|
Switch Mode Power Supply Current Sensing—Part 3: Current Sensing Methods 作者：Henry Zhang和Kevin B. Scott，ADI公司 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。 檢測電阻電流 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），溫度系數也非常低，約為100 ppm/°C (0.01%)。在性能方面，它提供精度最高的電源，有助于實現極為精確的電源限流功能，并且在多個電源并聯時，還有利于實現精密均流。 
圖1.RSENSE電流檢測 另一方面，因為電源設計中增加了電流檢測電阻，所以電阻也會產生額外的功耗。因此，與其他檢測技術相比，檢測電阻電流監測技術可能有更高的功耗，導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2.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，應優先使用。相比之下，繞線檢測電阻由于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，不恰當的布局可能影響穩定性并加劇現有電路設計問題。 檢測電阻ESL的影響可能很輕微，也可能很嚴重。ESL會導致開關柵極驅動器發生明顯振蕩，從而對開關導通產生不利影響。它還會增加電流檢測信號的紋波，導致波形中出現電壓階躍，而不是預期的如圖3所示的鋸齒波形。這會降低電流檢測精度。
圖3.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。薄型表面貼裝器件是首選，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。 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谷值模式電流檢測架構。頂部開關導通固定的時間，此后底部開關導通，其RDS壓降用于檢測電流谷值或電流下限。
圖4.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變化（大約33%或更多）。其溫度系數可能也非常大，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網絡與電感和寄生電阻的串聯組合并聯，檢測電壓在電容C1上測量（圖5）。
圖5.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的精度。 表1總結了不同類型的電流檢測方法及其優缺點。 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。取決于設計要求，精度、效率、熱應力、保護和瞬態性能方面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，并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，對簡化設計工作并獲得最佳結果會大有幫助。 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更昂貴。此外，近年來集成柵極驅動器(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面表現如何。 軟件 LTspice LTspice軟件是一款強大、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。點擊此處下載LTspice。 LTpowerCAD LTpowerCAD設計工具是一款完整的電源設計工具程序，可顯著簡化電源設計任務。它引導用戶尋找解決方案，選擇功率級元件，提供詳細效率信息，顯示快速環路波特圖穩定性和負載瞬態分析，并可將最終設計導出至LTspice進行仿真。點擊此處下載LTpowerCAD。 作者簡介 Henry Zhang是ADI公司電源產品應用工程總監。他于2001年加入凌力爾特（現為ADI公司一部分），擔任電源應用工程師，開始其職業生涯。他于2004年成為應用部門主管，并于2008年成為應用工程經理。他的團隊支持廣泛的產品和應用，從小尺寸集成功率模塊到大型kW級高功率、高電壓轉換器。除了支持電源應用和新產品開發以外，他的團隊還開發了LTpowerCAD電源設計工具程序。Henry對電源管理解決方案和模擬電路有著廣泛的興趣。他發表了20多篇技術文章，發布了許多研討會和視頻，并有10多項電源專利已獲授權或在申請中。 Henry畢業于弗吉尼亞理工學院和弗吉尼亞州布萊克斯堡州立大學，獲得電氣工程碩士和博士學位。聯系方式：.henry.zhang@analog.com Kevin Scott是ADI公司電源產品部門的產品營銷經理，負責管理升壓、升降壓和隔離轉換器、LED驅動器和線性穩壓器。他曾擔任高級戰略營銷工程師，負責制定技術培訓內容，培訓銷售工程師，并撰寫了大量關于公司眾多產品技術優勢的網站文章。他在半導體行業已有 26 年從業經驗，歷任應用、業務管理和營銷職務。 Kevin于1987年畢業于美國斯坦福大學，獲得電氣工程學士學位。聯系方式：.kevin.scott@analog.com |
