开关电源之“电流检测”

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本文主要介绍开关电源的电源检测。

开关电源是通过控制开关管导通和关断从而达到稳定输出的一种电源,需要对输出信号进行检测来确定开关管的状态。一般的电源芯片都有过流保护功能,当输出短路时,VOUT就会下降,此时可以降低开关频率,为电感电流的降低提供更多时间,于是在调节峰值电流的同时会增加纹波电流,这导致平均输出电流下降,可防止输出电流失控。当负载短路解除后,启动软启动周期,将输出重新调节到正常工作时的值,这有助于限制浪涌电流,并防止可能的输出电压过冲。

开关电源有三种常用的电流检测方法:使用检测电阻,使用MOSFET RDS(ON),以及使用电感的直流电阻(DCR)。

1、基于采样电阻的电流检测

作为电流检测元件的采样电阻,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100ppm/℃(0.01%)。在性能方面,它提供很高的精度,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。

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另一方面,因为电源设计中增加了电流检测电阻,所以电阻也会产生额外的功耗。因此,与其他检测技术相比,采样电阻电流监测技术可能有更高的功耗,导致解决方案整体效率有所下降。专用电流采样电阻也可能增加解决方案成本。

选择采样电阻时不应忽略的另一个参数是其寄生电感(ESL)。采样电阻可以用一个电阻与一个有限电感串联来正确模拟。

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此电感取决于所选的采样电阻。一般来说,ESL效应会随着电流的增加、检测信号幅度的减小以及布局不合理而变得更加明显。电路的总电感还包括由元件引线和其他电路元件引起的寄生电感。电路的总电感也受到布局的影响,因此必须妥善考虑元件的布局,不恰当的布局可能影响稳定性并加剧现有电路设计问题。

采样电阻ESL的影响可能很轻微,也可能很严重。ESL会导致开关栅极驱动器发生明显振荡,从而对开关导通产生不利影响。它还会增加电流检测信号的纹波,导致波形中出现电压阶跃,而不是预期的锯齿波。这会降低电流检测精度。

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为使电阻ESL最小,应避免使用具有长环路(如绕线电阻)或长引线(如厚电阻)的采样电阻。薄型四端表贴电阻是首选。详细可参考之前的文章《硬件电路设计之“电流检测”》。

2、基于功率MOSFET的电流检测

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。比如ADI的LTC3878就是采用RDS(ON)进行电流检测,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。

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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30%或更多)。其温度系数可能也非常大,在100℃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。

3、电感DCR电流检测

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较多,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。

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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。

电路不直接测量电感电流,因此无法检测电感饱和。推荐使用软饱和的电感,如粉芯电感。与同等铁芯电感相比,此类电感的磁芯损耗通常较高。与RSENSE方法相比,电感DCR检测不存在检测电阻的功率损耗,但可能会增加电感的磁芯损耗。

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。必须让开尔文检测走线(SENSE+和 SENSE-)远离高噪声覆铜区和其他信号走线,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。

上述三种方法都可以给开关电源提供额外的保护。取决于设计要求,精度、效率、热应力、保护和瞬态性能方面的权衡都可能影响选择过程。设计人员需要审慎选择电流检测方法和功率电感,并正确设计电流检测网络。

下面是三种方法的一个详细的对比。

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以上就是针对开关电源中的电流检测方式的一个简单介绍,实际使用是可以参见相关器件的手册。

来源: 硬件助手

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