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功率集成电路中功率MOSFET电流感知措施的研究

宣布时间:2010年07月21日 16:07    宣布者:conniede
要害词: MOSFET , 电流感知 , 功率 , 集成电路
1 弁言

20世纪70年月泛起了天下性的动力危急,电力电子手艺完成对电能的高效能变换和控制,其生长为节约动力做出了巨年夜供献。在电能传输与转换(网罗绿色电源产物)中,若何增添动力消耗已成为很主要的研究偏向。80年月,新型功率MOS器件和以其为基础的无邪功率集成电路(Smart Power Integrated Circuit,SPIC)随着微电子手艺的前进迅速生长起来,SPIC把控制集成电路与功率MOS器件做在统一颗芯片上[1],具有低资源,高效力,高可靠性等优点,Baliga曾提出SPIC的生长将会惹起第二次电子革命。

SPIC集控制逻辑、掩护电路、功率器件于一体,如图1所示,在许多领域如电机驱动器,电子镇流器,DC-DC转换器,功率因数校订器,开关电源等都有应用,并体现出了显着的优势。


由于掩护电路集成于器件内,可以年夜年夜前进SPIC的可靠性。其中,功率器件的过流掩护是异常主要一部门。通常功率器件的电流检测有以下几种措施:

在输入回路中串接电阻[2] 此措施优点是电流检测准确,然则由于输入电流很年夜,则在检测电流上有很年夜的功率消耗。

RDS检测 此措施应用MOS器件导通时使命于线性区,可以算作有源电阻。此措施虽可以外部集成,然则由于RDS随使命条件和外界情形条件(如温度等)的变换而有很年夜的检测误差。

在输入回路中加入互感线圈 虽然比勾通电阻增添了功率消耗,但也是资源很高的一种措施。

SenseFET的措施[2-4] SenseFET感知电流措施的头脑泉源于电流镜。相比其他措施有许多优势,如可完选集成,消耗功耗小,相对准确等,是SPIC中较常应用的措施。

2 SenseFET措施检测电流的使命原理

用SenseFET阻拦电流检测,即是用SenseFET与功率器件主体(以下称Main FET)并联,图2为此措施的体现图,图中Kelvin线体现推敲了电路中的电流流过金属线组成的电压差的影响[5]。通常SenseFET的宽度远小于MainFET的栅宽,比例越小,功耗越小,然则电流检测准确度也会降低,是以要在功耗和准确度之间取合适的值,通常取n=1:1 500,功率MOS是许多单元并联组成,电流完全凭证单元数若干来分配,假定假定Vsense很小,可以忽视其对SenseFET源极电位S’与Main FET的源极S的电位差,那么在SenseFET下游过的电流可近似为功率器件电流的1/n,用此措施阻拦电流检测的过流掩护电路[6]如图3所示。


图3中Rsense上取得的反映电流变换的电压Vsense,经由镌汰年夜取得电压V,再与基准电压阻拦较量,假定电流逾越特殊值,掩护电路将输入掩护旌旗暗记Protect signal来关断功率器件。


3 影响电流检测准确性的启事剖析

从以上剖析可知,电流感知的准确度直接影响过流掩护的输入能否会有误操作,那么怎样才干准确地检测功率器件的电流呢?下面将对能够惹起电流感知误差的因素阻拦详细的剖析,使设计工程师在设计时推敲若何降低这样因素对电流检测的影响,从而取得加倍准确的电流检测电路。

在功率器件的使命历程当中,从静态和静态2方面来剖析影响电流检测准确性的启事,静态使命时,主要有以下几个方面:

(1)源极连线电阻和PAD电阻的不合,也就是MainFET的年夜电流流过金属线发生的压降与SenseFET不合组成的误差,此处可用Kelvin连线降低该误差。

(2)电流比例因子n的变换,假定不克不及忽视Rsense的年夜小,那么SenseFET源极电位S’与Main FET的源极S的电位差将使比例因子n’变年夜[7],见图2所示,使命在线性区的SenseFET电阻见公式(1):

RS=L/WμCOS(VGS-VT) (1)
由于Rsense的加入,n’变换加公式(2)所示,比n有所增添。


(3)温度变换惹起的电流检测的误差:由于温度的变换,带来的阈值电压和Ron变换,从而影响了电流检测的准确性。

功率MOSFET静态使命[6]时,推敲:

(1)功率督使命区从饱和区到线性区变换带来的Ron变换,改变了电流比例因子。当栅压从低到高时,功率管导通,其漏极高电平降为低电平,将从饱和区过渡为线性区。在饱和区,电流比即为SenseFET和MainFET的栅宽之比;在完全导通的状态,电流比则由SenseFET和MaiFET导通电阻决议。

(2)衬偏效应:由于SenseFET源极电位S’为检测电流和Rsense的乘积,若检测电流为周期变换的正弦半波,则源极电位S’与衬底电位之间也随时间有个变换,则带来SenseFET的衬偏效应,使电流比例发生误差。

(3)连线和封装在高频使命时互感的影响。

图4中看到由于MainFET与SenseFET引线单元排列之间将发生1:1的互感器,则在一侧发生的di/dt由于耦相助用就会在电流检测中发生很年夜的误差[6]。


4 议论辩说与总结

综合以上的剖析,对功率MOSFET阻拦准确的电流检测是确保实时有用地过流掩护的须要条件,本文简介了功率MOSFET的电流感知的几种措施,着重点剖析了无邪功率集成电路中最经常应用的SenseFET措施。该措施有许多优点,完选集成于芯片内,功耗小、高可靠性。推敲检测电流的变换,检测措施结构的影响,和功率MOSFET使命特点等因素,本文剖析了影响电流检测准确性的误差源,可以为设计高性能的电流检测历程供应参考。
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