功率集成电路中功率MOSFET电流感知方法的研究

发布时间:2010-7-21 16:24    发布者:conniede
关键词: MOSFET , 电流感知 , 功率 , 集成电路
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:由于温度的变化,带来的阈值电压以及Ron变化,从而影响了电流检测的准确性。

功率MOSFET动态工作[6]时,考虑:

(1)功率管工作区从饱和区到线性区变化带来的Ron变化,改变了电流比例因子。当栅压从低到高时,功率管导通,其漏极高电平降为低电平,将从饱和区过渡为线性区。在饱和区,电流比即为SenseFET和MainFET的栅宽之比;在完全导通的状态,电流比则由SenseFET和MaiFET导通电阻决定。

(2)衬偏效应:由于SenseFET源极电位S’为检测电流和Rsense的乘积,若检测电流为周期变化的正弦半波,则源极电位S’与衬底电位之间也随时间有个变化,则带来SenseFET的衬偏效应,使电流比例产生误差。

(3)连线和封装在高频工作时互感的影响。

图4中看到由于MainFET与SenseFET引线单元排列之间将产生1:1的互感器,则在一侧产生的di/dt由于耦合作用就会在电流检测中产生很大的误差[6]。

4 讨论与总结

综合以上的分析,对功率MOSFET进行准确的电流检测是确保及时有效地过流保护的必要条件,本文介绍了功率MOSFET的电流感知的几种方法,并重点分析了灵巧功率集成电路中最常用的SenseFET方法。该方法有许多优点,完全集成于芯片内,功耗小、高可靠性。考虑检测电流的变化,检测方法结构的影响,以及功率MOSFET工作特点等因素,本文分析了影响电流检测准确性的误差源,可以为设计高性能的电流检测过程提供参考。
本文地址:https://www.eechina.com/thread-15857-1-1.html     【打印本页】

本站部分文章为转载或网友发布,目的在于传递和分享信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责;文章版权归原作者及原出处所有,如涉及作品内容、版权和其它问题,我们将根据著作权人的要求,第一时间更正或删除。
您需要登录后才可以发表评论 登录 | 立即注册

厂商推荐

相关在线工具

相关视频

关于我们  -  服务条款  -  使用指南  -  站点地图  -  友情链接  -  联系我们
电子工程网 © 版权所有   京ICP备16069177号 | 京公网安备11010502021702
快速回复 返回顶部 返回列表