開關(guān)模式電源電流檢測：電流檢測方法

作者：Kevin Scott and Henry Zhang

開關(guān)模式電源常用的三種電流檢測方法是：使用檢測電阻，使用 MOSFET RDS（ON）并使用電感器的直流電阻 （DCR）。每種方法都有優(yōu)點和缺點，在選擇一種方法而不是另一種方法時應(yīng)考慮這些優(yōu)點和缺點。

檢測電阻電流檢測

檢測電阻作為電流檢測元件可實現(xiàn)最低的檢測誤差（通常在1%至5%之間）和非常低的溫度系數(shù)，約為100ppm/°C （0.01%）。它在性能方面提供最精確的電源;它有助于提供非常精確的電源電流限制，并在多個電源并聯(lián)時促進精確的均流。

圖1.R意義電流檢測

另一方面，由于在電源設(shè)計中增加了一個電流檢測電阻，該電阻也會產(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)控技術(shù)可能具有更高的功耗，從而導(dǎo)致解決方案的整體效率略有降低。專用電流檢測電阻也可能增加解決方案成本，因為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）。檢測電阻被正確建模為具有有限電感的串聯(lián)電阻。

圖2.R意義ESL 模型

該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器，例如金屬板電阻器，具有低ESL，是首選。相比之下，繞線檢測電阻由于其封裝結(jié)構(gòu)而具有更高的ESL，應(yīng)避免使用。通常，ESL效應(yīng)會隨著電流水平的增加、檢測信號幅度的減小和布局不當(dāng)而變得更加明顯。它還包括電路的總電感，增加了元件引線和其他電路元件引起的寄生電感。電路的總電感也受布局的影響，因此必須適當(dāng)考慮元件的放置;放置不當(dāng)會影響穩(wěn)定性并加劇現(xiàn)有的電路設(shè)計問題。

檢測電阻ESL的影響可以是輕微的，也可以是嚴(yán)重的。ESL可能導(dǎo)致開關(guān)柵極驅(qū)動器上出現(xiàn)明顯的振鈴，從而對開關(guān)導(dǎo)通產(chǎn)生不利影響。它還會給電流檢測信號增加紋波，導(dǎo)致波形中出現(xiàn)電壓階躍，而不是如下所示的預(yù)期鋸齒波形。這會降低電流檢測精度。

圖3.R意義ESL會對電流檢測產(chǎn)生不利影響

為了最小化電阻ESL，請避免使用具有長環(huán)路（如繞線電阻器）或長引線（如高輪廓電阻器）的檢測電阻器。薄型表面貼裝器件是首選;示例包括“板”結(jié)構(gòu) SMD 尺寸 0805、1206、2010、2512;更好的選擇包括反向幾何 SMD 尺寸 0612 和 1225。

基于功率 MOSFET 的電流檢測

通過使用 MOSFET R 實現(xiàn)簡單且經(jīng)濟高效的電流檢測DS（ON）用于電流檢測。LTC?3878 是一款采用這種方法的器件。它采用恒定導(dǎo)通時間、谷值模式電流檢測架構(gòu)。在這里，頂部開關(guān)打開固定時間，之后底部開關(guān)打開，其 RDS壓降用于檢測電流“谷值”或電流下限。

圖4.場效應(yīng)管 RDS（ON）電流檢測

雖然價格低廉，但這種方法也存在一些缺點。首先，它不是很準(zhǔn)確;在 R 的范圍內(nèi)可以有很大的變化（大約 33% 或更多）DS（ON）值。它也可以具有非常大的溫度系數(shù);大于 80% 的值超過 100C 并非不可能。此外，如果使用外部MOSFET，則必須考慮MOSFET寄生封裝電感。對于非常高的電流水平，不建議使用這種類型的檢測，尤其是對于需要良好相位均流的多相電路。

電感直流電阻電流檢測

電感直流電阻（DCR）電流檢測利用電感繞組的寄生電阻來測量電流，從而消除了檢測電阻。這降低了組件成本并提高了電源效率。與 MOSFET R 相比DS（ON），銅線繞組的電感DCR通常具有較小的部件間變化，盡管它仍然隨溫度而變化。它在低輸出電壓應(yīng)用中受到青睞，因為檢測電阻兩端的任何壓降都代表輸出電壓的很大一部分。RC網(wǎng)絡(luò)與串聯(lián)電感和寄生電阻組合并聯(lián)放置，并測量電容C1兩端的檢測電壓（圖5）。

圖5.電感直流電阻電流檢測

通過正確選擇元件（R1*C1 = L/DCR），電容C1兩端的電壓將與電感電流成正比。為了將測量誤差和噪聲降至最低，最好使用較低的R1值。

由于該電路不直接測量電感電流，因此無法檢測電感飽和。因此，建議使用具有“軟飽和度”的電感器，如鐵功率磁芯電感器。這些電感器的磁芯損耗通常高于同類鐵氧體磁芯電感器。與 R 相比意義方法中，電感DCR檢測消除了檢測電阻的功率損耗，但可能會增加電感磁芯損耗。

使用兩個 R意義和DCR傳感方法，由于傳感信號小，需要開爾文傳感。保持開爾文感測跡線（感測和感測）很重要+–在圖5中）遠(yuǎn)離嘈雜的銅區(qū)域和其他信號走線，以最大限度地減少噪聲拾取。某些器件 （例如 LTC3855） 具有溫度補償 DCR 檢測功能，從而在整個溫度范圍內(nèi)提高了準(zhǔn)確度。

下表總結(jié)了不同類型的電流檢測方法以及每種方法的優(yōu)缺點。

上述每種方法都為開關(guān)模式電源提供額外的保護。根據(jù)設(shè)計要求，精度、效率、熱應(yīng)力、保護和瞬態(tài)性能的權(quán)衡都可能影響選擇過程。電源設(shè)計人員需要仔細(xì)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)。凌力爾特的 LTpowerCAD 設(shè)計工具和 LTspice 電路仿真工具等計算機軟件程序在簡化設(shè)計工作和獲得最佳結(jié)果方面非常有幫助。

其他電流檢測方法

還有其他電流檢測方法可用。例如，電流檢測變壓器通常與隔離電源一起使用，以提供跨越隔離柵的電流信號信息。這種方法通常比上面討論的三種技術(shù)更費錢。此外，近年來還出現(xiàn)了集成柵極驅(qū)動器（DrMOS）的新型功率MOSFET，這些功率MOSFET也集成了電流檢測，但迄今為止，還沒有足夠的數(shù)據(jù)來判斷DrMOS檢測在檢測信號的精度和質(zhì)量方面的工作情況。

審核編輯：郭婷