【導(dǎo)讀】電流檢測技術(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)中都需要檢測流入和流出的電流大小,檢測電流大小能夠避免器件出錯(cuò)。所以我們今天的主角就是“開關(guān)模式電源的電流檢測技術(shù)”。
電流檢測技術(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)中都需要檢測流入和流出的電流大小,檢測電流大小能夠避免器件出錯(cuò)。所以我們今天的主角就是“開關(guān)模式電源的電流檢測技術(shù)”。
基本知識談
電流模式控制由于其高可靠性、環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)簡單、負(fù)載分配功能簡單可靠的特點(diǎn),被廣泛用于開關(guān)模式電源。電流檢測信號是電流模式開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)的重要組成部分,它用于調(diào)節(jié)輸出并提供過流保護(hù)。圖1顯示了 ADI LTC3855同步開關(guān)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制器件。檢測電阻RS監(jiān)測電流。
圖1. 開關(guān)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(qū)動的負(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供電軌上測量
最初,峰值電感電流由選定的電感值、電源開關(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。對于輕負(fù)載電源設(shè)計(jì),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(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),電流檢測可用來減少所需的相數(shù),從而提高電路效率。對于需要電流源的負(fù)載,電流檢測可將電源轉(zhuǎn)換為恒流源,以用于LED驅(qū)動、電池充電和驅(qū)動激光等應(yīng)用。
檢測電阻放哪最合適?
電流檢測電阻的位置連同開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)決定了要檢測的電流。檢測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。檢測電阻的位置會影響功率損耗、噪聲計(jì)算以及檢測電阻監(jiān)控電路看到的共模電壓。
放置在降壓調(diào)節(jié)器高端
對于降壓調(diào)節(jié)器,電流檢測電阻有多個(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),它會在頂部MOSFET 導(dǎo)通時(shí)檢測峰值電感電流,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)的開關(guān)電壓振蕩。為使這種影響最小,需要一個(gè)較長的電流比較器消隱時(shí)間(比較器忽略輸入的時(shí)間)。這會限制最小開關(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,檢測電阻位于底部MOSFET下方。在這種配置中,它檢測谷值模式電流。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(zhuǎn)換器
這種配置通常用于谷值模式控制的電源。它對噪聲可能也很敏感,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,電流檢測電阻RSENSE與電感串聯(lián),因此可以檢測連續(xù)電感電流,此電流可用于監(jiān)測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)確的電流檢測信號,以實(shí)現(xiàn)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。
放置在升壓和反相調(diào)節(jié)器的高端
對于升壓調(diào)節(jié)器,檢測電阻可以與電感串聯(lián),以提供高端檢測 (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,因此會產(chǎn)生三角波形并持續(xù)監(jiān)測電流。
放置在升壓和反相調(diào)節(jié)器的低端
檢測電阻也可以放在底部MOSFET的低端,如圖7所示。此處監(jiān)測峰值開關(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開關(guān)切換導(dǎo)致電流信號具有很強(qiáng)的開關(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開關(guān)升降壓轉(zhuǎn)換器,其檢測電阻位于低端。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,檢測電阻位于4開關(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)測的電流。
圖8. 帶低端RSENSE的升壓轉(zhuǎn)換器
在降壓模式下(開關(guān)D一直導(dǎo)通,開關(guān)C一直關(guān)斷),檢測電阻監(jiān)測底部開關(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(開關(guān)A一直導(dǎo)通,開關(guān)B一直關(guān)斷),檢測電阻與底部MOSFET (C)串聯(lián),并在電感電流上升時(shí)測量峰值電流。在這種模式下,由于不監(jiān)測谷值電感電流,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,但由于這種傳輸會有損耗,故效率會受損。對于電池供電系統(tǒng)等應(yīng)用,輕負(fù)載效率很重要,這種電流檢測方法不合需要。
圖9電路解決了這個(gè)問題,其將檢測電阻與電感串聯(lián),從而在降壓和升壓模式下均能連續(xù)測量電感電流信號。由于電流檢測 RSENSE連接到具有高開關(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,因此可在電流檢測路徑中增加一個(gè)強(qiáng)RC濾波器,以減少電流檢測噪聲。
電流檢測方法使用說明書
開關(guān)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(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),選擇檢測方法時(shí)應(yīng)予以考慮。
檢測電阻電流傳感
作為電流檢測元件的檢測電阻,產(chǎn)生的檢測誤差最低(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
另一方面,因?yàn)殡娫丛O(shè)計(jì)中增加了電流檢測電阻,所以電阻也會產(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)測技術(shù)可能有更高的功耗,導(dǎo)致解決方案整體效率有所下降。專用電流檢測電阻也可能增加解決方案成本,雖然一個(gè)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(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)。檢測電阻可以用一個(gè)電阻與一個(gè)有限電感串聯(lián)來正確模擬。
圖12. 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(yīng)優(yōu)先使用。相比之下,繞線檢測電阻由于其封裝結(jié)構(gòu)而具有較高的ESL,應(yīng)避免使用。一般來說,ESL效應(yīng)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(dāng)?shù)牟季挚赡苡绊懛€(wěn)定性并加劇現(xiàn)有電路設(shè)計(jì)問題。
檢測電阻ESL的影響可能很輕微,也可能很嚴(yán)重。ESL會導(dǎo)致開關(guān)柵極驅(qū)動器發(fā)生明顯振蕩,從而對開關(guān)導(dǎo)通產(chǎn)生不利影響。它還會增加電流檢測信號的紋波,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。這會降低電流檢測精度。
圖13. RSENSE ESL可能會對電流檢測產(chǎn)生不利影響
為使電阻ESL最小,應(yīng)避免使用具有長環(huán)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(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
利用MOSFET RDS(ON)進(jìn)行電流檢測,可以實(shí)現(xiàn)簡單且經(jīng)濟(jì)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(dǎo)通時(shí)間谷值模式電流檢測架構(gòu)。頂部開關(guān)導(dǎo)通固定的時(shí)間,此后底部開關(guān)導(dǎo)通,其RDS壓降用于檢測電流谷值或電流下限。
圖14. MOSFET RDS(ON)電流檢測
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)^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(yīng)用中受到青睞,因?yàn)闄z測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),檢測電壓在電容C1上測量(圖15)。
圖15. 電感DCR電流檢測
通過選擇適當(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(shí),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(yuǎn)離高噪聲覆銅區(qū)和其他信號痕跡,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檢測功能,可提高整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度。
表1. 電流檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)
表1中提到的每種方法都為開關(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程。電源設(shè)計(jì)人員需要審慎選擇電流檢測方法和功率電感,并正確設(shè)計(jì)電流檢測網(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,對簡化設(shè)計(jì)工作并獲得最佳結(jié)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(hù)。這種方法通常比上述三種技術(shù)更昂貴。此外,近年來集成柵極驅(qū)動器(DrMOS)和電流檢測的新型功率MOSFET也已出現(xiàn),但到目前為止,還沒有足夠的數(shù)據(jù)來推斷DrMOS在檢測信號的精度和質(zhì)量方面表現(xiàn)如何。
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