近年來隨著便攜式產品的快速發展，對電源管理提出了越來越高的要求，而開關電源DC-DC具有高效率、低成本、小尺寸等優異性能，已經成為便攜式產品的主流結構。

    電流模式控制的DC-DC具有良好的動態響應性能，簡化了補償電路的復雜性，減小電感所需的值，因此電流模式的DC-DC得到了快速的發展^[1]。在設計電流模式控制電路中，需要高效、快速地檢測電流，因此設計一個良好的電流模式控制電路對系統性能是至關重要的。

    電流檢測電路有很多種方式，參考文獻[1]采用電感串聯電阻檢測，雖然能夠達到較高的精度，但是電阻必定產生壓降，勢必導致系統效率的降低；參考文獻[2]采用功率管R_DS檢測，雖然無需采樣電阻，電路結構也簡單，但是由于R_DS深受溫度的影響，直接導致了檢測精度的降低；當今普遍采用的電流檢測電路是功率管拷貝檢測^[3-8]，其思想是利用鏡像功率管拷貝開關管電流，為了保證精度，需要輔助電路，然而很多文獻^[3-4]的輔助電路引入運放，這就增加了功耗；參考文獻[5]設計了無需采用運放的結構，但是其檢測的精度和速度都比較低。本文對參考文獻[6]的結構進行改進，加入反饋電路，提高了電流檢測電路環路的單位增益帶寬且又不失相位裕度，使得電流檢測電路具有高速、高精度的特點。

1 電路設計與分析

1.1 DC-DC系統結構

    本文所提出的DC-DC電路的內部結構框圖如圖1所示，其中虛線框內為芯片外圍器件，整個電路主要由功率管(M_N、M_P)、誤差放大器、振蕩器、PWM比較器、斜坡補償電路、邏輯驅動電路、基準電壓源以及其他偏置和保護電路組成。其中電流檢測電路采樣開關電流，采樣電流與斜坡補償電流經電阻R_M得到輸出電壓V_M作為PWM比較器的輸入端。通過這種方式，電流模式控制技術實現了逐個開關周期內控制輸出電路，具有比電壓控制更優越的動態性能以及負載調整率等特點。

1.2 傳統電流檢測電路

    傳統電流檢測電路如圖2所示，其中M_P、M_N為功率管，M_S為功率拷貝管，M_P和M_S的寬長比為K：1。根據電流復制作用可以得到：

    電流檢測反饋環路為M₄、M₅和M₆（節點a、b、c、d），斷開節點b，形成環路。可以計算出環路增益和環路單位增益帶寬：

    如果g_m6較小，則|T|和UGF較小。此時雖然PM較大，但是限制了電流檢測感應的速度，盡管負載電流的增大使得g_m6會增大， |T|和UGF相應的增大，但是PM會下降，導致檢測波形發生過沖。因此對于傳統的電流檢測電路，其速度和精度都較小。

    圖3顯示了當UGF較大的情況下出現過沖的現象以及UGF較小的情況下出現感應速度變慢的現象。因此傳統電流檢測電路存在弊端，需要進行改進。

1.3 改進型電流檢測電路

    本文所提出的電流檢測電路如圖4所示。相比于傳統電流檢測電路，該電路通過引入新的反饋環M₈~M₁₂（虛線框內），當節點d電壓發生變化時，通過M₁₂使得流過M₁₁的電流發生變化，電流鏡復制后改變流過M₈、M₇的電流，進而改變節點b的電壓，再通過M₅改變節點e的電壓，使得節點e的電壓V_e接近節點d的電壓V_d，因此提高了V_c跟蹤V_a的精度。

    圖4引入M_s1、M_s2、M_s3是為了當輸入V_GP為高電平時，V_a和V_c電壓不會下降到0，從而在V_GP為低電平時縮短了電路的建立時間。同時M_s3的引入與參考文獻[6]相比，又降低了電路所產生的功耗。

   斷開節點b，可以推出環路的增益:

    由式(6)可知，存在4個極點，主極點P₁=1/(R_d·C_d)。由于R_b很小，故第4極點P₄=1/(R_b·C_b)對環路的穩定性沒有影響。對于第2、第3極點：

    由式（7）與（10）知，環路的增益以及環路單位增益帶寬都得到了提高，因此能夠有效提高電流感應的速度以及精度。

    給定偏置電流I_b為500 nA，盡管流過M₁₁、M₁₀以及M₈的電流會隨著負載電流的增大而增大，但是改進型電流檢測電路總電流與負載電流比值非常小（始終小于0.2%）。

2 仿真結果與分析

    采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝模型，利用Cadence工具對本文設計的電路進行仿真驗證。當輸入電壓V_in=3 V、輸出電壓V_out=1.2 V時，在不同負載下對傳統電流檢測環路以及改進型電流檢測環路的頻率特性進行仿真測試，仿真結果如圖5所示。

    從圖5可以看出，改進型電流檢測電路環路的頻率特性得到了較好的改善。

    當輸入電壓V_in=3 V、輸出電壓V_out=1.2 V時，在負載電流I_load=50 mA以及I_load=500 mA情況下，得到的電流檢測電路瞬態曲線圖如圖6所示，可以知道其效率都能達到96%，建立時間小于40 ns。

    當輸入電壓V_in=3 V、輸出電壓V_out=1.2 V時，在負載電流從50 mA變到500 mA的情況下，對輸出電壓進行瞬態仿真，仿真結果如圖7所示。從圖7可以得到，輸出電壓V_out的下過沖電壓為79 mV，上過沖電壓為89 mV，其恢復時間小于36 μs，具有較好的瞬態響應性能。表1顯示了系統的總體性能。

     本文通過分析傳統型電流檢測電路的缺點，在傳統電流檢測電路的基礎上進行改進，提出了一種適用于降壓DC-DC的改進型電流檢測電路。所提出的電流檢測電路加入反饋技術，提高電流檢測電路環路的單位增益帶寬且又不失相位裕度，因此較好地提高了電流檢測的精度和速度。通過對電路的理論分析與設計，采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝模型，利用Cadence工具對電路進行仿真驗證，得到在負載電流為50 mA～500 mA時都能夠達到96%效率以及小于40 ns的建立時間。在開關頻率為2 MHz時，輸入電壓范圍為2.5 V~4.2 V，所需電感值為4.7 μH，電容值為10 μF，輸出電壓紋波小于18 mV。同時系統瞬態響應的上過沖與下過沖均小于90 mV，建立時間小于36 μs。

參考文獻

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