基于无损电流检测技术,设计出一种带修调的高精度低速电流检测技术,通过反馈校准电路去校准快速电流检测电路,更有效检测电流信息。用负电流产生电路解决电流倒灌问题。

1 电源管理芯片中无损电流检测技术

    无损电流检测技术比较常用的几种检测方法有功率MOSFET导通电阻Ron[1]、镜像功率MOSFET电流[5]、并联RC滤波[6]、Gm-C滤波检测[7],表1对比了不同电流检测技术特性。功率MOSFET导通电阻Ron检测技术是检测电流流过功率MOSFET开关管的源漏电压,电压的精度由导通电阻Ron决定,然而沟道电阻随着温度、工艺、电源电压(PVT)的不同而变化,变化范围为50%~200%。在这个基础上提出镜像功率MOSFET电流检测方法,用一个MOSFET镜像功率MOSFET的电流,镜像之间匹配决定电流检测精度,误差在±4%左右,如果考虑工艺偏差和温度的变化,3σ范围内误差可能达到±20%,提高精度的方法可采用增加检测MOSFET的面积[7]。此外,如果镜像功率MOSFET开关管集成在电源管理芯片内,那么功率MOSFET导通电阻Ron、镜像功率MOSFET电流检测技术是可以集成到片内的无损检测电流技术。由于开关特性将会引入开关噪声,将会影响电流检测精度,这也是功率MOSFET导通电阻Ron、镜像功率MOSFET电流检测的局限性。

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    从实际的应用设计角度,本文采用并联RC滤波无损电流检测技术,如图1所示。

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其中RDCR为电感的自身电阻,L为电感值,Rs和Cs为并联滤波网络电阻和电容,电容Cs两端电压为:

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    从式(2)可知电流流过电感自身电阻的压降为电容两端的压降,知道RDCR的值就可以得到所需的电流。一般情况下Rs电阻取值在千欧数量级,因此并联RC滤波电流检测技术为无损电流检测。

2 无损电流检测电路的分析与设计

2.1 无损电流检测电路系统

    本文基于无损检测技术设计的无损电流检测电路系统如图2所示。电流检测电路由一个快速Avf、一个带修调的高精度慢速Avs和一个慢速的电流反馈放大器AI组成,有些情况下电流会从输出端流入到电感中形成负压,这个时候就得要一个可以流动的通路,因此电路中还包括一个偏置能够提供电路中由于负压而需要负电流。当快速运放存在offset,由电流检测系统图可得:

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时可以将offset电压消除,得到精确的检测电流。

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2.2 无损电流检测电路具体的电路设计

    具体的电路图设计如图3所示,该电路包括慢速精确电流检测电路、快速电路检测电路、反馈校准电路和负电流电路。

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    其中慢速精确电流检测电路通过修调后,输出电流为精确的电感电流Iavg,该电流通过INP端流入到反馈校准电路中,快速响应电流检测电路的检测输出电流IMon,通过INN流入到反馈校准电路中,Iavg的电流流入到M2管并通过M1管镜像与IMon的电流进行比较,如果电流IMon大于电流Iavg,会对电容CT充电,会使校准模块中的M3管的栅电压增加,从而导致FB反馈端的电压降低并吸收掉In2输入管一部分电流,由于M9和M10为固定的恒流源,因此流过M11管的电流增大,增大的电流通过自偏置电路R5和M14~M15使M18和M20的栅电压增大,减小输出电流IMon,达到精准的电流Iavg校准IMon,使得快速响应电流检测电路输出精确的采样电流值。

3 电路仿真结果及分析

3.1 PVT仿真分析

    PVT仿真指电路在工艺参数、电源电压和温度的变化随机组合的仿真,仿真结果表明了电路在PVT变化下的特性,其中MOS管工艺参数有ff、ss、fs、sf,BJT、电阻和电容工艺参数有ff和ss,电源变化范围为4.5 V~5.5 V,温度变化范围为-40 ℃~150 ℃。结果如表2所示。

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    从表2中可以看出带修调精确电流检测电路的单位增益带宽的最大值为0.47 MHz,开关频率为0.5 MHz~1 MHz,因此通过精确电流检测电路的信号将为滤波输出信号的平均值;快速电流检测电路的带宽最小值为2.96 MHz,信号能够经过快速电流检测电路检测出来。反馈校准电路的带宽最大值为0.017 MHz,可以将采样的瞬时电流与均值电流的比较值滤波为平均值反馈到快速电流检测电路对电路进行校准。

3.2 蒙特卡罗仿真分析

    蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)仿真反映了器件之间的不匹配,更能说明电路在实际流片时的工艺误差。仿真结果如图4所示,图4(a)为未校准快速电流检测电路的MC,3σ=1.5 mV,校准后的随机误差如图4(c)所示,3σ=0.39 mV,检测精度提升了5.55%。图4(b)为未校准的快速电流检测电路的标准方差3σ=2.87 mV,校准后最小值3σ=0.69 mV,检测精度提升了10.9%。

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3.3 Tran仿真分析

    图5为电流检测系统输入输出波形,模拟电感电阻DCR=1 mΩ,负载电流Iload=20 A,开关频率fsw=1 MHz,输出电压Vout=1.05 V,采样电流流过24 kΩ的电阻的输入输出波形,可看出快速电流检测电路能够正确检测出电流,高精度慢速电流检测电路检测出电流的平均值。

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4 结论

    在Vcore电源管理芯片需求大电流、低电压情况下,为了检测大电流,本文基于无损电流检测技术,从制造成本(减少生产所用掩模版)和电路应用角度设计出精确电流检测电路,该电路能够同时检测出均值电流和瞬时电流。采用修调的方式提高采样精度来减小随机offset,对精确慢速电流检测电路进行修调,然后去校准快速响应电流检测电路,相比于动态消除offset(自动校零和斩波技术)电路结构简单,并且无开关噪声影响。

    文中的电路采用TSNC 180 nm 1P3M Gen2工艺文件进行设计和仿真,为了提高基准电路的电源抑制噪声的能力,采用了折叠共源共栅运放,所设计的电路都通过Cadence 软件进行PVT、MC和Tran仿真验证,在用精确电流检测电路对快速电流进行校准后,随机误差降低30%左右。并且对关键的模块进行蒙特卡洛仿真,通过对仿真结果的分析,3σ的精度达到96%。

参考文献

[1] ERICKSON R,MAKSIMOVIC D.Fundamentals of power electronics[M].Norwell,MA:Kluwer,2001.

[2] SCHAEF C,STAUTH J T.Efficient voltage regulation for microprocessor cores stacked in vertical voltage domains[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(2):1795-1808.

[3] DAVID S,ANTHONY K.A high accuracy and high band-width current sense circuit for digitally controlled DC-DC buck converters[C].IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),2016.

[4] JINGYANG Z,WEI H.Low offset current sensing circuit based on switched-capacitor[C].2017 2nd IEEE International Conference on Integrated Circuits and Microsystems(ICICM),Nanjing,2017:28-31.

[5] YUVARAJAN S.Performance analysis and signal processing in a current sensingcurrent MOSFET(SENSEFET)[C].Proccedings of 1990 Industry Applications Society Annual Meeting,1990:1445-1450.

[6] LI B X,LOW K S,KANG B Y.An accurate lossless current sensing approach for a DC-DC converter with online calibration[C].2014 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference(APPEEC),Hong Kong,2014:1-5.

[7] FORGHANI Z H,RINC?魷N M G.An accurate, continuous,and lossless self-learning CMOS current-sensing scheme for inductor-based DC-DC Converters[J].IEEE Journal of Solid-States Circuits,2007,42(3):665-679.



作者信息:

银春梅1,朱向东2,朱海鹏1

(1.西安科技大学 电气与控制工程学院,陕西 西安710054;2.航天772研究所,陕西 西安710000)

大电流 无损检测技术 电感电流 瞬时值 平均值