傳統的電流檢測方法有3種：

 

(1)利用功率管的RDS進行檢測；

(2)使用檢測場效應晶體管檢測；

(3)場效應晶體管與檢測電阻結合。

 

針對開關穩壓器，不同於傳統的電流檢測方式
，本文提出了一種新穎的電流檢測方法。

 

1 傳統的電流檢測方法

 

1．1 利用功率管的RDS進行檢測(RDS SENSING)

 

當功率管(MOSFET)打開時
，它工作在可變電阻區
，可等效為一個小電阻。MOSFET工作在可變電阻區時等效電阻為：

 

 

式中：μ為溝道載流子遷移率；Cox為單位麵積的柵電容；VTH為MOSFET的開啟電壓。

 

如圖1所示，已知MOSFET的等效電阻，可以通過檢測MOSFET漏源之間的電壓來檢測開關電流。

 

 

這zhe種zhong技ji術shu理li論lun上shang很hen完wan美mei，它ta沒mei有you引yin入ru任ren何he額e外wai的de功gong率lv損sun耗hao
，不bu會hui影ying響xiang芯xin片pian的de效xiao率lv，因yin而er很hen實shi用yong。但dan是shi這zhe種zhong技ji術shu存cun在zai檢jian測ce精jing度du太tai低di的de致zhi命ming缺que點dian：

 

(1)MOSFET的RDS本身就是非線性的。

(2)無論是芯片內部還是外部的MOSFET，其RDS受μ
，Cox
，VTH影響很大。

(3)MOSFET的RDS隨溫度呈指數規律變化(27～100℃變化量為35％)。

 

可看出

，這種檢測技術受工藝、溫度的影響很大，其誤差在-50％～+100％。但是因為該電流檢測電路簡單
，且沒有任何額外的功耗
，故可以用在對電流檢測精度不高的情況下
，如DC-DC穩壓器的過流保護。

 

1．2 使用檢測場效應晶體管(SENSEFET)

 

這種電流檢測技術在實際的工程應用中較為普遍。它的設計思想是：如圖2在功率MOSFET兩端並聯一個電流檢測FET，檢測FET的有效寬度W明顯比功率MOSFET要小很多。功率MOSFET的有效寬度W應是檢測FET的100倍以上(假設兩者的有效長度相等
，下同)，以此來保證檢測FET所帶來的額外功率損耗盡可能的小。節點S和M的電流應該相等


，以此來避免由於FET溝道長度效應所引起的電流鏡像不準確。

 

 

在節點S和M電位相等的情況下
，流過檢測FET的電流，IS為功率MOSFET電流IM的1／N(N為功率FET和檢測FET的寬度之比)，IS的值即可反映IM的大小。

 

1．3 檢測場效應晶體管和檢測電阻相結合

 

如圖3所示
，這種檢測技術是上一種的改進形式，隻不過它的檢測器件不是FET而是小電阻。在這種檢測電路中檢測小電阻的阻值相對來說比檢測FET的RDS要精確很多
，其檢測精度也相對來說要高些
，而且無需專門電路來保證功率FET和檢測FET漏端的電壓相等
，降低了設計難度，但是其代價就是檢測小電阻所帶來的額外功率損耗比第一種檢測技術的1／N2還要小(N為功率FET和檢測FET的寬度之比)。

 

 

此技術的缺點在於，由於M1，M3的VDS不相等(考慮VDS對IDS的影響)

，IM與IS之比並不嚴格等於N，但這個偏差相對來說是很小的
，在工程中N應盡可能的大，RSENSE應盡可能的小。在高效的、低壓輸出、大負載應用環境中
，就可以采用這種檢測技術。

 

2 新型的電流檢測方法

 

在圖4中，N_DRV為BUCK穩壓器的同步管柵極驅動信號，N_DRV_DC為N_DRV經過1個三階RC低通濾波器之後濾出的直流分量，並且該直流分量為比較器的一端輸入，比較器的另一端輸入為一基準電壓值BIAS,，比較器的輸出LA28(數字信號，輸出到芯片的控製邏輯)為DC-DC負載電流狀態檢測信號。

 

 

該電流檢測電路的作用如下：

 

在一個穩壓器芯片中
，既包括一個DC-DC(BLYCK)
，又包括一個LDO，中載和重載時工作於PWM模式
，輕載時(約為3 mA以下)工作於LD0下，而本文提出電流檢測電路的作用是：當其負載電流小於一定值時(此時開關穩壓器處於DCM模式下)
，LA28電平跳遍，實現PWM模式向LD0模式的模式切換。

 

這zhe裏li需xu要yao注zhu意yi的de是shi，如ru果guo對dui輸shu出chu負fu載zai電dian流liu直zhi接jie進jin行xing檢jian測ce或huo是shi通tong過guo將jiang電dian感gan電dian流liu取qu平ping均jun值zhi的de方fang式shi來lai檢jian測ce輸shu出chu負fu載zai電dian流liu
，則ze將jiang會hui帶dai來lai電dian路lu實shi現xian上shang的de困kun難nan。而er在zai此ci提ti出chu的de這zhe種zhong檢jian測ce方fang法fa卻que不bu存cun在zai這zhe個ge問wen題ti。

 

該架構圖是DC-DC負載電流狀態檢測電路的等效圖。其作用是當DC-DC負載電流低於3 mA時
，其輸出信號LA28由高變低

，從而實現PWM模式向LD0的切換。它的基本原理是利用DCM模式下(當負載電流為3 mA時，DC-DC處於DCM模式下)負載電流與開關管柵極驅動信號N_DRV的關係


，通過檢測N_DRV來監控輸出負載電流的變化，從而實現當負載電流低於3 mA時PWM模式向LDO的切換。

下麵將用圖5來說明該電路檢測負載電流的原理。

 

圖5是DCM模式下電感電流IL與同步管柵極驅動信號N_DRV的波形圖。

 

 

在該圖中，電感電流的上升斜率為，而下降斜率為，則有：且

 

此時：

 

又由於每個周期通過電感輸出到負載的電荷量是不變的，故有。其中：T為開關周期；IOUT為輸出負載電流。

 

從上麵幾式得：

 

故有：

 

現在再來分析圖4，在頻域內
，從N_DRV到N_DRV_DC的係統傳遞函數為：

 

 

故圖4中的R與C組成的網絡是1個三階的RC低通濾波器。下麵計算N_DRV_DC，從t=O接入脈寬為△T
，周期為T的周期性矩形脈衝信號N_DRV，其複頻域的象函數為。

 

故N_DRV_DC的象函數為：

 

需要注意的是
，在設計三階RC低通濾波器時，其帶寬應設置得遠小於DC-DC的振蕩器頻率(即N_DRV的頻率)
，以保證很好地濾出N_DRV中的高頻分量；但也不宜設置得太小
，否則所使用的電阻和電容將會比較大。

 

當DC-DC負載電流減小，N_DRV_DC也會減小
，若減小至N_DRV_DC=BIAS3時，比較器開始由高變低
，芯片將從PWM模式進入LD0模式。設此時的負載電流為ILDO(ON)
，則：

 

即：

 

聯立式(1)和式(2)得：

 

由上式可知，DC-DC向LDO的切換閾值ILDO(ON)與電感值L成反比。

 

最終的電流檢測實現電路如圖6所示。由於該電路原理比較簡單


，分析從略。

 

 

3 仿真結果數據

 

仿真結果數據如表l所示。TA=25℃

，L=2．2μH。

 

 

4 結語

 

提出了一種開關穩壓器電流檢測的新方法
，通過檢測DCM模式下同步管柵極驅動信號，實現對輸出負載電流的檢測
，從而得出芯片從PWM模式向LDO模式的切換。由此解決了通過檢測電感平均電流而使的電路實現的困難。經過HSpice仿真驗證，其僅消耗5μA的靜態電流。該種檢測方法主要適用於需要對開關穩壓器的DCM模式下負載電流進行檢測的場合。

 

 

推薦閱讀：