专利名称：宽负载范围高精度低功耗电流检测电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于降压型DC-DC的宽负载范围高精度低功耗电流检测电路， 属于功率级模拟集成电路技术领域。
背景技术：
电源管理芯片是现代电子产品中必不可少的部分，并且随着人们对电子产品待机 时间要求的提高而显得尤为突出，因此高效率高性能的电源管理芯片设计充满挑战，而针 对于电源管理设计技术的改进意义重大。电源管理芯片中以DC-DC使用最普遍，现有的降压型DC-DC大都采用电压、电流双 环控制的峰值电流模式，因此作为电流环核心的电流检测电路显得尤为重要，其检测精度 对系统稳定性影响很大，同时为提高DC-DC整体性能而引入的许多数字控制电路，都依靠 电流检测电路的检测值作为系统动态调节的判定依据，高精度的电流检测电路是成为影响 DC-DC性能的关键因素之一。为保证DC-DC的高效率，DC-DC中的所有模块必须保证低功耗， 电流检测电路也不例外，所以低功耗、高精度是所有不同结构电流检测电路的共同目标。一 种低功耗高精度的电流检测电路将是未来数控动态调节DC-DC的设计基础。对于传统的降压型DC-DC电流检测电路，见
图1和图2，图1中的结构使用了运放， 由于运放有限的增益和带宽，电流采样精度将受运放性能的制约，同时增加运放也带来了 失调和反馈稳定性问题，增加了设计的复杂度，另外增加运放也增加了额外的功耗。图2针 对图1的缺点用一对PMOS管M4、M5代替运放，M4和M5组成一对差分共栅放大管，通过MR 反馈到输入端，使得两管输入端电压相等，即实现了图1中运放的功能，又避免采用运放带 来的各类问题。这两种检测电路结构不同但原理一样，都是通过运用特定的控制结构，强制 功率管MPl和检测管MP2的Vds相等，同时由于两个管Ves相等，所以可以实现检测管Mp2对 功率管MPl的线性检测。检测得到的电流Ip反应电感电流込的大小，他们的比例关系由检 测管Mp2和功率管MPl宽长比W/L之比S决定。由电路原理可知，检测得到的电流电流Ip中包含了静态偏置电流电流I1与感应电 流Ism，因此Ip减去I1最终流过感应电阻R上的为Ism，感应电流Ism在感应电阻R上产生 感应电压Vsm，此电压经过斜坡补偿与运放输出电压通过PWM比较器比较产生占空比完成 电流环控制。由于Ip和电感电流込成比例，是线性关系。但是得到的感应电流Ism却偏离 与电感电流的线性关系，即Isen = IlZS-I1(1)感应电流Ism并不能精确地线性反应电感电流L的变化，尤其是在轻载条件下I1 的影响越来越大。传统的电路及其理论分析中，将比例系数S设置的相对较小，得到的检测 电流Ip远远大于偏置电流I1，偏置电流I1带来的非线性误差可以因此忽略不计，Ism近似 线性与电感电流Ip成比例，但带来功耗问题。传统降压型DC-DC电流检测电路检测精度应 为
当I1远小于Ip时，传统电流检测电路检测精度较高能达到90%以上，但是这是基 于比例系数S较小、检测电流Ip远远大于偏置电流I1的基础上，如此整个电流检测电路功 耗将会剧增，不符合低功耗设计要求。为降低功耗，比例系数S必须提高，使Ip降低则轻载 下更加接近I1，此时静态偏置电流的影响就不能忽略，导致感应电流Ism不能很好地体现出 与电感电流l·的线性关系，检测精度受到影响，造成轻载下精度的明显退化，检测下限范围 由此受到抑制。实用的DC-DC负载范围通常较宽，为保证大负载时电流检测下的低功耗，则电流 检测因子S必须提高；小负载时，检测到的电流Ip因接近偏置电流I1,造成精度下降；更严 重的是，当负载更小使Ip小于偏置电流I1时，电流检测电路将无法正常工作，依靠电压、电 流双环控制的峰值电流模式就会失效，导致整个系统失去调节功能。 综上所述，传统的电流检测电路为了能保证宽负载范围内工作，无法满足低功耗 要求，即电路检测精度受到功耗的制约；为保证精度，同时保证大负载范围内检测电路正常 工作，传统电流检测电路的采样系数S固定且不能取太大，难以突破固有约束。本发明在此 方面的改进对有效缓解这种固有矛盾提供了 一条有效技术路径。传统电流检测电路式(1)、式O)中由于感应电流最终需减去偏置电流I1而引入 了非线性误差，以致最终检测精度受到影响，在低功耗要求下这种非线性误差会变的更加 明显；另外传统电流检测电路在低功耗的前提下无法保证宽负载范围内正常工作。
发明内容
本发明目的是针对传统电流检测电路以上的两个缺点，在传统电流检测电路基础 上，设法消除由于偏置电流带来的非线性误差，从而达到在低功耗条件下进一步提高检测 精度的目的，见图3 ；另外，再在改进后的电路基础上增加动态检测管分段技术，见图5，在 DC-DC负载变小时，动态调节检测管大小，使得检测比例S变小，始终保证检测电流Ip大于 偏置电流I1，从而保证电流检测电路能在更低的负载下工作，提高了电流检测的范围，实现 宽负载范围内高精度的检测。当检测参数S改变时，为保持斜坡补偿斜率不变，感应电阻应 作相应的调节。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明宽负载范围高精度低功耗电流检测电路，包括由M2 M5组成的cascode 电流镜，由丽1、L、C共同组成的功率级输出电路，由MP1、MP2组成的检测电路和由MS1、MS2 组成的开关电路，其特征在于还包括5个MOS管M6 M10，其中MOS管M6的栅极分别与MOS 管Ml M3的栅极连接，MOS管M7、M8的漏极连接接外部电源，MOS管M7、M8的的栅极相互 连接，MOS管M7的源极接MOS管M9的漏极，MOS管M8的的源极接MOS管MlO的漏极，MOS 管M9的栅极分别接MOS管MlO的栅极、MOS管M9的源极和MOS管M6的漏极，MOS管M6的 源极接地。本发明在传统降压型DC-DC电流检测电路基础上作了两点重要改进，在适当增加 电路复杂程度并保证低功耗的基础上，消除了偏置电流带来的非线性误差，使得改进后的 电流检测电路能在低功耗的前提下，提升检测精度，进而达到改善整个DC-DC系统性能的
4目的。同时如果能在高精度电流检测基础上再配合数字的控制，一些根据电流检测结果做 出的判定将更加精确，会给今后DC-DC的多模式控制带来更多的发展空间。表1.传统电流检测和本发明电路精度比较
权利要求
1. 一种宽负载范围高精度低功耗电流检测电路，包括由M2 M5组成的cascode电流镜， 由丽1、L、C共同组成的功率级输出电路，由MP1、MP2组成的检测电路和由MS1、MS2组成的 开关电路，其特征在于还包括5个MOS管M6 M10，其中MOS管M6的栅极分别与MOS管M1 M3 的栅极连接，MOS管M7、M8的漏极连接接外部电源，MOS管M7、M8的的栅极相互连接，MOS管 M7的源极接MOS管M9的漏极，MOS管M8的的源极接MOS管MlO的漏极，MOS管M9的栅极 分别接MOS管MlO的栅极、MOS管M9的源极和MOS管M6的漏极，MOS管M6的源极接地。
全文摘要
本发明公布了一种宽负载范围高精度低功耗电流检测电路，包括由M2~M5组成的cascode电流镜，由MN1、L、C共同组成的功率级输出电路，由MP1、MP2组成的检测电路和由MS1、MS2组成的开关电路，还包括5个MOS管M6~M10。本发明在适当增加电路复杂程度并保证低功耗的基础上，消除了偏置电流带来的非线性误差，使得改进后的电流检测电路能在低功耗的前提下，提升检测精度，进而达到改善整个DC-DC系统性能的目的。
文档编号G01R19/00GK102128970SQ20101060228
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者吴金, 苏丹, 鞠刘洪, 龙寅 申请人:东南大学