【分享】功率MOSFET的幾種電流感知方法-KIA MOS管

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了世界性的能源危機(jī)，電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效能變換和控制，其發(fā)展為節(jié)約能源做出了巨大貢獻(xiàn)。在電能傳輸與轉(zhuǎn)換（包括綠色電源產(chǎn)品）中，如何減少能源損耗已成為很重要的研究方向。

80年代，新型功率MOS器件和以其為基礎(chǔ)的靈巧功率集成電路（Smart Power Integrated Circuit，SPIC）隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步迅速發(fā)展起來，SPIC把控制集成電路與功率MOS器件做在同一顆芯片上，具有低成本，高效率，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，Baliga曾提出SPIC的發(fā)展將會(huì)引起第二次電子革命。

SPIC集控制邏輯、保護(hù)電路、功率器件于一體，如圖1所示，在很多領(lǐng)域如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電子鎮(zhèn)流器，DC－DC轉(zhuǎn)換器，功率因數(shù)校正器，開關(guān)電源等都有應(yīng)用，并體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

由于保護(hù)電路集成于器件內(nèi)，可以大大提高SPIC的可靠性。其中，功率器件的過流保護(hù)是非常重要一部分。通常功率器件的電流檢測(cè)有以下幾種方法：

在輸出回路中串接電阻此方法優(yōu)點(diǎn)是電流檢測(cè)準(zhǔn)確，但是由于輸出電流很大，則在檢測(cè)電流上有很大的功率損耗。

RDS檢測(cè) 此方法利用MOS器件導(dǎo)通時(shí)工作于線性區(qū)，可以當(dāng)作有源電阻。此方法雖可以內(nèi)部集成，但是由于RDS隨工作條件和外界環(huán)境條件（如溫度等）的變化而有很大的檢測(cè)誤差。

在輸出回路中加入互感線圈 雖然比串聯(lián)電阻減少了功率損耗，但也是成本很高的一種辦法。

SenseFET的方法 SenseFET感知電流方法的思想來源于電流鏡。相比其他方法有很多優(yōu)勢(shì)，如可完全集成，損耗功耗小，相對(duì)準(zhǔn)確等，是SPIC中較常使用的方法。

2、SenseFET方法檢測(cè)電流的工作原理

用SenseFET進(jìn)行電流檢測(cè)，即是用SenseFET與功率器件主體（以下稱Main FET）并聯(lián)，圖2為此方法的示意圖，圖中Kelvin線表示考慮了電路中的電流流過金屬線造成的電壓差的影響。

通常SenseFET的寬度遠(yuǎn)小于MainFET的柵寬，比例越小，功耗越小，但是電流檢測(cè)準(zhǔn)確度也會(huì)降低，因此要在功耗和準(zhǔn)確度之間取合適的值，通常取n＝1：1 500，功率MOS是許多單元并聯(lián)構(gòu)成，電流完全按照單元數(shù)多少來分配，如果假設(shè)Vsense很小，可以忽略其對(duì)SenseFET源極電位S’與Main FET的源極S的電位差，那么在SenseFET上流過的電流可近似為功率器件電流的1/n，用此方法進(jìn)行電流檢測(cè)的過流保護(hù)電路如圖3所示。

圖3中Rsense上得到的反映電流變化的電壓Vsense，經(jīng)過放大得到電壓V，再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，如果電流超過額定值，保護(hù)電路將輸出保護(hù)信號(hào)Protect signal來關(guān)斷功率器件。

3、影響電流檢測(cè)準(zhǔn)確性的原因分析

從以上分析可知，電流感知的準(zhǔn)確度直接影響過流保護(hù)的輸出是否會(huì)有誤操作，那么怎樣才能準(zhǔn)確地檢測(cè)功率器件的電流呢？

下面將對(duì)可能引起電流感知誤差的因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，使設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)考慮如何降低這樣因素對(duì)電流檢測(cè)的影響，從而得到更加準(zhǔn)確的電流檢測(cè)電路。

在功率器件的工作過程中，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2方面來分析影響電流檢測(cè)準(zhǔn)確性的原因，靜態(tài)工作時(shí)，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）源極連線電阻和PAD電阻的不同，也就是MainFET的大電流流過金屬線產(chǎn)生的壓降與SenseFET不同造成的誤差，此處可用Kelvin連線降低該誤差。

（2）電流比例因子n的變化，如果不能忽略Rsense的大小，那么SenseFET源極電位S’與Main FET的源極S的電位差將使比例因子n’變大，見圖2所示，工作在線性區(qū)的SenseFET電阻見公式（1）：

RS＝L/WμCOS（VGS－VT） （1）

由于Rsense的加入，n’變化為公式（2）所示，比n有所增加。

（3）溫度變化引起的電流檢測(cè)的誤差：由于溫度的變化，帶來的閾值電壓以及Ron變化，從而影響了電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

功率MOSFET動(dòng)態(tài)工作時(shí)，考慮：

（1）功率管工作區(qū)從飽和區(qū)到線性區(qū)變化帶來的Ron變化，改變了電流比例因子。

當(dāng)柵壓從低到高時(shí)，功率管導(dǎo)通，其漏極高電平降為低電平，將從飽和區(qū)過渡為線性區(qū)。在飽和區(qū)，電流比即為SenseFET和MainFET的柵寬之比；在完全導(dǎo)通的狀態(tài)，電流比則由SenseFET和MaiFET導(dǎo)通電阻決定。

（2）襯偏效應(yīng)：由于SenseFET源極電位S’為檢測(cè)電流和Rsense的乘積，若檢測(cè)電流為周期變化的正弦半波，則源極電位S’與襯底電位之間也隨時(shí)間有個(gè)變化，則帶來SenseFET的襯偏效應(yīng)，使電流比例產(chǎn)生誤差。

（3）連線和封裝在高頻工作時(shí)互感的影響。

圖4中看到由于MainFET與SenseFET引線單元排列之間將產(chǎn)生1：1的互感器，則在一側(cè)產(chǎn)生的di/dt由于耦合作用就會(huì)在電流檢測(cè)中產(chǎn)生很大的誤差。

4、總結(jié)

綜合以上的分析，對(duì)功率MOSFET進(jìn)行準(zhǔn)確的電流檢測(cè)是確保及時(shí)有效地過流保護(hù)的必要條件，本文介紹了功率MOSFET的電流感知的幾種方法，并重點(diǎn)分析了靈巧功率集成電路中最常用的SenseFET方法。

該方法有許多優(yōu)點(diǎn)，完全集成于芯片內(nèi)，功耗小、高可靠性。考慮檢測(cè)電流的變化，檢測(cè)方法結(jié)構(gòu)的影響，以及功率MOSFET工作特點(diǎn)等因素，本文分析了影響電流檢測(cè)準(zhǔn)確性的誤差源，可以為設(shè)計(jì)高性能的電流檢測(cè)過程提供參考。

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