0 引言

    隨著科技的發(fā)展，便攜式和可穿戴式設(shè)備給人們帶來了更智能和便利的生活。因此就需要電源管理芯片對設(shè)備模塊的用電進(jìn)行優(yōu)化處理，同時(shí)對電池性能要求更高。于是就需要高效的直流電源管理單元（PMU）確保設(shè)備能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作，為了優(yōu)化電源管理芯片的轉(zhuǎn)換效率和過流保護(hù)，需要精確采集電流信息^[1]。隨著集成電路制造工藝的最小特征尺寸不斷減小，核心模塊供電（Vcore）所需的電壓低、電流大^[2]。在大電流條件下采用無損電流檢測技術(shù)能更有效檢測電流信息。

    2016年文獻(xiàn)[3]用RC濾波無損電流檢測技術(shù)，并用∑△ADC檢測電流，應(yīng)用于數(shù)字控制DC-DC降壓型，由于∑△ADC具有帶寬較寬、噪聲整形的特性，此電路具有高速度和高精度的特性。2017年，文獻(xiàn)[4]提出基于開關(guān)電容的低失配電流檢測電路，最終達(dá)到消除失調(diào)電壓的目的。

    從文獻(xiàn)分析可知，為得到精確的電流信息，必須消除offset電壓。從經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用角度出發(fā)，本文基于無損電流檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種帶修調(diào)的高精度低速電流檢測技術(shù)，通過反饋校準(zhǔn)電路去校準(zhǔn)快速電流檢測電路，更有效檢測電流信息。用負(fù)電流產(chǎn)生電路解決電流倒灌問題。

1 電源管理芯片中無損電流檢測技術(shù)

    無損電流檢測技術(shù)比較常用的幾種檢測方法有功率MOSFET導(dǎo)通電阻Ron^[1]、鏡像功率MOSFET電流^[5]、并聯(lián)RC濾波^[6]、Gm-C濾波檢測^[7]，表1對比了不同電流檢測技術(shù)特性。功率MOSFET導(dǎo)通電阻R_on檢測技術(shù)是檢測電流流過功率MOSFET開關(guān)管的源漏電壓，電壓的精度由導(dǎo)通電阻R_on決定，然而溝道電阻隨著溫度、工藝、電源電壓(PVT)的不同而變化，變化范圍為50%～200%。在這個(gè)基礎(chǔ)上提出鏡像功率MOSFET電流檢測方法，用一個(gè)MOSFET鏡像功率MOSFET的電流，鏡像之間匹配決定電流檢測精度，誤差在±4%左右，如果考慮工藝偏差和溫度的變化，3σ范圍內(nèi)誤差可能達(dá)到±20%，提高精度的方法可采用增加檢測MOSFET的面積^[7]。此外，如果鏡像功率MOSFET開關(guān)管集成在電源管理芯片內(nèi)，那么功率MOSFET導(dǎo)通電阻Ron、鏡像功率MOSFET電流檢測技術(shù)是可以集成到片內(nèi)的無損檢測電流技術(shù)。由于開關(guān)特性將會(huì)引入開關(guān)噪聲，將會(huì)影響電流檢測精度，這也是功率MOSFET導(dǎo)通電阻R_on、鏡像功率MOSFET電流檢測的局限性。

    從實(shí)際的應(yīng)用設(shè)計(jì)角度，本文采用并聯(lián)RC濾波無損電流檢測技術(shù)，如圖1所示。

其中R_DCR為電感的自身電阻，L為電感值，R_s和C_s為并聯(lián)濾波網(wǎng)絡(luò)電阻和電容，電容C_s兩端電壓為：

    從式(2)可知電流流過電感自身電阻的壓降為電容兩端的壓降，知道R_DCR的值就可以得到所需的電流。一般情況下R_s電阻取值在千歐數(shù)量級，因此并聯(lián)RC濾波電流檢測技術(shù)為無損電流檢測。

2 無損電流檢測電路的分析與設(shè)計(jì)

2.1 無損電流檢測電路系統(tǒng)

    本文基于無損檢測技術(shù)設(shè)計(jì)的無損電流檢測電路系統(tǒng)如圖2所示。電流檢測電路由一個(gè)快速Avf、一個(gè)帶修調(diào)的高精度慢速Avs和一個(gè)慢速的電流反饋放大器AI組成，有些情況下電流會(huì)從輸出端流入到電感中形成負(fù)壓，這個(gè)時(shí)候就得要一個(gè)可以流動(dòng)的通路，因此電路中還包括一個(gè)偏置能夠提供電路中由于負(fù)壓而需要負(fù)電流。當(dāng)快速運(yùn)放存在offset，由電流檢測系統(tǒng)圖可得：

時(shí)可以將offset電壓消除，得到精確的檢測電流。

2.2 無損電流檢測電路具體的電路設(shè)計(jì)

    具體的電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示，該電路包括慢速精確電流檢測電路、快速電路檢測電路、反饋校準(zhǔn)電路和負(fù)電流電路。

    其中慢速精確電流檢測電路通過修調(diào)后，輸出電流為精確的電感電流I_avg，該電流通過INP端流入到反饋校準(zhǔn)電路中，快速響應(yīng)電流檢測電路的檢測輸出電流I_Mon，通過INN流入到反饋校準(zhǔn)電路中，I_avg的電流流入到M2管并通過M1管鏡像與I_Mon的電流進(jìn)行比較，如果電流I_Mon大于電流I_avg，會(huì)對電容CT充電，會(huì)使校準(zhǔn)模塊中的M3管的柵電壓增加，從而導(dǎo)致FB反饋端的電壓降低并吸收掉In2輸入管一部分電流，由于M9和M10為固定的恒流源，因此流過M11管的電流增大，增大的電流通過自偏置電路R₅和M14~M15使M18和M20的柵電壓增大，減小輸出電流I_Mon，達(dá)到精準(zhǔn)的電流I_avg校準(zhǔn)I_Mon，使得快速響應(yīng)電流檢測電路輸出精確的采樣電流值。

3 電路仿真結(jié)果及分析

3.1 PVT仿真分析

    PVT仿真指電路在工藝參數(shù)、電源電壓和溫度的變化隨機(jī)組合的仿真，仿真結(jié)果表明了電路在PVT變化下的特性，其中MOS管工藝參數(shù)有ff、ss、fs、sf，BJT、電阻和電容工藝參數(shù)有ff和ss，電源變化范圍為4.5 V~5.5 V，溫度變化范圍為-40 ℃～150 ℃。結(jié)果如表2所示。

    從表2中可以看出帶修調(diào)精確電流檢測電路的單位增益帶寬的最大值為0.47 MHz，開關(guān)頻率為0.5 MHz~1 MHz，因此通過精確電流檢測電路的信號將為濾波輸出信號的平均值；快速電流檢測電路的帶寬最小值為2.96 MHz，信號能夠經(jīng)過快速電流檢測電路檢測出來。反饋校準(zhǔn)電路的帶寬最大值為0.017 MHz，可以將采樣的瞬時(shí)電流與均值電流的比較值濾波為平均值反饋到快速電流檢測電路對電路進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2 蒙特卡羅仿真分析

    蒙特卡羅(Monte Carlo，MC)仿真反映了器件之間的不匹配，更能說明電路在實(shí)際流片時(shí)的工藝誤差。仿真結(jié)果如圖4所示，圖4(a)為未校準(zhǔn)快速電流檢測電路的MC，3σ=1.5 mV，校準(zhǔn)后的隨機(jī)誤差如圖4(c)所示，3σ=0.39 mV，檢測精度提升了5.55%。圖4(b)為未校準(zhǔn)的快速電流檢測電路的標(biāo)準(zhǔn)方差3σ=2.87 mV，校準(zhǔn)后最小值3σ=0.69 mV，檢測精度提升了10.9%。

3.3 Tran仿真分析

    圖5為電流檢測系統(tǒng)輸入輸出波形，模擬電感電阻DCR=1 mΩ，負(fù)載電流I_load=20 A，開關(guān)頻率f_sw=1 MHz，輸出電壓V_out=1.05 V，采樣電流流過24 kΩ的電阻的輸入輸出波形，可看出快速電流檢測電路能夠正確檢測出電流，高精度慢速電流檢測電路檢測出電流的平均值。

4 結(jié)論

    在Vcore電源管理芯片需求大電流、低電壓情況下，為了檢測大電流，本文基于無損電流檢測技術(shù)，從制造成本（減少生產(chǎn)所用掩模版）和電路應(yīng)用角度設(shè)計(jì)出精確電流檢測電路，該電路能夠同時(shí)檢測出均值電流和瞬時(shí)電流。采用修調(diào)的方式提高采樣精度來減小隨機(jī)offset，對精確慢速電流檢測電路進(jìn)行修調(diào),然后去校準(zhǔn)快速響應(yīng)電流檢測電路，相比于動(dòng)態(tài)消除offset（自動(dòng)校零和斬波技術(shù)）電路結(jié)構(gòu)簡單，并且無開關(guān)噪聲影響。

    文中的電路采用TSNC 180 nm 1P3M Gen2工藝文件進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，為了提高基準(zhǔn)電路的電源抑制噪聲的能力，采用了折疊共源共柵運(yùn)放，所設(shè)計(jì)的電路都通過Cadence 軟件進(jìn)行PVT、MC和Tran仿真驗(yàn)證，在用精確電流檢測電路對快速電流進(jìn)行校準(zhǔn)后，隨機(jī)誤差降低30%左右。并且對關(guān)鍵的模塊進(jìn)行蒙特卡洛仿真，通過對仿真結(jié)果的分析，3σ的精度達(dá)到96%。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

銀春梅1，朱向東2，朱海鵬1

（1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.航天772研究所，陜西 西安710000）