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標題: 電流模式電流的取樣方式 [打印本頁]

作者: 小融一號 時間: 2016-11-25 13:38
標題: 電流模式電流的取樣方式

對于工作于電流模式的DCDC變換器，通常需要電流檢測元件，下面就介紹這些電流檢測元件，并闡述它們各自的特點。

1 高精度的功率電阻

高精度的功率電阻是用于檢測電流的最常用的元件，也稱電流取樣電阻，為了減小功率損耗，電流檢測信號的最大幅值較小，對于一些大電流的應用，有的甚至小到25mV、30mV。由于功率地回路中有較大的開關電流，會干擾電流檢測信號，從而影響電流檢測信號的精度，因此電流檢測電阻通常不會放在地端，此外，電流檢測電阻放在地端，會使系統的地和電源芯片的地不共地，電源芯片的地會被電流檢測電阻抬高，電流檢測電阻流過的開關大電流，使電源芯片的地會較大幅度的隨系統工作而變化，電源芯片易受到干擾，嚴重的時候會導致電源芯片無法正常工作。

圖1：電流取樣電阻

設計中，電流檢測的電阻的選取要考慮到其值隨溫度的變化和精度的要求。布線的時候，要用KELVIN接法，直接從電阻的管腳引出布線，而不要從連接到電阻管腳的銅皮引出布線。電阻引腳的焊盤的焊錫的用量也會影響電流檢測的精度。同時選出用ESL盡量小或無感電阻。

2 電流互感器

電流互感器也稱為電流變壓器，主要應用于大功率電路，檢測大的電流。電流變壓器功率損耗小效率高，能夠保持良好的電流檢測波形，具有較寬的帶寬，檢測電阻可以用較大的值，并能將整個瞬態電流包括直流分量耦合次邊的檢測電阻上，同時具有變壓器有隔離的作用，因此可以連接到任何地方。

電流變壓器的缺點是需要電流變壓器和一些額外的元件，成本高，此外，電流變壓器通常工作于正激方式，要求在每個電流脈沖周期，磁芯必須復位，也就是要求每個周期，電流脈沖必須過0，磁芯才能夠復位。同時，當變換器工作于高的占空比時，電流變壓器磁芯復位的時間短，可能導致磁芯無法及時復位，這樣就必須外加強迫磁復位電路，保證每個周期電流變壓器在起始時可靠復位，從而保證電流檢測的精度。電流變壓器需要激磁電流，因此也會影響電流檢測的精度。

圖2：電流互感器

對于BUCK變換器，電流變壓器與MOSFET串聯，檢測輸入電流。對于BOOST變換器，電流變壓器也要與MOSFET串聯，檢測輸入電流。BUCK變換器中，電流變壓器不能與輸出電感相串聯來檢測輸出電感的電流，BOOST變換器中，電流變壓器不能與輸入電感相串聯來檢測輸入電感的電流。當變換器工作于CCM時，BUCK變換器和BOOST變換器電感中的電流均為較大的直流分量上疊加了較小的交流充放電三角形波，這種大于0的直流電流會使磁芯不能夠復位，磁芯會逐漸的飽和，從而無法正確的檢測電流。

由于DCDC變換器都有一個功率電感，也可以在電路的功率電感上串聯一個繞組用于電流檢測，這樣可以省去專用的電流變壓器，問題是帶電流檢測的功率電感需要定制，成本高。

3 功率MOSFET的導通電阻

如果采用高端的功率MOSFET的導通電阻作為電流取樣電阻，這樣可以省去額外的電流取樣電阻，從而提高效率。但是由于MOSFET的導通電阻值比較分散，而且隨溫度的變化也會在較大范圍內波動，因此電流取樣的精度差，電流取樣信號在很寬的范圍內波動，批量生產時，有些產品可能在輸出電流不到全載時就提前進入限流保護，無法在全載時正常工作；有些產品在系統過載時無法提供可靠的限流保護。圖3為一個MOSFET的結溫與導通電阻歸一化系數表，型號：AOL1454，VDS = 40V，ID = 50A， RDS(ON) =7.5mOhm。由圖可知，從-20C到100C，歸一化系數從0.8到1.3，相差1.6倍。

同時，對于一個輸入電壓，輸出電壓和電流已經確定的應用而言，要計算最大的峰值電流，然后由電流參考電壓計算出對應的電流取樣電流阻，盡管這個電流阻有一定的變化范圍，但有時候并不能找到與其相匹配的，具有相應的RDSON的功率MOSFET，做折衷處理時，或者選取RDSON比計算出的RS大的MOSFET，有可能導致系統輸出電流不到滿載時就提前進入限流保護，無法在全載時正常工作；或者選取RDSON比計算出的RS小的MOSFET，成本高，而且在系統過載時無法提供可靠的限流保護。

圖3：結溫與導通電阻歸一化系數

解決的方法是PWM控制器的電流取樣的參考電壓可以在外部調節，按照一般的設計流程，確定系統的限流點，在電流參考電壓可以調節的范圍的中間點計算電流取樣電阻值，然后選取相應的RDSON的MOSFET，MOSFET選定后，通過選取MOSFET的RDSON和其實際的最高工作溫度系數，計算實際的最大的RDSON，再根據限流點和MOSFET最大的RDSON，計算要求的電流參考電壓。然后調整外部的電阻分壓器的阻器，得到要求的電流參考電壓。

最好的方法是在PWM控制器的內部對MOSFET的檢測電壓進行溫度的補償調節，從而保證不同的溫度下，相同的電流所得到的檢測電壓相同，現在已有公司開始采用這種技術。

4 功率電感的直流等效串聯電阻

功率電感的等效串聯電阻DCR作為電流取樣電阻，可以省去額外的電流取樣電阻，從而提高效率。同樣，由于等效串聯電阻的導通電阻值比較分散，而且隨溫度的變化也會在較大范圍內波動，因此電流取樣的精度差，電流取樣信號在很寬的范圍內波動，批量生產時，也會產生在全載時不能正常工作或過載時無法提供可靠的限流保護問題。

同樣，在選取電感時，在電感值和飽和電流值所限定的范圍內，更難找到與設計的限流點所要求取樣電阻相匹配的等效串聯電阻，更多時候需要定制，成本高。

另外，使用電感的等效串聯電阻，電流比較器的輸入阻抗要大，兩個輸入管腳的偏置電流要小，從而提高電流檢測的精度。

解決的最好方法也是PWM控制器的電流取樣的參考電壓可以在外部調節，調整外部的電阻分壓器的阻器，得到合適的電流參考電壓，在滿足相應的電感值，飽和電流值和DCR的前提條件下，得到要求的限流點。

另外的一個方法是加一個電阻分壓器和相關的濾波元件，但在設計要作相應的匹配，如圖4所示。

圖4：電感DCR作電流取樣電阻的濾波網絡

電阻分壓器將DCR的電壓進行分壓，然后由電容C1濾波，電容C1的電壓為送入到PWM電流放大器的電流取樣信號。

Vc1=R2*VDCR/(R1+R2)

另外，為了滿足濾波器時間的要求，必須使：

R1*R2*C1/(R1+R2)=L/RDCR

文章來源：微信公眾號融創芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務平臺，項目眾包平臺，方案共享平臺）

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