开关模式电源电流检测——第三部分：电流检测方法

　　作者：Henry Zhang和Kevin B. Scott

　　开关模式电源有三种常用电流检测方法是：使用检测电阻，使用MOSFET RDS（ON），以及使用电感的直流电阻（DCR）。每种方法都有优点和缺点，选择检测方法时应予以考虑。

　　检测电阻电流

　　作为电流检测元件的检测电阻，产生的检测误差最低（通常在1%和5%之间），温度系数也非常低，约为100 ppm/°C （0.01%）。在性能方面，它提供精度最高的电源，有助于实现极为精确的电源限流功能，并且在多个电源并联时，还有利于实现精密均流。

　　

　　图1.RSENSE电流检测

　　另一方面，因为电源设计中增加了电流检测电阻，所以电阻也会产生额外的功耗。因此，与其他检测技术相比，检测电阻电流监测技术可能有更高的功耗，导致解决方案整体效率有所下降。专用电流检测电阻也可能增加解决方案成本，虽然一个检测电阻的成本通常在0.05美元至0.20美元之间。

　　选择检测电阻时不应忽略的另一个参数是其寄生电感（也称为有效串联电感或ESL）。检测电阻可以用一个电阻与一个有限电感串联来正确模拟。

　　

　　图2.RSENSE ESL模型

　　此电感取决于所选的特定检测电阻。某些类型的电流检测电阻，例如金属板电阻，具有较低的ESL，应优先使用。相比之下，绕线检测电阻由于其封装结构而具有较高的ESL，应避免使用。一般来说，ESL效应会随着电流的增加、检测信号幅度的减小以及布局不合理而变得更加明显。电路的总电感还包括由元件引线和其他电路元件引起的寄生电感。电路的总电感也受到布局的影响，因此必须妥善考虑元件的布局，不恰当的布局可能影响稳定性并加剧现有电路设计问题。

　　检测电阻ESL的影响可能很轻微，也可能很严重。ESL会导致开关栅极驱动器发生明显振荡，从而对开关导通产生不利影响。它还会增加电流检测信号的纹波，导致波形中出现电压阶跃，而不是预期的如图3所示的锯齿波形。这会降低电流检测精度。

　　

　　图3.RSENSE ESL可能会对电流检测产生不利影响。

　　为使电阻ESL最小，应避免使用具有长环路（如绕线电阻）或长引线（如厚电阻）的检测电阻。薄型表面贴装器件是首选，例子包括板结构SMD尺寸0805、1206、2010和2512，更好的选择包括倒几何SMD尺寸0612和1225。

　　基于功率MOSFET的电流检测

　　利用MOSFET RDS（ON）进行电流检测，可以实现简单且经济高效的电流检测。LTC3878是一款采用这种方法的器件。它使用恒定导通时间谷值模式电流检测架构。顶部开关导通固定的时间，此后底部开关导通，其RDS压降用于检测电流谷值或电流下限。

　　

　　图4.MOSFET RDS（ON）电流检测

　　虽然价格低廉，但这种方法有一些缺点。首先，其精度不高，RDS（ON）值可能在很大的范围内变化（大约33%或更多）。其温度系数可能也非常大，在100°C以上时甚至会超过80%。另外，如果使用外部MOSFET，则必须考虑MOSFET寄生封装电感。这种类型的检测不建议用于电流非常高的情况，特别是不适合多相电路，此类电路需要良好的相位均流。

　　电感DCR电流检测

　　电感直流电阻电流检测采用电感绕组的寄生电阻来测量电流，从而无需检测电阻。这样可降低元件成本，提高电源效率。与MOSFET RDS（ON）相比，铜线绕组的电感DCR的器件间偏差通常较小，不过仍然会随温度而变化。它在低输出电压应用中受到青睐，因为检测电阻上的任何压降都代表输出电压的一个相当大部分。将一个RC网络与电感和寄生电阻的串联组合并联，检测电压在电容C1上测量（图5）。

　　

　　图5.电感DCR电流检测

　　通过选择适当的元件（R1 × C1 = L/DCR），电容C1两端的电压将与电感电流成正比。为了最大限度地减少测量误差和噪声，最好选择较低的R1值。

　　电路不直接测量电感电流，因此无法检测电感饱和。推荐使用软饱和的电感，如粉芯电感。与同等铁芯电感相比，此类电感的磁芯损耗通常较高。与RSENSE方法相比，电感DCR检测不存在检测电阻的功率损耗，但可能会增加电感的磁芯损耗。

　　使用RSENSE和DCR两种检测方法时，由于检测信号较小，故均需要开尔文检测。必须让开尔文检测痕迹（图5中的SENSE+和SENSE-）远离高噪声覆铜区和其他信号痕迹，以将噪声提取降至最低，这点很重要。某些器件（如LTC3855）具有温度补偿DCR检测功能，可提高整个温度范围内的精度。

　　表1总结了不同类型的电流检测方法及其优缺点。

　　表1.电流检测方法的优缺点

　　表1中提到的每种方法都为开关模式电源提供额外的保护。取决于设计要求，精度、效率、热应力、保护和瞬态性能方面的权衡都可能影响选择过程。电源设计人员需要审慎选择电流检测方法和功率电感，并正确设计电流检测网络。ADI公司的LTpowerCAD设计工具和LTspice®电路仿真工具等计算机软件程序，对简化设计工作并获得最佳结果会大有帮助。

　　其他电流检测方法

　　还有其他电流检测方法可供使用。例如，电流检测互感器常常与隔离电源一起使用，以跨越隔离栅对电流信号信息提供保护。这种方法通常比上述三种技术更昂贵。此外，近年来集成栅极驱动器（DrMOS）和电流检测的新型功率MOSFET也已出现，但到目前为止，还没有足够的数据来推断DrMOS在检测信号的精度和质量方面表现如何。

　　软件

　　LTspice

　　LTspice软件是一款强大、快速、免费的仿真工具、原理图采集和波形查看器，具有增强功能和模型，可改善开关稳压器的仿真。

　　LTpowerCAD

　　LTpowerCAD设计工具是一款完整的电源设计工具程序，可显著简化电源设计任务。它引导用户寻找解决方案，选择功率级元件，提供详细效率信息，显示快速环路波特图稳定性和负载瞬态分析，并可将最终设计导出至LTspice进行仿真。

　　作者简介

　　Henry Zhang是ADI公司电源产品应用工程总监。他于2001年加入凌力尔特（现为ADI公司一部分），担任电源应用工程师，开始其职业生涯。他于2004年成为应用部门主管，并于2008年成为应用工程经理。他的团队支持广泛的产品和应用，从小尺寸集成功率模块到大型kW级高功率、高电压转换器。除了支持电源应用和新产品开发以外，他的团队还开发了LTpowerCAD电源设计工具程序。Henry对电源管理解决方案和模拟电路有着广泛的兴趣。他发表了20多篇技术文章，发布了许多研讨会和视频，并有10多项电源专利已获授权或在申请中。

　　Henry毕业于弗吉尼亚理工学院和弗吉尼亚州布莱克斯堡州立大学，获得电气工程硕士和博士学位。

　　Kevin Scott是ADI公司电源产品部门的产品营销经理，负责管理升压、升降压和隔离转换器、LED驱动器和线性稳压器。他曾担任高级战略营销工程师，负责制定技术培训内容，培训销售工程师，并撰写了大量关于公司众多产品技术优势的网站文章。他在半导体行业已有 26 年从业经验，历任应用、业务管理和营销职务。

　　Kevin于1987年毕业于美国斯坦福大学，获得电气工程学士学位。