高边智能功率芯片的高精度电流检测电路

毕立强，蔡小五，谭守标，赵海涛，方侃飞

(1.安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601;2.中国科学院微电子研究所 硅器件与集成电路研发中心，北京 100029)

随着国内汽车数量的增加，为了降低能源消耗、提高能源利用效率，智能功率芯片将逐步替代传统电子继电器.智能功率芯片主要有两类：高边、低边智能功率芯片.智能功率芯片集成了驱动电路、功率管及其保护电路.驱动电路主要有两种：一种是由二极管与电容组成的自举升压电路，应用于高压功率管，其优点是可以驱动高压大电流功率器件，缺点是驱动电路与功率器件分立；另一种是电荷泵升压电路，应用于低压功率管，其优点是驱动电路与功率管集成于一体，缺点是工作电压、电流较小.由于智能功率芯片中的功率器件导通电阻小、耐压高，因此智能功率芯片对汽车电子照明系统能源效率的提高有重要作用[1].同时，智能功率芯片体积小、重量轻、集成度高，为物理系统的设计提供了方便.过流保护、过压保护及过温保护电路，是控制系统中不可或缺的部分[2]，其中过流保护为控制系统最重要的功能.随着多种应用需求的出现，对过流保护电路电流检测精度的要求越来越高.该文在简单介绍具有电荷泵结构的高边智能功率芯片工作原理后，提出适用于高边智能功率芯片的高精度电流检测电路.

1 高边智能功率芯片工作原理及电流检测分析

具有电荷泵结构的高边智能功率芯片由驱动电路、功率管和保护电路组成，如图1所示，其中保护电路仅画出了电流保护对应的部分.上电后芯片启动分两步：①当输入的使能信号IN为高电平时，经过逻辑模块判断无误后，控制环形振荡器产生方波信号；②振荡器的方波信号驱动电荷泵电路，电荷泵输出电压倍增后，开启VDMOS(vertical double-diffused MOS).VDMOS栅极与漏极间串联的二极管，能防止电荷泵升压击穿VDMOS.过流情况出现时，逻辑信号Vlogic将关闭振荡器及电荷泵电路[3].电流检测模块是实现芯片过流保护功能的关键.该文设定：当VDMOS的电流值超过2 A时，电流检测模块将输出过流信号.下文分析的高边智能功率芯片的电流检测电路，同样适用于低边智能功率芯片的电流检测电路.

图1 高边智能功率芯片的拓扑结构

传统电流检测技术有：导通电阻(Ron)检测技术、串联电阻检测技术、检测管检测技术.

Ron检测的拓扑结构如图2(a)所示.在高边智能功率芯片中，VDMOS工作在线性区，其漏极与源极的电位差影响Ron，因此可采用电压比较器检测VDMOS漏极与源极的电位差，进而实现过流保护功能.但该技术对比较器的失调电压要求高，此外导通电阻受工艺、温度、电源等因素的影响较大，很难应用于高精度的电流检测.

串联电阻检测的拓扑结构如图2(b)所示.串联电阻检测技术对串联电阻有特殊的要求，这是因为：若串联电阻太大，VDMOS源极与Rload间将损失一定的电压；若串联电阻太小，一方面对工艺的要求较高，另一方面需要设计低失调的电压比较器.

检测管检测的拓扑结构如图2(c)所示.检测管检测技术中的检测管电流较小，降低了功耗，提高了电源利用效率.但是，检测管输出端串联小电阻后与VDMOS并联，将导致二者源极电位不同，进而影响电路的检测精度.

上述电流检测技术，对电阻及电压比较器的相关参数要求严格，增加了电路设计的难度及复杂度[4-11].为了减少电压比较器及电阻的运用，该文提出具有电流比较功能的高精度电流检测电路.

图2 传统电流检测拓扑结构

2 高精度电流检测电路

2.1 高精度电流检测电路的拓扑分析

该文提出的电流检测电路如图3所示，包括检测模块、分流模块、电流比较输出模块.对于VDMOS的结构，无论槽栅结构还是平面栅结构，均可视作多个元胞并联而成[12].检测模块中的Npower与Nsense分别是基于分离元胞技术的功率管与检测管，二者的栅极驱动电路相同.由于Npower与Nsense的漏极连在一起，因此二者的电流之比即为其元胞数之比.

图3 高精度电流检测电路

从图3可知，功率管、检测管、放大器OP、晶体管Mp共同构成负反馈环路，使功率管及检测管的源极电位差值△V减小.由于VDMOS工作在线性区，故有

k′=unCox，

(1)

(2)

(3)

其中：Ipower，Isense分别为功率管、检测管的电流；un为电子迁移率；Cox为栅氧化层厚度；K为功率管与检测管的元胞数之比；W为晶体管的宽；L为晶体管的长；VGS为功率管栅极与源极的电位差；VDS为功率管漏极与源极的电位差.由式(1)～(3)得

(4)

在无故障情况下，VDMOS栅极电压比电源电压高5 V左右，VDMOS导通压降很小，VGS远大于VDS，VGS远大于△V，因此式(4)可进一步化简为

(5)

由式(5)可知，在K与工艺条件不变的情况下，功率管与检测管的导通压降差值△V是影响电流检测精度的重要因素.电流检测精度的计算公式为

(6)

分流模块中，智能功率芯片工作电压较高，为了避免器件击穿，N1，N2，N3，P1，P2，Mp选择高压器件.P1的宽长比与P2的比值为x∶y，N1的宽长比与N2的比值也为x∶y.P1及P2构成电流镜结构，流经P1及N1的电流相同，流经P2及N2的电流也相同，前者与后者的比值为x∶y.

电流比较输出模块采用低压结构，供电电压VDDL为5 V，N4，N5，P3，P4，P5，P6均采用5 V的低压MOS管.N2及N3构成电流镜结构, N2的电流与N3的比值为y∶z.P3及P6构成电流镜结构，流经P6的电流IP6为参考电流，当流经P3的电流IP3大于流经N3的电流IN3时，电路输出高电平；当流经P3的电流IP3小于流经N3的电流IN3时，电路输出低电平.N3及P3构成电流比较器，电流比较器的输出为反向器的输入，电流比较器的输出信号经两级反相器整形后，转化为检测信号.

2.2 高精度电流检测电路的环路增益分析

由式(5)知，降低功率管与检测管的导通压降的差值可提高检测精度.功率管及检测管通过运算放大器均与Mp形成负反馈，使它们的源极电位相等，进而减小它们导通压降的差值.环路增益分析时，将图3 中的N1，N2，P1，P2均等效成电阻R2.图4为高精度电流检测电路环路增益分析时的等效拓扑结构.

图4 高精度电流检测电路环路增益分析时的等效拓扑结构

将图4中OP的正向输入电压vpower置零，在Mp的栅极加入的测试电压Vin.环路增益表达式[13]为

(7)

其中：gp为反馈管的跨导，Av为放大器OP的增益，Rsense为检测管的等效电阻.由图4可得

vpower=ipowerRpower，

(8)

vsense=isenseRsense，

(9)

(10)

isense=-gp(vsense-vp)=-gp[vpower(1+Av)-vsenseAv]，

(11)

其中：Rpower为功率管的等效电阻，vpower为功率管的源极小信号电压，vsense为检测管的源极小信号电压，ipower为功率管的小信号电流，isense为检测管的小信号电流，vp为放大器OP输出的小信号电压.整理式(7)～(11)后，可得

(12)

2.3 高精度电流检测电路的运放

在正常工作模式下，VDMOS的导通压降很小，VDMOS的源极电压接近电源电压VDD，所以运算放大器的共模输入范围必须接近电源电压VDD.为了保证反馈管MP一直工作在饱和区，运算放大器的输出范围必须足够宽[14].从式(12)可知，增大环路增益可提高检测精度，因此运算放大器OP的增益必须足够大.基于上述原因，该文设计了N管输入的折叠式单级运算放大器，如图5所示.该运算放大器在满足增益、输入范围、输出范围要求的同时，减少了补偿网络，降低了电路设计的复杂程度.

图5 折叠式单级运算放大器

3 仿真验证

高精度电流检测电路基于0.25 μm BCD工艺进行设计，电源电压为12 V， VDMOS的栅极驱动电压为17 V，Npower与Nsense的元胞数比值为4 000∶1.负载电流超过2 A时，过流保护电路启动.该文在Candence Specture中进行仿真验证.

图6为功率管电流为1，2 A情况下，高精度电流检测电路的环路增益及相位曲线.从图6可知，在满足环路增益的同时反馈环路稳定性良好.

图6 高精度电流检测电路环路增益及相位曲线

图7为功率管与检测管的电流关系.从图7可知，功率管的电流Ipower与检测管的电流Isense线性关系好.抽取一些特定的点(如功率管电流为1，2，3 A对应的点)，代入式(6)计算可知，不同电流值下该电路均具有较高的检测精度.

图7 功率管与检测管的电流关系

表1为不同文献的电流检测相关技术因素对比.由表 1可知，该文在减少电阻及电压比较器的情况下，适量的高压器件运用，使检测精度得到了一定的提升.

表1 不同文献电流检测相关技术因素对比

为了验证过流情况下，过流信号是否正常输出，对过流信号进行仿真验证，如图8所示.从图8可知，功率管电流达到2 A后，过流信号能及时输出，且没有产生震荡，可见电路具有良好的稳定性及响应能力.

图8 高精度电流检测电路过流信号电平与功率管电流的关系

4 结束语

该文提出了一种与折叠式共源共栅放大器形成负反馈的高精度电流检测电路.通过环路增益的理论分析可知，环路增益的增加可提高电流检测精度.为了降低电路设计的复杂程度、避免电压比较器的运用，需要对检测电流与参考电流进行比较，然后输出过流信号电平.该电路以MOS管代替电阻，MOS管构成的电流镜结构能高效进行电流比较输出.仿真验证结果表明：该电路具有良好的稳定性；功率管电流达到2 A后，过流信号能稳定输出；功率管电流与检测管电流的线性关系良好.