開關模式電源電流檢測電阻的降壓調節器介紹和何處放置檢測電阻

2020-12-04 電子發燒友

開關模式電源電流檢測電阻的降壓調節器介紹和何處放置檢測電阻

易水寒 發表於 2018-07-03 16:04:31

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

對於降壓調節器，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，從而可用於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，並且可能限制最小佔空比（佔空比 = VOUT/VIN）和最大轉換器降壓比。注意在高端配置中，電流信號可能位於非常大的共模電壓(VIN)之上。

放置在降壓調節器低端

圖2中，檢測電阻位於底部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並節省元件成本，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

這種配置通常用於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，它在佔空比較大時很敏感。谷值模式控制的降壓轉換器支持高降壓比，但由於其開關導通時間是固定/受控的，故最大佔空比有限。

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，此電流可用於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於升壓調節器，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並持續監測電流。

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，其檢測電阻位於低端。當輸入電壓遠高於輸出電壓時，轉換器工作在降壓模式；當輸入電壓遠低於輸出電壓時，轉換器工作在升壓模式。在此電路中，檢測電阻位於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. 帶低端RSENSE的升壓轉換器

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，並在電感電流上升時測量峰值電流。

在這種模式下，由於不監測谷值電感電流，因此當電源處於輕負載狀態時，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，但由於這種傳輸會有損耗，故效率會受損。對於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。由於電流檢測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），用於電池充電或驅動LED等恆定輸出電流應用。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，而且實際上往往並非如此。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。

軟體

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