細(xì)說(shuō)Buck之輸出電流如何檢測(cè)的

2.8.1電流的檢測(cè)的用途

電流檢測(cè)信號(hào)是電流模式開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)的重要組成部分。電流檢測(cè)主要用于：

① ?開關(guān)電流過(guò)流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)

電源的輸出電流過(guò)大，導(dǎo)致器件損毀。通過(guò)配置輸出電流的關(guān)斷門限，可以控制Buck變換器的輸出電流保持在這個(gè)閾值以下。那么就需要對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，然后再進(jìn)行比較。所以過(guò)流保護(hù)是輸出電流檢測(cè)的最主要的應(yīng)用場(chǎng)景。

對(duì)于輕負(fù)載電源設(shè)計(jì)，可以作為模式調(diào)整的門限。有些電源芯片支持多種模式，當(dāng)輕載時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際電流大小，切換PWM為PFM等模式，來(lái)提高輕載時(shí)的電源效率。

① ?多相電源做均流控制

在多相電源設(shè)計(jì)中，利用它能實(shí)現(xiàn)精確均流。通過(guò)檢測(cè)每個(gè)相的電流情況，進(jìn)行調(diào)整。另外，當(dāng)多相應(yīng)用的負(fù)載較小時(shí)，電流檢測(cè)可用來(lái)減少所需的相數(shù)，從而提高電路效率。

② 穩(wěn)壓源切換恒流源

對(duì)于需要電流源的負(fù)載，電流檢測(cè)可將電源轉(zhuǎn)換為恒流源，以用于LED驅(qū)動(dòng)、電池充電和驅(qū)動(dòng)激光等應(yīng)用。

2.8.2電流檢測(cè)基本原理

電流采樣的基本原理——電阻兩端電壓∝流經(jīng)電阻的電流（歐姆定律）

實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電流采樣的方法基本分為三種方法

方法一：串入精密電阻

方法二：利用下管的Rds（on）

方法三：利用輸出電感的Rdc兩端電壓

三種方法都是運(yùn)用歐姆定律實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)出電壓，通過(guò)歐姆定律反向計(jì)算出流經(jīng)該電阻的電流。

2.8.3電流檢測(cè)的具體方法

方法一：串入精密電阻如圖5.28所示

圖5.28 通過(guò)串入精密電阻檢測(cè)輸出電流的電路圖

電流檢測(cè)電阻的位置連同開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)決定了要檢測(cè)的電流。檢測(cè)的電流包括峰值電感電流、谷值電感電流（連續(xù)導(dǎo)通模式下電感電流的最小值）和平均輸出流。檢測(cè)電阻的位置會(huì)影響功率損耗、噪聲計(jì)算以及檢測(cè)電阻監(jiān)控電路看到的共模電壓。對(duì)于降壓調(diào)節(jié)器，電流檢測(cè)電阻有多個(gè)位置可以放置。這個(gè)電阻就是放置在電源輸入的路徑上，可以放在電源輸入處、下管電路路徑、輸出電感三處。

如圖5.29，放置在Vin進(jìn)入上管的電流路徑中，在電流流經(jīng)上管MOSFET的前端，它會(huì)在上管MOSFET導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)峰值輸出電流，從而可用于峰值電流模式控制電源。當(dāng)頂部MOSFET關(guān)斷且底部MOSFET導(dǎo)通時(shí)，它不測(cè)量電流。

圖5.29下管MOSFET串聯(lián)電阻檢測(cè)輸出電流

在這種配置中，電流檢測(cè)可能有很高的噪聲，原因是頂部MOSFET的導(dǎo)通邊沿具有很強(qiáng)的開關(guān)電壓振蕩。這種檢測(cè)方式雖然原理可行，但是一般不會(huì)使用。

放置下管的下端電流通路上

檢測(cè)電阻位于下管MOSFET下方，如下圖5.30 下管MOSFET串聯(lián)電阻檢測(cè)輸出電流。在這種配置中，它檢測(cè)谷值模式電流。為了進(jìn)一步降低功率損耗并節(jié)省元件成本，底部FET RDS(ON)可用來(lái)檢測(cè)電流，而不必使用外部電流檢測(cè)電阻，就是下面將會(huì)仔細(xì)講解的“方法二”。

圖5.30下管MOSFET串聯(lián)電阻檢測(cè)輸出電流

這種配置通常用于最小值檢測(cè)模式控制的電源。開關(guān)噪聲對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響比較大。在占空比較大時(shí)，可采樣的時(shí)間段越短，輸出電流采樣結(jié)果會(huì)受到噪聲影響比較大。所以，這種檢測(cè)方式的最大占空比有限。

最常用的方法是將檢測(cè)電阻與電感串聯(lián)，如圖5.31所示。電流檢測(cè)電阻RSENSE與電感串聯(lián)，因此可以檢測(cè)連續(xù)電感電流，此電流可用于監(jiān)測(cè)平均電流以及峰值或最小值電流。

圖5.31電阻與電感串聯(lián)檢測(cè)輸出電流

這種檢測(cè)方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通?？商峁┓浅?zhǔn)確的電流檢測(cè)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)精確的限流和均流。但是，RSENSE也會(huì)引起額外的功

率損耗和元件成本。為了減少功率損耗和成本，可以利用電感線圈直流電阻(DCR)檢測(cè)電流，而不使用外部RSENSE，就是后面詳細(xì)講解的“方法三”。

串入精密電阻進(jìn)行電流檢測(cè)即有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)為：測(cè)試準(zhǔn)確，易于調(diào)試。其缺點(diǎn)為：增加能夠通過(guò)大電流的高精密電阻，增加成本，增加器件，降低電源效率。

方法二：利用下管MOSFET的Rds（on），如下圖5.32

圖5.32利用下管MOSFET的Rds（on）檢測(cè)輸出電流

利用MOSFET RDS(ON)進(jìn)行電流檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的電流檢測(cè)。它使用恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值模式電流檢測(cè)架構(gòu)。上管導(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(cè)電流最小值或電流下限。

利用MOSFET RDS(ON)進(jìn)行電流檢測(cè),這種方法雖然價(jià)格低廉，但有不少的缺點(diǎn)。首先，其RDS（ON）精度不高，RDS(ON)值可能在很大的范圍內(nèi)變化（大約33%甚至更高）。其溫度系數(shù)可能也非常大，在100°C以上時(shí)甚至?xí)^(guò)80%。另外，必須考慮MOSFET寄生電感。

這種類型的檢測(cè)沒法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。

方法二是利用下管的Rds（on）的優(yōu)點(diǎn)為：不增加額外器件、易于調(diào)試。方法二的缺點(diǎn)：需要在MOSFET的DS管腳兩端采樣電壓，下管的S端連接功率，干擾較大，測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。

方法三、利用電感的DCR檢測(cè)輸出電流，如下圖5.33所示 。

電感直流電阻電流檢測(cè)采用電感繞組的寄生電阻來(lái)測(cè)量電流，從而無(wú)需檢測(cè)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(guò)仍然會(huì)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(cè)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。

這個(gè)方法通過(guò)一個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)，非常巧妙地取到了電感上寄生電阻的阻值，實(shí)現(xiàn)了電流檢測(cè)。

圖5.33利用電感的DCR檢測(cè)輸出電流

通過(guò)上面公式的推導(dǎo)，可以看到：

通過(guò)配置電阻和電容的值，能夠巧妙的獲取電感中等效串阻DCR的阻值。

本文以及后續(xù)相關(guān)的系列，會(huì)細(xì)說(shuō)Buck電路的一些細(xì)節(jié)。