[發明專利]一種電流檢測電路及方法

有效

• 申請號: 201910057265.8
• 申請日: 2019-01-22
• 公開（公告）號: CN109696578B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 李學寧
• 申請（專利權）人: 東莞市長工微電子有限公司
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01R15/14
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 談杰

本發明公開了一種電流檢測電路及方法，電流檢測電路包括開關轉換器；所述開關轉換器包括：耦合輸入電壓與開關節點之間的高端主功率MOSFET；耦合在開關節點與輸出電壓之間的輸出電感；兩個或兩個以上的電流檢測部分，以檢測每個部分的電流；兩個或若干個電流檢測輸出電路，使每個區域的功率器件具有相同的電流檢測。本發明的電流檢測電路及方法能精確檢測集成電源系統的多區域電流。

技術領域

本發明涉及功率半導體器件電流檢測，具體涉及一種適用于集成電源系統的多區域精確電流檢測電路及方法。

背景技術

目前，電源或電壓調節器(VR)廣泛應用于各種電子系統中，以提供負載所需的恒壓電平和負載所需要的電流。此外，現代電力電子系統也需要對包含大范圍內的元件提供電流，從相對較高的峰值電流到輕負載運行模式下的極低電流。在所有的電源和變流器設計中，關鍵技術之一就是如何準確、及時地獲取用于電流控制和監測的電流信號。

例如，對于假定的服務器系統，在系統級電源和熱管理算法中需要使用精度不斷提高的電流檢測(CS)和功率遙測數據。例如，中央處理器(CPU)電源管理算法需要來自CPU穩壓器的負載電流信息。CPU負載電流信息用于優化CPU性能和運行平均功率限制(RAPL)控制，同時仍然保持系統的安全運行。電流檢測精度直接影響系統的性能、可靠性和功耗。因此，下一代服務器期望實現更嚴格的電流檢測精度目標。±2％電流檢測精度規范可能是寬負載運行范圍的未來趨勢。然而，使用眾所周知的技術來獲得這種精度以提高系統性能會給電子系統中的功率處理單元帶來額外的功耗或額外的成本。

傳統上，一個相對精確的電流檢測器可以通過使用一個專門的檢測電阻串聯到輸出電感器來實現。然而，這種傳統的方法會帶來相當多的額外功耗，尤其是對于高輸出電流應用。為了最大限度減少電流傳感檢測中不必要的功耗，在工業上廣泛采用電感直流電阻(DCR)檢測方案。電感器DCR電流傳感利用輸出電感器直流電阻(DCR)上的壓降來導出輸出電流信息。盡管基于DCR的傳感方案是無損的，但很難滿足現有和未來應用日益增長的電流檢測精度要求。基于DCR的電流檢測精度還受到DCR容差、時間常數失配、印刷電路板(PCB)組裝工藝和溫度補償不理想等因素的影響。

另一種方法可以是使用基于MOSFET RDS(on)的電流檢測技術。金屬氧化物-半導體-場效應晶體管(MOSFET)是廣泛應用于功率轉換器或電壓調節器(VR)中的關鍵元件，對于MOSFET器件，RDS(on)被稱為在導通狀態下的漏源電阻。基于RDS(on)的電流檢測方法由于不需要額外的檢測元件和外部時間常數匹配，因而得到了廣泛的應用。然而，基于RDS(on)的電流檢測精度受到MOSFET導通狀態電阻(RDS(on)從一個MOSFET元件到另一個MOSFET元件的容差(通常為20-40％)和溫度補償實現困難的顯著影響。

另一種替代方法可以使用“鏡像場效應晶體管”或“參考器件”來成比例地檢測流過主功率器件(如MOSFET)的電流?；趨⒖计骷碾娏鳈z測方法有可能實現滿載運行范圍內精確的電流檢測。電流檢測精度不再受硅工藝變化的影響，并且不再需要溫度補償，因為參考器件來自同一個模具；因此，它最能代表主功率裝置的運行情況?；趨⒖计骷碾娏鳈z測方法理論上是適合功率MOSFET現代集成設計的最佳方法。

對于集成功率MOSFET，例如在同步降壓轉換器或功率級中，功率MOSFET被布置成由金屬層并聯的數百萬個單元。流過主MOSFET的電流由參考器件檢測，參考器件可以是同一主器件的一個單元或多個單元，通常位于主MOSFET的中心。該參考器件具有與主器件相同的柵源電壓；參考器件的漏極強制電流產生與主MOSFET相同的漏極電壓。因此，流過參考器件的電流按比例表示流過主場效應晶體管(FET)的電流。參考器件與主MOSFET器件的電流比值與參考器件與主器件的幾何比值成正比。這對于主功率MOSFET具有均勻電流分布的小尺寸、低功率MOSFET是成立的。