一种新型的电流极限比较器

1.引言

开关电源因体积小、重量轻、效率高、性能稳定等优点在电子、电器设备、家电等领域得到了广泛的应用， 进入了快速发展期。开关电源的基本工作原理为： 在不同的负载情况下， 反馈控制电路通过改变功率开关管的占空比使输出电压稳定。反馈控制电路分为电流模式和电压模式， 电流模式因动态响应快、补偿电路简单、增益带宽大、输出电感小、易于均流等优点而被广泛应用。

极限电流比较器是电流模式控制电路中一个非常重要的部分， 其对不同的负载情况， 产生不同的极限电流， 去限制电感上的峰值电流或平均电流， 从而尽可能地减小输出电压纹波和提高电源效率。例如：

重负载情况对应的电源输出电流比较大， 此时应设定较大极限电流， 保证输出电压稳定；轻负载情况对应的极限电流较小， 此时应设定较小极限电流， 使输出电压稳定。因此不同的负载情况对应不同的极限电流， 从而得到不同的占空比， 保证电源效率高和输出电压纹波小。

传统的开关电源控制电路中， 电流极限比较器结构如图1（a）所示， 检测电流由M1（ sense MOSFET）流入由多个开关管和电阻组成的网络R1 中，该网络通过控制开关管导通或关断， 改变R1 的电阻值， 得到不同的占空比。另外一基准电流流过一阻值固定的电阻R, 产生一固定参考电压。当R1 的压降随检测电流上升到参考电压时， 比较器关断功率管， 保证输出电压稳定。其工作原理如图2（a） 所示，例如： R1 上的电压从a 上升到d, 从而关断功率管产生一占空比， 当改变R1 的电阻值， R1 上的电压从a 上升到f 得到另一占空比。从图1（a）可以看出：传统的开关电源电流极限比较器是将两种电流先转化成电压再进行比较， 需要占芯片面积非常大的电阻网络和开关管， 并且为保证电阻精度， 一般需要激光修调技术， 这大大增加了芯片成本。因此本文在此基础上提出一种新型的电流极限比较器结构。

图1 传统的与新颖的电流极限比较器结构

图2 传统的与新颖的电流极限比较器结构的工作原理

2.新结构及原理

图1（b）给出了本文所提出的电流极限比较器的基本框架， 其中Iref 为通过电流镜产生的极限电流， 其值可变。检测电流由M1（ sense MOSFET）流入电流比较器， 直接与所设定的极限电流比较， 当其值上升到极限电流时， 关断功率管。通过改变极限电流的大小， 得到不同的占空比， 其工作原理如图2（b）所示。

图3 为本文所提出的新型电流极限比较器具体电路。其中M0- -M11 构成电流镜网络， 用于设定电源所需的几种极限电流值。Mc1- -Mc10 构成电流比较器， 使极限电流与检测电流直接比较产生不同的占空比（即不同的导通时间）。与非门和倒相器构成控制电路， 直接驱动功率MOS 管， 控制其导通或关断。此电流极限比较器采用电流镜结构代替传统的电阻网络产生电源所需的几种极限电流， 采用cascode结构组成电流比较器代替传统的电压比较器使两种电流直接比较。

图3 一种新型的电流极限比较器

M0 通过电流镜引入基准电流， M2,M3,M4,M5通过M1 以一定的比例产生四种大小不同的基准电流， 然后分别通过电流镜传到M7, M9, M11 及M5,四种电流以不同的组合产生电源所需的各种极限电流。检测电源输出电压的状态机通过对输出电压的检测， 产生相应的高低电平信号去设定所需的极限电流[4].此电路巧妙地用状态机的输出电压作为电流镜的电源电压， 分别接到s0,s1,s2, 直接控制电流镜导通或关断， 产生所需要的极限电流， 从而不需要占芯片面积非常大的开关管。

由于采用电流镜网络代替电阻网络， 工艺上MOS 管的匹配性远高于电阻的匹配性， 从而避免了电阻网络为保证精确度而采用的激光修调技术， 大大降低了成本。并且电流镜所占的芯片面积大大小于电阻网络所占的面积， 进一步降低成本。另外本文非常巧妙地利用状态机输出的控制信号直接作电流镜的电源， 从而使电流极限比较器不需要占版图面积非常大的开关管。例如， s0,s2 接高电平， s1 接低电平时， M9 中没有电流， M7,M8 和M5 中的电流之和Mc1 和Mc2 作为极限电流。在传统的电流极限比较器中， 为保证开关管导通电阻非常小， 其宽长比非常大， 从而占比较大的版图面积。本结构巧妙地省去开关管， 进一步减少芯片面积， 降低成本。为满足低功耗设计， 本文设定M5 中的电流作为几种极限电流的最小值， 并且始终存在电流。当功率管关断时， 控制信号s0,s1,s2 为低电平， 则电流镜网络中只有M5中存在电流， 由于其静态电流非常小， 从而保证电路低功耗。而在带电阻网络的电流极限比较器（其