《电子技术应用》
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一种适用于DC-DC变换器的导通电阻电流采样电路设计
集成电路应用
熊辉,马令坤,张杰,纪智博,刘坤,韩兴成
陕西科技大学电子信息与人工智能学院
摘要: 针对峰值电流模控制DC-DC变换器中传统电流采样方案存在温漂大、工艺兼容性差、电路结构复杂等问题,采用CanSemi 0.18 μm CMOS工艺设计一种全MOS结构的漏源导通电阻RDS(on)电流采样电路。该电路利用功率管与采样管导通电阻的比例匹配实现电流采样,采样比例仅与两者宽长比相关,基本不受输入电压、温度和工艺角变化的影响。同时,引入自适应电流补偿结构,有效抑制偏置电流对小信号采样精度的影响。仿真结果表明,在-40 ℃至130 ℃温度范围内采样精度最低为98.3%,在TT、FF、SS、SNFP和FNSP五种工艺角下、2.9~5 V输入电压范围内采样误差均小于5%。电路版图面积仅 49 μm×45 μm,结构精简、易于集成,具有良好的鲁棒性和工程实用价值。
中图分类号:TN432文献标识码:ADOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2026.04.006
中文引用格式:熊辉,马令坤,张杰,等. 一种适用于DCDC变换器的导通电阻电流采样电路设计[J].集成电路应用,2026,43(4):33-38.
英文引用格式:Xiong Hui,Ma Lingkun,Zhang Jie,et al. Design of an on-resistance current sensing circuit for DC-DC converters[J].Application of IC,2026,43(4):33-38.
Design of an on-resistance current sensing circuit for DC-DC converters
Xiong Hui,Ma Lingkun,Zhang Jie,Ji Zhibo,Liu Kun,Han Xingcheng
School of Electronic Information and Artificial Intelligence, Shaanxi University of Science and Technology
Abstract: To address the issues of large temperature drift, poor process compatibility, and complex circuit structure in conventional current sensing schemes for peak current-mode controlled DC-DC converters, a fully MOSFET-drain-source on-resistance RDS(on) current sensing circuit is designed in CanSemi 0.18 μm CMOS process. The proposed circuit utilizes the proportional matching of on-resistances between the power transistor and the sense transistor to realize current sensing, where the sensing ratio depends only on their width-to-length ratio and is substantially independent of input voltage, temperature, and process corner variations. Furthermore, an adaptive current compensation structure is introduced to effectively mitigate the impact of bias current on small-signal sensing accuracy. Simulation results demonstrate that the sensing accuracy reaches a minimum of 98.3% over a temperature range of -40 ℃ to 130 ℃. Under five process corners (TT, FF, SS, SNFP, FNSP) and an input voltage range of 2.9 V to 5 V, the sensing error remains below 5%. The circuit occupies a compact layout area of only 49 μm × 45 μm, featuring a simplified structure, ease of integration, good robustness, and significant engineering practical value.
Key words : DC-DC converter; current sensing; CMOS process; drain-source on-resistance; current compensation

引言

随着物联网与便携式电子设备的快速发展,电源管理芯片对效率、集成度与成本提出了更高要求。峰值电流模控制因其动态响应快、逐周期限流保护等优势,广泛应用于降压变换器、升压变换器等DC-DC变换器中[1]。电流采样电路作为电流内环的核心[2],其精度直接影响系统的稳态性能和过流保护可靠性。

传统电流采样方法包括电阻采样、MOS管镜像采样和电感直流电阻(Direct Current Resistance,DCR)采样。电阻采样精度高但引入额外导通损耗[3];镜像采样无损耗但受沟道长度调制和温漂影响[4];电感DCR采样[5]需要外接RC网络,且DCR值小,信噪比低。基于功率管导通电阻RDS(ON)的采样方法[6]利用功率管自身的导通压降检测电流,无额外损耗,但在传统结构中采样比例易受“工艺-电压-温度”(Process Voltage Temperature,PVT)影响。

近年来,工业界和学术界对高精度电流采样进行了广泛研究。Huang等人[7]提出了一种适用于大电流CPU供电的沟槽MOS电流镜像采样方案,通过采样场效应管(Sensing Field Effect Transistor,Sense FET)直接镜像功率管电流,并采用专用电流检测放大器处理高共模电压,在-40 ℃~125 ℃全温区内实现了±97%的采样精度。该方案面向多相大电流场景,但需要多芯片封装和专用运放,成本较高。杨子航等人[8]基于0.5 μm BCD工艺提出大电流场景下的补偿型采样电路,通过增加电流释放管与放电支路提升大电流采样精度,0~7 A内精度始终大于99%,但该方案采用BCD工艺,兼容性与集成度有限。

基于功率管导通电阻的采样方法使功率管工作在线性区,利用导通电阻实现电流检测,不受饱和区镜像限制,受沟道长度调制影响小,其结构如图1所示。

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图1RDS(ON)采样电路结构

在工程实现中,直接检测功率管导通压降是一种高效、低成本、无损耗的电流采样方案[9]。MOS管工作在线性区时,漏极电流与漏源电压满足式(1)~(3):

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通过检测MOS管漏源电压VDS即可间接获得电感电流,MOS管工作在线性区,基本没有沟道长度调制效应,具有无损耗、易集成等优势。但缺点也很明显,由式(3)可知,导通电阻大小易受输入电压波动变化,载流子迁移率μ和单位面积栅氧化层电容COX与工艺有关,不同工艺下μ和COX的值也不同,同时μ还受温度影响,会随温度升高而减小,阈值电压VTH也随温度升高而降低[10],因此导通电阻RDS(ON)温漂大,且易受工艺因素制约,在全温区范围内,采样精度显著下降。

针对导通电阻RDS(ON)采样温漂大的问题,Ren等人[11]提出了一种基于RDS(ON)的高精度电流采样电路,采用电阻进行电压-电流转换,并使用BJT电流镜补偿温度漂移。该电路虽对温度进行了补偿,提高了采样精度,但却忽略了偏置电流IBIAS对采样精度的影响,尤其当负载电流较小时,IBIAS对采样精度的影响显著升高,且该方法依赖电阻和BJT,在纯CMOS工艺中难以集成。

为解决上述不足,本文面向低压便携设备,提出一种全MOS结构的电流采样电路,并引入电流补偿结构减小偏置误差。本电路无需运放、电阻和BJT,结构更简单,且完全兼容标准CMOS工艺,成本更低。


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作者信息:

熊辉,马令坤,张杰,纪智博,刘坤,韩兴成

(陕西科技大学电子信息与人工智能学院,陕西西安710021)

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