一種新型的dcdc開關電源電流采樣電路

在d-d電源的工作中，通常的反饋方法包括電壓反饋和電流反饋。電流反饋環路工作的原理是通過檢測開關管的電流,從而控制開關管的導通時間占空比,最終保持輸出電壓的穩定。采樣開關管上電流的方法有多種,常見的方法是制作一個與開關管結構相同,但是寬長比很小的MOS管,并且將其與一個電阻串聯,通過檢測電阻上的壓降,就可以采樣開關管上的電流。而本文重點介紹的方法是通過檢測開關管串聯電感上的壓降來實現對開關管上電流的采樣。對于開關電源轉換器來說,其主要組成部分為:充電開關管,續流開關管,電感和電容構成了輸出濾波電路。開關管與其串聯電感上的電流在開關管導通時電流大小相等,所以通過檢測串聯電感上電流的大小就可以得到開關管上電流的變化情況,為控制開關管的通斷提供依據。1采樣電流的原理電路首先簡單介紹一下通過常用方法得到采樣電流的原理電路,如圖1所示,然后再詳細分析通過檢測開關管串聯電感上壓降得到采樣電流的新型采樣電路,如圖2所示。1.1采樣電壓放大器電路在常用電流采樣方法的原理電路中,如圖1所示,Vin為電源電壓,P_DRIVE為開關管驅動控制信號,IBIAS為偏置電流,M1為主開關管,M2為采樣管,M2與M1結構相同,但是M2寬長比相對M1很小。SW點為檢測點,該點接入開關管的串聯電感,VSW為該點電壓,表征了開關管串聯電感兩端的電壓大小。IPK點為采樣點,VIPK為采樣電壓,MOS管M3~M7構成該采樣電路的主干部分,為采樣電壓比較放大電路,最后輸出采樣電流IS,輸出比較電壓VS。當P_DRIVE為高電平時,主開關管M1截止,采樣管M2也截止,電阻R1上電流為0,則VIPK=Vin,采樣放大器電路處于平衡態,IS=0。當P_DRIVE為低電平時,主開關管M1導通,此時,電感電流IL流過主開關管,RES(ON)MP1為M1導通電阻,則在主開關管上的壓降VON為VON=Vin-VSW=IL×RES(ON)MP1(1)RES(ON)MP2為M2導通電阻,則VIPK=Vin?VONR1RES(ON)MP2+R1=Vin?IL×RESVΙΡΚ=Vin-VΟΝR1RES(ΟΝ)ΜΡ2+R1=Vin-ΙL×RES(ON)MP1+R1(2)由式(2)可以看出,主開關管導通時,隨著電感電流IL增大,VIPK下降。由M3~M8、和R2、R3組成的采樣電壓放大電路開始工作,其中,R2=R3=R。采樣電壓放大器由于M5的負反饋作用可以用運放的虛短路來分析采樣增益。由深度負反饋運放的輸入端虛短路使得M3的源極和M4的源極電位相等,設為VX。由運放的偏置電路而決定了流過M3的源漏電流IDM3和流過M4的源漏電流IDM4的電流相等,根據基爾霍夫定律可得IDM3=VIPK?VXR=IDM4=Vin?VXR?IS(3)ΙDΜ3=VΙΡΚ-VXR=ΙDΜ4=Vin-VXR-ΙS(3)根據式(2),式(3),可得IS=Vin?VIPKR=ILR1×RES(ON)MP1(RES(ON)MP2+R1)×R(4)ΙS=Vin-VΙΡΚR=ΙLR1×RES(ΟΝ)ΜΡ1(RES(ΟΝ)ΜΡ2+R1)×R(4)而在放大器的輸出端得到的采樣電壓為VS=IS×R4=IL×R4R1×RES(ON)MP1(RES(ON)MP2+R1)×R(5)VS=ΙS×R4=ΙL×R4R1×RES(ΟΝ)ΜΡ1(RES(ΟΝ)ΜΡ2+R1)×R(5)由式(4)可以看出,采樣電流IS與電感電流IL成正比關系。因此,通過該采樣電路得到的采樣電流IS即可以反應電感電流IL的變化。1.2ds/dc開關保護電壓在新型的電流采樣電路的原理圖中,如圖2所示,Vin為電源電壓;M1為主開關管;M2為采樣管,M3~M5與電阻R1和電容C1構成采樣電路;P_DRIVE為開關管驅動控制信號;IBIAS為芯片電流偏置信號;SW為檢測點,該點接入開關管的串聯電感,VSW為該點電壓,表征了開關管串聯電感兩端的電壓大小。IS即為電感電流采樣輸出信號。該采樣電路的原理是利用電感兩端電壓VL與電感電流IL變化率成正比來實現的。即LdILdt=VL(6)LdΙLdt=VL(6)在Buck型DC/DC中,SW檢測點接電感后得到輸出電壓VO。當開關管導通時,電感電流不斷增加,電感兩端電壓可以表示為VL=VSW-VO(7)由于在Buck型DC/DC中,其輸出電壓是非常穩定的,因此可以將VO近似看作定值。在此條件下,由式(7)可以看出,SW端電壓VSW與電感兩端電壓VL成線性關系,因此,VSW即可以反映出電感電流的變化量。而在Boost和Buck-Boost型DC/DC中,SW檢測點接電感后直接接地,所以,當開關管導通時,SW點的檢測電壓就是電感兩端電壓,所以VSW可以直接反映出電感電流的變化量。綜上可以看出,在DC/DC開關電源轉換器中,開關管的串聯電感接點電壓VSW可以反映出電感電流的變化量,通過檢測VSW即可得到電感電流IL的變化情況。在圖2中,當P_DRIVE為高時,主開關管M1和采樣管M2不導通,采樣電流電路處于平衡態,IS=0。當P_DRIVE為低時,主開關管M1和采樣管M2將導通,電感電流IL流過主開關管,主開關管導通電阻為RES(ON)MP1,則在主開關管上的壓降VON1為VON1=Vin-VSW=IL×RES(ON)MP1(8)SW處的電壓VSW為VSW=Vin-VON1=Vin-IL×RES(ON)MP1(9)M5的柵極電壓VG5為VG5=VSW-IBIAS×(RES(ON)MP2+RES(ON)MP4+R2)(10)其中,RES(ON)MP2、RES(ON)MP4分別為M2、M4的導通電阻;M5的源極電壓為VS5VS5=Vin-(IBIAS+IS)×R1(11)VSG5=VS5-VG5=IBIAS×(RES(ON)MP2+RES(ON)MP4+R2-R1)-IS×R1+IL×RES(ON)MP1(12)根據采樣管M5源級電流IS與柵源電壓VSG5的關系式IS=0.5μpCox(WL)5(VSG5?|VTH5|)2(13)ΙS=0.5μpCox(WL)5(VSG5-|VΤΗ5|)2(13)VSG5=2ISupCox(WL)5????????√+|VTH5|(14)VSG5=2ΙSupCox(WL)5+|VΤΗ5|(14)由式(12)和式(14)可得IL×RES(ON)MP1=|VTH5|+IS×R12ISupCox(WL)5????????√?IBIAS×(RES(ON)MP2+RES(ΟΝ)ΜΡ1=|VΤΗ5|+ΙS×R12ΙSupCox(WL)5-ΙBΙAS×(RES(ΟΝ)ΜΡ2+RES(ON)MP4+R2-R1(15)由式(15)可以看出,IL與IS存在一定的正比關系,當IL越大時,IS越大;當IL越小時,IS越小,所以IS可以作為采樣電流反映電感電流IL的變化。由于開關管串聯電感的電壓對于電感電流的變化比采樣管串聯電阻上壓降對電流的變化更敏感,因此,采樣精度也更高。2采樣電路性能分析文中主要介紹了在DC