開(kāi)關(guān)模式電源電流檢測(cè)—— 第三部分：電流檢測(cè)方法

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1. 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2. RSENSE ESL模型

此電感取決于所選的特定檢測(cè)電阻。某些類型的電流檢測(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，也可能很嚴(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3所示的鋸齒波形。這會(huì)降低電流檢測(cè)精度。

圖3. 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4. 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

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總結(jié)了不同類型的電流檢測(cè)方法及其優(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公司的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。