電流模式控製由於其高可靠性

、環路補償設計簡單、負(fu)載(zai)分(fen)配(pei)功(gong)能(neng)簡(jian)單(dan)可(ke)靠(kao)的(de)特(te)點(dian)，被(bei)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)電(dian)源(yuan)。電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)是(shi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)的(de)重(zhong)要(yao)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)，它(ta)用(yong)於(yu)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)並(bing)提(ti)供(gong)過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)。圖(tu)1顯示了 ADI LTC3855同步開關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製器件。檢測電阻RS監測電流。

 

 
 

圖1. 開關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
、電源開關導通時間

、電路的輸入和輸出電壓以及負載電流設置（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)等於最大電流檢測電壓，以保護器件和下遊電路（圖中用“2”表示）。然後

，內置電流折返限製（圖中數字“3”）進一步降低電感電流，以將熱應力降至最低。

 

電流檢測還有其他作用。在多相電源設計中，利用它能實現精確均流。對於輕負載電源設計，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，這在某些應用中可能不合需要，甚至具破壞性）。lingwai
，dangduoxiangyingyongdefuzaijiaoxiaoshi，dianliujiancekeyonglaijianshaosuoxudexiangshu
，congertigaodianluxiaolv。duiyuxuyaodianliuyuandefuzai，dianliujiancekejiangdianyuanzhuanhuanweihengliuyuan
，yiyongyuLED驅動、電池充電和驅動激光等應用。

 

 

電流檢測電阻的位置連同開關穩壓器架構決定了要檢測的電流。檢測的電流包括峰值電感電流、穀值電感電流（連續導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控電路看到的共模電壓。

 

 

對於降壓調節器，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 導通時檢測峰值電感電流，從而可用於峰值電流模式控製電源。但是
，當頂部MOSFET關斷且底部MOSFET導通時，它不測量電感電流。

 

圖3. 帶高端RSENSE的降壓轉換器

 

在這種配置中，電流檢測可能有很高的噪聲，原因是頂部 MOSFET的導通邊沿具有很強的開關電壓振蕩。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）。這會限製最小開關導通時間，並且可能限製最小占空比（占空比 = VOUT/VIN）和最大轉換器降壓比。注意在高端配置中，電流信號可能位於非常大的共模電壓(VIN)之上。

 

 

圖4中，檢測電阻位於底部MOSFET下方。在這種配置中，它檢測穀值模式電流。為了進一步降低功率損耗並節省元件成本，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的降壓轉換器

 

這(zhe)種(zhong)配(pei)置(zhi)通(tong)常(chang)用(yong)於(yu)穀(gu)值(zhi)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)的(de)電(dian)源(yuan)。它(ta)對(dui)噪(zao)聲(sheng)可(ke)能(neng)也(ye)很(hen)敏(min)感(gan)，但(dan)在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，它(ta)在(zai)占(zhan)空(kong)比(bi)較(jiao)大(da)時(shi)很(hen)敏(min)感(gan)。穀(gu)值(zhi)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)的(de)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)支(zhi)持(chi)高(gao)降(jiang)壓(ya)比(bi)，但(dan)由(you)於(yu)其(qi)開(kai)關(guan)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)是(shi)固(gu)定(ding)/ 受控的，故最大占空比有限。

 

 

圖5中，電流檢測電阻RSENSE與電感串聯，因此可以檢測連續電感電流
，此電流可用於監測平均電流以及峰值或穀值電流。所以
，此配置支持峰值、穀值或平均電流模式控製。

 

圖5. RSENSE與電感串聯

 

這種檢測方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常準確的電流檢測信號，以實現精確的限流和均流。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。

 

 

對於升壓調節器，檢測電阻可以與電感串聯，以提供高端檢測 （圖6）。

 

圖6. 帶高端RSENSE的升壓轉換器

 

升壓轉換器具有連續輸入電流
，因此會產生三角波形並持續監測電流。

 

 

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

 

 

圖7. 帶低端RSENSE的升壓轉換器

 

 

 

圖8顯示了一個4開關升降壓轉換器，其檢測電阻位於低端。當輸入電壓遠高於輸出電壓時，轉換器工作在降壓模式；當輸入電壓遠低於輸出電壓時，轉換器工作在升壓模式。在此電路中
，檢測電阻位於4開關H橋配置的底部。器件的模式（降壓模式或升壓模式）決定了監測的電流。

 

 

圖8. 帶低端RSENSE的升壓轉換器

 

在降壓模式下（開關D一直導通，開關C一直關斷）
，檢測電阻監測底部開關B電流
，電源用作穀值電流模式降壓轉換器。

 

在升壓模式下（開關A一直導通
，開關B一直關斷），檢測電阻與底部MOSFET (C)串chuan聯lian，並bing在zai電dian感gan電dian流liu上shang升sheng時shi測ce量liang峰feng值zhi電dian流liu。在zai這zhe種zhong模mo式shi下xia，由you於yu不bu監jian測ce穀gu值zhi電dian感gan電dian流liu，因yin此ci當dang電dian源yuan處chu於yu輕qing負fu載zai狀zhuang態tai時shi

，很hen難nan檢jian測ce負fu電dian感gan電dian流liu。負fu電dian感gan電dian流liu意yi味wei著zhe電dian能neng從cong輸shu出chu端duan傳chuan回hui輸shu入ru端duan，但dan由you於yu這zhe種zhong傳chuan輸shu會hui有you損sun耗hao，故gu效xiao率lv會hui受shou損sun。對dui於yu電dian池chi供gong電dian係xi統tong等deng應ying用yong，輕qing負fu載zai效xiao率lv很hen重zhong要yao，這zhe種zhong電dian流liu檢jian測ce方fang法fa不bu合he需xu要yao。

 

圖9電路解決了這個問題，其將檢測電阻與電感串聯，從而在降壓和升壓模式下均能連續測量電感電流信號。由於電流檢測 RSENSE連接到具有高開關噪聲的SW1節點，因此需要精心設計控製器IC，使內部電流比較器有足夠長的消隱時間。

 

圖9. LT8390升降壓轉換器
，RSENSE與電感串聯

 

輸入端也可以添加額外的檢測電阻
，以實現輸入限流；或者添加在輸出端
，用於電池充電或驅動LED等恒定輸出電流應用。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。

 

 

開關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)。每種方法都有優點和缺點
，選擇檢測方法時應予以考慮。

 

 

作為電流檢測元件的檢測電阻，產生的檢測誤差最低（通常在1%和5%之間），溫度係數也非常低

，約為100 ppm/°C (0.01%)。在性能方麵，它提供精度最高的電源，有助於實現極為精確的電源限流功能，並且在多個電源並聯時

，還有利於實現精密均流。

 

圖10. RSENSE電流檢測

 

lingyifangmian
，yinweidianyuanshejizhongzengjialedianliujiancedianzu，suoyidianzuyehuichanshengewaidegonghao。yinci，yuqitajiancejishuxiangbi，jiancedianzudianliujiancejishukenengyougenggaodegonghao，daozhijiejuefanganzhengtixiaolvyousuoxiajiang。zhuanyongdianliujiancedianzuyekenengzengjiajiejuefanganchengben
，suiranyigejiancedianzudechengbentongchangzai0.05美元至0.20美元之間。

 

選擇檢測電阻時不應忽略的另一個參數是其寄生電感（也稱為有效串聯電感或ESL）。檢測電阻可以用一個電阻與一個有限電感串聯來正確模擬。

 

圖11. RSENSE ESL模型

 

此電感取決於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，應優先使用。相比之下，繞線檢測電阻由於其封裝結構而具有較高的ESL，應避免使用。一般來說，ESL效應會隨著電流的增加、檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)幅(fu)度(du)的(de)減(jian)小(xiao)以(yi)及(ji)布(bu)局(ju)不(bu)合(he)理(li)而(er)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)明(ming)顯(xian)。電(dian)路(lu)的(de)總(zong)電(dian)感(gan)還(hai)包(bao)括(kuo)由(you)元(yuan)件(jian)引(yin)線(xian)和(he)其(qi)他(ta)電(dian)路(lu)元(yuan)件(jian)引(yin)起(qi)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)。電(dian)路(lu)的(de)總(zong)電(dian)感(gan)也(ye)受(shou)到(dao)布(bu)局(ju)的(de)影(ying)響(xiang)，因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)妥(tuo)善(shan)考(kao)慮(lv)元(yuan)件(jian)的(de)布(bu)局(ju)，不(bu)恰(qia)當(dang)的(de)布(bu)局(ju)可(ke)能(neng)影(ying)響(xiang)穩(wen)定(ding)性(xing)並(bing)加(jia)劇(ju)現(xian)有(you)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)問(wen)題(ti)。

 

檢測電阻ESL的影響可能很輕微，也可能很嚴重。ESL會hui導dao致zhi開kai關guan柵zha極ji驅qu動dong器qi發fa生sheng明ming顯xian振zhen蕩dang，從cong而er對dui開kai關guan導dao通tong產chan生sheng不bu利li影ying響xiang。它ta還hai會hui增zeng加jia電dian流liu檢jian測ce信xin號hao的de紋wen波bo，導dao致zhi波bo形xing中zhong出chu現xian電dian壓ya階jie躍yue，而er不bu是shi預yu期qi的de如ru圖tu13所示的鋸齒波形。這會降低電流檢測精度。

 

圖12. RSENSE ESL可能會對電流檢測產生不利影響

 

 

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

 

 

利用MOSFET RDS(ON)進行電流檢測，可以實現簡單且經濟高效的電流檢測。LTC3878是一款采用這種方法的器件。它使用恒定導通時間穀值模式電流檢測架構。頂部開關導通固定的時間

，此後底部開關導通，其RDS壓降用於檢測電流穀值或電流下限。

 

圖13. 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)值可能在很大的範圍內變化（大約33%或更多）。其溫度係數可能也非常大，在100°C以上時甚至會超過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於電流非常高的情況
，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(de)器(qi)件(jian)間(jian)偏(pian)差(cha)通(tong)常(chang)較(jiao)小(xiao)

，不(bu)過(guo)仍(reng)然(ran)會(hui)隨(sui)溫(wen)度(du)而(er)變(bian)化(hua)。它(ta)在(zai)低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)應(ying)用(yong)中(zhong)受(shou)到(dao)青(qing)睞(lai)，因(yin)為(wei)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)任(ren)何(he)壓(ya)降(jiang)都(dou)代(dai)表(biao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)一(yi)個(ge)相(xiang)當(dang)大(da)部(bu)分(fen)。將(jiang)一(yi)個(ge)RC網絡與電感和寄生電阻的串聯組合並聯，檢測電壓在電容C1上測量（圖15）。

 

 

圖14. 電感DCR電流檢測

 

 

通過選擇適當的元件(R1 × C1 = L/DCR)

，電容C1兩端的電壓將與電感電流成正比。為了最大限度地減少測量誤差和噪聲，最好選擇較低的R1值。

 

電dian路lu不bu直zhi接jie測ce量liang電dian感gan電dian流liu

，因yin此ci無wu法fa檢jian測ce電dian感gan飽bao和he。推tui薦jian使shi用yong軟ruan飽bao和he的de電dian感gan，如ru粉fen芯xin電dian感gan。與yu同tong等deng鐵tie芯xin電dian感gan相xiang比bi，此ci類lei電dian感gan的de磁ci芯xin損sun耗hao通tong常chang較jiao高gao。與yuRSENSE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，由於檢測信號較小，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
，可提高整個溫度範圍內的精度。

 

表1. 電流檢測方法的優缺點
 

 

表1中提到的每種方法都為開關模式電源提供額外的保護。取決於設計要求，精度、效率、熱應力、保護和瞬態性能方麵的權衡都可能影響選擇過程。電源設計人員需要審慎選擇電流檢測方法和功率電感，並正確設計電流檢測網絡。ADI公司的LTpowerCAD設計工具和LTspice®電路仿真工具等計算機軟件程序，對簡化設計工作並獲得最佳結果會大有幫助。

 

 

還(hai)有(you)其(qi)他(ta)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)可(ke)供(gong)使(shi)用(yong)。例(li)如(ru)
，電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)互(hu)感(gan)器(qi)常(chang)常(chang)與(yu)隔(ge)離(li)電(dian)源(yuan)一(yi)起(qi)使(shi)用(yong)
，以(yi)跨(kua)越(yue)隔(ge)離(li)柵(zha)對(dui)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)信(xin)息(xi)提(ti)供(gong)保(bao)護(hu)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)通(tong)常(chang)比(bi)上(shang)述(shu)三(san)種(zhong)技(ji)術(shu)更(geng)昂(ang)貴(gui)。此(ci)外(wai)，近(jin)年(nian)來(lai)集(ji)成(cheng)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)(DrMOS)和電流檢測的新型功率MOSFET也已出現，但到目前為止，還沒有足夠的數據來推斷DrMOS在檢測信號的精度和質量方麵表現如何。

 

 

 

LTspice是一款強大、快速、免費的仿真工具、原理圖采集和波形查看器，具有增強功能和模型
，可改善開關穩壓器的仿真。

 

 

LTpowerCAD

 

LTpowerCAD設(she)計(ji)工(gong)具(ju)是(shi)一(yi)款(kuan)完(wan)整(zheng)的(de)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)工(gong)具(ju)程(cheng)序(xu)，可(ke)顯(xian)著(zhu)簡(jian)化(hua)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)任(ren)務(wu)。它(ta)引(yin)導(dao)用(yong)戶(hu)尋(xun)找(zhao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，選(xuan)擇(ze)功(gong)率(lv)級(ji)元(yuan)件(jian)，提(ti)供(gong)詳(xiang)細(xi)效(xiao)率(lv)信(xin)息(xi)，顯(xian)示(shi)快(kuai)速(su)環(huan)路(lu)波(bo)特(te)圖(tu)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)分(fen)析(xi)
，並(bing)可(ke)將(jiang)最(zui)終(zhong)設(she)計(ji)導(dao)出(chu)至(zhi)LTspice進行仿真。

推薦閱讀：