抗干扰电流采样电路的设计

屈 凡， 刘国权， 张秋建， 秦 力， 秦晓红， 孙 玲

（中国石油集团测井有限公司技术中心， 陕西省 西安市 710077）

0 引言

DC-DC转换器具有高效率的突出优点[1-2]，已经成为目前电源管理的主流方案，在通信、计算机、便携式电子设备等诸多领域得到广泛应用和迅速发展。电流采样不仅应用于电压模DC-DC转换器[3]的过流保护电路中，更广泛地应用于电流模DC-DC转换器[4]的电流控制环路中。然而电流采样电路[5]在存在较强干扰（例如电源电压干扰和开关管开关动作所造成的干扰）时，采样信号与电感电流的真实值偏差较大，甚至出现错误，致使整个电路的控制逻辑发生混乱。

目前针对采样干扰问题的研究还比较少，文献[6]提出了通过采样保持电路在开关管动作瞬间保持前面的状态，屏蔽掉采样信号的方法，来消除导通瞬间的毛刺影响。这种方法电路简单，容易实现，应用很普遍，但仅适用于低频慢速采样场合，如果芯片高频工作时需要在很短时间采样时，这种方法将会失效。

除了上述方法外，针对采样干扰问题，文献[7]提出了一种Sensorless方法，这个方法构造了一个可控的系统模型，并利用模型自身的状态信息加以控制。其思想是对电感两端的电压进行积分，在芯片内部“重构”出虚拟的电感电流信号。该文献中给出了buck、buck-boost、boost转换器的Sensorless控制环路法则。它们分别如公式（1）、（2）、（3）所示。

这种积分式采样与传统的线性采样不同，是将采样信号进行积分处理，这样可以滤除各种干扰，抗干扰能力比较强，但是积分后的信息与真实采样信号的关系发生变化，不再是简单的线性关系，因此基于线性采样的环路控制理论和稳定性理论都不再适用，必须研究基于积分式采样的环路控制理论和方法，然后结合新方法进行稳定性补偿、电路设计和实现、实验验证等。此外，由上述公式可以看出，不同模式下的DC-DC转换器的Sensorless控制法则不同，电路结构也会不同，因此增加了复杂性。

目前针对采样干扰问题的研究还比较少，Sensorless方法具有较好的抑制噪声的能力，但由于没有进行真实采样，没法进行实时的过流保护，电路实现过分复杂。

1 对消法原理

图1所示为对消法[8]采样原理示意图。在传统方法基础上，增加一组没有输出的较小辅助开关管MPX和MNX，并保证辅助开关管与工作开关管MP、MN匹配良好（图中虚线框表示匹配器件），然后对辅助开关管进行相同的采样。

图1 对消法采样原理图

图1 中，MP，MN是主开关管，MP，MN的漏端接到电感，OP是主采样电路，Is是开关管MP的采样电流；MPX，MNX是辅助开关管，MP，MN的漏端不接输出，OPX是辅助采样电路，Isx是辅助采样的电流值。R，RX分别是主，辅采样电路的采样电阻，当采样电流流过它们时，形成采样电压Vs，Vsx。由于辅助开关没有连接输出，因此辅助采样得到采样电流Isx仅是各种干扰信号，又因为与主采样电路的环境相同，所以采集到的干扰信号Isx与主 采样信号Is中的干扰信号具有形同的 “形状”，因此将它通过合适的加权与主采样信号叠加，就可以从正常采样信号中抵消掉干扰分量而得到“干净”的电感电流采样信号Isc，具体过程如图2所示。

图2 对消法采样过程

图3 所示电路是实际的抗干扰电流采样电路。

图3 抗干扰采样电路

为了直接得到对消后的电流采样信号，把主、辅采样电路输出端用电阻R3连接起来，R1、R2分别是主、辅采样电路的采样电阻。则流过R3的电流就是对消掉干扰的采样电流Isc。取R1=R2=R3=R。设原采样电路的采样比例为N，即IM/IS=N，其中IM流过主PMOS开关管Mp的电流，IS是主采样电路的输出值。加入电阻R3后，采样电流Isc与开关管电流IM的比例发生了变化。Isx是辅采样电路的输出值，IMX是流过辅PMOS开关管Mpx的电流。其中，IM≈IL。Is，Isx分别可以表示为：

主、辅采样电路的输出端的电压Vs、Vsx分别为：

Isc可以表示为：

由式（4）～（8）可以导出Isc与IM、IMX的关系：

Isc很好地反映了没有干扰的电感电流，并且提高了采样比例。这个对消法电流采样电路可以很好的屏蔽掉开关管寄生电容对采样电流的影响，消除电源电压干扰的影响。

2 仿真结果

仿真条件：采用3.6V的电源电压。采样比例为N=30000，仿真图中ILscaled为电感电流缩小N倍的值。开关管的控制信号是周期为300ns的方波。

(1)未加电源扰动的仿真结果

图4显示的是未加电源扰动时对电感电流采样的仿真结果，Is是未进行干扰对消的采样电流，Isc是对消掉干扰的采样电流。可以很明显的看出，对消掉干扰的采样电流完全滤除了开关管转换瞬间的电流尖峰，并且消除了固定的采样电流偏差，能很好的反映电感电流在上升阶段的变化，采样精度也比较高。

图4 未加电源扰动时对电感电流采样的仿真结果

（2）加入电源扰动的仿真结果

给电源加入了一个扰动，让其由3.6V跳变到4V再跳变回3.6V。

图5显示的是加入电源扰动后的电流采样仿真结果。Is是未进行干扰对消的采样电流，Isc是对消了干扰的采样电流。图中，由于电源扰动的影响，Is在上升过程中有一跳变，Isc将这个跳变消除了大约90%，使其对采样电流的影响降低了许多，并且滤除了电流偏差。可以看出，干扰对消电路具有很好的滤除干扰的能力。

3 总结

图5 加入电源扰动后的电流采样仿真结果

本文针对集成电流模DC-DC转换器的高速电流采样抗干扰性差的问题，提出了一种解决方案，利用辅助采样、干扰对消的方法，来消除电源扰动和开关管寄生效应对采样电流的影响。从仿真结果来看，基于对消法的抗干扰电流采样电路能够很好的消除开关管寄生效应的影响，能够大部分消除电源电压扰动对采样电流的影响，在DC-DC高速电流采样中起到了很好的抗干扰的作用，具有十分重要的意义。

[1]赵负图.电源集成电路手册[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计（修订版）[M].北京:电子工业出版社,2000.

[3]J. N. Ross.The Essence of Power Electronics[M].London, U.K.:Prentice Hall,1997.

[4]R. W. Erickson,D. Maksimovic.Fundamentals of Power Electronics[M].Norwell, MA:Kluwer, 2001.

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