新型電流極限比較器分析

　　圖3 一種新型的電流極限比較器

　　M0 通過電流鏡引入基準電流， M2,M3,M4,M5通過M1 以一定的比例產生四種大小不同的基準電流， 然后分別通過電流鏡傳到M7, M9, M11 及M5,四種電流以不同的組合產生電源所需的各種極限電流。檢測電源輸出電壓的狀態機通過對輸出電壓的檢測， 產生相應的高低電平信號去設定所需的極限電流[4].此電路巧妙地用狀態機的輸出電壓作為電流鏡的電源電壓， 分別接到s0,s1,s2, 直接控制電流鏡導通或關斷， 產生所需要的極限電流， 從而不需要占芯片面積非常大的開關管。

　　由于采用電流鏡網絡代替電阻網絡， 工藝上MOS 管的匹配性遠高于電阻的匹配性， 從而避免了電阻網絡為保證精確度而采用的激光修調技術， 大大降低了成本。并且電流鏡所占的芯片面積大大小于電阻網絡所占的面積， 進一步降低成本。另外本文非常巧妙地利用狀態機輸出的控制信號直接作電流鏡的電源， 從而使電流極限比較器不需要占版圖面積非常大的開關管。例如， s0,s2 接高電平， s1 接低電平時， M9 中沒有電流， M7,M8 和M5 中的電流之和Mc1 和Mc2 作為極限電流。在傳統的電流極限比較器中， 為保證開關管導通電阻非常小， 其寬長比非常大， 從而占比較大的版圖面積。本結構巧妙地省去開關管， 進一步減少芯片面積， 降低成本。為滿足低功耗設計， 本文設定M5 中的電流作為幾種極限電流的最小值， 并且始終存在電流。當功率管關斷時， 控制信號s0,s1,s2 為低電平， 則電流鏡網絡中只有M5中存在電流， 由于其靜態電流非常小， 從而保證電路低功耗。而在帶電阻網絡的電流極限比較器(其實為電壓比較器)中， 一般需要產生大約1V 以上的參考電壓， 從而開關管關斷時靜態電流相對比較大。M5中的電流既可以作為正常工作時的極限電流， 又可以防止由于狀態機和電流鏡的延時或噪聲引起的誤動作。

　　Mc3- -Mc6 組成cascode 結構作為電流比較器。

　　檢測電流引入到Mc8, 這可采用中的結構完成。然后鏡像到Mc5.當主功率管開始導通時， Mc5 和Mc6中的電流鏡像檢測電流緩緩上升， 只要檢測電流小于此時所設定的極限電流， Mc3 和Mc4 就至少有一個工作在線性區， Mc3 和Mc4 作為一個整體呈電阻特性。因為若Mc3 和Mc4 已工作于飽和區， 則其電流一定會鏡像Mc1 和Mc2 中的電流即極限電流。這就會出現Mc3 和Mc4 中的電流與Mc5 和Mc6 中的電流不等的矛盾。因此， 只有當Mc3 和Mc4 中的電流與Mc5 和Mc6 中的電流相等時， Mc3 和Mc4 才工作于飽和區。

　　當檢測電流與極限電流相等時， cascode 輸出電源電壓與地的平均值給反相器， 此時正好達到反相器的中轉電壓， 反相器開始翻轉電平， 從而關斷功率管。由于比較器采用cascode 結構， 其輸出電阻非常大， 則只要檢測電流剛上升到極限電流時， 即可馬上使反相器電平翻轉， 關斷功率管， 具有非常高的精度。cascode 結構代替電壓比較器使檢測電流與極限電流直接比較， 也避免了由電壓比較器的失調電壓引起的不精確性。例如， 假設失調電壓為20mV, 電阻網絡的最小值為5kΩ， 則失調電壓會引起4μA的檢測電流誤差， 極大地影響了系統的性能。總之，本文所提出的電流極限比較器結構無論是電流鏡部分還是電流比較器部分比之相應的傳統結構都具有較大的改進。

3.仿真

　　本文采用TSMC 0.25μm 工藝模型對圖3 設定參數進行性能仿真。設最小極限電流即通過m5 中的電流為4μA, s0 所控制的極限電流為12μA, s1所控制的極限電流為20μA, s2 所控制的極限電流為36μA.

　　圖4-圖7 給出了極限電流分別為4μA,16μA, 24μA 和40μA 時電流比較器的工作情況，四種電流所對應的占空比分別為10%, 40%, 60%和100%.圖4-圖7 中橫軸代表檢測電流， 其從0 慢慢增大， 縱軸代表圖3 中某些關鍵點的電壓隨檢測電流變化的情況。