并聯(lián)電阻的分流電感很重要

作者：安森美半導(dǎo)體 Jerry Steele

在高頻開關(guān)系統(tǒng)中，通過并聯(lián)電阻測量電流時，您可能會觀察到正弦波電流紋波幅值過大、方波紋波或快速轉(zhuǎn)換電流過沖或過高的高頻噪聲等問題。這些問題是由并聯(lián)的分流電感引起的，當(dāng)并聯(lián)電阻值較低時，尤其是在1mΩ以下時，分流電感就變得更為明顯。

圖1：這是分流電感問題的等效電路圖。100kHz開關(guān)穩(wěn)壓器的方波輸出被L1和C1濾波，使得電流紋波是正弦波。H1捕獲實際電流波形(由ROUT1探測)，E1捕獲并聯(lián)電阻的精確電壓及電感(由Rout探測)，就像電流檢測放大器(20V電源有助于方便地偏置和縮放以同時查看輸出波形)。

您可能遇到不正確的正弦波波紋信號幅度和波形的問題。這里建模的一個實例中，波紋信號太大，使人懷疑整個測量的準確性。電路圖中顯示了一個神秘的三角波，在并聯(lián)電阻附近，在我對電路進行仿真時才注意到。

圖2：綠色曲線代表實際的紋波電流;黃色曲線代表并聯(lián)電阻的壓降，跟不帶輸入濾波器的電流檢測放大器輸出的信號是一樣的。請注意，三角波的幅值比正弦波大得多(源E和H被縮放，當(dāng)一切正常時，它們將匹配)。

圖3：繪出了我們在應(yīng)用中看到的問題。它有一個輸入濾波器，所以放大器輸出的波形是正弦的，但幅值過大。這只不過是濾波電容器太小的問題。

圖4：此應(yīng)用電路圖顯示濾波器在RFILT和CFILT處的初始值不正確，產(chǎn)生了圖3的波形。將CFILT修正為0.3µF后將提供正確的波形和幅值，如圖5所示。

圖5：紋波有正確的濾波值。波形互相重疊。

正弦波紋波在并聯(lián)電阻有足夠的分流電感時確實會變成三角波形。放大器最初有一個正弦波輸出，因為設(shè)計人員明智地在放大器輸入處使用了一個低通濾波器，但是它沒有被正確地“調(diào)整”。在這種情況下，需要調(diào)整的有電容值，直到紋波符合正確的計算值。實際應(yīng)用中的分流問題是，由于電感規(guī)格的不確定，它們不遵守規(guī)則的分析方法。您可能會在數(shù)據(jù)表中看到“0.5到5nH”這樣的標注，但是卻沒有具體的值，這就看您是否幸運了。所以您需要使用一個電流探頭，通過反復(fù)調(diào)整電容器來確定正確的值(很明顯，如果幅值太大，就增加電容值，幅值太小的話就減小電容值)。

事實上，如果您有一個真正的電流方波，您可能可以很幸運地以同樣的方式“調(diào)出”一個過沖。一旦找到正確的濾波值，就可用于生產(chǎn)，甚至在不得不更換并聯(lián)電阻供應(yīng)商時，它仍可能有用。構(gòu)建低于1mΩ并聯(lián)電阻的方法不多。我是不是提到過，由于分流電感的影響，瞬態(tài)響應(yīng)問題會隨著并聯(lián)電阻的變小(通常小于1mΩ)而變得更糟?

在輸入前完成濾波的重要性

濾波應(yīng)在電流檢測IC輸入之前完成，這很重要。對沒有前端濾波的系統(tǒng)長期收集的數(shù)據(jù)顯示，在電流和功率值的數(shù)據(jù)圖中不明原因地偶然(但頻率已足以引起問題)出現(xiàn)了大的尖峰。并聯(lián)電阻的高頻響應(yīng)上升，引起電流檢測前端混疊，從而產(chǎn)生尖峰。不管是斬波穩(wěn)定放大器、delta-sigma轉(zhuǎn)換器還是平均SAR，只要是采樣系統(tǒng)，那么它們都是脆弱的。與任何混疊問題一樣，正確的解決方法是在電流檢測IC輸入前進行模擬濾波。離開那些說您不需要濾波器的供應(yīng)商。如果它是一個采樣系統(tǒng)并且您正在收集數(shù)據(jù)，您的電流檢測IC就需要一個干凈的信號。還請記住，混疊不是唯一可能存在的問題，若是不對輸入進行濾波，高頻輸入很可能使前端過載。

最后，如果您需要進一步抑制噪音，當(dāng)然可以調(diào)到更低的頻率。在輸入進入第一個放大器之前進行濾波總是有益的。大多數(shù)電流檢測IC在單極輸入處會限制實際濾波，但還是應(yīng)該使用，如果需要，在放大器的輸出處還可實施更高階的濾波。

雖然本文討論的問題存在于瞬態(tài)域，但任何敏感的讀者都會意識到它可看作一個簡單的一階帶寬問題。在歐姆值極低的并聯(lián)電阻上的分流電感產(chǎn)生了幾百kHz的轉(zhuǎn)角頻率，有時出奇地低。無論怎樣，作為帶寬問題、時間常數(shù)問題或瞬態(tài)響應(yīng)問題，最佳濾波器的時間常數(shù)都將等于并聯(lián)電阻及其電感的時間常數(shù)(或補償并聯(lián)零頻率的極點頻率)：

電流檢測IC將始終使用差分濾波器，RFILT將是兩個電阻之和。從數(shù)學(xué)的角度，最難的部分是得到一個實際的LSHUNT值。

圖6：頻率響應(yīng)曲線(綠色)顯示有3nH電感的500µΩ并聯(lián)電阻的上升頻率響應(yīng)，以及有一對10Ω電阻和0.3µF電容的輸入濾波器的互補響應(yīng)。請注意，并聯(lián)電阻顯示出約為30kHz的轉(zhuǎn)角頻率。