傳統與新穎電流極限比較器設計

傳統的開關電源控制電路中，電流極限比較器結構如圖1（a）所示，檢測電流由M1（senseMOSFET）流入由多個開關管和電阻組成的網絡R1中，該網絡通過控制開關管導通或關斷，改變R1的電阻值，得到不同的占空比。另外一基準電流流過一阻值固定的電阻R，產生一固定參考電壓。當R1的壓降隨檢測電流上升到參考電壓時，比較器關斷功率管，保證輸出電壓穩定。其工作原理如圖2（a）所示，例如：R1上的電壓從a上升到d，從而關斷功率管產生一占空比，當改變R1的電阻值，R1上的電壓從a上升到f得到另一占空比。從圖1（a）可以看出：傳統的開關電源電流極限比較器是將兩種電流先轉化成電壓再進行比較，需要占芯片面積非常大的電阻網絡和開關管，并且為保證電阻精度，一般需要激光修調技術，這大大增加了芯片成本。因此本文在此基礎上提出一種新型的電流極限比較器結構。

圖1 傳統的與新穎的電流極限比較器結構

圖2 傳統的與新穎的電流極限比較器結構的工作原理

2.新結構及原理

圖1（b）給出了本文所提出的電流極限比較器的基本框架，其中Iref為通過電流鏡產生的極限電流，其值可變。檢測電流由M1（senseMOSFET）流入電流比較器，直接與所設定的極限電流比較，當其值上升到極限電流時，關斷功率管。通過改變極限電流的大小，得到不同的占空比，其工作原理如圖2（b）所示。

圖3為本文所提出的新型電流極限比較器具體電路。其中M0--M11構成電流鏡網絡，用于設定電源所需的幾種極限電流值。Mc1--Mc10構成電流比較器，使極限電流與檢測電流直接比較產生不同的占空比（即不同的導通時間）。與非門和倒相器構成控制電路，直接驅動功率MOS管，控制其導通或關斷。此電流極限比較器采用電流鏡結構代替傳統的電阻網絡產生電源所需的幾種極限電流，采用cascode結構組成電流比較器代替傳統的電壓比較器使兩種電流直接比較。

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。