一种新型电流极限比较电路

摘要：本文主要介绍一种新型电流极限比较电路。该电路提供过流，限制流过LDMOS上的电流，同时根据负载状况调节电流极限值，从而达到调整占空比的作用。分析了该新型电流极限比较电路的电路结构与工作原理。采用1μm CMOS工艺，通过HSPICE进行电路仿真和流片测试，证明本文提出的电流极限比较电路正确可行。

关键词：电流极限；前沿闭锁；比较器

开关电源因体积小、重量轻、效率高、性能稳定等优点在电子、电器设备、家用等领域得到了广泛的应用，进入了快速发展期。开关电源的基本工作原理为：在不同的负载情况下，反馈控制电路通过改变功率开关的占空比使输出电压稳定。反馈控制电路分为电流模式和电压模式，电流模式因动态响应快、补偿电路简单、增益带宽大、输出电感小、易于均流等优点而被广泛应用。

在电子电路中，电流极限比较电路是电流模式控制电路中一个非常重要的部分，利用其来限制流过某些器件上的电流。例如，对于电流能力比较小的某些器件，要保证其有一定的电流流过，但同时要求电流不能超过一定的数值，此时，就可以利用电流极限比较电路来限制其流过的电流。同时对不同的负载情况，产生不同的极限电流，去限制电感上的峰值电流或平均电流，从而尽可能地减小输出电压纹波和提高电源效率。

1电流极限比较电路设计

电流极限比较电路主要由前沿闭锁电路，电阻网络和比较器三部分来组成。如图1所示，其中前沿闭锁电路由左边的M9，M29，M30和C2组成，电阻网络由R1，R2，R3和R4组成，最右边的MOS管组成了两级比较器。前沿闭锁电路的具体工作原理为：

当A4为低时，M9开，M29关则电容C2充电，小功率管M35的栅为低不进行采样比较；当A4为高后，M29开，电容开始放电，由于电容的作用，M35的栅逐渐升高最终开启进行比较。

电容的大小决定了前沿闭锁时间，另外M30管子的宽长比会决定电容的放电电流，也会影响前沿闭锁时间。

在前沿闭锁时间，前沿闭锁输出信号(经过反向器后的输出)在充到5V以前，M4，M5，M6，M7的支路会打开，这就增加Vref，提高了比较器的抗干扰能力，因为Vref增加后，即使前沿闭锁时间设置的偏短，电流极限比较器也不容易翻转变化。当A4信号变高稳定后，前沿闭锁输出信号为高电平，M4，M5，M6，M7的支路关闭，不影响正常的比较。

电阻网络由状态机的输出Y7，Y8，Y9和A4控制，当电路正常工作后，即A4为高后，电容C2放电，此时电阻网络完全由Y7，Y8和Y9控制，Y7，Y8和Y9的不同状态，分别对应的不同的电阻网络，如下表所示：

状态机根据负载状况调节电阻网络，由于电阻网络的值决定了电流极限比较电路的极限电流值，因此，状态机的输出Y7、Y8和Y9决定了整个电路工作的最大电流值，最终达到调整占空比的作用。

下面对比较器设计进行讨论，分析，比较器是标准的两级比较器，如图1所示，第一级为差分比较器，由MT1、MT2、M3、M2、M22、M25、M26、M27和R0构成，第二级为电流沉负载比较器，由M1和M24组成，在设计时需将第一级的输出转换电平设计为第二级的输入转换电平。输入信号为A4，电流采样信号为SENSOR，基准源输出的偏置信号X15。输出信号为比较信号A8和为前沿闭锁电路提供偏置的信号L3。

设计时，第一级比较器尾电流源为M25、M26、M27，假设其尾电流之和为ISS，当M35源端的电压等于基准电压N7时，产生第一级转换电平N4，此时N1电压约等于N4电压，可得式(1)

则第一级的输出转换电平可表示为式(2)

假设第二级比较器的电流沉M1电流为I1，第二级输入转换电平可表示为式(3)

则根据前面的分析可知需将式(2)等于式(3)，可得：

此外，设计时需将(W/L)M2=(W/L)M22，(W/L)MT1=(W/L)MT2。

2仿真

对该电路进行瞬态仿真，仿真结果如下图所示：

如图3所示，其中带“O”的线表示SENSOR端的电压，带“X”的线表示电路的输出信号A8，可以很直观的看出在Low状态下，即Y7、Y8和Y9都为低的时候，当SENSOR电压超过1.85V的时候，电路的输出信号A8由高变为低，说明此时已经过流，再根据R1、R2、R3和R4的阻值就可以算出此时的电流极限值，例如，本例中，R1=3.3kΩ，R2=3.4kΩ，R3=2.7kΩ，R4=6kΩ，在Low状态下，R=R1+R2+R3+R4=15.4kΩ，计算的此时的电流极限值为：120mA。同样，在其他状态下，得到不同的电流极限值，从表1中我们知，在Low状态下，电流极限值最小，在High状态下，电流极限值最大。从仿真波形可以看出该电路实现了限制过流的功能，同时还可以根据负载状况调节电流极限值。

3电路的测试

对该电路芯片进行了实际的测试，测试结果如图4所示：

如图4所示，其中波形1表示SENSOR端的电压信号，其波形为频率为1kHz，峰峰值为6V的锯齿波，波形2表示输出端A8的电压信号，其波形为频率为1kHz，峰峰值为6V的方波，线a表示地，线b表示波形1和波形2的交点，此时状态机输出状态为Low，即Y7、Y8和Y9都为低，从上图可以看出，当输入信号SENSOR端的电压超过(b-a)的时候，输出信号A8的电压迅速从6V降低到0V，图中Δ表示a与b之间的电压差，即Δ=(b-a)=1.80V，和仿真结果接近。在其他状态下，测试结果也和仿真结果接近，测试结果表明，该电路可以实现提供过流，同时根据负载状况调节电流极限值的作用。

4结束语

本文提出了一种新型的电流极限比较电路，其目的在于提供过流，限制流过LDMOS上的电流，同时根据负载状况调节电流极限值，从而达到调整占空比的作用。通过电路的仿真以及流片测试，证明本文提出的电流极限比较电路实现了预期的电流比较功能，可以应用于各种需要电流极限比较的电路。

参考文献

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