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    开关电源电流检测大全

    公布日期: 2018-6-29 10:04:26 信息泉源: 开关电源

          电源检测可大大制止常常性错误,检测开关电源电流关于电路波动性有偏重要的意义,现在生存中使用十分普遍,触及到的宁静题目也该当惹起器重,而且多是“开关电源电流影响着这个电源线路波动性” 接上去针对电源电流检测作一细致讲授 


      根本知识谈
      
      电流形式控制由于其高牢靠性、环路赔偿设计复杂、负载分派功效复杂牢靠的特点,被普遍用于开关形式电源。电流检测信号是电流形式开关形式电源设计的紧张构成局部,它用于调治输入并提供过流掩护。图1表现了 ADI LTC3855同步开关形式降压电源的电流检测电路。LTC3855是一款具有逐周限期流功效的电流形式控制器件。检测电阻RS监测电流。
      
      图1. 开关电源电流检测电阻(RS)
      
      图2表现了两种状况下电感电流的示波器图像:第一种状况利用电感电流可以驱动的负载(红线),而在第二种状况下,输入短路(紫线)。
      
      图2. LTC3855限流与折返示例,在1.5 V/15 A供电轨上丈量
      最后,峰值电感电流由选定的电感值、电源开关导通工夫、电路的输出和输入电压以及负载电流设置(图中用“1”表现)。当电路短路时,电感电流敏捷上升,直至到达限流点,即 RS × IINDUCTOR (IL)即是最大电流检测电压,以掩护器件和卑鄙电路(图中用“2”表现)。然后,内置电流折返限定(图中数字“3”)进一步低落电感电流,以将热应力降至最低。
      
      电流检测另有其他作用。在多相电源设计中,使用它能完成准确均流。关于轻负载电源设计,它可以避免电流反向活动,从而进步服从(反向电流指反向流过电感的电流,即从输入到输出的电流,这在某些使用中大概分歧必要,乃至具毁坏性)。别的,当多响应用的负载较小时,电流检测可用来增加所需的相数,从而进步电路服从。关于必要电流源的负载,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使用。
      
      检测电阻放哪最符合?
      
      电流检测电阻的地位连同开关稳压器架构决议了要检测的电流。检测的电流包罗峰值电感电流、谷值电感电流(一连导通形式下电感电流的最小值)宁静均输入流。检测电阻的地位会影响功率消耗、噪声盘算以及检测电阻监控电路看到的共模电压。
      
      安排在降压调治器高端
      
      关于降压调治器,电流检测电阻有多个地位可以安排。当安排在顶部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形式控制电源。但,当顶部MOSFET关断且底部MOSFET导通时,它意外量电感电流。
      
      图3. 带高端RSENSE的降压转换器
      
      在这种设置装备摆设中,电流检测大概有很高的噪声,缘故原由是顶部 MOSFET的导通边缘具有很强的开关电压振荡。为使这种影响最小,必要一个较长的电流比力器消隐工夫(比力器疏忽输出的工夫)。这会限定最小开关导通工夫,而且大概限定最小占空比(占空比 = VOUT/VIN)和最大转换器降压比。留意在高端设置装备摆设中,电流信号大概位于十分大的共模电压(VIN)之上。
      

      安排在降压调治器低端


      图4中,检测电阻位于底部MOSFET下方。在这种设置装备摆设中,它检测谷值形式电流。为了进一步低落功率消耗并节流元件本钱,底部FET RDS(ON)可用来检测电流,而不用利用内部电流检测电阻RSENSE。
      
      图4. 带低端RSENSE的降压转换器
      
      这种设置装备摆设通常用于谷值形式控制的电源。它对噪声大概也很敏感,但在这种状况下,它在占空比力大时很敏感。谷值形式控制的降压转换器支持高降压比,但由于其开关导通工夫是牢固/ 受控的,故最大占空比有限。
      
      降压调治器与电感串联
      
      图5中,电流检测电阻RSENSE与电感串联,因而可以检测一连电感电流,此电流可用于监测均匀电流以及峰值或谷值电流。以是,此设置装备摆设支持峰值、谷值或均匀电流形式控制。
      
      图5. RSENSE与电感串联
      
      这种检测办法可提供最佳的信噪比功能。内部RSENSE通常可提供十分正确的电流检测信号,以完成准确的限流和均流。但,RSENSE也会惹起分外的功率消耗和元件本钱。为了增加功率消耗和本钱,可以使用电感线圈直流电阻(DCR)检测电流,而不利用内部RSENSE。
      
      安排在升压和反相调治器的高端
      
      关于升压调治器,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
      
      升压转换用具有一连输出电流,因而会发生三角波形并继续监测电流。
      
      安排在升压和反相调治器的低端
      
      检测电阻也可以放在底部MOSFET的低端,如图7所示。此处监测峰值开关电流(也是峰值电感电流),每半个周期发生一个电流波形。MOSFET开关怀换招致电流信号具有很强的开关噪声。
      
      图7. 带低端RSENSE的升压转换器
      
      SENSE电阻安排在起落压转换器低端或与电感串联
      
      图8表现了一个4开关起落压转换器,其检测电阻位于低端。当输出电压远高于输入电压时,转换器事情在降压形式;当输出电压远低于输入电压时,转换器事情在升压形式。在此电路中,检测电阻位于4开关H桥设置装备摆设的底部。器件的形式(降压形式或升压形式)决议了监测的电流。
      
      图8. 带低端RSENSE的升压转换器
      
      在降压形式下(开关D不停导通,开关C不停关断),检测电阻监测底部开关B电流,电源用作谷值电流形式降压转换器。
      
      在升压形式下(开关A不停导通,开关B不停关断),检测电阻与底部MOSFET (C)串联,并在电感电流上升时丈量峰值电流。在这种形式下,由于不监测谷值电感电流,因而当电源处于轻负载形态时,很难检测负电感电流。负电感电流意味着电能从输入端传回输出端,但由于这种传输会有消耗,故服从会受损。关于电池供电体系等使用,轻负载服从很紧张,这种电流检测办法分歧必要。
      
      图9电路办理了这个题目,其将检测电阻与电感串联,从而在降压和升压形式下均能一连丈量电感电流信号。由于电流检测 RSENSE毗连到具有高开关噪声的SW1节点,因而必要经心设计控制器IC,使外部电流比力器有充足长的消隐工夫。
      
      图9. LT8390起落压转换器,RSENSE与电感串联
      
      输出端也可以添加分外的检测电阻,以完成输出限流;大概添加在输入端,用于电池充电或驱动LED等恒定输入电流使用。这种状况下必要均匀输出或输入电流信号,因而可在电流检测途径中增长一个强RC滤波器,以增加电流检测噪声。
      
      电流检测办法利用阐明书
      
      开关形式电源有三种常用电流检测办法是:利用检测电阻,利用MOSFET RDS(ON),以及利用电感的直流电阻(DCR)。每种办法都有好处和缺陷,选择检测办法时应予以思索。
      
      检测电阻电传播感
      
      作为电流检测元件的检测电阻,发生的检测偏差最低(通常在1%和5%之间),温度系数也十分低,约为100 ppm/°C (0.01%)。在功能方面,它提供精度最高的电源,有助于完成极为准确的电源限流功效,而且在多个电源并联时,另有利于完成精细均流。
      
      图10. RSENSE电流检测
      
      另一方面,由于电源设计中增长了电流检测电阻,以是电阻也会发生分外的功耗。因而,与其他检测技能相比,检测电阻电流监测技能大概有更高的功耗,招致办理方案全体服从有所降落。公用电流检测电阻也大概增长办理方案本钱,固然一个检测电阻的本钱通常在0.05美元至0.20美元之间。
      
      选择检测电阻时不该疏忽的另一个参数是其寄生电感(也称为无效串联电感或ESL)。检测电阻可以用一个电阻与一个有限电感串联来准确模仿。
      
      图11. RSENSE ESL模子
      
      此电感取决于所选的特定检测电阻。某些范例的电流检测电阻,比方金属板电阻,具有较低的ESL,应优先利用。相比之下,绕线检测电阻由于其封装布局而具有较高的ESL,应制止利用。一样平常来说,ESL效应会随着电流的增长、检测信号幅度的减小以及结构分歧理而变得愈加分明。电路的总电感还包罗由元件引线和其他电路元件惹起的寄生电感。电路的总电感也遭到结构的影响,因而必需妥善思索元件的结构,不适当的结构大概影响波动性并加剧现有电路设计题目。
      
      检测电阻ESL的影响大概很细微,也大概很严峻。ESL会招致开关栅极驱动器产生分明振荡,从而对开关导通发生倒霉影响。它还会增长电流检测信号的纹波,招致波形中呈现电压阶跃,而不是预期的如图12所示的锯齿波形。这会低落电流检测精度。
      
      图12. RSENSE ESL大概会对电流检测发生倒霉影响
      
      为使电阻ESL最小,应制止利用具有长环路(如绕线电阻)或长引线(如厚电阻)的检测电阻。薄型外表贴装器件是首选,例子包罗板布局SMD尺寸0805、1206、2010和2512,更好的选择包罗倒多少SMD尺寸0612和1225。
      
      基于功率MOSFET的电流检测
      
      使用MOSFET RDS(ON)举行电流检测,可以完成复杂且经济高效的电流检测。LTC3878是一款接纳这种办法的器件。它利用恒定导通工夫谷值形式电流检测架构。顶部开关导通牢固的工夫,今后底部开关导通,其RDS压降用于检测电流谷值或电流上限。
      
      图13. MOSFET RDS(ON)电流检测
      
      固然代价昂贵,但这种办法有一些缺陷。起首,其精度不高, RDS(ON)值大概在很大的范畴内变革(约莫33%或更多)。其温度系数大概也十分大,在100°C以上时乃至会凌驾80%。别的,假如利用内部MOSFET,则必需思索MOSFET寄生封装电感。这品种型的检测不发起用于电流十分高的状况,分外是不合适多相电路,此类电路必要精良的相位均流。
      
      电感DCR电流检测
      
      电感直流电阻电流检测接纳电感绕组的寄生电阻来丈量电流,从而无需检测电阻。如许可低落元件本钱,进步电源服从。与MOSFET RDS(ON)相比,铜线绕组的电感DCR的器件间偏向通常较小,不外仍旧会随温度而变革。它在低输入电压使用中遭到喜爱,由于检测电阻上的任何压降都代表输入电压的一个相称大局部。将一个RC网络与电感和寄生电阻的串联组兼并联,检测电压在电容C1上丈量(图14)。
      
      图14. 电感DCR电流检测
      
      经过选择得当的元件(R1 × C1 = L/DCR),电容C1两头的电压将与电感电流成反比。为了最大限制地增加丈量偏差和噪声,最好选择较低的R1值。
      
      电路不间接丈量电感电流,因而无法检测电感饱和。保举利用软饱和的电感,如粉芯电感。与划一铁芯电感相比,此类电感的磁芯消耗通常较高。与RSENSE办法相比,电感DCR检测不存在检测电阻的功率消耗,但大概会增长电感的磁芯消耗。
      
      利用RSENSE和DCR两种检测办法时,由于检测信号较小,故均必要开尔文检测。必需退一步尔文检测陈迹(图5中的SENSE+和 SENSE-)阔别高噪声覆铜区和其他信号陈迹,以将噪声提取降至最低,这点很紧张。某些器件(如LTC3855)具有温度赔偿DCR检测功效,可进步整个温度范畴内的精度。
      
      表1. 电流检测办法的优缺陷
      
      表1中提到的每种办法都为开关形式电源提供分外的掩护。取决于设计要求,精度、服从、热应力、掩护和瞬态功能方面的衡量都大概影响选择历程。电源设计职员必要谨慎选择电流检测办法和功率电感,并准确设计电流检测网络。ADI公司的LTpowerCAD设计东西和LTspice®电路仿真东西等盘算机软件步伐,对简化设计事情并取得最佳后果会大有协助。
      
      其他电流检测办法
      
      另有其他电流检测办法可供利用。比方,电流检测互感器每每与断绝电源一同利用,以超过断绝栅对电流信号信息提供掩护。这种办法通常比上述三种技能更昂贵。别的,比年来集成栅极驱动器(DrMOS)和电流检测的新型功率MOSFET也已呈现,但到现在为止,还没有充足的数据来推测DrMOS在检测信号的精度和质量方面体现怎样。
     
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