功率集成电路中功率MOSFET电流感知方法的研究

1 引言

20世纪70年代出现了世界性的能源危机，电力电子技术实现对电能的高效能变换和控制，其发展为节约能源做出了巨大贡献。在电能传输与转换（包括绿色电源产品）中，如何减少能源损耗已成为很重要的研究方向。80年代，新型功率MOS器件和以其为基础的灵巧功率集成电路（Smart Power Integrated Circuit，SPIC）随着微电子技术的进步迅速发展起来，SPIC把控制集成电路与功率MOS器件做在同一颗芯片上[1]，具有低成本，高效率，高可靠性等优点，Baliga曾提出SPIC的发展将会引起第二次电子革命。

SPIC集控制逻辑、保护电路、功率器件于一体，如图1所示，在很多领域如电机驱动器，电子镇流器，DC－DC转换器，功率因数校正器，开关电源等都有应用，并体现出了明显的优势。

由于保护电路集成于器件内，可以大大提高SPIC的可靠性。其中，功率器件的过流保护是非常重要一部分。通常功率器件的电流检测有以下几种方法：

在输出回路中串接电阻[2] 此方法优点是电流检测准确，但是由于输出电流很大，则在检测电流上有很大的功率损耗。

RDS检测 此方法利用MOS器件导通时工作于线性区，可以当作有源电阻。此方法虽可以内部集成，但是由于RDS随工作条件和外界环境条件（如温度等）的变化而有很大的检测误差。

在输出回路中加入互感线圈 虽然比串联电阻减少了功率损耗，但也是成本很高的一种办法。

SenseFET的方法[2－4] SenseFET感知电流方法的思想来源于电流镜。相比其他方法有很多优势，如可完全集成，损耗功耗小，相对准确等，是SPIC中较常使用的方法。

2 SenseFET方法检测电流的工作原理

用SenseFET进行电流检测，即是用SenseFET与功率器件主体（以下称Main FET）并联，图2为此方法的示意图，图中Kelvin线表示考虑了电路中的电流流过金属线造成的电压差的影响[5]。通常SenseFET的宽度远小于MainFET的栅宽，比例越小，功耗越小，但是电流检测准确度也会降低，因此要在功耗和准确度之间取合适的值，通常取n＝1：1 500，功率MOS是许多单元并联构成，电流完全按照单元数多少来分配，如果假设Vsense很小，可以忽略其对SenseFET源极电位S’与Main FET的源极S的电位差，那么在SenseFET上流过的电流可近似为功率器件电流的1/n，用此方法进行电流检测的过流保护电路[6]如图3所示。

图3中Rsense上得到的反映电流变化的电压Vsense，经过放大得到电压V，再与基准电压进行比较，如果电流超过额定值，保护电路将输出保护信号Protect signal来关断功率器件。

3 影响电流检测准确性的原因分析

从以上分析可知，电流感知的准确度直接影响过流保护的输出是否会有误操作，那么怎样才能准确地检测功率器件的电流呢？下面将对可能引起电流感知误差的因素进行详细的分析，使设计工程师在设计时考虑如何降低这样因素对电流检测的影响，从而得到更加准确的电流检测电路。

在功率器件的工作过程中，从静态和动态2方面来分析影响电流检测准确性的原因，静态工作时，主要有以下几个方面：

（1）源极连线电阻和PAD电阻的不同，也就是MainFET的大电流流过金属线产生的压降与SenseFET不同造成的误差，此处可用Kelvin连线降低该误差。

（2）电流比例因子n的变化，如果不能忽略Rsense的大小，那么SenseFET源极电位S’与Main FET的源极S的电位差将使比例因子n’变大[7]，见图2所示，工作在线性区的SenseFET电阻见公式（1）：

RS＝L/WμCOS（VGS－VT） （1）
由于Rsense的加入，n’变化为公式（2）所示，比n有所增加。

（3）温度变化引起的电流检测的误差：由于温度的变化，带来的阈值电压以及Ron变化，从而影响了电流检测的准确性。

功率MOSFET动态工作[6]时，考虑：

（1）功率管工作区从饱和区到线性区变化带来的Ron变化，改变了电流比例因子。当栅压从低到高时，功率管导通，其漏极高电平降为低电平，将从饱和区过渡为线性区。在饱和区，电流比即为SenseFET和MainFET的栅宽之比；在完全导通的状态，电流比则由SenseFET和MaiFET导通电阻决定。

（2）衬偏效应：由于SenseFET源极电位S’为检测电流和Rsense的乘积，若检测电流为周期变化的正弦半波，则源极电位S’与衬底电位之间也随时间有个变化，则带来SenseFET的衬偏效应，使电流比例产生误差。

（3）连线和封装在高频工作时互感的影响。

图4中看到由于MainFET与SenseFET引线单元排列之间将产生1：1的互感器，则在一侧产生的di/dt由于耦合作用就会在电流检测中产生很大的误差[6]。

4 讨论与总结

综合以上的分析，对功率MOSFET进行准确的电流检测是确保及时有效地过流保护的必要条件，本文介绍了功率MOSFET的电流感知的几种方法，并重点分析了灵巧功率集成电路中最常用的SenseFET方法。该方法有许多优点，完全集成于芯片内，功耗小、高可靠性。考虑检测电流的变化，检测方法结构的影响，以及功率MOSFET工作特点等因素，本文分析了影响电流检测准确性的误差源，可以为设计高性能的电流检测过程提供参考。