開(kāi)關(guān)模式下的電源電流如何檢測(cè)

開(kāi)關(guān)模式下的電源電流如何檢測(cè)？這12個(gè)電路&10個(gè)知識(shí)點(diǎn)講明白了

電流檢測(cè)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(cè)流入和流出的電流大小，檢測(cè)電流大小能夠避免器件出錯(cuò)。所以我們今天的主角就是“開(kāi)關(guān)模式電源的電流檢測(cè)技術(shù)”。

【導(dǎo)讀】電流檢測(cè)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(cè)流入和流出的電流大小，檢測(cè)電流大小能夠避免器件出錯(cuò)。所以我們今天的主角就是“開(kāi)關(guān)模式電源的電流檢測(cè)技術(shù)”。

基本知識(shí)談

電流模式控制由于其高可靠性、環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、負(fù)載分配功能簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，被廣泛用于開(kāi)關(guān)模式電源。電流檢測(cè)信號(hào)是電流模式開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)的重要組成部分，它用于調(diào)節(jié)輸出并提供過(guò)流保護(hù)。圖1顯示了 ADI LTC3855同步開(kāi)關(guān)模式降壓電源的電流檢測(cè)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(cè)電阻RS監(jiān)測(cè)電流。

圖1. 開(kāi)關(guān)模式電源電流檢測(cè)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(dòng)的負(fù)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(cè)量

最初，峰值電感電流由選定的電感值、電源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間、電路的輸入和輸出電壓以及負(fù)載電流設(shè)置（圖中用“1”表示）。當(dāng)電路短路時(shí)，電感電流迅速上升，直至達(dá)到限流點(diǎn)，即 RS × IINDUCTOR (IL)等于最大電流檢測(cè)電壓，以保護(hù)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(jìn)一步降低電感電流，以將熱應(yīng)力降至最低。

電流檢測(cè)還有其他作用。在多相電源設(shè)計(jì)中，利用它能實(shí)現(xiàn)精確均流。對(duì)于輕負(fù)載電源設(shè)計(jì)，它可以防止電流反向流動(dòng)，從而提高效率（反向電流指反向流過(guò)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(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。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。

檢測(cè)電阻放哪最合適？

電流檢測(cè)電阻的位置連同開(kāi)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。

放置在降壓調(diào)節(jié)器高端

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。當(dāng)放置在頂部MOSFET的高端時(shí)（如圖3所示），它會(huì)在頂部MOSFET 導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)峰值電感電流，從而可用于峰值電流模式控制電源。但是，當(dāng)頂部MOSFET關(guān)斷且底部MOSFET導(dǎo)通時(shí)，它不測(cè)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(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(kāi)關(guān)電壓振蕩。為使這種影響最小，需要一個(gè)較長(zhǎng)的電流比較器消隱時(shí)間（比較器忽略輸入的時(shí)間）。這會(huì)限制最小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)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(hào)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(cè)電阻位于底部MOSFET下方。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(duì)噪聲可能也很敏感，但在這種情況下，它在占空比較大時(shí)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)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(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(cè)方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常準(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。

放置在升壓和反相調(diào)節(jié)器的高端

對(duì)于升壓調(diào)節(jié)器，檢測(cè)電阻可以與電感串聯(lián)，以提供高端檢測(cè) （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(huì)產(chǎn)生三角波形并持續(xù)監(jiān)測(cè)電流。

放置在升壓和反相調(diào)節(jié)器的低端

檢測(cè)電阻也可以放在底部MOSFET的低端，如圖7所示。此處監(jiān)測(cè)峰值開(kāi)關(guān)電流（也是峰值電感電流），每半個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)電流波形。MOSFET開(kāi)關(guān)切換導(dǎo)致電流信號(hào)具有很強(qiáng)的開(kāi)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(gè)4開(kāi)關(guān)升降壓轉(zhuǎn)換器，其檢測(cè)電阻位于低端。當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)高于輸出電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式；當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)低于輸出電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器工作在升壓模式。在此電路中，檢測(cè)電阻位于4開(kāi)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(cè)的電流。

圖8. 帶低端RSENSE的升壓轉(zhuǎn)換器

在降壓模式下（開(kāi)關(guān)D一直導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)C一直關(guān)斷），檢測(cè)電阻監(jiān)測(cè)底部開(kāi)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(kāi)關(guān)A一直導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)B一直關(guān)斷），檢測(cè)電阻與底部MOSFET (C)串聯(lián)，并在電感電流上升時(shí)測(cè)量峰值電流。在這種模式下，由于不監(jiān)測(cè)谷值電感電流，因此當(dāng)電源處于輕負(fù)載狀態(tài)時(shí)，很難檢測(cè)負(fù)電感電流。負(fù)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(huì)有損耗，故效率會(huì)受損。對(duì)于電池供電系統(tǒng)等應(yīng)用，輕負(fù)載效率很重要，這種電流檢測(cè)方法不合需要。

圖9電路解決了這個(gè)問(wèn)題，其將檢測(cè)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(cè)量電感電流信號(hào)。由于電流檢測(cè) RSENSE連接到具有高開(kāi)關(guān)噪聲的SW1節(jié)點(diǎn)，因此需要精心設(shè)計(jì)控制器IC，使內(nèi)部電流比較器有足夠長(zhǎng)的消隱時(shí)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(cè)電阻，以實(shí)現(xiàn)輸入限流；或者添加在輸出端，用于電池充電或驅(qū)動(dòng)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(hào)，因此可在電流檢測(cè)路徑中增加一個(gè)強(qiáng)RC濾波器，以減少電流檢測(cè)噪聲。

電流檢測(cè)方法使用說(shuō)明書(shū)

開(kāi)關(guān)模式電源有三種常用電流檢測(cè)方法是：使用檢測(cè)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(cè)方法時(shí)應(yīng)予以考慮。

檢測(cè)電阻電流傳感

作為電流檢測(cè)元件的檢測(cè)電阻，產(chǎn)生的檢測(cè)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10. RSENSE電流檢測(cè)

另一方面，因?yàn)殡娫丛O(shè)計(jì)中增加了電流檢測(cè)電阻，所以電阻也會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。因此，與其他檢測(cè)技術(shù)相比，檢測(cè)電阻電流監(jiān)測(cè)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(zhuān)用電流檢測(cè)電阻也可能增加解決方案成本，雖然一個(gè)檢測(cè)電阻的成本通常在0.05美元至0.20美元之間。

選擇檢測(cè)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(chēng)為有效串聯(lián)電感或ESL）。檢測(cè)電阻可以用一個(gè)電阻與一個(gè)有限電感串聯(lián)來(lái)正確模擬。

圖12. RSENSE ESL模型

此電感取決于所選的特定檢測(cè)電阻。某些類(lèi)型的電流檢測(cè)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(cè)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(lái)說(shuō)，ESL效應(yīng)會(huì)隨著電流的增加、檢測(cè)信號(hào)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(wèn)題。

檢測(cè)電阻ESL的影響可能很輕微，也可能很?chē)?yán)重。ESL會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)生明顯振蕩，從而對(duì)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通產(chǎn)生不利影響。它還會(huì)增加電流檢測(cè)信號(hào)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(huì)降低電流檢測(cè)精度。

圖13. RSENSE ESL可能會(huì)對(duì)電流檢測(cè)產(chǎn)生不利影響

為使電阻ESL最小，應(yīng)避免使用具有長(zhǎng)環(huán)路（如繞線電阻）或長(zhǎng)引線（如厚電阻）的檢測(cè)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(cè)

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)。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(cè)架構(gòu)。頂部開(kāi)關(guān)導(dǎo)通固定的時(shí)間，此后底部開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，其RDS壓降用于檢測(cè)電流谷值或電流下限。

圖14. MOSFET RDS(ON)電流檢測(cè)

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)^(guò)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(lèi)型的檢測(cè)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(lèi)電路需要良好的相位均流。

電感DCR電流檢測(cè)

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。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(cè)電壓在電容C1上測(cè)量（圖15）。

圖15. 電感DCR電流檢測(cè)

通過(guò)選擇適當(dāng)?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(cè)量誤差和噪聲，最好選擇較低的R1值。

電路不直接測(cè)量電感電流，因此無(wú)法檢測(cè)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(lèi)電感的磁芯損耗通常較高。與RSENSE方法相比，電感DCR檢測(cè)不存在檢測(cè)電阻的功率損耗，但可能會(huì)增加電感的磁芯損耗。

使用RSENSE和DCR兩種檢測(cè)方法時(shí)，由于檢測(cè)信號(hào)較小，故均需要開(kāi)爾文檢測(cè)。必須讓開(kāi)爾文檢測(cè)痕跡（圖5中的SENSE 和 SENSE-）遠(yuǎn)離高噪聲覆銅區(qū)和其他信號(hào)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(cè)功能，可提高整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度。

表1. 電流檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

表1中提到的每種方法都為開(kāi)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(guò)程。電源設(shè)計(jì)人員需要審慎選擇電流檢測(cè)方法和功率電感，并正確設(shè)計(jì)電流檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。ADI 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(duì)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作并獲得最佳結(jié)果會(huì)大有幫助。

其他電流檢測(cè)方法

還有其他電流檢測(cè)方法可供使用。例如，電流檢測(cè)互感器常常與隔離電源一起使用，以跨越隔離柵對(duì)電流信號(hào)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(lái)集成柵極驅(qū)動(dòng)器(DrMOS)和電流檢測(cè)的新型功率MOSFET也已出現(xiàn)，但到目前為止，還沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)來(lái)推斷DrMOS在檢測(cè)信號(hào)的精度和質(zhì)量方面表現(xiàn)如何。

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審核編輯：湯梓紅