開關(guān)模式電源電流檢測——第三部分：電流檢測方法

　　作者：Henry Zhang和Kevin B. Scott

　　開關(guān)模式電源有三種常用電流檢測方法是：使用檢測電阻，使用MOSFET RDS（ON），以及使用電感的直流電阻（DCR）。每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，選擇檢測方法時(shí)應(yīng)予以考慮。

　　檢測電阻電流

　　作為電流檢測元件的檢測電阻，產(chǎn)生的檢測誤差最低（通常在1%和5%之間），溫度系數(shù)也非常低，約為100 ppm/°C （0.01%）。在性能方面，它提供精度最高的電源，有助于實(shí)現(xiàn)極為精確的電源限流功能，并且在多個(gè)電源并聯(lián)時(shí)，還有利于實(shí)現(xiàn)精密均流。

　　圖1.RSENSE電流檢測

　　另一方面，因?yàn)殡娫丛O(shè)計(jì)中增加了電流檢測電阻，所以電阻也會產(chǎn)生額外的功耗。因此，與其他檢測技術(shù)相比，檢測電阻電流監(jiān)測技術(shù)可能有更高的功耗，導(dǎo)致解決方案整體效率有所下降。專用電流檢測電阻也可能增加解決方案成本，雖然一個(gè)檢測電阻的成本通常在0.05美元至0.20美元之間。

　　選擇檢測電阻時(shí)不應(yīng)忽略的另一個(gè)參數(shù)是其寄生電感（也稱為有效串聯(lián)電感或ESL）。檢測電阻可以用一個(gè)電阻與一個(gè)有限電感串聯(lián)來正確模擬。

　　圖2.RSENSE ESL模型

　　此電感取決于所選的特定檢測電阻。某些類型的電流檢測電阻，例如金屬板電阻，具有較低的ESL，應(yīng)優(yōu)先使用。相比之下，繞線檢測電阻由于其封裝結(jié)構(gòu)而具有較高的ESL，應(yīng)避免使用。一般來說，ESL效應(yīng)會隨著電流的增加、檢測信號幅度的減小以及布局不合理而變得更加明顯。電路的總電感還包括由元件引線和其他電路元件引起的寄生電感。電路的總電感也受到布局的影響，因此必須妥善考慮元件的布局，不恰當(dāng)?shù)牟季挚赡苡绊懛€(wěn)定性并加劇現(xiàn)有電路設(shè)計(jì)問題。

　　檢測電阻ESL的影響可能很輕微，也可能很嚴(yán)重。ESL會導(dǎo)致開關(guān)柵極驅(qū)動器發(fā)生明顯振蕩，從而對開關(guān)導(dǎo)通產(chǎn)生不利影響。它還會增加電流檢測信號的紋波，導(dǎo)致波形中出現(xiàn)電壓階躍，而不是預(yù)期的如圖3所示的鋸齒波形。這會降低電流檢測精度。

　　圖3.RSENSE ESL可能會對電流檢測產(chǎn)生不利影響。

　　為使電阻ESL最小，應(yīng)避免使用具有長環(huán)路（如繞線電阻）或長引線（如厚電阻）的檢測電阻。薄型表面貼裝器件是首選，例子包括板結(jié)構(gòu)SMD尺寸0805、1206、2010和2512，更好的選擇包括倒幾何SMD尺寸0612和1225。

　　基于功率MOSFET的電流檢測

　　利用MOSFET RDS（ON）進(jìn)行電流檢測，可以實(shí)現(xiàn)簡單且經(jīng)濟(jì)高效的電流檢測。LTC3878是一款采用這種方法的器件。它使用恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值模式電流檢測架構(gòu)。頂部開關(guān)導(dǎo)通固定的時(shí)間，此后底部開關(guān)導(dǎo)通，其RDS壓降用于檢測電流谷值或電流下限。

　　圖4.MOSFET RDS（ON）電流檢測

　　雖然價(jià)格低廉，但這種方法有一些缺點(diǎn)。首先，其精度不高，RDS（ON）值可能在很大的范圍內(nèi)變化（大約33%或更多）。其溫度系數(shù)可能也非常大，在100°C以上時(shí)甚至?xí)^80%。另外，如果使用外部MOSFET，則必須考慮MOSFET寄生封裝電感。這種類型的檢測不建議用于電流非常高的情況，特別是不適合多相電路，此類電路需要良好的相位均流。

　　電感DCR電流檢測

　　電感直流電阻電流檢測采用電感繞組的寄生電阻來測量電流，從而無需檢測電阻。這樣可降低元件成本，提高電源效率。與MOSFET RDS（ON）相比，銅線繞組的電感DCR的器件間偏差通常較小，不過仍然會隨溫度而變化。它在低輸出電壓應(yīng)用中受到青睞，因?yàn)闄z測電阻上的任何壓降都代表輸出電壓的一個(gè)相當(dāng)大部分。將一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)與電感和寄生電阻的串聯(lián)組合并聯(lián)，檢測電壓在電容C1上測量（圖5）。

　　圖5.電感DCR電流檢測

　　通過選擇適當(dāng)?shù)脑≧1 × C1 = L/DCR），電容C1兩端的電壓將與電感電流成正比。為了最大限度地減少測量誤差和噪聲，最好選擇較低的R1值。

　　電路不直接測量電感電流，因此無法檢測電感飽和。推薦使用軟飽和的電感，如粉芯電感。與同等鐵芯電感相比，此類電感的磁芯損耗通常較高。與RSENSE方法相比，電感DCR檢測不存在檢測電阻的功率損耗，但可能會增加電感的磁芯損耗。

　　使用RSENSE和DCR兩種檢測方法時(shí)，由于檢測信號較小，故均需要開爾文檢測。必須讓開爾文檢測痕跡（圖5中的SENSE+和SENSE-）遠(yuǎn)離高噪聲覆銅區(qū)和其他信號痕跡，以將噪聲提取降至最低，這點(diǎn)很重要。某些器件（如LTC3855）具有溫度補(bǔ)償DCR檢測功能，可提高整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度。

　　表1總結(jié)了不同類型的電流檢測方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　表1.電流檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)

　　表1中提到的每種方法都為開關(guān)模式電源提供額外的保護(hù)。取決于設(shè)計(jì)要求，精度、效率、熱應(yīng)力、保護(hù)和瞬態(tài)性能方面的權(quán)衡都可能影響選擇過程。電源設(shè)計(jì)人員需要審慎選擇電流檢測方法和功率電感，并正確設(shè)計(jì)電流檢測網(wǎng)絡(luò)。ADI公司的LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具和LTspice?電路仿真工具等計(jì)算機(jī)軟件程序，對簡化設(shè)計(jì)工作并獲得最佳結(jié)果會大有幫助。

　　其他電流檢測方法

　　還有其他電流檢測方法可供使用。例如，電流檢測互感器常常與隔離電源一起使用，以跨越隔離柵對電流信號信息提供保護(hù)。這種方法通常比上述三種技術(shù)更昂貴。此外，近年來集成柵極驅(qū)動器（DrMOS）和電流檢測的新型功率MOSFET也已出現(xiàn)，但到目前為止，還沒有足夠的數(shù)據(jù)來推斷DrMOS在檢測信號的精度和質(zhì)量方面表現(xiàn)如何。

　　軟件

　　LTspice

　　LTspice軟件是一款強(qiáng)大、快速、免費(fèi)的仿真工具、原理圖采集和波形查看器，具有增強(qiáng)功能和模型，可改善開關(guān)穩(wěn)壓器的仿真。

　　LTpowerCAD

　　LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具是一款完整的電源設(shè)計(jì)工具程序，可顯著簡化電源設(shè)計(jì)任務(wù)。它引導(dǎo)用戶尋找解決方案，選擇功率級元件，提供詳細(xì)效率信息，顯示快速環(huán)路波特圖穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)分析，并可將最終設(shè)計(jì)導(dǎo)出至LTspice進(jìn)行仿真。

　　作者簡介

　　Henry Zhang是ADI公司電源產(chǎn)品應(yīng)用工程總監(jiān)。他于2001年加入凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司一部分），擔(dān)任電源應(yīng)用工程師，開始其職業(yè)生涯。他于2004年成為應(yīng)用部門主管，并于2008年成為應(yīng)用工程經(jīng)理。他的團(tuán)隊(duì)支持廣泛的產(chǎn)品和應(yīng)用，從小尺寸集成功率模塊到大型kW級高功率、高電壓轉(zhuǎn)換器。除了支持電源應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)以外，他的團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了LTpowerCAD電源設(shè)計(jì)工具程序。Henry對電源管理解決方案和模擬電路有著廣泛的興趣。他發(fā)表了20多篇技術(shù)文章，發(fā)布了許多研討會和視頻，并有10多項(xiàng)電源專利已獲授權(quán)或在申請中。

　　Henry畢業(yè)于弗吉尼亞理工學(xué)院和弗吉尼亞州布萊克斯堡州立大學(xué)，獲得電氣工程碩士和博士學(xué)位。

　　Kevin Scott是ADI公司電源產(chǎn)品部門的產(chǎn)品營銷經(jīng)理，負(fù)責(zé)管理升壓、升降壓和隔離轉(zhuǎn)換器、LED驅(qū)動器和線性穩(wěn)壓器。他曾擔(dān)任高級戰(zhàn)略營銷工程師，負(fù)責(zé)制定技術(shù)培訓(xùn)內(nèi)容，培訓(xùn)銷售工程師，并撰寫了大量關(guān)于公司眾多產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢的網(wǎng)站文章。他在半導(dǎo)體行業(yè)已有 26 年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，歷任應(yīng)用、業(yè)務(wù)管理和營銷職務(wù)。

　　Kevin于1987年畢業(yè)于美國斯坦福大學(xué)，獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。