电流检测芯片（精选3篇）
电流检测芯片 篇1
升压芯片常为平板电脑、数码相机、移动电话和游戏机等提供电源, 在白光LED电流源上也有广泛的应用。笔者设计改进了一种DMOS电流型的升压芯片, 分析了芯片内部分模块的工作原理, 给出了详细的芯片内部结构图, 通过仿真进行了论证, 并提出了改进的建议。
1 芯片内部原理结构说明
升压芯片主要由shutdown电路, 偏置电路, Gm放大器电路, 振荡电路, PWM电路, 过温保护电路, SR trigger电路, 输出驱动电路, 电流感应电路, 过流保护电路组成, 对其进行归纳整理, 可以得到其电路各部分功能流程图, 如图1所示。
2 各功能模块分析、仿真及改进
对上图1中的各个功能模块进行分析, 研究其各功能模块的工作原理, 给出部分模块的基本的电路图, 并对完成的电路进行仿真验证, 通过对验证的值进行分析, 提出了各项的改进建议, 为后期的芯片应用生产提供理论支持及佐证。
2.1 Bias模块
(1) 模块分析。图2为该设计芯片的电流偏置电路。其中:N4和P5为shutdown控制管;P4、R7、R6及N16、N7、N8、N3构成启动电路, 电路启动后与工作电路脱离。P10、P11及Q0、Q1、R4构成电流偏置电路的核心电路, Q0、Q1的发射极面积比及R4的阻值决定电路的偏置电流。通过其他电路对其镜像从而限定整个电路的静态工作电流, bias1及bias2是它输出的电流偏置信号。
因为R4的阻值大小决定整个电路的偏置电流, 所以在芯片制造时R4应做备用预留。
(2) 仿真改进。进行仿真, 对R4进行正负20%扫描, 观测偏置电流受R4阻值影响程度。从图3仿真波形可以看出R4在正负20%偏时, 偏置电流也大概呈正负20%偏移。所以偏置电流受R4精确度影响较大, 芯片设计时应增加R4a、R4b、R4c对R4进行微调备用。
2.2 Gm amp模块
(1) 功能分析。该电路 (图4) 为设计芯片输出反馈控制电路, pin脚fb的反馈电压是pin脚SW通过分压电阻分压得到的, out输出到脉宽调制器来控制脉宽调制的占空比。
电路中Q24、Q11、Q9、Q10及R15、R16、R25等电阻构成双管能隙电压源电路, 其中有四个trim-pad:t1、t2、t3、t4可微调基准电压源的基准电压;P128、P129使基准电压源可以正常启动;Q8、N85、P126构成跨导放大器, N43、N42为N85的微调管, 可调整跨导放大器的输出偏置电流值, 测试点t5通过P117可测量跨导放大器的输出偏置电流值;
Hspice仿真时由于用的三极管模型为bipoly工艺的三极管, 三极管参数Is、Ise、Isc值较大, 造成基准电压值Vfb较小为1.221v (Pspice仿真中Vfb值符合要求) , 所以在t4和R25之间串入微调电阻R41 (4.4个方块basep电阻) , 使Vfb可调范围增大。
(2) 关键器件及参数。在这个模块中, 尤其要注意的关键器件及参数如表1所示。
2.3 OSC模块
该电路 (图5) 为设计芯片的振荡电路, C1、C4及偏置电流决定了电路的振荡频率及占空比。整体仿真时由于三角波输出端接至一PNP的基极, 有部分电流流入PNP的基极, 分流了部分电流, 所以振荡频率和占空比也与三极管模型有关。C2、C3为C1、C4的预留备用, 建议此处多做两电容预留备用:C112 (1000um2) 、C113 (1000um2) , 测试点选择A (三角波输出) 和C (方波输出) 处。
对模块电路图的A处和B处分别修调电容进行仿真, 结果如表2所示。
2.4 PWM模块
(1) 功能分析。该电路 (图6) 为脉宽调制电路, 在每个振荡周期开始的时候, out输出为低电平, 使SR触发器将输出开关管打开, 随着通过开关管的电流的逐渐增大, 电流感应模块输出的偏置电流也随着增大, P33对其镜像也使流过P33的电流增大, 当流过P51、P52和P33的电流相加值大于N83的电流时, out输出变为高电平, 使开关管关闭, 从而实现脉宽调制功能。三角波输入电压值可影响通过P51、P52的电流值, Q13、Q16接成两级电流放大器, 以提高电流放大系数, 此处R29应预留微调。P123是对Gm模块输出电流进行镜像, N83对N84镜像取电流, 所以Gm输入电压值可影响通过N83的电流值。为了使脉宽调制电路可以正常工作, 在P44、P46、P48和P51、P52、P53两处做了预留微调。
(2) 关键器件和参数。在该模块中, 要注意的关键器件及参数如表3所示。
3 结语
本文只给出了部分模块部分的电路图及工作原理, 经过仿真设计, 基本可以达到预期功能。本文也为此类芯片的开发、研制及生产提供了详尽的资料, 具有一定的指导意义, 当然后期可对电路进行改进, 使得DMOS电流型升压芯片的设计更加合理和成熟。
电流检测芯片 篇2
一、赛项最终成绩
5月8日，2017年全国职业院校技能大赛“电子产品芯片级检测维修与数据恢复”赛项在天津中德应用技术大学举行。本次大赛由教育部等相关部门主办，由天津中德应用技术大学承办。共有来自全国高职院校的76支代表队，152名选手参赛。经过紧张比拼，由我院信息工程系应用电子技术专业和计算机专业杜玉恩、刘华增2名学生组成的代表队取得团体三等奖。
二、赛项比赛内容
该赛项旨在服务于中国制造2025、进一步引领高职院校培养高职计算机类相关专业学生软硬结合的产品开发意识和用户体验设计能力，激发其对电子产品芯片级检测维修与数据恢复领域的学习和研究兴趣，提高其软件编程能力和职业素养，为地方经济的工业化、信息化发展输送实用的高端人才。
三、赛事投入产出比 一）投入设备及培训费用：
1.该赛项今年投入大赛设备经费25.05万元； 2.选拔赛集训费用0.45万元； 3.赴深圳培训花费2.0万费。4.自购训练耗材1.2万元 合计28.7万元
二）教师投入时间与精力
教师利用业余及周末时间开展辅导工作，投入了很多的时间与精力，与学生一起研究赛题和技术难点。
四、赛项效益
一）赛项对专业建设的意义。
信息工程系应用电子技术专业一贯注重培养学生的动手能力、团队协作能力、创新意识和职业素养，依托电子创新工作室，广泛开展数据恢复技术与应用开发、电子产品设计与制作、电子产品维修赛项，以赛促学，提升学生的工程实践能力和创新能力，取得了可喜成绩，毕业生就业竞争力和社会认可度得到持续提升。
二）赛项成绩 该赛项在2016年省赛一等奖，2017年国赛选拔赛山东省赛区第2名，2017年国赛三等奖。总体在山东省及全国高职院校中成绩靠前。我认为总结经验教训，继续努力，还是能够取得一定的成绩，我认为该赛项应该保留。
袁照刚
一种电流型PWM控制芯片的设计 篇3
开关电源是近年来电源市场的焦点之一,它最大的优点是大幅度缩小变压器的体积和重量,提高了电源的工作效率。目前AC-DC开关电源需求量日益增大,在计算机、通信、电子仪器以及家用电器等领域有着广泛的应用前景。
近年来,开关电源的发展方向是核心电路的集成化,随着工艺技术的成熟,已经能将低压控制单元和高压大功率管集成到同一块芯片之中,目前市场上该类芯片越来越受欢迎,同时还具有过热保护、过压保护、欠压锁定、过流保护等功能。这种新型的开关电源集成电路给电源系统带来了很多优势。该芯片交流输入可直接从电网接入,应用功耗低,成本低,体积小,同时还提高了系统的稳定性,降低了成本,使电路应用设计更加简单[1]。
本文设计了一种AC-DC电流型开关电源控制芯片,该芯片集成了低压控制部分和高压功率管部分,本文将以控制电路部分为主,重点分析设计其中的核心模块电路。
2 电路工作原理
如图1所示,虚线框内为本电路的设计内容,框外是其典型应用的简化电路。本电路的主要模块包括带隙基准、振荡器、误差放大器、PWM比较器、欠压锁定电路、输出级驱动电路和过压保护电路等。
电路工作原理如下:系统的输出电压VOUT经过分压处理作为误差放大器的反向输入信号,与内部电压基准模块提供的1.25V基准电压比较后产生误差电压,而变压器初级线圈(电感)的电流在采样电阻上产生的电压降VCS作为电流检测比较器的输入,与误差放大器产生的误差电压进行比较,经过逻辑控制电路和输出驱动级的放大,输出PWM控制信号。
电路采用了电流型的反馈模式,在传统的电压反馈控制环内部增加了电流反馈控制环节,既为电压型PWM控制器的功能,又能检测开关电流或电感电流的变化,实现了电压电流双环控制。
3 电路模块设计与仿真
3.1 带隙基准电压源
由于传统带隙基准源中运放的失调电压的影响,会对基准源的精度造成影响。本文在分析传统带隙基准原理基础上,设计了一种新的无运放的带隙基准结构,电路主要由启动电路和基准电压电路以及输出分压电路组成[2],如图2所示。
M7-M10以及M12回路组成带隙基准的启动电路。M7-M10作为电流镜M5、M6的有源负载,并在系统上电时为M12提供一定的偏置电压,M12导通为带隙核心电路的共源共栅电流镜提供偏置,启动完成之后,M12关断。
R1、R2、Q1、Q2、M1~M4构成了核心带隙电路。基准电压为[3]:
晶体管反相饱和电流IS等于发射结面积A与其电流电流密度J的乘积。所以上式可写为:
由运算放大器、M13、R3~Rn组成了分压输出电路。运放的作用在于隔离基准电压与外部分压电阻,分压电阻产生一系列不同电压为电路各个模块提供电压。
借助于Hspice和Cadence工具,本文对电压源的温度特性进行了仿真:(见图3)
可以看出在-40℃~160℃的温度范围内,基准电压在1.1927V到1.1958V之间变化,幅度为3.1mV。温度系数为:
3.2 振荡器
本文设计的振荡器为电容充放电型振荡电路(又称张驰振荡器),该电路结构简单,布局尺寸面积小,电源电压对它的频率影响很小,能够在不增加功耗的条件下提高振荡器的精度[4]。主要指标参数如下:典型振荡频率为50k Hz,VH=3.5V,VL=1.0V,最大点空比为0.8。电路基本原理图如图4。
如图4(b)所示,M5作为开关S1,M21作为开关S2,分别控制着充电和放电回路。当S1为低电平时,M4、M9支路的电流I1为C1充电,当S2为高电平时,C1上的电荷通过M20、M22支路进行放电,充放电电流之比为。振荡器波形仿真结果见图5。
3.3 误差放大器
本文误差放大器的设计要求是:
3.3.1 直流增益为50d B。
3.3.2单位增益带宽为37.5kHz。
图6是本文的误差放大器的电路。Vref是参考电压,约为1.25V,VFB是反馈电压,M1~M8、M11组成差分输入的电流镜型放大器作为误差放大器的第一级电路,M9、M10组成源级跟随器电路作为电平移位器,其中M10以二级管连接的方式作为M9源级的负载,CC作为电路的补偿电容。本电路的第一级为放大电路第二级为电平
转移缓冲电路,所以整体电路的直流增益主要由第一级决定。
第一级电路的直流电压增益为:
其直流增益仿真如图7所示。
1mV的变化引起输出端440mV的变化,可以得到直流增益为:
3.4 PWM比较器
图8为PWM比较器的电路原理图,Ve为误差放大器(EA)的输出信号,Vcs是经采样电阻得到的采样电压,PWM为输出调制信号,Vbias为偏置电压。
当Ve电压较低时,M1开启状态较好,M7截止,其输出为高电平,通过反相器后的PWM信号为低电平;反之,M2开启状态较好,M7导通,其输出为低电平,通过反相器后的PWM信号为高电平。M7为共源放大级,提高差分放大器的增益。M8、M9为推挽反相器,可以允许有很大的输出电容,且不牺牲比较器的速度。
PWM信号的产生波形仿真结果见图9。
3.5 电源管理模块电路
电源管理模块实现了这一系列的管理功能:
3.5.1 实现低压5V电源的调节
3.5.2 实现欠压保护。
欠压锁定的工作过程为:系统上电后M1导通使得C被拉低,从而使得M2导通,A点被拉到VCC的电平,稳压管Dl被Ml隔离,UVLO输出正常工作的低电平,芯片正常工作。当由于某种原因使得VCC下降,当VCC下降到8.5V左右时,B点电位<3V时,M1截止,C点被拉高,通过schmitt触发器及反相器后,UVLO信号变为高电平,关断整个芯片。D1、D2、D3、M1、R3组成一个滞回比较器,使得上电和欠压在不同的VCC电平时发生。
系统上电后,使得开关管M16关断,M14导通,M13的栅极接到B点上,且B点电位在上电后与VCC的电压始终保持着一个稳压管的压降,所以无论VCC如何变化,M13管子的栅源电压保持不变,即流过此支路的电流I1保持不变,M15的栅源电压也保持恒定,D点被稳压管D6及M15钳位,M18近似镜像M15的电流亦即I2的电路恒定不变。由D点电压和I2电流的定值,使得I2在经过D7~D10的二极管后产生一个稳定的电压降,可确定出VDD的电压在电路正常工作后随即产生且不随VCC的变化而变化。
电路的工作仿真结果见图11。
如图11所示,芯片在上电后,在VCC为13.5V左右,将外部电压转变为内部使用的5V电压,VCC降为8.8V时,发生欠压保护,停止工作。
3.6 驱动电路
如图12所示是功率MOSFET栅级驱动电路。Vin是输入的PWM信号,经过驱动电路之后,转变成两个相反的方波信号:A点和B点信号。由这两个信号来驱动由两个大尺寸MOSFET组成的图腾柱输出,经过该输出电路结构,形成一个与PWM信号相同占空比,但有更大驱动电压和驱动电流的方波信号从GATE端输出,从而驱动功率MOSFET。驱动信号波形仿真结果如图13所示。
4 整体电路应用仿真
图14为完整的反激式开关电源应用电路图。可以看到,对于完整的系统应用,包括的外围电路有:全桥整流电路、RCD缓冲网络、LC滤波器;包括的外围元件有:变压器、功率MOS器件等[5]。借助于Pspice工具,本文进行了设计仿真。
图15是开关电源稳定工作时的波形图。
当电路进入正常工作状态时,由反馈FB端的电压的变化来控制功率管的关断,从而控制输出电压。当反馈端FB的电压升高大于参考电压时,Ve下降,在PWM比较器中,使得VCS的上升时间减小(图15c),使得PWM比较器的输出信号(RS触发器的复位信号)提早触发高电平,使得RS的输出Q端方波占空比减小。Q端方波经驱动电路,将波形变成高驱动电压和大的驱动电流的同样形状的方波,送至功率MOS的栅作为驱动信号(图15b)。从而通过控制驱动波形的占空比,控制开关电源输出电平稳定在一个值。
5 结论
本文设计了一种AC-DC电流型PWM控制芯片,通过对其功能及特性的分析,设计了各个子模块的电路,并对其进行了模拟仿真。结果表明,各个模块能够有效工作,满足各项设计指标。最后通过整体应用电路仿真,验证了各个子模块共同工作的有效性,实现了开关电源基本的工作过程。
图16 电源输出电压
摘要：本文借助Hspice和Cadence等EDA设计工具设计了一种电流模式的PWM控制电路芯片。重点研究了其中的核心模块电路:基准电压、PWM比较器、误差放大器(EA)、振荡电路、驱动电路和一系列保护电路。仿真结果表明设计的基准电压源具有较小的温度系数,能够在较宽的电源电压下正常工作,整体应用电路能够有效地调控工作。
关键词：开关电源,PWM,带隙基准
参考文献
[1]嵇维贵,冉峰,徐美华。智能功率开关电源IC设计[J].半导体技术,29,(1):68-72.
[2]Ye XB,Cheng ZL.Low voltage self biasing reference circuits.In:Proceedings the 4th International Conference on ASIC[C].IEEE,2001:314-317.
[3]李桂宏,谢世健.集成电路设计宝典[M].北京:电子工业出版社,2006:248-253.
[4]Wang C-Y,Ahmad M O,Swamy M N S.A CMOS current-controlled oscillator and its applications.Proc 2003 Int Symp Circ and syst[C]:Bangkok,Thailang,2003:793-796.