功率集成电路中功率MOSFET电流感知方法的研究
发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:293
1 引言
20世纪70年代出现了世界性的能源危机,电力电子技术实现对电能的高效能变换和控制,其发展为节约能源做出了巨大贡献。在电能传输与转换(包括绿色电源产品)中,如何减少能源损耗已成为很重要的研究方向。80年代,新型功率mos器件和以其为基础的灵巧功率集成电路(smart power integrated circuit,spic)随着微电子技术的进步迅速发展起来,spic把控制集成电路与功率mos器件做在同一颗芯片上[1],具有低成本,高效率,高可靠性等优点,baliga曾提出spic的发展将会引起第二次电子革命。
spic集控制逻辑、保护电路、功率器件于一体,如图1所示,在很多领域如电机驱动器,电子镇流器,dc-dc转换器,功率因数校正器,开关电源等都有应用,并体现出了明显的优势。
由于保护电路集成于器件内,可以大大提高spic的可靠性。其中,功率器件的过流保护是非常重要一部分。通常功率器件的电流检测有以下几种方法:
在输出回路中串接电阻[2] 此方法优点是电流检测准确,但是由于输出电流很大,则在检测电流上有很大的功率损耗。
rds检测 此方法利用mos器件导通时工作于线性区,可以当作有源电阻。此方法虽可以内部集成,但是由于rds随工作条件和外界环境条件(如温度等)的变化而有很大的检测误差。
在输出回路中加入互感线圈 虽然比串联电阻减少了功率损耗,但也是成本很高的一种办法。
sensefet的方法[2-4] sensefet感知电流方法的思想来源于电流镜。相比其他方法有很多优势,如可完全集成,损耗功耗小,相对准确等,是spic中较常使用的方法。
2 sensefet方法检测电流的工作原理
用sensefet进行电流检测,即是用sensefet与功率器件主体(以下称main fet)并联,图2为此方法的示意图,图中kelvin线表示考虑了电路中的电流流过金属线造成的电压差的影响[5]。通常sensefet的宽度远小于mainfet的栅宽,比例越小,功耗越小,但是电流检测准确度也会降低,因此要在功耗和准确度之间取合适的值,通常取n=1:1 500,功率mos是许多单元并联构成,电流完全按照单元数多少来分配,如果假设vsense很小,可以忽略其对sensefet源极电位s’与main fet的源极s的电位差,那么在sensefet上流过的电流可近似为功率器件电流的1/n,用此方法进行电流检测的过流保护电路[6]如图3所示。
图3中rsense上得到的反映电流变化的电压vsense,经过放大得到电压v,再与基准电压进行比较,如果电流超过额定值,保护电路将输出保护信号protect signal来关断功率器件。
3 影响电流检测准确性的原因分析
从以上分析可知,电流感知的准确度直接影响过流保护的输出是否会有误操作,那么怎样才能准确地检测功率器件的电流呢?下面将对可能引起电流感知误差的因素进行详细的分析,使设计工程师在设计时考虑如何降低这样因素对电流检测的影响,从而得到更加准确的电流检测电路。
在功率器件的工作过程中,从静态和动态2方面来分析影响电流检测准确性的原因,静态工作时,主要有以下几个方面:
(1)源极连线电阻和pad电阻的不同,也就是mainfet的大电流流过金属线产生的压降与sensefet不同造成的误差,此处可用kelvin连线降低该误差。
(2)电流比例因子n的变化,如果不能忽略rsense的大小,那么sensefet源极电位s’与main fet的源极s的电位差将使比例因子n’变大[7],见图2所示,工作在线性区的sensefet电阻见公式(1):
rs=l/wμcos(vgs-vt) (1)
由于rsense的加入,n’变化为公式(2)所示,比n有所增加。
(3)温度变化引起的电流检测的误差:由于温度的变
1 引言
20世纪70年代出现了世界性的能源危机,电力电子技术实现对电能的高效能变换和控制,其发展为节约能源做出了巨大贡献。在电能传输与转换(包括绿色电源产品)中,如何减少能源损耗已成为很重要的研究方向。80年代,新型功率mos器件和以其为基础的灵巧功率集成电路(smart power integrated circuit,spic)随着微电子技术的进步迅速发展起来,spic把控制集成电路与功率mos器件做在同一颗芯片上[1],具有低成本,高效率,高可靠性等优点,baliga曾提出spic的发展将会引起第二次电子革命。
spic集控制逻辑、保护电路、功率器件于一体,如图1所示,在很多领域如电机驱动器,电子镇流器,dc-dc转换器,功率因数校正器,开关电源等都有应用,并体现出了明显的优势。
由于保护电路集成于器件内,可以大大提高spic的可靠性。其中,功率器件的过流保护是非常重要一部分。通常功率器件的电流检测有以下几种方法:
在输出回路中串接电阻[2] 此方法优点是电流检测准确,但是由于输出电流很大,则在检测电流上有很大的功率损耗。
rds检测 此方法利用mos器件导通时工作于线性区,可以当作有源电阻。此方法虽可以内部集成,但是由于rds随工作条件和外界环境条件(如温度等)的变化而有很大的检测误差。
在输出回路中加入互感线圈 虽然比串联电阻减少了功率损耗,但也是成本很高的一种办法。
sensefet的方法[2-4] sensefet感知电流方法的思想来源于电流镜。相比其他方法有很多优势,如可完全集成,损耗功耗小,相对准确等,是spic中较常使用的方法。
2 sensefet方法检测电流的工作原理
用sensefet进行电流检测,即是用sensefet与功率器件主体(以下称main fet)并联,图2为此方法的示意图,图中kelvin线表示考虑了电路中的电流流过金属线造成的电压差的影响[5]。通常sensefet的宽度远小于mainfet的栅宽,比例越小,功耗越小,但是电流检测准确度也会降低,因此要在功耗和准确度之间取合适的值,通常取n=1:1 500,功率mos是许多单元并联构成,电流完全按照单元数多少来分配,如果假设vsense很小,可以忽略其对sensefet源极电位s’与main fet的源极s的电位差,那么在sensefet上流过的电流可近似为功率器件电流的1/n,用此方法进行电流检测的过流保护电路[6]如图3所示。
图3中rsense上得到的反映电流变化的电压vsense,经过放大得到电压v,再与基准电压进行比较,如果电流超过额定值,保护电路将输出保护信号protect signal来关断功率器件。
3 影响电流检测准确性的原因分析
从以上分析可知,电流感知的准确度直接影响过流保护的输出是否会有误操作,那么怎样才能准确地检测功率器件的电流呢?下面将对可能引起电流感知误差的因素进行详细的分析,使设计工程师在设计时考虑如何降低这样因素对电流检测的影响,从而得到更加准确的电流检测电路。
在功率器件的工作过程中,从静态和动态2方面来分析影响电流检测准确性的原因,静态工作时,主要有以下几个方面:
(1)源极连线电阻和pad电阻的不同,也就是mainfet的大电流流过金属线产生的压降与sensefet不同造成的误差,此处可用kelvin连线降低该误差。
(2)电流比例因子n的变化,如果不能忽略rsense的大小,那么sensefet源极电位s’与main fet的源极s的电位差将使比例因子n’变大[7],见图2所示,工作在线性区的sensefet电阻见公式(1):
rs=l/wμcos(vgs-vt) (1)
由于rsense的加入,n’变化为公式(2)所示,比n有所增加。
(3)温度变化引起的电流检测的误差:由于温度的变
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