传统与新颖电流极限比较器设计

 

传统的开关电源控制电路中，电流极限比较器结构如图1（a）所示，检测电流由M1（senseMOSFET）流入由多个开关管和电阻组成的网络R1中，该网络通过控制开关管导通或关断，改变R1的电阻值，得到不同的占空比。另外一基准电流流过一阻值固定的电阻R，产生一固定参考电压。当R1的压降随检测电流上升到参考电压时，比较器关断功率管，保证输出电压稳定。其工作原理如图2（a）所示，例如：R1上的电压从a上升到d，从而关断功率管产生一占空比，当改变R1的电阻值，R1上的电压从a上升到f得到另一占空比。从图1（a）可以看出：传统的开关电源电流极限比较器是将两种电流先转化成电压再进行比较，需要占芯片面积非常大的电阻网络和开关管，并且为保证电阻精度，一般需要激光修调技术，这大大增加了芯片成本。因此本文在此基础上提出一种新型的电流极限比较器结构。

图1 传统的与新颖的电流极限比较器结构

图2 传统的与新颖的电流极限比较器结构的工作原理

2.新结构及原理

图1（b）给出了本文所提出的电流极限比较器的基本框架，其中Iref为通过电流镜产生的极限电流，其值可变。检测电流由M1（senseMOSFET）流入电流比较器，直接与所设定的极限电流比较，当其值上升到极限电流时，关断功率管。通过改变极限电流的大小，得到不同的占空比，其工作原理如图2（b）所示。

图3为本文所提出的新型电流极限比较器具体电路。其中M0--M11构成电流镜网络，用于设定电源所需的几种极限电流值。Mc1--Mc10构成电流比较器，使极限电流与检测电流直接比较产生不同的占空比（即不同的导通时间）。与非门和倒相器构成控制电路，直接驱动功率MOS管，控制其导通或关断。此电流极限比较器采用电流镜结构代替传统的电阻网络产生电源所需的几种极限电流，采用cascode结构组成电流比较器代替传统的电压比较器使两种电流直接比较。

图3 一种新型的电流极限比较器

M0通过电流镜引入基准电流，M2，M3，M4，M5通过M1以一定的比例产生四种大小不同的基准电流，然后分别通过电流镜传到M7，M9，M11及M5，四种电流以不同的组合产生电源所需的各种极限电流。检测电源输出电压的状态机通过对输出电压的检测，产生相应的高低电平信号去设定所需的极限电流[4].此电路巧妙地用状态机的输出电压作为电流镜的电源电压，分别接到s0，s1，s2，直接控制电流镜导通或关断，产生所需要的极限电流，从而不需要占芯片面积非常大的开关管。

由于采用电流镜网络代替电阻网络，工艺上MOS管的匹配性远高于电阻的匹配性，从而避免了电阻网络为保证精确度而采用的激光修调技术，大大降低了成本。并且电流镜所占的芯片面积大大小于电阻网络所占的面积，进一步降低成本。另外本文非常巧妙地利用状态机输出的控制信号直接作电流镜的电源，从而使电流极限比较器不需要占版图面积非常大的开关管。例如，s0，s2接高电平，s1接低电平时，M9中没有电流，M7，M8和M5中的电流之和Mc1和Mc2作为极限电流。在传统的电流极限比较器中，为保证开关管导通电阻非常小，其宽长比非常大，从而占比较大的版图面积。本结构巧妙地省去开关管，进一步减少芯片面积，降低成本。为满足低功耗设计，本文设定M5中的电流作为几种极限电流的最小值，并且始终存在电流。当功率管关断时，控制信号s0，s1，s2为低电平，则电流镜网络中只有M5中存在电流，由于其静态电流非常小，从而保证电路低功耗。而在带电阻网络的电流极限比较器（其实为电压比较器）中，一般需要产生大约1V以上的参考电压，从而开关管关断时静态电流相对比较大。M5中的电流既可以作为正常工作时的极限电流，又可以防止由于状态机和电流镜的延时或噪声引起的误动作。