開關模式電源電流檢測——第二部分

電流檢測電阻的位置連同開關穩(wěn)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、谷值電感電流（連續(xù)導通模式下電感電流的最小值）和平均輸出電流。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(jiān)控電路看到的共模電壓。

放置在降壓調節(jié)器高端

對于降壓調節(jié)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1所示），它會在頂部MOSFET導通時檢測峰值電感電流，從而可用于峰值電流模式控制電源。但是，當頂部MOSFET關斷且底部MOSFET導通時，它不測量電感電流。

圖1 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）。這會限制最小開關導通時間，并且可能限制最小占空比（占空比 = V_OUT/V_IN）和最大轉換器降壓比。注意在高端配置中，電流信號可能位于非常大的共模電壓(V_IN)之上。

放置在降壓調節(jié)器低端

圖2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。為了進一步降低功率損耗并節(jié)省元件成本，底部FET R_DS（ON）可用來檢測電流，而不必使用外部電流檢測電阻RSENSE。

圖2 帶低端RSENSE的降壓轉換器

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，它在占空比較大時很敏感。谷值模式控制的降壓轉換器支持高降壓比，但由于其開關導通時間是固定/受控的，故最大占空比有限。

降壓調節(jié)器與電感串聯(lián)

圖3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3 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?？商峁┓浅蚀_的電流檢測信號，以實現(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節(jié)器的高端

對于升壓調節(jié)器，檢測電阻可以與電感串聯(lián)，以提供高端檢測（圖4）。

圖4 帶高端RSENSE的升壓轉換器

升壓轉換器具有連續(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節(jié)器的低端

檢測電阻也可以放在底部MOSFET的低端，如圖5所示。此處監(jiān)測峰值開關電流（也是峰值電感電流），每半個周期產(chǎn)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5 帶低端RSENSE的升壓轉換器

SENSE電阻放置在升降壓轉換器低端或與電感串聯(lián)

圖6顯示了一個4開關升降壓轉換器，其檢測電阻位于低端。當輸入電壓遠高于輸出電壓時，轉換器工作在降壓模式；當輸入電壓遠低于輸出電壓時，轉換器工作在升壓模式。在此電路中，檢測電阻位于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(jiān)測的電流。

圖6 RSENSE位于低端的升降壓轉換器

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(jiān)測底部開關B電流，電源用作谷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)串聯(lián)，并在電感電流上升時測量峰值電流。在這種模式下，由于不監(jiān)測谷值電感電流，因此當電源處于輕負載狀態(tài)時，很難檢測負電感電流。負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)等應用，輕負載效率很重要，這種電流檢測方法不合需要。

圖7電路解決了這個問題，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連接到具有高開關噪聲的SW1節(jié)點，因此需要精心設計控制器IC，使內部電流比較器有足夠長的消隱時間。

圖7 LT8390升降壓轉換器，RSENSE與電感串聯(lián)

輸入端也可以添加額外的檢測電阻，以實現(xiàn)輸入限流；或者添加在輸出端（如下圖所示），用于電池充電或驅動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。

上述大多數(shù)例子假定電流檢測元件為檢測電阻。但這不是強制要求，而且實際上往往并非如此。其他檢測技術包括使用MOSFET上的壓降或電感的直流電阻(DCR)。這些電流檢測方法在第三部分“電流檢測方法”中介紹。

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(wěn)壓器的仿真。

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(huán)路波特圖穩(wěn)定性和負載瞬態(tài)分析，并可將最終設計導出至LTspice進行仿真。

作者簡介

Henry Zhang是ADI公司電源產(chǎn)品應用工程總監(jiān)。他于2001年加入凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司一部分），擔任電源應用工程師，開始其職業(yè)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(jīng)理。他的團隊支持廣泛的產(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)以外，他的團隊還開發(fā)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(fā)表了20多篇技術文章，發(fā)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(yè)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。

Kevin Scott是ADI公司電源產(chǎn)品部門的產(chǎn)品營銷經(jīng)理，負責管理升壓、升降壓和隔離轉換器、LED驅動器和線性穩(wěn)壓器。他曾擔任高級戰(zhàn)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(chǎn)品技術優(yōu)勢的網(wǎng)站文章。他在半導體行業(yè)已有 26 年從業(yè)經(jīng)驗，歷任應用、業(yè)務管理和營銷職務。

Kevin于1987年畢業(yè)于美國斯坦福大學，獲得電氣工程學士學位。