细说Buck之输出电流如何检测的

2.8.1电流的检测的用途

电流检测信号是电流模式开关模式电源设计的重要组成部分。电流检测主要用于：

①  开关电流过流检测，实现过流保护

电源的输出电流过大，导致器件损毁。通过配置输出电流的关断门限，可以控制Buck变换器的输出电流保持在这个阈值以下。那么就需要对输出电流进行检测，然后再进行比较。所以过流保护是输出电流检测的最主要的应用场景。

对于轻负载电源设计，可以作为模式调整的门限。有些电源芯片支持多种模式，当轻载时，可以根据实际电流大小，切换PWM为PFM等模式，来提高轻载时的电源效率。

①  多相电源做均流控制

在多相电源设计中，利用它能实现精确均流。通过检测每个相的电流情况，进行调整。另外，当多相应用的负载较小时，电流检测可用来减少所需的相数，从而提高电路效率。

② 稳压源切换恒流源

对于需要电流源的负载，电流检测可将电源转换为恒流源，以用于LED驱动、电池充电和驱动激光等应用。

2.8.2电流检测基本原理

电流采样的基本原理——电阻两端电压∝流经电阻的电流（欧姆定律）

实现检测电流采样的方法基本分为三种方法

方法一：串入精密电阻

方法二：利用下管的Rds（on）

方法三：利用输出电感的Rdc两端电压

三种方法都是运用欧姆定律实现，检测出电压，通过欧姆定律反向计算出流经该电阻的电流。

2.8.3电流检测的具体方法

方法一：串入精密电阻如图5.28所示

图5.28 通过串入精密电阻检测输出电流的电路图

电流检测电阻的位置连同开关稳压器架构决定了要检测的电流。检测的电流包括峰值电感电流、谷值电感电流（连续导通模式下电感电流的最小值）和平均输出流。检测电阻的位置会影响功率损耗、噪声计算以及检测电阻监控电路看到的共模电压。对于降压调节器，电流检测电阻有多个位置可以放置。这个电阻就是放置在电源输入的路径上，可以放在电源输入处、下管电路路径、输出电感三处。

如图5.29，放置在Vin进入上管的电流路径中，在电流流经上管MOSFET的前端，它会在上管MOSFET导通时检测峰值输出电流，从而可用于峰值电流模式控制电源。当顶部MOSFET关断且底部MOSFET导通时，它不测量电流。

图5.29下管MOSFET串联电阻检测输出电流

在这种配置中，电流检测可能有很高的噪声，原因是顶部MOSFET的导通边沿具有很强的开关电压振荡。这种检测方式虽然原理可行，但是一般不会使用。

放置下管的下端电流通路上

检测电阻位于下管MOSFET下方，如下图5.30 下管MOSFET串联电阻检测输出电流。在这种配置中，它检测谷值模式电流。为了进一步降低功率损耗并节省元件成本，底部FET RDS(ON)可用来检测电流，而不必使用外部电流检测电阻，就是下面将会仔细讲解的“方法二”。

图5.30下管MOSFET串联电阻检测输出电流

这种配置通常用于最小值检测模式控制的电源。开关噪声对检测结果影响比较大。在占空比较大时，可采样的时间段越短，输出电流采样结果会受到噪声影响比较大。所以，这种检测方式的最大占空比有限。

最常用的方法是将检测电阻与电感串联，如图5.31所示。电流检测电阻RSENSE与电感串联，因此可以检测连续电感电流，此电流可用于监测平均电流以及峰值或最小值电流。

图5.31电阻与电感串联检测输出电流

这种检测方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常准确的电流检测信号，以实现精确的限流和均流。但是，RSENSE也会引起额外的功

率损耗和元件成本。为了减少功率损耗和成本，可以利用电感线圈直流电阻(DCR)检测电流，而不使用外部RSENSE，就是后面详细讲解的“方法三”。

串入精密电阻进行电流检测即有优点，也有缺点。其优点为：测试准确，易于调试。其缺点为：增加能够通过大电流的高精密电阻，增加成本，增加器件，降低电源效率。

方法二：利用下管MOSFET的Rds（on），如下图5.32

图5.32利用下管MOSFET的Rds（on）检测输出电流

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。它使用恒定导通时间谷值模式电流检测架构。上管导通固定的时间，此后底部开关导通，其RDS压降用于检测电流最小值或电流下限。

利用MOSFET RDS(ON)进行电流检测,这种方法虽然价格低廉，但有不少的缺点。首先，其RDS（ON）精度不高，RDS(ON)值可能在很大的范围内变化（大约33%甚至更高）。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，必须考虑MOSFET寄生电感。

这种类型的检测没法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。

方法二是利用下管的Rds（on）的优点为：不增加额外器件、易于调试。方法二的缺点：需要在MOSFET的DS管脚两端采样电压，下管的S端连接功率，干扰较大，测试结果不准确。

方法三、利用电感的DCR检测输出电流，如下图5.33所示 。

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。

这个方法通过一个阻抗网络，非常巧妙地取到了电感上寄生电阻的阻值，实现了电流检测。

图5.33利用电感的DCR检测输出电流

通过上面公式的推导，可以看到：

通过配置电阻和电容的值，能够巧妙的获取电感中等效串阻DCR的阻值。

本文以及后续相关的系列，会细说Buck电路的一些细节。

　　审核编辑：汤梓红