開關(guān)模式電源電流檢測——第三部分：電流檢測方法

開關(guān)模式電源有三種常用電流檢測方法是：使用檢測電阻，使用MOSFET RDS(ON)，以及使用電感的直流電阻(DCR)。每種方法都有優(yōu)點和缺點，選擇檢測方法時應(yīng)予以考慮。

檢測電阻電流傳感

作為電流檢測元件的檢測電阻，產(chǎn)生的檢測誤差最低(通常在1%和5%之間)，溫度系數(shù)也非常低，約為100 ppm/°C(0.01%)。在性能方面，它提供精度最高的電源，有助于實現(xiàn)極為精確的電源限流功能，并且在多個電源并聯(lián)時，還有利于實現(xiàn)精密均流。

圖1. RSENSE電流檢測

另一方面，因為電源設(shè)計中增加了電流檢測電阻，所以電阻也會產(chǎn)生額外的功耗。因此，與其他檢測技術(shù)相比，檢測電阻電流監(jiān)測技術(shù)可能有更高的功耗，導(dǎo)致解決方案整體效率有所下降。專用電流檢測電阻也可能增加解決方案成本，雖然一個檢測電阻的成本通常在0.05美元至0.20美元之間。

選擇檢測電阻時不應(yīng)忽略的另一個參數(shù)是其寄生電感(也稱為有效串聯(lián)電感或ESL)。檢測電阻可以用一個電阻與一個有限電感串聯(lián)來正確模擬。

圖2. RSENSE ESL模型

此電感取決于所選的特定檢測電阻。某些類型的電流檢測電阻，例如金屬板電阻，具有較低的ESL，應(yīng)優(yōu)先使用。相比之下，繞線檢測電阻由于其封裝結(jié)構(gòu)而具有較高的ESL，應(yīng)避免使用。一般來說，ESL效應(yīng)會隨著電流的增加、檢測信號幅度的減小以及布局不合理而變得更加明顯。電路的總電感還包括由元件引線和其他電路元件引起的寄生電感。電路的總電感也受到布局的影響，因此必須妥善考慮元件的布局，不恰當?shù)牟季挚赡苡绊懛€(wěn)定性并加劇現(xiàn)有電路設(shè)計問題。

檢測電阻ESL的影響可能很輕微，也可能很嚴重。ESL會導(dǎo)致開關(guān)柵極驅(qū)動器發(fā)生明顯振蕩，從而對開關(guān)導(dǎo)通產(chǎn)生不利影響。它還會增加電流檢測信號的紋波，導(dǎo)致波形中出現(xiàn)電壓階躍，而不是預(yù)期的如圖3所示的鋸齒波形。這會降低電流檢測精度。

圖3. RSENSE ESL可能會對電流檢測產(chǎn)生不利影響

為使電阻ESL最小，應(yīng)避免使用具有長環(huán)路(如繞線電阻)或長引線(如厚電阻)的檢測電阻。薄型表面貼裝器件是首選，例子包括板結(jié)構(gòu)SMD尺寸0805、1206、2010和2512，更好的選擇包括倒幾何SMD尺寸0612和1225。

基于功率MOSFET的電流檢測

利用MOSFET RDS(ON)進行電流檢測，可以實現(xiàn)簡單且經(jīng)濟高效的電流檢測。LTC3878是一款采用這種方法的器件。它使用恒定導(dǎo)通時間谷值模式電流檢測架構(gòu)。頂部開關(guān)導(dǎo)通固定的時間，此后底部開關(guān)導(dǎo)通，其RDS壓降用于檢測電流谷值或電流下限。

圖4. MOSFET RDS(ON)電流檢測

雖然價格低廉，但這種方法有一些缺點。首先，其精度不高，RDS(ON)值可能在很大的范圍內(nèi)變化(大約33%或更多)。其溫度系數(shù)可能也非常大，在100°C以上時甚至會超過80%。另外，如果使用外部MOSFET，則必須考慮MOSFET寄生封裝電感。這種類型的檢測不建議用于電流非常高的情況，特別是不適合多相電路，此類電路需要良好的相位均流。

電感DCR電流檢測

電感直流電阻電流檢測采用電感繞組的寄生電阻來測量電流，從而無需檢測電阻。這樣可降低元件成本，提高電源效率。

與MOSFET RDS(ON)相比，銅線繞組的電感DCR的器件間偏差通常較小，不過仍然會隨溫度而變化。它在低輸出電壓應(yīng)用中受到青睞，因為檢測電阻上的任何壓降都代表輸出電壓的一個相當大部分。將一個RC網(wǎng)絡(luò)與電感和寄生電阻的串聯(lián)組合并聯(lián)，檢測電壓在電容C1上測量

通過選擇適當?shù)脑?R1 × C1 = L/DCR)，電容C1兩端的電壓將與電感電流成正比。為了最大限度地減少測量誤差和噪聲，最好選擇較低的R1值。

電路不直接測量電感電流，因此無法檢測電感飽和。推薦使用軟飽和的電感，如粉芯電感。與同等鐵芯電感相比，此類電感的磁芯損耗通常較高。與RSENSE方法相比，電感DCR檢測不存在檢測電阻的功率損耗，但可能會增加電感的磁芯損耗。

使用RSENSE和DCR兩種檢測方法時，由于檢測信號較小，故均需要開爾文檢測。必須讓開爾文檢測痕跡(圖5中的SENSE+和SENSE-)遠離高噪聲覆銅區(qū)和其他信號痕跡，以將噪聲提取降至最低，這點很重要。某些器件(如LTC3855)具有溫度補償DCR檢測功能，可提高整個溫度范圍內(nèi)的精度。

表1. 電流檢測方法的優(yōu)缺點

表1總結(jié)了不同類型的電流檢測方法及其優(yōu)缺點。

表1中提到的每種方法都為開關(guān)模式電源提供額外的保護。取決于設(shè)計要求，精度、效率、熱應(yīng)力、保護和瞬態(tài)性能方面的權(quán)衡都可能影響選擇過程。電源設(shè)計人員需要審慎選擇電流檢測方法和功率電感，并正確設(shè)計電流檢測網(wǎng)絡(luò)。ADI公司的LTpowerCAD設(shè)計工具和LTspice?電路仿真工具等計算機軟件程序，對簡化設(shè)計工作并獲得最佳結(jié)果會大有幫助。

其他電流檢測方法

還有其他電流檢測方法可供使用。例如，電流檢測互感器常常與隔離電源一起使用，以跨越隔離柵對電流信號信息提供保護。這種方法通常比上述三種技術(shù)更昂貴。此外，近年來集成柵極驅(qū)動器(DrMOS)和電流檢測的新型功率MOSFET也已出現(xiàn)，但到目前為止，還沒有足夠的數(shù)據(jù)來推斷DrMOS在檢測信號的精度和質(zhì)量方面表現(xiàn)如何。