CN106018916B - 一种开关压降可配置电流检测精准的电源开关电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关压降可配置电流检测精准的电源开关电路结构。该电源开关电路结构应用于需要外接供电电源的通信电路中。在一些电路结构中，为了提高整体电路的性能，往往需要在电路中添加一些高性能的电路模块，然而这些高性能的模块一方面不容易集成，一方面需要单独供电，所以一般会设计一些电源开关电路结构来为这些模块供电。电源开关模块为负载模块供电，并根据负载模块抽走电流的大小做出相应判断：负载电流小于一个特定的值，认为负载介入后电路工作在一种状态；当负载电流大于一个值，负载模块接入时工作在了另外一种状态。本发明的电源开关电路能够为负载模块提供可配置的开关压降，同时根据负载模块抽走的负载电流的大小来判断负载电路的工作状态，输出相应的状态信息。

Description

一种开关压降可配置电流检测精准的电源开关电路结构

技术领域

本发明是为一些没有集成的电路模块供电的一种电路结构，属于硬件电路领域。

背景技术

在实际的电路应用中，往往需要加一些性能高、难集成的模块，从而提高电路的整体性能。这些电路在应用时需要单独供电，避免和其他电路产生串扰；同时负责供电的模块也需要对负载模块抽走的电流进行监控，从而根据负载电流的大小来判断负载模块的工作状态。例如在导航应用当中，卫星发送到地面的信号非常微弱，周边环境的变化对于接收并处理卫星信号的接收机有较大的影响。为了克服这个困难，一般将不太容易集成的天线部分和高性能的低噪声放大器部分单独集成在一个封装中，组成有源天线模块，用该有源天线接收微弱的无线信号，经过一定的滤波和放大后，将更高强度的信号送入接收机进行处理。

由于外部加入的高性能电路内部一般均含有有源器件，所以需要供电电源为其提供能量。电源开关电路一般两个功能：一方面能够为负载电路提供电源，另一方面能够根据负载电路抽走的电流的大小来判断负载电路的工作状态。

一般的电源开关电路结构如图1所示：PD-MUX控制2选1多路选择器，使得场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的栅极有选择的接到电源VDD上或者地GND上；场效应晶体管M1栅极接GND时，场效应晶体管M1处于全导通状态，VDD通过场效应晶体管M1为负载电路供电；场效应晶体管M2的漏极和场效应晶体管M1的漏极通过OP钳制在一起，尽量保证场效应晶体管M1和场效应晶体管M2电流彼此成比例；场效应晶体管M2镜像场效应晶体管M1的电流降落在电阻R1上产生的电压量送入后端电路中。这样一个结构既实现了为负载电路供电，同时又能监控负载电流的大小。

但是这种传统结构的电源开关模块有两个问题：场效应晶体管M2中流过的电流和场效应晶体管M1电流的比例比较离散；负载模块的电源电压(即场效应晶体管M1的漏极电位)具有较大的离散型。

图1中，当电源开关模块为负载电路供电的时候，场效应晶体管M1和场效应晶体管M2栅极被拉倒GND上，器件工作在开关状态，这时候只要误差放大器OP存在着失陪，场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的漏极电压稍有区别，场效应晶体管M1和场效应晶体管M2中流过的电流之比将会很大程度上受到OP失调电压的影响，并且场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的电流比会和误差放大器OP的失调电压一样服从正态分布，方差较大。场效应晶体管M2中流过的离散分布电流降落在电阻R1上产生了输出模拟电压I_TH。

另一个问题：场效应晶体管M1工作在线性区的时候，等效导通阻抗是一个受器件工艺特性影响的值。尤其在CMOS工艺中，器件的离散程度较大，所以电源开关模块的供电电压将会受到场效应晶体管M1导通阻抗影响的值，这个问题需要优化。

发明内容

(1)发明目的

在对传统结构的电源开关模块进行分析时发现：电路在电流检测值离散度和输出电压离散度上都比较差，在一些要求严格的产品中，这样的结果是不能满足产品要求的。

当图1中场效应晶体管M1和场效应晶体管M2栅极电位接到GND上的时候，MOS器件工作在线性区，MOS器件工作在线性区的时候电流电压方程如下所示：

I_D是MOS器件漏极流过的电流，K是工艺常数，W是器件宽度，L是器件长度，V_GS代表MOS器件的栅源电压，V_TH代表MOS器件的阈值电压，V_DS是器件源极和漏极的电压。

图1中的误差放大器OP在实际情况下会因为失配等原因产生一定的失调电压，这样将会导致场效应晶体管M1漏极电位和场效应晶体管M2的漏极电位并不完全相同，场效应晶体管M1的漏极电压V_DS-M1与场效应晶体管M2的漏极电压V_DS-M2之间的压差大小等于误差放大器OP的失调电压ΔV。一般来讲，产品中常见的失调电压的3倍标准差ΔV是一个20mV左右的数量级值，具体值和实际的电路设计有关。

假定场效应晶体管M1的漏源电压为V_DS，场效应晶体管M2的漏源电压为(V_DS±ΔV)，其中ΔV是OP的失调电压，那么场效应晶体管M1和场效应晶体管M2中流过的电流比为：

场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的宽长比之比是一个固定的值，理论上场效应晶体管M1和场效应晶体管M2中流过的电流比应该是宽长比之比，但是OP失调电压导致了工作在线性区的两个器件的电流之比还受到了MOS管漏源电压的影响。假定V_DS是80mV，ΔV是20mV，那么场效应晶体管M2镜像场效应晶体管M1电流产生检测点的电流值就变成了[75％～125％]的范围。

当负载模块接到图1所示的电源开关模块后，将场效应晶体管M1的开关等效为一个阻值很小的导通电阻，将负载模块等效为一个电阻和电容的并联，电路如图2所示。电源开关模块的供电电压VOUT实际上由如下公式决定：

RM1是场效应晶体管M1的导通阻抗，RM1越小，VOUT的值越接近于电源电压VDD。但是场效应晶体管M1的导通阻抗是一个受到工艺等因素影响较大的值，同一批制作出来的场效应晶体管M1管在相同偏压下，导通阻抗RM1会有较大的离散型，这种现象将会导致电源开关模块的供电电压VOUT是一个离散程度较高的值。

(2)技术方案

修改场效应晶体管M1和场效应晶体管M2栅极电压的连接方式如图3所示。当电源开关模块正常工作时，场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的栅极电位接到了一个偏置电压VB上，此时场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的宽长比W/L比图1的宽长比W/L大，使得场效应晶体管M1和场效应晶体管M2工作在饱和区，饱和区电压电流公式为：

从如上公式可以看到，此时场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的电流将不会受到漏源电压V_DS的影响，误差放大器OP的失调电压导致的场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的漏极电压存在的ΔV基本上不再影响两个器件的电流比，电流检测点将会非常的准确，两者的比值如下面的公式所示。

电源开关模块本身工作在电压VDD下，一般希望电源开关模块的输出电压OUT尽量的接近VDD，即场效应晶体管M1管的漏源压差尽可能的小，从而为负载模块提供尽可能高的电源电压。但是在图3中已经提到，为了使得场效应晶体管M2能够精准镜像场效应晶体管M1中的电流，场效应晶体管M1和场效应晶体管M2要工作在饱和区，这就要求场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的漏源压差高于场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的过驱动电压。所以场效应晶体管M1和场效应晶体管M2管的漏极电压，存在着一个比较合适的值，既能使得场效应晶体管M1和场效应晶体管M2镜像精准，又能尽量提高电源开关的输出电压OUT。

针对优化场效应晶体管M1和场效应晶体管M2漏源电压的问题，采用如下方法来处理。实际电路中，最准的直流量就是带隙基准源BG产生的基准电压VREF，可以将场效应晶体管M1管的漏极和一个基准电压钳制在一起，这样输出端的电位将会是一个稳定的值。

图4中，来自基准源BG的基准电流IB流过可变电阻R1，这样基准源BG产生的基准电压将会按比例复制到可变电阻R1两端的电压差上。误差放大器OP将供电管场效应晶体管M1两端的压差和可变电阻R1两端的压差保持一致，从而将输出端的电压VOUT稳定在如下的电压值：

VOUT＝VDD-IBG*R1＝VDD-k*VREF

输出的电压会是一个以VDD为基准，衰减值可以准确的控制在电压IGB*R1(即k*VREF)，k为一个可以控制比例参数。将开关和电阻设计成为可变电阻的阵列的模式，电源开关模块的供电电压VOUT将会是一个可配置的值，现实中根据实际精度的需要，调整可变电阻的值，如果需要低精度电流检测和高供电电压，就将R1设置成一个较小的值，相反如果需要高精度电流检测和低供电电压，就将R1设置成一个较大的值，当然也可以将R1设置为一个中间的值，使得电流检测适中和低供电电压也适中。

附图说明

图1传统的电源开关检测模块电路结构；

图2供电管工作在开关状态时电源开关模块的工作时意图；

图3供电管工作在饱和区时电源开关模块电路结构；

图4输出电压可精准控制的电源开关模块电路结构；

图5供电电压可配置电流检测精准的电源开关模块结构；

图6主供电管工作在线性区时电源开关模块电流检测精度仿真值；

图7主供电管工作在饱和区时电源开关模块电流检测精度仿真值。

具体实施方式

针对传统问题修改以后顶层电路包括输出电压配置、主供电支路和负载电流检测支路3个部分，如图5所示。片上基准源BG提供的基准电流IB流过可变电阻R1，所以可变电阻R1两端的电压差将会是一个准确的值，可变电阻R1被设置成可以配置的电阻阵列；误差放大器OP-1将可变电阻R1两端的压差和主供电管场效应晶体管M1的漏源压差钳制在一起，这使得场效应晶体管M1的漏源的压降可以配置；误差放大器OP-2将OUT结点和场效应晶体管M2的漏极结点钳制在一起，使得场效应晶体管M2管能够准确镜像场效应晶体管M1中电流，这里面使用的误差放大器必须是轨到轨的类型，从而使得电路在任何其它初始状态均可以转移到正常工作状态，避免出现上电以后电路不能工作的问题；负载电流检测支路中场效应晶体管M2管流过的电流降在R2上形成了一个电压，这个电压送入模拟信号处理单元A1，A1将处理完的状态信号送入后续电路进行处理。根据实际的需要，合理选择可变电阻R1，使得场效应晶体管M1和场效应晶体管M2的电流镜向精准程度和输出电压的高低满足要求。

图6是主供电管工作在线性区时电源开关模块电流检测精度仿真的一个实例，横轴为电流检测点的值，纵轴是监测点抽样分布的数目，结果显示检测电流的中心值为1mA，标准差是1.1mA，分布非常离散。图7是主供电管工作在饱和区时电源开关模块电流检测精度仿真值的一个实例，中心值为1mA的检测电流，标准差是0.022mA，改进后电流检测点的分布离散程度有了非常大的提高。

Claims (4)

1.一种开关压降可配置电流检测精准的电源开关电路结构，其特征在于，包括输出电压配置、主供电支路、负载电流检测支路，共计3个部分；

所述输出电压配置包括基准源BG和可变电阻R1；

所述主供电支路包括误差放大器OP-1和场效应晶体管M1；

所述负载电流检测支路包括误差放大器OP-2、场效应晶体管M2和电阻R2；

所述基准源BG提供的基准电流IB流过所述可变电阻R1，这样所述可变电阻R1下端的电位将由电源电压VDD、所述基准源BG提供的基准电流IB和所述可变电阻R1决定；

所述误差放大器OP-1的反向输入端连接所述可变电阻R1和所述基准源BG的公共连接端，所述误差放大器OP-1的正向输入端连接所述场效应晶体管M1的漏极，所述场效应晶体管M1的漏极连接输出端口OUT，所述误差放大器OP-1的输出端连接所述场效应晶体管M1的栅极，从而将所述可变电阻R1下端的电位和输出端口OUT钳制在一起，以达到所述输出端口OUT点电位可控的目的；

所述误差放大器OP-1的输出端还连接所述场效应晶体管M2的栅极，所述误差放大器OP-2的正向输入端连接所述场效应晶体管M1的漏极，所述误差放大器OP-2的反向输入端连接所述场效应晶体管M2的漏极，从而将所述输出端口OUT结点和场效应晶体管M2的漏极结点钳制在一起，以保证所述场效应晶体管M2精准镜像场效应晶体管M1中的电流；

所述场效应晶体管M2的漏极与接地端GND之间连接有电阻R2,使得负载电流检测支路中所述场效应晶体管M2流过的电流在电阻R2上形成了一个电压，这个电压送入后续模块进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种开关压降可配置电流检测精准的电源开关电路结构，其特征在于，场效应晶体管M1、场效应晶体管M2的器件类型和尺寸需要匹配。

3.根据权利要求1所述的一种开关压降可配置电流检测精准的电源开关电路结构，其特征在于，本结构的误差放大器OP-1和OP-2必须是轨到轨放大器。

4.根据权利要求1所述的一种开关压降可配置电流检测精准的电源开关电路结构，其特征在于，负载电流检测支路个数是大于等于1的自然数，各条支路细分供电电流区间，从而对供电状态进行更细致的描述。