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開關電源電流檢測大全

发布日期: 2018-6-29 10:04:26 信息来源: 開關電源

      电源检测可大大避免经常性错误,检测開關電源电流对于电路稳定性有着重要的意义,目前生活中应用非常广泛,涉及到的安全问题也应当引起重视,并且多是“開關電源电流影响着这个电源线路稳定性” 接下来针对电源电流检测作一详细解说 


  基本知識談
  
  电流模式控制由于其高可靠性、环路补偿设计简单、负载分配功能简单可靠的特点,被广泛用于开关模式电源。电流检测信号是电流模式开关模式电源设计的重要组成部分,它用于调节输出并提供过流保护。图1显示了 ADI LTC3855同步开关模式降压电源的电流检测电路。LTC3855是一款具有逐周期限流功能的电流模式控制器件。检测电阻RS监测电流。
  
  图1. 開關電源电流检测电阻(RS)
  
  圖2顯示了兩種情況下電感電流的示波器圖像:第一種情況使用電感電流能夠驅動的負載(紅線),而在第二種情況下,輸出短路(紫線)。
  
  图2. LTC3855限流与折返示例,在1.5 V/15 A供电轨上测量
  最初,峰值电感电流由选定的电感值、电源开关导通时间、电路的输入和输出电压以及负载电流设置(图中用“1”表示)。当电路短路时,电感电流迅速上升,直至达到限流点,即 RS × IINDUCTOR (IL)等于最大电流检测电压,以保护器件和下游电路(图中用“2”表示)。然后,内置电流折返限制(图中数字“3”)进一步降低电感电流,以将热应力降至最低。
  
  電流檢測還有其他作用。在多相電源設計中,利用它能實現精確均流。對于輕負載電源設計,它可以防止電流反向流動,從而提高效率(反向電流指反向流過電感的電流,即從輸出到輸入的電流,這在某些應用中可能不合需要,甚至具破壞性)。另外,當多相應用的負載較小時,電流檢測可用來減少所需的相數,從而提高電路效率。對于需要電流源的負載,電流檢測可將電源轉換爲恒流源,以用于LED驅動、電池充電和驅動激光等應用。
  
  檢測電阻放哪最合適?
  
  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
  
  对于降压调节器,电流检测电阻有多个位置可以放置。当放置在顶部MOSFET的高端时(如图3所示),它会在顶部MOSFET 导通时检测峰值电感电流,从而可用于峰值电流模式控制电源。但是,当顶部MOSFET关断且底部MOSFET导通时,它不测量电感电流。
  
  图3. 带高端RSENSE的降压转换器
  
  在这种配置中,电流检测可能有很高的噪声,原因是顶部 MOSFET的导通边沿具有很强的开关电压振荡。为使这种影响最小,需要一个较长的电流比较器消隐时间(比较器忽略输入的时间)。这会限制最小开关导通时间,并且可能限制最小占空比(占空比 = VOUT/VIN)和最大转换器降压比。注意在高端配置中,电流信号可能位于非常大的共模电压(VIN)之上。
  

  放置在降壓調節器低端


  图4中,检测电阻位于底部MOSFET下方。在这种配置中,它检测谷值模式电流。为了进一步降低功率损耗并节省元件成本,底部FET RDS(ON)可用来检测电流,而不必使用外部电流检测电阻RSENSE。
  
  图4. 带低端RSENSE的降压转换器
  
  这种配置通常用于谷值模式控制的电源。它对噪声可能也很敏感,但在这种情况下,它在占空比较大时很敏感。谷值模式控制的降压转换器支持高降压比,但由于其开关导通时间是固定/ 受控的,故最大占空比有限。
  
  降壓調節器與電感串聯
  
  圖5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。
  
  图5. RSENSE与电感串联
  
  這種檢測方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常准確的電流檢測信號,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。爲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
  
  对于升压调节器,检测电阻可以与电感串联,以提供高端检测 (图6)。
  
  图6. 带高端RSENSE的升压转换器
  
  升壓轉換器具有連續輸入電流,因此會産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7所示。此處監測峰值開關電流(也是峰值電感電流),每半個周期産生一個電流波形。MOSFET開關切換導致電流信號具有很強的開關噪聲。
  
  图7. 带低端RSENSE的升压转换器
  
  SENSE電阻放置在升降壓轉換器低端或與電感串聯
  
  圖8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。
  
  图8. 带低端RSENSE的升压转换器
  
  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。
  
  在升压模式下(开关A一直导通,开关B一直关断),检测电阻与底部MOSFET (C)串联,并在电感电流上升时测量峰值电流。在这种模式下,由于不监测谷值电感电流,因此当电源处于轻负载状态时,很难检测负电感电流。负电感电流意味着电能从输出端传回输入端,但由于这种传输会有损耗,故效率会受损。对于电池供电系统等应用,轻负载效率很重要,这种电流检测方法不合需要。
  
  图9电路解决了这个问题,其将检测电阻与电感串联,从而在降压和升压模式下均能连续测量电感电流信号。由于电流检测 RSENSE连接到具有高开关噪声的SW1节点,因此需要精心设计控制器IC,使内部电流比较器有足够长的消隐时间。
  
  图9. LT8390升降压转换器,RSENSE与电感串联
  
  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,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。
  
  電流檢測方法使用說明書
  
  开关模式电源有三种常用电流检测方法是:使用检测电阻,使用MOSFET RDS(ON),以及使用电感的直流电阻(DCR)。每种方法都有优点和缺点,选择检测方法时应予以考虑。
  
  檢測電阻電流傳感
  
  作为电流检测元件的检测电阻,产生的检测误差最低(通常在1%和5%之间),温度系数也非常低,约为100 ppm/°C (0.01%)。在性能方面,它提供精度最高的电源,有助于实现极为精确的电源限流功能,并且在多个电源并联时,还有利于实现精密均流。
  
  图10. RSENSE电流检测
  
  另一方面,因爲電源設計中增加了電流檢測電阻,所以電阻也會産生額外的功耗。因此,與其他檢測技術相比,檢測電阻電流監測技術可能有更高的功耗,導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忽略的另一個參數是其寄生電感(也稱爲有效串聯電感或ESL)。檢測電阻可以用一個電阻與一個有限電感串聯來正確模擬。
  
  图11. 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,應優先使用。相比之下,繞線檢測電阻由于其封裝結構而具有較高的ESL,應避免使用。一般來說,ESL效應會隨著電流的增加、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,不恰當的布局可能影響穩定性並加劇現有電路設計問題。
  
  檢測電阻ESL的影響可能很輕微,也可能很嚴重。ESL會導致開關柵極驅動器發生明顯振蕩,從而對開關導通産生不利影響。它還會增加電流檢測信號的紋波,導致波形中出現電壓階躍,而不是預期的如圖12所示的鋸齒波形。這會降低電流檢測精度。
  
  图12. RSENSE ESL可能会对电流检测产生不利影响
  
  爲使電阻ESL最小,應避免使用具有長環路(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,例子包括板結構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)进行电流检测,可以实现简单且经济高效的电流检测。LTC3878是一款采用这种方法的器件。它使用恒定导通时间谷值模式电流检测架构。顶部开关导通固定的时间,此后底部开关导通,其RDS压降用于检测电流谷值或电流下限。
  
  图13. MOSFET RDS(ON)电流检测
  
  虽然价格低廉,但这种方法有一些缺点。首先,其精度不高, RDS(ON)值可能在很大的范围内变化(大约33%或更多)。其温度系数可能也非常大,在100°C以上时甚至会超过80%。另外,如果使用外部MOSFET,则必须考虑MOSFET寄生封装电感。这种类型的检测不建议用于电流非常高的情况,特别是不适合多相电路,此类电路需要良好的相位均流。
  
  電感DCR電流檢測
  
  电感直流电阻电流检测采用电感绕组的寄生电阻来测量电流,从而无需检测电阻。这样可降低元件成本,提高电源效率。与MOSFET RDS(ON)相比,铜线绕组的电感DCR的器件间偏差通常较小,不过仍然会随温度而变化。它在低输出电压应用中受到青睐,因为检测电阻上的任何压降都代表输出电压的一个相当大部分。将一个RC网络与电感和寄生电阻的串联组合并联,检测电压在电容C1上测量(图14)。
  
  图14. 電感DCR電流檢測
  
  通过选择适当的元件(R1 × C1 = L/DCR),电容C1两端的电压将与电感电流成正比。为了最大限度地减少测量误差和噪声,最好选择较低的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两种检测方法时,由于检测信号较小,故均需要开尔文检测。必须让开尔文检测痕迹(图5中的SENSE+和 SENSE-)远离高噪声覆铜区和其他信号痕迹,以将噪声提取降至最低,这点很重要。某些器件(如LTC3855)具有温度补偿DCR检测功能,可提高整个温度范围内的精度。
  
  表1. 电流检测方法的优缺点
  
  表1中提到的每種方法都爲開關模式電源提供額外的保護。取決于設計要求,精度、效率、熱應力、保護和瞬態性能方面的權衡都可能影響選擇過程。電源設計人員需要審慎選擇電流檢測方法和功率電感,並正確設計電流檢測網絡。ADI公司的LTpowerCAD設計工具和LTspice?電路仿真工具等計算機軟件程序,對簡化設計工作並獲得最佳結果會大有幫助。
  
  其他電流檢測方法
  
  还有其他電流檢測方法可供使用。例如,电流检测互感器常常与隔离电源一起使用,以跨越隔离栅对电流信号信息提供保护。这种方法通常比上述三种技术更昂贵。此外,近年来集成栅极驱动器(DrMOS)和电流检测的新型功率MOSFET也已出现,但到目前为止,还没有足够的数据来推断DrMOS在检测信号的精度和质量方面表现如何。
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