基于LTC7803方案的Rsense電阻電流采樣

大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展使得電子產(chǎn)品的體積越來越小，促使了便攜式電子產(chǎn)品如雨后春筍一般蓬勃發(fā)展，不斷添加的新特征和能力，使得電子產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，作為電子設(shè)備運(yùn)作的核心——電源就面臨了越來越大的挑戰(zhàn)。DC-DC電源管理芯片的高效率，低功耗等特性使得它在便攜式電子設(shè)備市場(chǎng)中具有不可替代的地位，因此研究并改善DC-DC的性能具有很大的意義。 除了性能要滿足供電產(chǎn)品的要求外，電源自身的保護(hù)措施也非常重要，過流保護(hù)即是防止DC-DC因過載或輸出短路造成意外損壞的防護(hù)措施之一。而電流檢測(cè)又是過流保護(hù)的重中之重。本文中首先分析了傳統(tǒng)電流檢測(cè)方法的功能及優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上研究并提出了一種適用于電流控制模式的降壓型DC-DC芯片的高性能的電流檢測(cè)電路，可以及時(shí)探知電流大小，可靠地保護(hù)芯片。 本文所設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)電路包括電流采樣電路和限流電路兩部分，其中，電流采樣部分是檢測(cè)電路可靠工作的關(guān)鍵所在。電流采樣是利用了差分放大器兩個(gè)輸入端的虛短特性，將一端與功率元件連接，則另一端輸入就等于相應(yīng)點(diǎn)的電壓。采樣電路使用了折疊式共源共柵差分電路作為采樣放大器。并使用伸縮式串接差分電路構(gòu)成兩級(jí)比較器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行比較。 利用CMOS工藝設(shè)計(jì)的電路容易縮減元件尺寸，增加MOSFETs的速度，而且功耗低、制作成本也低，本文的電流檢測(cè)電路就采用了0.6μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)，達(dá)到了較好的性能指標(biāo)。利用Hspice仿真，證明了該電流檢測(cè)電路的可行性和可靠性。而且此電路也適用于升壓型和降—升壓型DC-DC芯片的電流檢測(cè)。

電源作為所有電子產(chǎn)品不可或缺的部分，起著非常重要的作用。如何提高功率密度以及產(chǎn)品功能特性(例如EMC、保護(hù)性能等)，成為不少半導(dǎo)體廠商需解決的問題。而近些年來，電子產(chǎn)品爆炸，起火等安全問題時(shí)有出現(xiàn)，電源安全也需要引起人們的高度重視。電源的保護(hù)特性，往往離不開電流電壓檢測(cè)的方式。

本文旨在介紹DC-DC(非特大功率應(yīng)用)中幾種比較常用的電流檢測(cè)方式及其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，當(dāng)中包括三種DC-DC中比較常用的電流檢測(cè)方式：

Rsense電阻檢測(cè)

電感DCR檢測(cè)

Mosfet Rdson檢測(cè)

常用電流檢測(cè)方式介紹

方式一: Rsense電阻檢測(cè)

采用Rsense電阻檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是合金電阻可以把溫度系數(shù)降低到1PPM/℃。在高低溫(比如-40℃到85℃或者125℃)的變化之下，電流檢測(cè)出來的結(jié)果不會(huì)相差太大。

但缺點(diǎn)是合金電阻會(huì)帶來一部分的損耗，同時(shí)對(duì)于輸出大電流的應(yīng)用(20A/30A)而言，每一個(gè)毫歐都能帶來0.4W/0.9W的損耗，因此有時(shí)候需要多個(gè)合金電阻并聯(lián)，此時(shí)會(huì)增加整個(gè)電源的面積。

如下圖1是LTC7803方案使用Rsense電阻進(jìn)行電流檢測(cè)，對(duì)于輸出電流I來說，則有檢測(cè)的輸出信號(hào)等于CF兩端的電壓Vcf，根據(jù)傳遞公式如下:

公式中，Rsense+S*ESL是整個(gè)檢測(cè)電阻兩端的電壓(S=jw),

圖 1 基于LTC7803方案的Rsense電阻電流采樣

方式二: 電感DCR檢測(cè)

采用DCR檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是可以減小損耗，增加電源的效率。

缺點(diǎn)是電感的DCR溫度系數(shù)一般是正溫度系數(shù)，大約3900PPM/℃的變化率(如果是100℃溫度的變化，就有39%的電流采樣誤差)。因此在高低溫的環(huán)境下，可以直觀地發(fā)現(xiàn)電源過流保護(hù)的保護(hù)點(diǎn)相差很大，如果需要抵消溫度帶來的影響，則需要增加溫度補(bǔ)償電路。

圖2是LTC7803采用電感DCR去進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于輸出電流I來說，檢測(cè)的信號(hào)電壓等于C1//R2之后兩端的電壓(也有的DCR采樣部分是沒有R2這個(gè)電阻)，根據(jù)傳遞公式可以得Vc1:

當(dāng)(R1//R2)*C1=L/DCR時(shí)，Vc1=I*DCR*R2/(R1+R2)。

圖 2 基于LTC7803方案的電感DCR電流采樣這個(gè)傳遞函數(shù)是沒有考慮DCR隨溫度變化的因素，假設(shè)溫度升高，DCR增大，Vc1增大，但是門限不變，那么對(duì)應(yīng)的過流保護(hù)點(diǎn)就會(huì)變小。

一些多相的設(shè)計(jì)會(huì)采用溫度補(bǔ)償電路去匹配，譬如比如NTC電路 (可以參考Intersil的ISL6334)，但是此時(shí)需要注意NTC電阻的放置的位置(需要盡量靠近電感放置)，另外選擇NTC電阻的B值也要盡量去匹配電路。另外，也可以使用到采用圖3，LTM4664 Module等類似的PSM電源方案，內(nèi)部有2路的溫度采樣點(diǎn)(對(duì)應(yīng)兩路輸出)，用內(nèi)部的ADC去采樣，由于功能全部集成，可以把溫度采樣點(diǎn)盡量接近電感。

圖 3 LTM4664內(nèi)部框圖-輸入30-58V輸出0.5-1.5V/2X25A (詳情請(qǐng)參考LTM4664數(shù)據(jù)手冊(cè)第26頁(yè))

方式三: Mosfet Rdson檢測(cè)

對(duì)于一部分集成Mosfet的DC-DC驅(qū)動(dòng)器而言，由于是內(nèi)部集成的Mosfet，可以知道其導(dǎo)通的電阻Rdson，則可以采樣Rdson上的電壓去計(jì)算管子上流過的電流。該檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是集成方便，同時(shí)可以把方案的體積做小型點(diǎn)。

缺點(diǎn)就是Rdson也是正溫度系數(shù)，而且Rdson不可能做到完全一致，因此過流保護(hù)點(diǎn)也會(huì)在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖4的LT8610的內(nèi)部框圖和圖5的電氣特性表。

圖 4 LT8610內(nèi)部框圖/紅色圈出部分為芯片內(nèi)部電流采樣的位置

圖 5 LT8610上下管的過流點(diǎn)以及上下管的Rdson總結(jié)

本文主要介紹了三種DC-DC中比較常用的電流檢測(cè)方式：Rsense電阻檢測(cè)、電感DCR檢測(cè)和Mosfet Rdson檢測(cè)。此外，一些大電流的應(yīng)用會(huì)采用霍爾檢測(cè)電流去提高效率，來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)隔離;而一些新興的產(chǎn)品會(huì)采用電流鏡的方式去檢測(cè)電流。 ADI-LT電源數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了詳細(xì)的方案以及應(yīng)用介紹，包括計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)的拓?fù)浞绞?，以及布局Layout上的注意事項(xiàng)，是大家學(xué)習(xí)提升的好幫手。