李佳成, 趙宏亮, 盧雪梅

(遼寧大學(xué) 物理學(xué)院,遼寧 沈陽 110036)

0 引 言

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展,電子產(chǎn)品越來越趨于輕型化和小型化,因此高性能的電源管理芯片在市場上占據(jù)越來越重要的地位。開關(guān)電源芯片作為一種高效率、體積小、質(zhì)量輕、精度高的電源芯片在電子、通信、航天、軍事等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1],其中大功率MOSFET開關(guān)管因其出色的高頻開關(guān)特性和低的導(dǎo)通阻抗而被廣泛應(yīng)用,但其又存在過載承受能力較弱的問題,過大的電流可能會對器件造成永久性的損傷,降低芯片的安全性和可靠性[2]。因此,如何設(shè)計出可靠而合理的過流保護(hù)電路尤為重要,它必須具有較快的響應(yīng)速度且不受電源電壓和溫度的影響[3-4]。

傳統(tǒng)過流保護(hù)電路在系統(tǒng)過流時,會將過流信號反饋給控制電路來關(guān)斷功率管,以限制住電感電流峰值的方式來達(dá)到限流的目的[5]。通常過流保護(hù)電路電流采樣的方式有2種:一種利用串聯(lián)電阻采樣;另一種利用功率管自身的導(dǎo)通阻抗來采樣[6]。文獻(xiàn)[1]利用一個采樣電阻與開關(guān)管串聯(lián),通過調(diào)整電阻與開關(guān)管導(dǎo)通阻抗的系數(shù)進(jìn)行匹配來精確限流閾值,然而但是由于開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗與電阻受工藝與溫度的變化趨勢不同,其只能在某一條件下精確匹配;文獻(xiàn)[7]利用功率管自身的導(dǎo)通阻抗采樣,基于理想的正負(fù)溫度系數(shù)的假設(shè)條件下,得到了不受電源與溫度影響的理論限流閾值公式,然而由于實際器件的溫度系數(shù)與理想情況的差距以及溝道調(diào)制效應(yīng)的影響,實際電路中達(dá)到精確度并不高。

針對上述問題,本文基于谷值限流的方式設(shè)計了一種新穎的采樣比較方式。該方式電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、精確度高,適用于電流模式控制的開關(guān)電源芯片。

1 電路整體結(jié)構(gòu)和基本原理

電路的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電路整體結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)由采樣電路、比較器和控制邏輯3部分組成。M1為功率開關(guān)管,M2為整流開關(guān)管,當(dāng)M2管打開時與比較器開始工作。基于電流模式控制方法[8],時鐘信號CLK上升沿來臨時,控制邏輯產(chǎn)生窄脈沖信號clk_initial控制M1管打開,同時 M2管關(guān)閉,電感電流上升。下一階段,M1管關(guān)閉,M2管打開,電感電流開始下降。當(dāng)芯片處于正常工作狀態(tài)時,在每一個CLK上升沿來臨時,系統(tǒng)不斷重復(fù)上一周期的動作。當(dāng)芯片過流時,電感電流高于過流閾值,比較器輸出的過流信號OCP變高,控制邏輯屏蔽clk_initial信號,使下一周期在CLK上升沿來臨時M1管不能開啟,保持電流繼續(xù)下降。直到某一周期的CLK上升沿來臨時電感電流谷值低于過流閾值,比較器的輸出翻轉(zhuǎn),不再屏蔽clk_initial信號,M1管才能再次開啟,重復(fù)周期動作。

由圖1可得:

VL=VSW-Vout

(1)

結(jié)合電感方程和Buck電路占空比方程

(2)

(3)

其中:VL為電感兩端電壓;ΔI為電感電流的變化量。在M1管打開的電流上升階段,VSW與電源短接,Vout值由反饋電阻決定,ΔT為功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間Ton,其由占空比D決定。在某一工作狀況下均為定值。因此,ΔI保持不變,當(dāng)電感電流的谷值被限制住時,負(fù)載電流也被限制住。

2 關(guān)鍵單元電路設(shè)計

2.1 采樣電路

本文的電流采樣電路如圖2所示。在M2管導(dǎo)通時,電流IL是從地流向SW點,得到的VSW為一個負(fù)電壓,其大小為電感電流大小的直接反映。通過將一個固定的偏置電流Ibias經(jīng)過匹配管Mmatch流向SW點,在VSW的負(fù)電壓基礎(chǔ)上疊加一個正電壓來消除導(dǎo)通阻抗的影響。

圖2 采樣電路

由圖2可得:

VSW=-ILRon-M2

(4)

VA=VSW+Ibiask1Ron-M2

(5)

VB=0

(6)

其中:Ron-M2為M2管的導(dǎo)通阻抗;M2與Mmatch是匹配管,即Mmatch管的導(dǎo)通阻抗為k1Ron-M2,k1為比例系數(shù)。當(dāng)電路正常工作時,IL的值比較小,VSW的值經(jīng)過正電壓疊加后,使VA>VB,比較器輸出的OCP信號為低電平;當(dāng)電路過流時,IL的值變大,VSW負(fù)值更小,使VA

聯(lián)立式(4)～(6),當(dāng)VA=VB時得過流閾值為:

Ith=k1Ibias

(7)

由式(7)可知,過流閾值Ith為一個與電源電壓和溫度無關(guān)的值。

2.2 比較器

基于采樣電路的結(jié)構(gòu),采用以電流源為負(fù)載的共源共柵結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計比較器,電路的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。M3～M10為比較級,流過M3～M6與M7～M10的電流均為偏置電流Ibias,同時作為采樣電路中流入SW點的電流。電感電流越大,A處的電壓越低,M5和M6的柵極電壓越低。當(dāng)A處電壓低于B處電壓時,由于電流鏡像的作用,流過M9和M10的電流會低于流過M7和M8的電流,使輸出點電壓被拉高,經(jīng)過輸出級M13～M15與反相器輸出OCP高電平信號。由于功率管的尺寸通常很大,增加M16～M19的共源共柵結(jié)構(gòu)來鏡像一路電流aIbias來調(diào)節(jié)過流閾值以降低比例系數(shù),a為電流鏡并聯(lián)數(shù)。

圖3 比較器電路

由圖2、圖3可知,在理論結(jié)構(gòu)上增加了MSW1和MSW2管,這是由于M1和M2處于不斷開關(guān)的狀態(tài),VSW的跳變非常大,嚴(yán)重影響比較器的反應(yīng)速度。因此加入MSW1和MSW2管作為開關(guān),在M2管關(guān)斷時,斷開A點與SW點的通路,通過M11和M12管使A、B兩點電壓總是保持在相同水平以提高響應(yīng)速度。注意到MSW1和MSW2管串聯(lián)在采樣回路中,因此M2、Mmatch、MSW1、MSW2均應(yīng)設(shè)計為匹配管,同時式(5)～(7)修正為:

VA=VSW+(a+1)Ibiask1Ron-M2

(8)

VB=Ibiask2Ron-M2

(9)

Ith=(a+1)Ibiask1+aIbiask2

(10)

其中,k2為比例系數(shù)。

2.3 控制邏輯

控制邏輯電路如圖4所示,電路由觸發(fā)器與簡單的邏輯門電路構(gòu)成。在系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時,OCP信號為低電平,OCP信號不會影響與非門的輸出結(jié)果。功率開關(guān)管M1的開啟完全由LSDR信號控制。在系統(tǒng)處于過流狀態(tài)時,OCP信號為高電平,無論LSDR信號是什么,當(dāng)CLK的上升沿來臨時,clk-initial信號會被屏蔽,使M1管不能開啟。

圖4 控制邏輯電路

3 電路仿真結(jié)果及分析

基于0.18 μm 的BCD(bipolar-CMOS-DMOS)工藝在Spectre環(huán)境下進(jìn)行電路仿真,仿真參數(shù)見表1所列,將仿真參數(shù)代入式(10)中得到過流閾值為7.348 A。

表1 過流保護(hù)電路的仿真參數(shù)

在3～6 V的電源電壓和-55～125 ℃的溫度范圍內(nèi)分別設(shè)置5步進(jìn)行仿真,結(jié)果見表2所列。電壓在+50～-50 mV的階躍信號下仿真比較器的響應(yīng)速度,仿真曲線如圖5所示。本文與其他文獻(xiàn)的過流保護(hù)電路的性能參數(shù)見表3所列。

表2 不同電源電壓和溫度時的過流閾值 單位:A

由表2可知,在不同電源電壓與溫度的條件下,過流閾值的最大誤差為3.5%,過流閾值受電源和溫度變化的影響很小,電路的穩(wěn)定性和可靠性高。由圖5可知,比較器的傳輸延時只有28 ns。由表3可知,在相似條件下,本文的過流保護(hù)電路準(zhǔn)確度更高,對響應(yīng)速度有明顯提升,電路的綜合性能更優(yōu)。

圖5 比較器延時仿真波形

表3 本文與其他文獻(xiàn)的參數(shù)性能比較

將該過流保護(hù)電路應(yīng)用到一個完整的DC-DC開關(guān)電源芯片中,在過流條件下得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出,當(dāng)負(fù)載電流超出閾值時,產(chǎn)生OCP信號將clk-initial信號屏蔽,電感電流擴頻,谷值被限制住。

圖6 過流保護(hù)電路整體仿真

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種適用于電流模式開關(guān)電源的過流保護(hù)電路,基于谷值限流提出了一種新型的采樣和匹配方式。本文對電路的整體結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了闡述和理論推導(dǎo),并在Spectre環(huán)境下進(jìn)行仿真驗證。仿真結(jié)果表明,過流閾值受電源電壓和溫度變化的最大偏差僅為3.5%,限流精確度高,同時在響應(yīng)速度上也有很大的改善,傳輸延時僅為28 ns。