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    【分享】功率MOSFET的幾種電流感知方法-KIA MOS管

    信息來源:本站 日期:2022-03-24 

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    【分享】功率MOSFET的幾種電流感知方法-KIA MOS管


    20世紀70年代出現了世界性的能源危機,電力電子技術實現對電能的高效能變換和控制,其發展為節約能源做出了巨大貢獻。在電能傳輸與轉換(包括綠色電源產品)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器件和以其為基礎的靈巧功率集成電路(Smart Power Integrated Circuit,SPIC)隨著微電子技術的進步迅速發展起來,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,高可靠性等優點,Baliga曾提出SPIC的發展將會引起第二次電子革命。


    SPIC集控制邏輯、保護電路、功率器件于一體,如圖1所示,在很多領域如電機驅動器,電子鎮流器,DC-DC轉換器,功率因數校正器,開關電源等都有應用,并體現出了明顯的優勢。


    MOSFET 電流感知 集成電路


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


    在輸出回路中串接電阻此方法優點是電流檢測準確,但是由于輸出電流很大,則在檢測電流上有很大的功率損耗。


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


    在輸出回路中加入互感線圈 雖然比串聯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勢,如可完全集成,損耗功耗小,相對準確等,是SPIC中較常使用的方法。


    2、SenseFET方法檢測電流的工作原理

    用SenseFET進行電流檢測,即是用SenseFET與功率器件主體(以下稱Main FET)并聯,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的寬度遠小于MainFET的柵寬,比例越小,功耗越小,但是電流檢測準確度也會降低,因此要在功耗和準確度之間取合適的值,通常取n=1:1 500,功率MOS是許多單元并聯構成,電流完全按照單元數多少來分配,如果假設Vsense很小,可以忽略其對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,用此方法進行電流檢測的過流保護電路如圖3所示。


    MOSFET 電流感知 集成電路


    圖3中Rsense上得到的反映電流變化的電壓Vsense,經過放大得到電壓V,再與基準電壓進行比較,如果電流超過額定值,保護電路將輸出保護信號Protect signal來關斷功率器件。


    MOSFET 電流感知 集成電路


    3、影響電流檢測準確性的原因分析

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


    下面將對可能引起電流感知誤差的因素進行詳細的分析,使設計工程師在設計時考慮如何降低這樣因素對電流檢測的影響,從而得到更加準確的電流檢測電路。


    在功率器件的工作過程中,從靜態和動態2方面來分析影響電流檢測準確性的原因,靜態工作時,主要有以下幾個方面:


    (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。

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    (3)溫度變化引起的電流檢測的誤差: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的準確性。


    功率MOSFET動態工作時,考慮:

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


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


    (2)襯偏效應:由于SenseFET源極電位S’為檢測電流和Rsense的乘積,若檢測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間有個變化,則帶來SenseFET的襯偏效應,使電流比例產生誤差。


    (3)連線和封裝在高頻工作時互感的影響。


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


    MOSFET 電流感知 集成電路


    4、總結

    綜合以上的分析,對功率MOSFET進行準確的電流檢測是確保及時有效地過流保護的必要條件,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。


    該方法有許多優點,完全集成于芯片內,功耗小、高可靠性??紤]檢測電流的變化,檢測方法結構的影響,以及功率MOSFET工作特點等因素,本文分析了影響電流檢測準確性的誤差源,可以為設計高性能的電流檢測過程提供參考。




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