靈巧功率集成電路中功率MOSFET電流感知方法的研究

1 引言

20世紀70年代出現了世界性的能源危機，電力電子技術(shù)實(shí)現對電能的高效能變換和控制，其發(fā)展為節約能源做出了巨大貢獻。在電能傳輸與轉換（包括綠色電源產(chǎn)品）中，如何減少能源損耗已成為很重要的研究方向。80年代，新型功率mos器件和以其為基礎的靈巧功率集成電路（smart power integrated circuit，spic）隨著(zhù)微電子技術(shù)的進(jìn)步迅速發(fā)展起來(lái)，spic把控制集成電路與功率mos器件做在同一顆芯片上[1]，具有低成本，高效率，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，baliga曾提出spic的發(fā)展將會(huì )引起第二次電子革命。

spic集控制邏輯、保護電路、功率器件于一體，如圖1所示，在很多領(lǐng)域如電機驅動(dòng)器，電子鎮流器，dc－dc轉換器，功率因數校正器，開(kāi)關(guān)電源等都有應用，并體現出了明顯的優(yōu)勢。

由于保護電路集成于器件內，可以大大提高spic的可靠性。其中，功率器件的過(guò)流保護是非常重要一部分。通常功率器件的電流檢測有以下幾種方法：

在輸出回路中串接電阻[2] 此方法優(yōu)點(diǎn)是電流檢測準確，但是由于輸出電流很大，則在檢測電流上有很大的功率損耗。

rds檢測 此方法利用mos器件導通時(shí)工作于線(xiàn)性區，可以當作有源電阻。此方法雖可以?xún)炔考?，但是由于rds隨工作條件和外界環(huán)境條件（如溫度等）的變化而有很大的檢測誤差。

在輸出回路中加入互感線(xiàn)圈 雖然比串聯(lián)電阻減少了功率損耗，但也是成本很高的一種辦法。

sensefet的方法[2－4] sensefet感知電流方法的思想來(lái)源于電流鏡。相比其他方法有很多優(yōu)勢，如可完全集成，損耗功耗小，相對準確等，是spic中較常使用的方法。

2 sensefet方法檢測電流的工作原理

用sensefet進(jìn)行電流檢測，即是用sensefet與功率器件主體（以下稱(chēng)main fet）并聯(lián)，圖2為此方法的示意圖，圖中kelvin線(xiàn)表示考慮了電路中的電流流過(guò)金屬線(xiàn)造成的電壓差的影響[5]。通常sensefet的寬度遠小于mainfet的柵寬，比例越小，功耗越小，但是電流檢測準確度也會(huì )降低，因此要在功耗和準確度之間取合適的值，通常取n＝1：1 500，功率mos是許多單元并聯(lián)構成，電流完全按照單元數多少來(lái)分配，如果假設vsense很小，可以忽略其對sensefet源極電位s’與main fet的源極s的電位差，那么在sensefet上流過(guò)的電流可近似為功率器件電流的1/n，用此方法進(jìn)行電流檢測的過(guò)流保護電路[6]如圖3所示。

圖3中rsense上得到的反映電流變化的電壓vsense，經(jīng)過(guò)放大得到電壓v，再與基準電壓進(jìn)行比較，如果電流超過(guò)額定值，保護電路將輸出保護信號protect signal來(lái)關(guān)斷功率器件。

3 影響電流檢測準確性的原因分析

從以上分析可知，電流感知的準確度直接影響過(guò)流保護的輸出是否會(huì )有誤操作，那么怎樣才能準確地檢測功率器件的電流呢？下面將對可能引起電流感知誤差的因素進(jìn)行詳細的分析，使設計工程師在設計時(shí)考慮如何降低這樣因素對電流檢測的影響，從而得到更加準確的電流檢測電路。

在功率器件的工作過(guò)程中，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2方面來(lái)分析影響電流檢測準確性的原因，靜態(tài)工作時(shí)，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）源極連線(xiàn)電阻和pad電阻的不同，也就是mainfet的大電流流過(guò)金屬線(xiàn)產(chǎn)生的壓降與sensefet不同造成的誤差，此處可用kelvin連線(xiàn)降低該誤差。

（2）電流比例因子n的變化，如果不能忽略rsense的大小，那么sensefet源極電位s’與main fet的源極s的電位差將使比例因子n’變大[7]，見(jiàn)圖2所示，工作在線(xiàn)性區的sensefet電阻見(jiàn)公式（1）：

rs＝l/wμcos（vgs－vt） （1）

由于rsense的加入，n’變化為公式（2）所示，比n有所增加。

（3）溫度變化引起的電流檢測的誤差：由于溫度的變化，帶來(lái)的閾值電壓以及ron變化，從而影響了電流檢測的準確性。

功率mosfet動(dòng)態(tài)工作[6]時(shí)，考慮：

（1）功率管工作區從飽和區到線(xiàn)性區變化帶來(lái)的ron變化，改變了電流比例因子。當柵壓從低到高時(shí)，功率管導通，其漏極高電平降為低電平，將從飽和區過(guò)渡為線(xiàn)性區。在飽和區，電流比即為sensefet和mainfet的柵寬之比；在完全導通的狀態(tài)，電流比則由sensefet和maifet導通電阻決定。

（2）襯偏效應：由于sensefet源極電位s’為檢測電流和rsense的乘積，若檢測電流為周期變化的正弦半波，則源極電位s’與襯底電位之間也隨時(shí)間有個(gè)變化，則帶來(lái)sensefet的襯偏效應，使電流比例產(chǎn)生誤差。

（3）連線(xiàn)和封裝在高頻工作時(shí)互感的影響。

圖4中看到由于mainfet與sensefet引線(xiàn)單元排列之間將產(chǎn)生1：1的互感器，則在一側產(chǎn)生的di/dt由于耦合作用就會(huì )在電流檢測中產(chǎn)生很大的誤差[6]。

4 討論與總結

綜合以上的分析，對功率mosfet進(jìn)行準確的電流檢測是確保及時(shí)有效地過(guò)流保護的必要條件，本文介紹了功率mosfet的電流感知的幾種方法，并重點(diǎn)分析了靈巧功率集成電路中最常用的sensefet方法。該方法有許多優(yōu)點(diǎn)，完全集成于芯片內，功耗小、高可靠性?？紤]檢測電流的變化，檢測方法結構的影響，以及功率mosfet工作特點(diǎn)等因素，本文分析了影響電流檢測準確性的誤差源，可以為設計高性能的電流檢測過(guò)程提供參考。