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Switch Mode Power Supply Current Sensing—Part 2: 作者：Henry Zhang和Kevin B. Scott，ADI公司 電流檢測電阻的位置連同開關穩壓器架構決定了要檢測的電流。檢測的電流包括峰值電感電流、谷值電感電流（連續導通模式下電感電流的最小值）和平均輸出電流。檢測電阻的位置會影響功率損耗、噪聲計算以及檢測電阻監控電路看到的共模電壓。 放置在降壓調節器高端 對于降壓調節器，電流檢測電阻有多個位置可以放置。當放置在頂部MOSFET的高端時（如圖1所示），它會在頂部MOSFET導通時檢測峰值電感電流，從而可用于峰值電流模式控制電源。但是，當頂部MOSFET關斷且底部MOSFET導通時，它不測量電感電流。 
圖1.帶高端RSENSE的降壓轉換器 在這種配置中，電流檢測可能有很高的噪聲，原因是頂部MOSFET的導通邊沿具有很強的開關電壓振蕩。為使這種影響最小，需要一個較長的電流比較器消隱時間（比較器忽略輸入的時間）。這會限制最小開關導通時間，并且可能限制最小占空比（占空比 = VOUT/VIN）和最大轉換器降壓比。注意在高端配置中，電流信號可能位于非常大的共模電壓(VIN)之上。 放置在降壓調節器低端 圖2中，檢測電阻位于底部MOSFET下方。在這種配置中，它檢測谷值模式電流。為了進一步降低功率損耗并節省元件成本，底部FET RDS（ON）可用來檢測電流，而不必使用外部電流檢測電阻RSENSE。
圖2.帶低端RSENSE的降壓轉換器 這種配置通常用于谷值模式控制的電源。它對噪聲可能也很敏感，但在這種情況下，它在占空比較大時很敏感。谷值模式控制的降壓轉換器支持高降壓比，但由于其開關導通時間是固定/受控的，故最大占空比有限。 降壓調節器與電感串聯 圖3中，電流檢測電阻RSENSE與電感串聯，因此可以檢測連續電感電流，此電流可用于監測平均電流以及峰值或谷值電流。所以，此配置支持峰值、谷值或平均電流模式控制。
圖3.RSENSE與電感串聯 這種檢測方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常準確的電流檢測信號，以實現精確的限流和均流。但是，RSENSE也會引起額外的功率損耗和元件成本。為了減少功率損耗和成本，可以利用電感線圈直流電阻(DCR)檢測電流，而不使用外部RSENSE。 放置在升壓和反相調節器的高端 對于升壓調節器，檢測電阻可以與電感串聯，以提供高端檢測（圖4）。
圖4.帶高端RSENSE的升壓轉換器 升壓轉換器具有連續輸入電流，因此會產生三角波形并持續監測電流。 放置在升壓和反相調節器的低端 檢測電阻也可以放在底部MOSFET的低端，如圖5所示。此處監測峰值開關電流（也是峰值電感電流），每半個周期產生一個電流波形。MOSFET開關切換導致電流信號具有很強的開關噪聲。
圖5.帶低端RSENSE的升壓轉換器 SENSE電阻放置在升降壓轉換器低端或與電感串聯 圖6顯示了一個4開關升降壓轉換器，其檢測電阻位于低端。當輸入電壓遠高于輸出電壓時，轉換器工作在降壓模式；當輸入電壓遠低于輸出電壓時，轉換器工作在升壓模式。在此電路中，檢測電阻位于4開關H橋配置的底部。器件的模式（降壓模式或升壓模式）決定了監測的電流。
圖6.RSENSE位于低端的升降壓轉換器 在降壓模式下（開關D一直導通，開關C一直關斷），檢測電阻監測底部開關B電流，電源用作谷值電流模式降壓轉換器。 在升壓模式下（開關A一直導通，開關B一直關斷），檢測電阻與底部MOSFET (C)串聯，并在電感電流上升時測量峰值電流。在這種模式下，由于不監測谷值電感電流，因此當電源處于輕負載狀態時，很難檢測負電感電流。負電感電流意味著電能從輸出端傳回輸入端，但由于這種傳輸會有損耗，故效率會受損。對于電池供電系統等應用，輕負載效率很重要，這種電流檢測方法不合需要。 圖7電路解決了這個問題，其將檢測電阻與電感串聯，從而在降壓和升壓模式下均能連續測量電感電流信號。由于電流檢測RSENSE連接到具有高開關噪聲的SW1節點，因此需要精心設計控制器IC，使內部電流比較器有足夠長的消隱時間。
圖7.LT8390升降壓轉換器，RSENSE與電感串聯 輸入端也可以添加額外的檢測電阻，以實現輸入限流；或者添加在輸出端（如下圖所示），用于電池充電或驅動LED等恒定輸出電流應用。這種情況下需要平均輸入或輸出電流信號，因此可在電流檢測路徑中增加一個強RC濾波器，以減少電流檢測噪聲。 上述大多數例子假定電流檢測元件為檢測電阻。但這不是強制要求，而且實際上往往并非如此。其他檢測技術包括使用MOSFET上的壓降或電感的直流電阻(DCR)。這些電流檢測方法在第三部分“電流檢測方法”中介紹。 軟件 LTspice LTspice軟件是一款強大、快速、免費的仿真工具、原理圖采集和波形查看器，具有增強功能和模型，可改善開關穩壓器的仿真。 LTpowerCAD LTpowerCAD設計工具是一款完整的電源設計工具程序，可顯著簡化電源設計任務。它引導用戶尋找解決方案，選擇功率級元件，提供詳細效率信息，顯示快速環路波特圖穩定性和負載瞬態分析，并可將最終設計導出至LTspice進行仿真。 作者簡介 Henry Zhang是ADI公司電源產品應用工程總監。他于2001年加入凌力爾特（現為ADI公司一部分），擔任電源應用工程師，開始其職業生涯。他于2004年成為應用部門主管，并于2008年成為應用工程經理。他的團隊支持廣泛的產品和應用，從小尺寸集成功率模塊到大型kW級高功率、高電壓轉換器。除了支持電源應用和新產品開發以外，他的團隊還開發了LTpowerCAD電源設計工具程序。Henry對電源管理解決方案和模擬電路有著廣泛的興趣。他發表了20多篇技術文章，發布了許多研討會和視頻，并有10多項電源專利已獲授權或在申請中。 Henry畢業于弗吉尼亞理工學院和弗吉尼亞州布萊克斯堡州立大學，獲得電氣工程碩士和博士學位。聯系方式：henry.zhang@analog.com。 Kevin Scott是ADI公司電源產品部門的產品營銷經理，負責管理升壓、升降壓和隔離轉換器、LED驅動器和線性穩壓器。他曾擔任高級戰略營銷工程師，負責制定技術培訓內容，培訓銷售工程師，并撰寫了大量關于公司眾多產品技術優勢的網站文章。他在半導體行業已有 26 年從業經驗，歷任應用、業務管理和營銷職務。 Kevin于1987年畢業于美國斯坦福大學，獲得電氣工程學士學位。聯系方式：kevin.scott@analog.com。 |
