一、电流的检测的用途
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。
电流检测主要用于:
1、开关电流过流检测,实现过流保护。
显示了两种情况下电感电流的示波器图像:第一种情况使用电感电流能够驱动的负载(红线),而在第二种情况下,输出短路(紫线)。
2、用于多相开关电源的均流设计。
在多相电源设计中,利用它能实现精确均流。对于轻负载电源设计,它可以防止电流反向流动,从而提高效率(反向电流指反向流过电感的电流,即从输出到输入的电流,这在某些应用中可能不合需要,甚至具破坏性)。
另外,当多相应用的负载较小时,电流检测可用来减少所需的相数,从而提高电路效率。对于需要电流源的负载,电流检测可将电源转换为恒流源,以用于LED驱动、电池充电和驱动激光等应用。
二、电流检测基本原理
电流采样的基本原理——电阻电压∝流经电阻的电流(欧姆定律)
实现检测电流采样的方法基本分为三种方法
方法一:串入精密电阻
方法二:利用下管的Rds(on)
方法三:利用输出电感的Rdc两端电压
三种方法都是运用欧姆定律实现,检测出电压,通过欧姆定律反向计算出流经该电阻的电流。
三、电流检测的具体方法
方法一:串入精密电阻
检测电阻放哪最合适?
电流检测电阻的位置连同开关稳压器架构决定了要检测的电流。检测的电流包括峰值电感电流、谷值电感电流(连续导通模式下电感电流的最小值)和平均输出流。检测电阻的位置会影响功率损耗、噪声计算以及检测电阻监控电路看到的共模电压。对于降压调节器,电流检测电阻有多个位置可以放置。
放置在电源输入的路径上
放置下管的下端电流通路上
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FETRDS(ON)可用来检测电流,而不必使用外部电流检测电阻RSENSE,就是上述的“方法二”。
这种配置通常用于最小值检测模式控制的电源。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。
BUCK电路中,与电感串联
电流检测电阻RSENSE与电感串联,因此可以检测连续电感电流,此电流可用于监测平均电流以及峰值或最小值电流。
这种检测方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常准确的电流检测信号,以实现精确的限流和均流。但是,RSENSE也会引起额外的功率损耗和元件成本。为了减少功率损耗和成本,可以利用电感线圈直流电阻(DCR)检测电流,而不使用外部RSENSE,就是上述的“方法三”。
方法一串入精密电阻的优缺点:
优点:测试准确,易于调试
缺点:增加能够通过大电流的高精密电阻,增加成本,增加器件,降低电源效率。
方法二:利用下管MOSFET的Rds(on)
利用MOSFETRDS(ON)进行电流检测,可以实现简单且经济高效的电流检测。它使用恒定导通时间谷值模式电流检测架构。上管导通固定的时间,此后底部开关导通,其RDS压降用于检测电流最小值或电流下限。
利用MOSFETRDS(ON)进行电流检测,这种方法虽然价格低廉,但有不少的缺点。首先,其RDS(ON)精度不高,RDS(ON)值可能在很大的范围内变化(大约33%甚至更高)。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,必须考虑MOSFET寄生封装电感。
这种类型的检测没法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。
方法二利用下管的Rds(on)的优缺点:
优点:不增加额外器件、易于调试
缺点:需要在MOSFET的DS管脚两端采样电压,下管的S端连接功率,干扰较大,测试结果不准确。
方法三、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MOSFETRDS(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。
这个方法通过一个阻抗网络,非常巧妙地取到了电感上寄生电阻的阻值,实现了电流检测。
通过上面公式的推导,可以看到:
通过配置电阻和电容的值,能够巧妙的获取电感中等效串阻DCR的阻值。