詳解開關(guān)模式電源的電流檢測技術(shù)

電流檢測技術(shù)在現(xiàn)今的生活與工作中都有廣泛的應(yīng)用，許多的系統(tǒng)中都需要檢測流入和流出的電流大小，檢測電流大小能夠避免器件出錯。所以我們今天的主角就是“開關(guān)模式電源的電流檢測技術(shù)”。

基本知識談

電流模式控制由于其高可靠性、環(huán)路補償設(shè)計簡單、負載分配功能簡單可靠的特點，被廣泛用于開關(guān)模式電源。電流檢測信號是電流模式開關(guān)模式電源設(shè)計的重要組成部分，它用于調(diào)節(jié)輸出并提供過流保護。圖1顯示了 ADI LTC3855同步開關(guān)模式降壓電源的電流檢測電路。LTC3855是一款具有逐周期限流功能的電流模式控制器件。檢測電阻RS監(jiān)測電流。

圖1. 開關(guān)模式電源電流檢測電阻(RS)

圖2顯示了兩種情況下電感電流的示波器圖像：第一種情況使用電感電流能夠驅(qū)動的負載(紅線)，而在第二種情況下，輸出短路(紫線)。

圖2. LTC3855限流與折返示例，在1.5 V/15 A供電軌上測量

最初，峰值電感電流由選定的電感值、電源開關(guān)導(dǎo)通時間、電路的輸入和輸出電壓以及負載電流設(shè)置(圖中用“1”表示)。當電路短路時，電感電流迅速上升，直至達到限流點，即RS × IINDUCTOR (IL)等于最大電流檢測電壓，以保護器件和下游電路(圖中用“2”表示)。然后，內(nèi)置電流折返限制(圖中數(shù)字“3”)進一步降低電感電流，以將熱應(yīng)力降至最低。

電流檢測還有其他作用。在多相電源設(shè)計中，利用它能實現(xiàn)精確均流。對于輕負載電源設(shè)計，它可以防止電流反向流動，從而提高效率(反向電流指反向流過電感的電流，即從輸出到輸入的電流，這在某些應(yīng)用中可能不合需要，甚至具破壞性)。另外，當多相應(yīng)用的負載較小時，電流檢測可用來減少所需的相數(shù)，從而提高電路效率。對于需要電流源的負載，電流檢測可將電源轉(zhuǎn)換為恒流源，以用于LED驅(qū)動、電池充電和驅(qū)動激光等應(yīng)用。

檢測電阻放哪最合適?

電流檢測電阻的位置連同開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)決定了要檢測的電流。檢測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。檢測電阻的位置會影響功率損耗、噪聲計算以及檢測電阻監(jiān)控電路看到的共模電壓。

放置在降壓調(diào)節(jié)器高端

對于降壓調(diào)節(jié)器，電流檢測電阻有多個位置可以放置。當放置在頂部MOSFET的高端時(如圖3所示)，它會在頂部MOSFET導(dǎo)通時檢測峰值電感電流，從而可用于峰值電流模式控制電源。但是，當頂部MOSFET關(guān)斷且底部MOSFET導(dǎo)通時，它不測量電感電流。

圖3. 帶高端RSENSE的降壓轉(zhuǎn)換器

在這種配置中，電流檢測可能有很高的噪聲，原因是頂部MOSFET的導(dǎo)通邊沿具有很強的開關(guān)電壓振蕩。為使這種影響最小，需要一個較長的電流比較器消隱時間(比較器忽略輸入的時間)。這會限制最小開關(guān)導(dǎo)通時間，并且可能限制最小占空比(占空比 = VOUT/VIN)和最大轉(zhuǎn)換器降壓比。注意在高端配置中，電流信號可能位于非常大的共模電壓(VIN)之上。

放置在降壓調(diào)節(jié)器低端

圖4中，檢測電阻位于底部MOSFET下方。在這種配置中，它檢測谷值模式電流。為了進一步降低功率損耗并節(jié)省元件成本，底部FET RDS(ON)可用來檢測電流，而不必使用外部電流檢測電阻RSENSE。

圖4. 帶低端RSENSE的降壓轉(zhuǎn)換器

這種配置通常用于谷值模式控制的電源。它對噪聲可能也很敏感，但在這種情況下，它在占空比較大時很敏感。谷值模式控制的降壓轉(zhuǎn)換器支持高降壓比，但由于其開關(guān)導(dǎo)通時間是固定/受控的，故最大占空比有限。

降壓調(diào)節(jié)器與電感串聯(lián)

圖5中，電流檢測電阻RSENSE與電感串聯(lián)，因此可以檢測連續(xù)電感電流，此電流可用于監(jiān)測平均電流以及峰值或谷值電流。所以，此配置支持峰值、谷值或平均電流模式控制。

圖5. RSENSE與電感串聯(lián)

這種檢測方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通?？商峁┓浅蚀_的電流檢測信號，以實現(xiàn)精確的限流和均流。但是，RSENSE也會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)檢測電流，而不使用外部RSENSE。

放置在升壓和反相調(diào)節(jié)器的高端

對于升壓調(diào)節(jié)器，檢測電阻可以與電感串聯(lián)，以提供高端檢測(圖6)。

圖6. 帶高端RSENSE的升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器具有連續(xù)輸入電流，因此會產(chǎn)生三角波形并持續(xù)監(jiān)測電流。

放置在升壓和反相調(diào)節(jié)器的低端

檢測電阻也可以放在底部MOSFET的低端，如圖7所示。此處監(jiān)測峰值開關(guān)電流(也是峰值電感電流)，每半個周期產(chǎn)生一個電流波形。MOSFET開關(guān)切換導(dǎo)致電流信號具有很強的開關(guān)噪聲。

圖7. 帶低端RSENSE的升壓轉(zhuǎn)換器

SENSE電阻放置在升降壓轉(zhuǎn)換器低端或與電感串聯(lián)

圖8顯示了一個4開關(guān)升降壓轉(zhuǎn)換器，其檢測電阻位于低端。當輸入電壓遠高于輸出電壓時，轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式;當輸入電壓遠低于輸出電壓時，轉(zhuǎn)換器工作在升壓模式。在此電路中，檢測電阻位于4開關(guān)H橋配置的底部。器件的模式(降壓模式或升壓模式)決定了監(jiān)測的電流。

圖8. 帶低端RSENSE的升壓轉(zhuǎn)換器

在降壓模式下(開關(guān)D一直導(dǎo)通，開關(guān)C一直關(guān)斷)，檢測電阻監(jiān)測底部開關(guān)B電流，電源用作谷值電流模式降壓轉(zhuǎn)換器。

在升壓模式下(開關(guān)A一直導(dǎo)通，開關(guān)B一直關(guān)斷)，檢測電阻與底部MOSFET (C)串聯(lián)，并在電感電流上升時測量峰值電流。在這種模式下，由于不監(jiān)測谷值電感電流，因此當電源處于輕負載狀態(tài)時，很難檢測負電感電流。負電感電流意味著電能從輸出端傳回輸入端，但由于這種傳輸會有損耗，故效率會受損。對于電池供電系統(tǒng)等應(yīng)用，輕負載效率很重要，這種電流檢測方法不合需要。

圖9電路解決了這個問題，其將檢測電阻與電感串聯(lián)，從而在降壓和升壓模式下均能連續(xù)測量電感電流信號。由于電流檢測RSENSE連接到具有高開關(guān)噪聲的SW1節(jié)點，因此需要精心設(shè)計控制器IC，使內(nèi)部電流比較器有足夠長的消隱時間。

圖9. LT8390升降壓轉(zhuǎn)換器，RSENSE與電感串聯(lián)

輸入端也可以添加額外的檢測電阻，以實現(xiàn)輸入限流;或者添加在輸出端，用于電池充電或驅(qū)動LED等恒定輸出電流應(yīng)用。這種情況下需要平均輸入或輸出電流信號，因此可在電流檢測路徑中增加一個強RC濾波器，以減少電流檢測噪聲。

電流檢測方法使用說明書

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)點和缺點，選擇檢測方法時應(yīng)予以考慮。

檢測電阻電流傳感

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，有助于實現(xiàn)極為精確的電源限流功能，并且在多個電源并聯(lián)時，還有利于實現(xiàn)精密均流。

圖10. RSENSE電流檢測

另一方面，因為電源設(shè)計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。

選擇檢測電阻時不應(yīng)忽略的另一個參數(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電阻與一個有限電感串聯(lián)來正確模擬。

圖12. 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?shù)牟季挚赡苡绊懛€(wěn)定性并加劇現(xiàn)有電路設(shè)計問題。

檢測電阻ESL的影響可能很輕微，也可能很嚴重。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13所示的鋸齒波形。這會降低電流檢測精度。

圖13. 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)進行電流檢測，可以實現(xiàn)簡單且經(jīng)濟高效的電流檢測。LTC3878是一款采用這種方法的器件。它使用恒定導(dǎo)通時間谷值模式電流檢測架構(gòu)。頂部開關(guān)導(dǎo)通固定的時間，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14. MOSFET RDS(ON)電流檢測

雖然價格低廉，但這種方法有一些缺點。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，因為檢測電阻上的任何壓降都代表輸出電壓的一個相當大部分。將一個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15)。

圖15. 電感DCR電流檢測

通過選擇適當?shù)脑?R1 × 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，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，這點很重要。某些器件(如LTC3855)具有溫度補償DCR檢測功能，可提高整個溫度范圍內(nèi)的精度。

表1. 電流檢測方法的優(yōu)缺點

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。取決于設(shè)計要求，精度、效率、熱應(yīng)力、保護和瞬態(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)計電流檢測網(wǎng)絡(luò)。ADI LTpowerCAD設(shè)計工具和LTspice電路仿真工具等計算機軟件程序，對簡化設(shè)計工作并獲得最佳結(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。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。

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原文標題：開關(guān)模式下的電源電流如何檢測?這12個電路&10個知識點講明白了

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審核編輯：湯梓紅