CN102175908B - 利用功率管布线寄生电阻实现电流检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用功率管布线寄生电阻实现电流检测的方法，其包括如下步骤：a、提供M个相并联布置的晶体管；b、相邻晶体管相对应的连接端通过金属互联；相邻晶体管的互连金属形成寄生电阻R_para，并使寄生电阻R_para的金属长度为L，宽度为W及方块电阻为R_square；c、在上述通过寄生电阻R_para并联成整体的功率管内，选择N个晶体管作为电流采样晶体管；d、通过晶体管与寄生电阻R_para间的电流与电压关系，计算出N个晶体管间寄生电阻的等效电阻R_equal，para；e、对上述N个晶体管间的电压值Vtotal进行采样，通过上述N个晶体管间的电压值Vtotal与N个晶体管间的等效电阻R_equal，para间的关系，得到相应的采样电流I_N。本发明方工艺操作方便，不增加集成电路版图面积，降低加工成本，适应范围广，安全可靠。

Description

利用功率管布线寄生电阻实现电流检测的方法

技术领域

本发明涉及一种电流检测的方法，尤其是一种利用功率管布线寄生电阻实现电流检测的方法，属于集成电路的技术领域。

背景技术

在开关电源变换器中，开关电源变换器可以采用电压模式控制技术；当开关变换器的输入电压变化时，其控制信号需要经过输出滤波器和误差放大器延时后才能控制相应功率管的导通和截止。开关电源变换器还可以采用电流模式控制技术，其中电流模式控制技术通过检测功率管电流，可以快速控制功率管的导通和截止。与电压模式控制技术相比，电流模式控制技术不存在输出滤波器和误差放大器延时，具有更快的环路响应，能够快速稳定输出电压。因此，在开关电源变换器领域，电流模式和电压模式两种控制技术往往被一起采用。

目前，对功率管电流的检测方法一般是在电流通路上串联一个电阻，该电阻将流过功率管的电流转换成电压，被称为电流检测电阻。所述方法简单易用，但是在集成电路中专门制作电流检测电阻会增加版图面积，带来芯片制造成本压力。因此，需要一种新的方法，既可以保留串联电流检测电阻简单易用的特点，又不会增加集成电路版图面积。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种利用功率管布线寄生电阻实现电流检测的方法，其方法简单，工艺操作方便，不增加集成电路版图面积，降低芯片制造成本，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述利用功率管布线寄生电阻实现电流检测的方法包括如下步骤：

a、提供M个相并联布置的晶体管；b、相邻晶体管相对应的连接端通过金属互联，使所有的晶体管并联成整体，形成所需的功率管；相邻晶体管的互连金属形成寄生电阻R_para，并使寄生电阻R_para的金属长度为L，宽度为W及方块电阻为R_square；c、在上述通过互连金属并联成整体的功率管内，选择N个晶体管作为电流采样晶体管，并将所述选择晶体管间的寄生电阻R_para作为功率管的电流检测电阻；d、通过晶体管与寄生电阻R_para间的电流与电压关系，计算出N个晶体管间寄生电阻的等效电阻R_equal，para，得到相应的等效电阻R_equal，para为

e、对上述N个晶体管间的电压值Vtotal进行采样，通过上述N个晶体管间的电压值Vtotal与N个晶体管间的等效电阻R_equal，para间的关系，得到相应的采样电流I_N。

所述步骤b中，寄生电阻R_para为所述步骤b中，连接相邻晶体管的金属材料包括铝。

本发明的优点：多个晶体管通过金属互连形成整体，金属连线存在寄生电阻；通过设置寄生电阻的金属长度L，宽度W及方块电阻R_square，从而能够得到所需阻值的寄生电阻；通过选取相应的晶体管作为采样晶体管，通过对选择晶体管间的电压值Vtotal与晶体管间等效电阻R_equal，para关系，得到相应的采样电流值；避免了在功率管外设置检测电阻，减少了集成电路版图的面积，降低了芯片制造成本，工艺操作简单，适应范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明功率管源极布线寄生电阻的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

在现有的开关电源变换器中，使用电流模式与电压模式来调整功率管的导通与截止。在电流模式中，需要设置检测电阻，检测电阻与功率管相串联，通过对检测电阻的电压或电流检测，来控制功率管的导通与截止，实现电流模式的控制。当设置检测电阻后，需要增加集成电路的版图面积，会提高集成电路的成本。

为了在不增加集成电路的版图面积情况下，实现对功率管的电流检测功能，本发明利用功率管布线寄生电阻实现电流检测的方法包括如下步骤：

a、提供M个相并联布置的晶体管；

在集成电路中，一个大尺寸的功率管通常由多个小尺寸的晶体管并联而成，因此为了得到所需的功率管，需要提供多个相并联布置的晶体管；即M至少为两个，当M为一个时，不能形成所需的寄生电阻；

b、相邻晶体管相对应的连接端通过金属互联，使所有的晶体管并联成整体，形成所需的功率管；相邻晶体管的互连金属形成寄生电阻R_para，并使寄生电阻R_para的金属长度为L，宽度为W及方块电阻为R_square；

连接相邻晶体管的金属包括铝，为集成电路工艺中常用的材料；当通过金属连接晶体管时，所述互连金属就会形成寄生电阻，即集成电路中，为了连接晶体管，就必然产生寄生电阻R_para；且通过设置寄生电阻R_para相关的参数，就能够得到所需阻值，利用寄生电阻来对功率管的电流进行采样，不会增加集成电路的版图面积，能够有效降低加工成本；所述寄生电阻R_para的阻值由金属长度为L，宽度为W及方块电阻为R_square决定，关系为

所述互连金属及其连接工艺均为常规的集成电路工艺，不增加集成电路制造的复杂度；

c、在上述通过互连金属并联成整体的功率管内，选择N个晶体管作为电流采样晶体管，并将所述选择晶体管间的寄生电阻R_para作为功率管的电流检测电阻；

所述N为小于或等于M整数，采样晶体管的个数N根据实际需要选取；当N等于M时，对功率管内的所有晶体管进行采样，当N小于M时，对功率管内部分晶体管进行采样；当选择检测电阻的阻值后，根据等效电阻关系，采样晶体管的个数N也就随之确定了，或者当选定采样晶体管的个数N后，检测电阻的阻值也随之确定；

d、通过晶体管与寄生电阻R_para间的电流与电压关系，计算出N个晶体管间寄生电阻的等效电阻R_equal，para，得到相应的等效电阻R_equal，para为

$R_{\mathrm{equal},\mathrm{para}}=\frac{N(N-1)}{2}{R}_{\mathrm{para}};$

所述功率管内M个晶体管相并联布置，且M个晶体管相同，假定流过每个晶体管的电流均为I，因此能够得到N个晶体管间的电压值

$V_{\mathrm{total}}=I\·R_{\mathrm{para}}+2I\·R_{\mathrm{para}}+\mathrm{\Λ}+(N-1)I\·R_{\mathrm{para}}=\frac{N\·(N-1)}{2}\·I\·R_{\mathrm{para}};---\left(1\right)$

流经各个晶体管的电流I相等，功率管的总电流是I_OUT＝MI，检测电压V_total与功率管总电流之间的关系是：

$V_{\mathrm{total}}=\frac{N\·(N-1)}{2}\·\frac{I_{\mathrm{OUT}}}{M}\·R_{\mathrm{para}};---\left(2\right)$

由公式(2)的表达式可知，检测电压V_total与功率管总电流I_OUT存在联系，当电流变化时，检测电压也随之产生相同趋势的变化。功率管金属布线寄生电阻R_para的值由布线电阻的宽度W、长度L和方块电阻R_square共同决定，功率管采样寄生电阻的等效电阻表示为：

$R_{\mathrm{equal},\mathrm{para}}=\frac{N(N-1)}{2}\·\frac{L}{W}\·R_{\mathrm{square}};---\left(3\right)$

e、对上述N个晶体管间的电压值Vtotal进行采样，通过上述N个晶体管间的电压值Vtotal与N个晶体管间的等效电阻R_equal，para间的关系，得到相应的采样电流I_N；

当采样晶体管的个数N确定后，能够得到相应的采样寄生电阻；通过对N个晶体管两端的电压值Vtotal进行采样，得到相应的电压值；由欧姆定律可知，能够得到相应的采样电流I_N。在对功率管进行控制中，能够根据检测得到的电流值，通过现有的电流采样及功率管控制方法，能够及时有效地控制功率管的导通与截止。

如图1所示：表示选取功率管内48个晶体管作为电流采样晶体管，48个晶体管并联布置，即N＝48。其中，图中数字分别为：1表示晶体管的栅极端，也即是功率管的栅极端，2表示晶体管的漏极端，也即是功率管的漏极端。这里晶体管的源极端间通过互连金属相连，也可以将晶体管的漏极端通过金属连线相连。48个晶体管的源极端通过金属连线连接成所需的功率管，金属连线形成寄生电阻R_para。当功率管的栅极端1为高电平时，电流从漏极端2流入每个晶体管，且每个晶体管的电流I均相等；3、4、5、6、7分别为第一节点、第二节点、第三节点、第四节点及第五节点；中间部分节点省略。晶体管导通后，在第一节点3与第二节点4间产生的电压为I·R_para；同时流入第二节点4的电流为2I，得到在第二节点4与第三节点5间产生的电压为2I·R_para，以此类推，得到第四节点6与第五节点7间产生的47I·R_para。因此，在第一节点3与第五节点7间产生的电压为

$V_{\mathrm{total}}=I\·R_{\mathrm{para}}+2I\·R_{\mathrm{para}}+\mathrm{\Λ}+(N-1)I\·R_{\mathrm{para}}=\frac{N\·(N-1)}{2}\·I\·R_{\mathrm{para}}=1128I\·R_{\mathrm{para}}.$

上述电压即为采样电压Vtotal，通过采样电压Vtotal的变化，能够反应采样电流I_N的变化，从而实现对功率管的导通与截止状态控制。

当设置寄生电阻R_para的金属长度L、宽度W及方块电阻R_square后，能够得到相应的寄生电阻R_para具体电阻值，功率管电流流经寄生电阻R_para后产生采样电压值。采样电压值，能够随着电流的变化而变化，且能够根据不同的需要，选择不同的采样晶体管个数N，达到不同的检测电阻阻值，操作方便，为功率管的电流检测提供了新的途径。

本发明多个晶体管通过金属互连形成整体，金属连线存在寄生电阻；通过设置寄生电阻的金属长度L，宽度W及方块电阻R_square，从而能够得到所需阻值的寄生电阻；通过选取相应的晶体管作为采样晶体管，通过对选择晶体管间的电压值Vtotal与晶体管间等效电阻R_equal，para关系，得到相应的采样电流值；避免了在功率管外设置检测电阻，减少了集成电路版图的面积，降低了加工成本，工艺操作简单，适应范围广，安全可靠。

Claims (1)

1.一种利用功率管布线寄生电阻实现电流检测的方法，其特征是，所述实现电流检测的方法包括如下步骤：

a、提供M个相并联布置的晶体管；M至少为两个；

b、相邻晶体管相对应的连接端通过金属互联，使所有的晶体管并联成整体，形成所需的功率管；相邻晶体管的互连金属形成寄生电阻R_para，并使寄生电阻R_para的金属长度为L，宽度为W及方块电阻为R_square；

连接相邻晶体管的金属包括铝；当通过金属连接晶体管时，所述互连金属就会形成寄生电阻，即集成电路中，为了连接晶体管，就必然产生寄生电阻R_para；且通过设置寄生电阻R_para相关的参数，就能够得到所需阻值，利用寄生电阻来对功率管的电流进行采样，不会增加集成电路的版图面积，能够有效降低加工成本；所述寄生电阻R_para的阻值由金属长度为L，宽度为W及方块电阻为R_square决定，关系为 $R_{\mathrm{para}}=\frac{L}{W}{R}_{\mathrm{square}};$

c、在上述通过互连金属并联成整体的功率管内，选择N个晶体管作为电流采样晶体管，并将选择晶体管间的寄生电阻R_para作为功率管的电流检测电阻；

所述N为小于或等于M整数，采样晶体管的个数N根据实际需要选取；当N等于M时，对功率管内的所有晶体管进行采样，当N小于M时，对功率管内部分晶体管进行采样；当选择检测电阻的阻值后，根据等效电阻关系，采样晶体管的个数N也就随之确定了，或者当选定采样晶体管的个数N后，检测电阻的阻值也随之确定；

d、通过晶体管与寄生电阻R_para间的电流与电压关系，计算出N个晶体管间的寄生电阻的等效电阻R_equal,para，得到相应的等效电阻R_equal,para为

$R_{\mathrm{equal},\mathrm{para}}=\frac{N(N-1)}{2}{R}_{\mathrm{para}};$

所述功率管内M个晶体管相并联布置，且M个晶体管相同，假定流过每个晶体管的电流均为I，因此能够得到N个晶体管间的电压值

$V_{\mathrm{total}}=I\·R_{\mathrm{para}}+2I\·R_{\mathrm{para}}+\·\·\·+(N-1)I\·R_{\mathrm{para}}=\frac{N\·(N-1)}{2}\·I\·R_{\mathrm{para}};---\left(1\right)$

流经各个晶体管的电流I相等，功率管的总电流是I_OUT=MI，检测电压V_total与功率管总电流之间的关系是：

$V_{\mathrm{total}}=\frac{N\·(N-1)}{2}\·\frac{I_{\mathrm{OUT}}}{M}\·R_{\mathrm{para}};---\left(2\right)$

由公式（2）的表达式可知，检测电压V_total与功率管总电流I_OUT存在联系，当电流变化时，检测电压V_total也随之产生相同趋势的变化；其中，检测电压V_total是N个晶体管间的电压值Vtotal；晶体管间的寄生电阻R_para的值由布线电阻的宽度W、长度L和方块电阻R_square共同决定，晶体管间的寄生电阻的等效电阻表示为：

$R_{\mathrm{equal},\mathrm{para}}=\frac{N(N-1)}{2}\·\frac{L}{W}\·R_{\mathrm{square}};---\left(3\right)$

e、对上述N个晶体管间的电压值Vtotal进行采样，通过上述N个晶体管间的电压值Vtotal与N个晶体管间的寄生电阻的等效电阻R_equal,para间的关系，得到相应的采样电流I_N；

当采样晶体管的个数N确定后，能够得到相应的采样寄生电阻；通过对N个晶体管间的电压值Vtotal进行采样，得到相应的电压值；由欧姆定律可知，能够得到相应的采样电流I_N；在对功率管进行控制中，能够根据检测得到的电流值，通过现有的电流采样及功率管控制方法，能够及时有效地控制功率管的导通与截止。

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