基于电流极限比较器的设计

3.仿真

本文采用TSMC0.25μm工艺模型对图3设定参数进行性能仿真。设最小极限电流即通过m5中的电流为4μA，s0所控制的极限电流为12μA，s1所控制的极限电流为20μA，s2所控制的极限电流为36μA.

图4-图7给出了极限电流分别为4μA，16μA，24μA和40μA时电流比较器的工作情况，四种电流所对应的占空比分别为10%，40%，60%和100%.图4-图7中横轴代表检测电流，其从0慢慢增大，纵轴代表图3中某些关键点的电压随检测电流变化的情况。

图4 当极限电流为4uA时电流极限比较器的特性

图5 当极限电流为16uA时电流极限比较器的特性

图6 当极限电流为24uA时电流极限比较器的特性

图7 当极限电流为40uA时电流极限比较器的特性

现以图4为例阐述电流极限比较器的工作情况。此时极限电流为4μA，其虚线代表cascode结构的输出电压波形，黑色实线代表反相器的输出电压波形即与非门的输入电压波形，另外两条点划线分别代表cascode结构中Mc3和Mc4的栅电压波形。

从虚线即cascode结构的输出电压波形可以看出，电流极限比较器的工作过程分为五个阶段，第一阶段：检测电流从0慢慢上升到A，在此过程中，由于检测电流远小于极限电流，强迫Mc3和Mc4都工作于线性区。第二阶段：检测电流从A上升到B，cascode结构的输出电压也随着上升，使Mc4工作于饱和区，Mc3工作于线性区。但是Mc4只是刚刚进入饱和区，还受沟道调制因素影响，这可从图中很清析地看出当cascode结构的输出电压随检测电流上升时，Mc4中电流慢慢接近所设定的极限电流。第三阶段：检测电流从B上升到C，此时检测电流已上升到所设定的极限电流，Mc3和Mc4都工作于饱和区，同时cascode结构的输出电压也上升到后面反相器的中点电压，经过后续控制电路关断功率管。第四阶段：检测电流从C上升到D，此时检测电流大于所设定的极限电流，迫使Mc5工作于线性区，虽Mc6还工作于饱和区，但受沟道调制因素影响，另外Mc3和Mc4工作于饱和区。第五阶段：检测电流从D继续往上升，迫使Mc5和Mc6都工作于线性区，Mc3和Mc4工作于饱和区。从图4中可以看出，当检测电流达到4.1μA时，关断功率管，满足系统要求。图5--图7的工作情况与图4类似，图5设定极限电流为16μA，可以看出当检测电流达到15.97μA时，关断功率管。图6设定极限电流为24μA，可以看出当检测电流达到23.82μA时，关断功率管。图7设定极限电流为40μA，可以看出当检测电流达到39.6μA时，关断功率管。

仿真结果表明，本文所提出的新结构能使检测电流非常精确地达到所设定的极限电流值，满足系统的要求。但是图中显示检测电流与极限电流还是有一定的偏差（最大为0.4μA），通过仿真分析发现这是因沟道调制因素引起电流镜镜像的误差造成的。若将电流镜的栅宽增大能进一步提高精度，但这会一定程度上增大芯片的面积，设计时应根据系统指标要求折中考虑。

结束

本文提出了一种新型的电流极限比较器结构，其采用电流镜结构代替传统的电阻网络产生开关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。此结构不需要开关管和电阻网络，使得芯片面积大幅度降低，减小了成本，同时具有速度快，功耗低，精度高的优点。