一種適合于開關穩壓器的新穎電流檢測方法

0 引言
隨著電子產品向小型化、便攜化的趨勢發展，單片集成的高效、低電源電壓DC-DC變換器被廣泛應用。在許多電源管理IC中都用到了電流檢測電路。在電流模式PWM控制DC-DC變換器中，電流檢測模塊是組成電流環路的重要部分，用于檢測流過功率管和電感上的電流，并通過將電流檢測結果和電壓環路的輸出做比較，實現脈寬調制的效果。在電壓模式PWM控制DC-DC變換器、LDO、Charge Pump等電路中，它還可以用
作開路、短路、過流等節能和保護性目的。
傳統的電流檢測方法有3種：
(1)利用功率管的RDS進行檢測；
(2)使用檢測場效應晶體管檢測；
(3)場效應晶體管與檢測電阻結合。
針對開關穩壓器，不同于傳統的電流檢測方式，本文提出了一種新穎的電流檢測方法。

1 傳統的電流檢測方法
1．1 利用功率管的RDS進行檢測(RDS SENSING)
當功率管(MOSFET)打開時，它工作在可變電阻區，可等效為一個小電阻。MOSFET工作在可變電阻區時等效電阻為：

式中：μ為溝道載流子遷移率；Cox為單位面積的柵電容；VTH為MOSFET的開啟電壓。
如圖1所示，已知MOSFET的等效電阻，可以通過檢測MOSFET漏源之間的電壓來檢測開關電流。

這種技術理論上很完美，它沒有引入任何額外的功率損耗，不會影響芯片的效率，因而很實用。但是這種技術存在檢測精度太低的致命缺點：
(1)MOSFET的RDS本身就是非線性的。
(2)無論是芯片內部還是外部的MOSFET，其RDS受μ，Cox，VTH影響很大。
(3)MOSFET的RDS隨溫度呈指數規律變化(27～100℃變化量為35％)。
可看出，這種檢測技術受工藝、溫度的影響很大，其誤差在-50％～+100％。但是因為該電流檢測電路簡單，且沒有任何額外的功耗，故可以用在對電流檢測精度不高的情況下，如DC-DC穩壓器的過流保護。
1．2 使用檢測場效應晶體管(SENSEFET)
這種電流檢測技術在實際的工程應用中較為普遍。它的設計思想是：如圖2在功率MOSFET兩端并聯一個電流檢測FET，檢測FET的有效寬度W明顯比功率MOSFET要小很多。功率MOSFET的有效寬度W應是檢測FET的100倍以上(假設兩者的有效長度相等，下同)，以此來保證檢測FET所帶來的額外功率損耗盡可能的小。節點S和M的電流應該相等，以此來避免由于FET溝道長度效應所引起的電流鏡像不準確。

在節點S和M電位相等的情況下，流過檢測FET的電流，IS為功率MOSFET電流IM的1／N(N為功率FET和檢測FET的寬度之比)，IS的值即可反映IM的大小。
1．3 檢測場效應晶體管和檢測電阻相結合
如圖3所示，這種檢測技術是上一種的改進形式，只不過它的檢測器件不是FET而是小電阻。在這種檢測電路中檢測小電阻的阻值相對來說比檢測FET的RDS要精確很多，其檢測精度也相對來說要高些，而且無需專門電路來保證功率FET和檢測FET漏端的電壓相等，降低了設計難度，但是其代價就是檢測小電阻所帶來的額外功率損耗比第一種檢測技術的1／N2還要小(N為功率FET和檢測FET的寬度之比)。