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(lái)了更智能和便利的生活。因此就需要電源管理芯片對(duì)設(shè)備模塊的用電進(jìn)行優(yōu)化處理，同時(shí)對(duì)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(zhǎng)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(guò)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(wú)損電流檢測(cè)技術(shù)能更有效檢測(cè)電流信息。

    2016年文獻(xiàn)[3]用RC濾波無(wú)損電流檢測(cè)技術(shù)，并用∑△ADC檢測(cè)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(kāi)關(guān)電容的低失配電流檢測(cè)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(wú)損電流檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種帶修調(diào)的高精度低速電流檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)反饋校準(zhǔn)電路去校準(zhǔn)快速電流檢測(cè)電路，更有效檢測(cè)電流信息。用負(fù)電流產(chǎn)生電路解決電流倒灌問(wèn)題。

1 電源管理芯片中無(wú)損電流檢測(cè)技術(shù)

    無(wú)損電流檢測(cè)技術(shù)比較常用的幾種檢測(cè)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(cè)^[7]，表1對(duì)比了不同電流檢測(cè)技術(shù)特性。功率MOSFET導(dǎo)通電阻R_on檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)電流流過(guò)功率MOSFET開(kāi)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(cè)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(cè)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(cè)MOSFET的面積^[7]。此外，如果鏡像功率MOSFET開(kāi)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(cè)技術(shù)是可以集成到片內(nèi)的無(wú)損檢測(cè)電流技術(shù)。由于開(kāi)關(guān)特性將會(huì)引入開(kāi)關(guān)噪聲，將會(huì)影響電流檢測(cè)精度，這也是功率MOSFET導(dǎo)通電阻R_on、鏡像功率MOSFET電流檢測(cè)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(wú)損電流檢測(cè)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(guò)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(jí)，因此并聯(lián)RC濾波電流檢測(cè)技術(shù)為無(wú)損電流檢測(cè)。

2 無(wú)損電流檢測(cè)電路的分析與設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)損電流檢測(cè)電路系統(tǒng)

    本文基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)損電流檢測(cè)電路系統(tǒng)如圖2所示。電流檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)圖可得：

時(shí)可以將offset電壓消除，得到精確的檢測(cè)電流。

2.2 無(wú)損電流檢測(cè)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(cè)電路、快速電路檢測(cè)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(cè)電路通過(guò)修調(diào)后，輸出電流為精確的電感電流I_avg，該電流通過(guò)INP端流入到反饋校準(zhǔn)電路中，快速響應(yīng)電流檢測(cè)電路的檢測(cè)輸出電流I_Mon，通過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)M11管的電流增大，增大的電流通過(guò)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(cè)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(cè)電路的單位增益帶寬的最大值為0.47 MHz，開(kāi)關(guān)頻率為0.5 MHz~1 MHz，因此通過(guò)精確電流檢測(cè)電路的信號(hào)將為濾波輸出信號(hào)的平均值；快速電流檢測(cè)電路的帶寬最小值為2.96 MHz，信號(hào)能夠經(jīng)過(guò)快速電流檢測(cè)電路檢測(cè)出來(lái)。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(cè)電路對(duì)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(shuō)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(cè)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(cè)精度提升了5.55%。圖4(b)為未校準(zhǔn)的快速電流檢測(cè)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(cè)精度提升了10.9%。

3.3 Tran仿真分析

    圖5為電流檢測(cè)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(kāi)關(guān)頻率f_sw=1 MHz，輸出電壓V_out=1.05 V，采樣電流流過(guò)24 kΩ的電阻的輸入輸出波形，可看出快速電流檢測(cè)電路能夠正確檢測(cè)出電流，高精度慢速電流檢測(cè)電路檢測(cè)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(cè)大電流，本文基于無(wú)損電流檢測(cè)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(cè)電路，該電路能夠同時(shí)檢測(cè)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(lái)減小隨機(jī)offset，對(duì)精確慢速電流檢測(cè)電路進(jìn)行修調(diào),然后去校準(zhǔn)快速響應(yīng)電流檢測(cè)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(jiǎn)單，并且無(wú)開(kāi)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(guò)Cadence 軟件進(jìn)行PVT、MC和Tran仿真驗(yàn)證，在用精確電流檢測(cè)電路對(duì)快速電流進(jìn)行校準(zhǔn)后，隨機(jī)誤差降低30%左右。并且對(duì)關(guān)鍵的模塊進(jìn)行蒙特卡洛仿真，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，3σ的精度達(dá)到96%。

參考文獻(xiàn)

[1] ERICKSON R，MAKSIMOVIC D.Fundamentals of power electronics[M].Norwell，MA：Kluwer，2001.

[2] SCHAEF C，STAUTH J T.Efficient voltage regulation for microprocessor cores stacked in vertical voltage domains[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31(2)：1795-1808.

[3] DAVID S，ANTHONY K.A high accuracy and high band-width current sense circuit for digitally controlled DC-DC buck converters[C].IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC)，2016.

[4] JINGYANG Z，WEI H.Low offset current sensing circuit based on switched-capacitor[C].2017 2nd IEEE International Conference on Integrated Circuits and Microsystems(ICICM)，Nanjing，2017：28-31.

[5] YUVARAJAN S.Performance analysis and signal processing in a current sensingcurrent MOSFET(SENSEFET)[C].Proccedings of 1990 Industry Applications Society Annual Meeting，1990：1445-1450.

[6] LI B X，LOW K S，KANG B Y.An accurate lossless current sensing approach for a DC-DC converter with online calibration[C].2014 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference(APPEEC)，Hong Kong，2014：1-5.

[7] FORGHANI Z H，RINC?魷N M G.An accurate, continuous，and lossless self-learning CMOS current-sensing scheme for inductor-based DC-DC Converters[J].IEEE Journal of Solid-States Circuits，2007，42(3)：665-679.

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）