近年來隨著便攜式產(chǎn)品的快速發(fā)展，對電源管理提出了越來越高的要求，而開關(guān)電源DC-DC具有高效率、低成本、小尺寸等優(yōu)異性能，已經(jīng)成為便攜式產(chǎn)品的主流結(jié)構(gòu)。

    電流模式控制的DC-DC具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能，簡化了補(bǔ)償電路的復(fù)雜性，減小電感所需的值，因此電流模式的DC-DC得到了快速的發(fā)展^[1]。在設(shè)計(jì)電流模式控制電路中，需要高效、快速地檢測電流，因此設(shè)計(jì)一個(gè)良好的電流模式控制電路對系統(tǒng)性能是至關(guān)重要的。

    電流檢測電路有很多種方式，參考文獻(xiàn)[1]采用電感串聯(lián)電阻檢測，雖然能夠達(dá)到較高的精度，但是電阻必定產(chǎn)生壓降，勢必導(dǎo)致系統(tǒng)效率的降低；參考文獻(xiàn)[2]采用功率管R_DS檢測，雖然無需采樣電阻，電路結(jié)構(gòu)也簡單，但是由于R_DS深受溫度的影響，直接導(dǎo)致了檢測精度的降低；當(dāng)今普遍采用的電流檢測電路是功率管拷貝檢測^[3-8]，其思想是利用鏡像功率管拷貝開關(guān)管電流，為了保證精度，需要輔助電路，然而很多文獻(xiàn)^[3-4]的輔助電路引入運(yùn)放，這就增加了功耗；參考文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了無需采用運(yùn)放的結(jié)構(gòu)，但是其檢測的精度和速度都比較低。本文對參考文獻(xiàn)[6]的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，加入反饋電路，提高了電流檢測電路環(huán)路的單位增益帶寬且又不失相位裕度，使得電流檢測電路具有高速、高精度的特點(diǎn)。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

1.1 DC-DC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本文所提出的DC-DC電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為芯片外圍器件，整個(gè)電路主要由功率管(M_N、M_P)、誤差放大器、振蕩器、PWM比較器、斜坡補(bǔ)償電路、邏輯驅(qū)動電路、基準(zhǔn)電壓源以及其他偏置和保護(hù)電路組成。其中電流檢測電路采樣開關(guān)電流，采樣電流與斜坡補(bǔ)償電流經(jīng)電阻R_M得到輸出電壓V_M作為PWM比較器的輸入端。通過這種方式，電流模式控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了逐個(gè)開關(guān)周期內(nèi)控制輸出電路，具有比電壓控制更優(yōu)越的動態(tài)性能以及負(fù)載調(diào)整率等特點(diǎn)。

1.2 傳統(tǒng)電流檢測電路

    傳統(tǒng)電流檢測電路如圖2所示，其中M_P、M_N為功率管，M_S為功率拷貝管，M_P和M_S的寬長比為K：1。根據(jù)電流復(fù)制作用可以得到：

    電流檢測反饋環(huán)路為M₄、M₅和M₆（節(jié)點(diǎn)a、b、c、d），斷開節(jié)點(diǎn)b，形成環(huán)路?？梢杂?jì)算出環(huán)路增益和環(huán)路單位增益帶寬：

    如果g_m6較小，則|T|和UGF較小。此時(shí)雖然PM較大，但是限制了電流檢測感應(yīng)的速度，盡管負(fù)載電流的增大使得g_m6會增大， |T|和UGF相應(yīng)的增大，但是PM會下降，導(dǎo)致檢測波形發(fā)生過沖。因此對于傳統(tǒng)的電流檢測電路，其速度和精度都較小。

    圖3顯示了當(dāng)UGF較大的情況下出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象以及UGF較小的情況下出現(xiàn)感應(yīng)速度變慢的現(xiàn)象。因此傳統(tǒng)電流檢測電路存在弊端，需要進(jìn)行改進(jìn)。

1.3 改進(jìn)型電流檢測電路

    本文所提出的電流檢測電路如圖4所示。相比于傳統(tǒng)電流檢測電路，該電路通過引入新的反饋環(huán)M₈~M₁₂（虛線框內(nèi)），當(dāng)節(jié)點(diǎn)d電壓發(fā)生變化時(shí)，通過M₁₂使得流過M₁₁的電流發(fā)生變化，電流鏡復(fù)制后改變流過M₈、M₇的電流，進(jìn)而改變節(jié)點(diǎn)b的電壓，再通過M₅改變節(jié)點(diǎn)e的電壓，使得節(jié)點(diǎn)e的電壓V_e接近節(jié)點(diǎn)d的電壓V_d，因此提高了V_c跟蹤V_a的精度。

    圖4引入M_s1、M_s2、M_s3是為了當(dāng)輸入V_GP為高電平時(shí)，V_a和V_c電壓不會下降到0，從而在V_GP為低電平時(shí)縮短了電路的建立時(shí)間。同時(shí)M_s3的引入與參考文獻(xiàn)[6]相比，又降低了電路所產(chǎn)生的功耗。

   斷開節(jié)點(diǎn)b，可以推出環(huán)路的增益:

    由式(6)可知，存在4個(gè)極點(diǎn)，主極點(diǎn)P₁=1/(R_d·C_d)。由于R_b很小，故第4極點(diǎn)P₄=1/(R_b·C_b)對環(huán)路的穩(wěn)定性沒有影響。對于第2、第3極點(diǎn)：

    由式（7）與（10）知，環(huán)路的增益以及環(huán)路單位增益帶寬都得到了提高，因此能夠有效提高電流感應(yīng)的速度以及精度。

    給定偏置電流I_b為500 nA，盡管流過M₁₁、M₁₀以及M₈的電流會隨著負(fù)載電流的增大而增大，但是改進(jìn)型電流檢測電路總電流與負(fù)載電流比值非常?。ㄊ冀K小于0.2%）。

2 仿真結(jié)果與分析

    采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝模型，利用Cadence工具對本文設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。當(dāng)輸入電壓V_in=3 V、輸出電壓V_out=1.2 V時(shí)，在不同負(fù)載下對傳統(tǒng)電流檢測環(huán)路以及改進(jìn)型電流檢測環(huán)路的頻率特性進(jìn)行仿真測試，仿真結(jié)果如圖5所示。

    從圖5可以看出，改進(jìn)型電流檢測電路環(huán)路的頻率特性得到了較好的改善。

    當(dāng)輸入電壓V_in=3 V、輸出電壓V_out=1.2 V時(shí)，在負(fù)載電流I_load=50 mA以及I_load=500 mA情況下，得到的電流檢測電路瞬態(tài)曲線圖如圖6所示，可以知道其效率都能達(dá)到96%，建立時(shí)間小于40 ns。

    當(dāng)輸入電壓V_in=3 V、輸出電壓V_out=1.2 V時(shí)，在負(fù)載電流從50 mA變到500 mA的情況下，對輸出電壓進(jìn)行瞬態(tài)仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7可以得到，輸出電壓V_out的下過沖電壓為79 mV，上過沖電壓為89 mV，其恢復(fù)時(shí)間小于36 μs，具有較好的瞬態(tài)響應(yīng)性能。表1顯示了系統(tǒng)的總體性能。

     本文通過分析傳統(tǒng)型電流檢測電路的缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)電流檢測電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種適用于降壓DC-DC的改進(jìn)型電流檢測電路。所提出的電流檢測電路加入反饋技術(shù)，提高電流檢測電路環(huán)路的單位增益帶寬且又不失相位裕度，因此較好地提高了電流檢測的精度和速度。通過對電路的理論分析與設(shè)計(jì)，采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝模型，利用Cadence工具對電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到在負(fù)載電流為50 mA～500 mA時(shí)都能夠達(dá)到96%效率以及小于40 ns的建立時(shí)間。在開關(guān)頻率為2 MHz時(shí)，輸入電壓范圍為2.5 V~4.2 V，所需電感值為4.7 μH，電容值為10 μF，輸出電壓紋波小于18 mV。同時(shí)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的上過沖與下過沖均小于90 mV，建立時(shí)間小于36 μs。

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