开关模式电源电流检测：电流检测方法
作者：kevin scott and henry zhang
开关模式电源常用的三种电流检测方法是：使用检测电阻，使用 mosfet rds（on）并使用电感器的直流电阻 （dcr）。每种方法都有优点和缺点，在选择一种方法而不是另一种方法时应考虑这些优点和缺点。
检测电阻电流检测
检测电阻作为电流检测元件可实现最低的检测误差（通常在1%至5%之间）和非常低的温度系数，约为100ppm/°c （0.01%）。它在性能方面提供最精确的电源;它有助于提供非常精确的电源电流限制，并在多个电源并联时促进精确的均流。
图1.r意义电流检测
另一方面，由于在电源设计中增加了一个电流检测电阻，该电阻也会产生额外的功耗。因此，与其他检测技术相比，检测电阻电流监控技术可能具有更高的功耗，从而导致解决方案的整体效率略有降低。专用电流检测电阻也可能增加解决方案成本，因为检测电阻的成本通常在0.05美元至0.20美元之间。
选择检测电阻时不应忽略的另一个参数是其寄生电感（也称为有效串联电感或esl）。检测电阻被正确建模为具有有限电感的串联电阻。
图2.r意义esl 模型
该电感取决于所选的特定检测电阻。某些类型的电流检测电阻器，例如金属板电阻器，具有低esl，是首选。相比之下，绕线检测电阻由于其封装结构而具有更高的esl，应避免使用。通常，esl效应会随着电流水平的增加、检测信号幅度的减小和布局不当而变得更加明显。它还包括电路的总电感，增加了元件引线和其他电路元件引起的寄生电感。电路的总电感也受布局的影响，因此必须适当考虑元件的放置;放置不当会影响稳定性并加剧现有的电路设计问题。
检测电阻esl的影响可以是轻微的，也可以是严重的。esl可能导致开关栅极驱动器上出现明显的振铃，从而对开关导通产生不利影响。它还会给电流检测信号增加纹波，导致波形中出现电压阶跃，而不是如下所示的预期锯齿波形。这会降低电流检测精度。
图3.r意义esl会对电流检测产生不利影响
为了最小化电阻esl，请避免使用具有长环路（如绕线电阻器）或长引线（如高轮廓电阻器）的检测电阻器。薄型表面贴装器件是首选;示例包括“板”结构 smd 尺寸 0805、1206、2010、2512;更好的选择包括反向几何 smd 尺寸 0612 和 1225。
基于功率 mosfet 的电流检测
通过使用 mosfet r 实现简单且经济高效的电流检测ds（on）用于电流检测。ltc®3878 是一款采用这种方法的器件。它采用恒定导通时间、谷值模式电流检测架构。在这里，顶部开关打开固定时间，之后底部开关打开，其 rds压降用于检测电流“谷值”或电流下限。
图4.场效应管 rds（on）电流检测
虽然价格低廉，但这种方法也存在一些缺点。首先，它不是很准确;在 r 的范围内可以有很大的变化（大约 33% 或更多）ds（on）值。它也可以具有非常大的温度系数;大于 80% 的值超过 100c 并非不可能。此外，如果使用外部mosfet，则必须考虑mosfet寄生封装电感。对于非常高的电流水平，不建议使用这种类型的检测，尤其是对于需要良好相位均流的多相电路。
电感直流电阻电流检测
电感直流电阻（dcr）电流检测利用电感绕组的寄生电阻来测量电流，从而消除了检测电阻。这降低了组件成本并提高了电源效率。与 mosfet r 相比ds（on），铜线绕组的电感dcr通常具有较小的部件间变化，尽管它仍然随温度而变化。它在低输出电压应用中受到青睐，因为检测电阻两端的任何压降都代表输出电压的很大一部分。rc网络与串联电感和寄生电阻组合并联放置，并测量电容c1两端的检测电压（图5）。
图5.电感直流电阻电流检测
通过正确选择元件（r1*c1 = l/dcr），电容c1两端的电压将与电感电流成正比。为了将测量误差和噪声降至最低，最好使用较低的r1值。
由于该电路不直接测量电感电流，因此无法检测电感饱和。因此，建议使用具有“软饱和度”的电感器，如铁功率磁芯电感器。这些电感器的磁芯损耗通常高于同类铁氧体磁芯电感器。与 r 相比意义方法中，电感dcr检测消除了检测电阻的功率损耗，但可能会增加电感磁芯损耗。
使用两个 r意义和dcr传感方法，由于传感信号小，需要开尔文传感。保持开尔文感测迹线（感测和感测）很重要+–在图5中）远离嘈杂的铜区域和其他信号走线，以最大限度地减少噪声拾取。某些器件 （例如 ltc3855） 具有温度补偿 dcr 检测功能，从而在整个温度范围内提高了准确度。
下表总结了不同类型的电流检测方法以及每种方法的优缺点。
上述每种方法都为开关模式电源提供额外的保护。根据设计要求，精度、效率、热应力、保护和瞬态性能的权衡都可能影响选择过程。电源设计人员需要仔细选择电流检测方法和功率电感，并正确设计电流检测网络。凌力尔特的 ltpowercad 设计工具和 ltspice 电路仿真工具等计算机软件程序在简化设计工作和获得最佳结果方面非常有帮助。
其他电流检测方法
还有其他电流检测方法可用。例如，电流检测变压器通常与隔离电源一起使用，以提供跨越隔离栅的电流信号信息。这种方法通常比上面讨论的三种技术更费钱。此外，近年来还出现了集成栅极驱动器（drmos）的新型功率mosfet，这些功率mosfet也集成了电流检测，但迄今为止，还没有足够的数据来判断drmos检测在检测信号的精度和质量方面的工作情况。
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检测电阻电流检测
检测电阻作为电流检测元件可实现最低的检测误差（通常在1%至5%之间）和非常低的温度系数，约为100ppm/°c （0.01%）。它在性能方面提供最精确的电源;它有助于提供非常精确的电源电流限制，并在多个电源并联时促进精确的均流。
图1.r意义电流检测
另一方面，由于在电源设计中增加了一个电流检测电阻，该电阻也会产生额外的功耗。因此，与其他检测技术相比，检测电阻电流监控技术可能具有更高的功耗，从而导致解决方案的整体效率略有降低。专用电流检测电阻也可能增加解决方案成本，因为检测电阻的成本通常在0.05美元至0.20美元之间。
选择检测电阻时不应忽略的另一个参数是其寄生电感（也称为有效串联电感或esl）。检测电阻被正确建模为具有有限电感的串联电阻。
图2.r意义esl 模型
该电感取决于所选的特定检测电阻。某些类型的电流检测电阻器，例如金属板电阻器，具有低esl，是首选。相比之下，绕线检测电阻由于其封装结构而具有更高的esl，应避免使用。通常，esl效应会随着电流水平的增加、检测信号幅度的减小和布局不当而变得更加明显。它还包括电路的总电感，增加了元件引线和其他电路元件引起的寄生电感。电路的总电感也受布局的影响，因此必须适当考虑元件的放置;放置不当会影响稳定性并加剧现有的电路设计问题。
检测电阻esl的影响可以是轻微的，也可以是严重的。esl可能导致开关栅极驱动器上出现明显的振铃，从而对开关导通产生不利影响。它还会给电流检测信号增加纹波，导致波形中出现电压阶跃，而不是如下所示的预期锯齿波形。这会降低电流检测精度。
图3.r意义esl会对电流检测产生不利影响
为了最小化电阻esl，请避免使用具有长环路（如绕线电阻器）或长引线（如高轮廓电阻器）的检测电阻器。薄型表面贴装器件是首选;示例包括“板”结构 smd 尺寸 0805、1206、2010、2512;更好的选择包括反向几何 smd 尺寸 0612 和 1225。
基于功率 mosfet 的电流检测
通过使用 mosfet r 实现简单且经济高效的电流检测ds（on）用于电流检测。ltc®3878 是一款采用这种方法的器件。它采用恒定导通时间、谷值模式电流检测架构。在这里，顶部开关打开固定时间，之后底部开关打开，其 rds压降用于检测电流“谷值”或电流下限。
图4.场效应管 rds（on）电流检测
虽然价格低廉，但这种方法也存在一些缺点。首先，它不是很准确;在 r 的范围内可以有很大的变化（大约 33% 或更多）ds（on）值。它也可以具有非常大的温度系数;大于 80% 的值超过 100c 并非不可能。此外，如果使用外部mosfet，则必须考虑mosfet寄生封装电感。对于非常高的电流水平，不建议使用这种类型的检测，尤其是对于需要良好相位均流的多相电路。
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电感直流电阻（dcr）电流检测利用电感绕组的寄生电阻来测量电流，从而消除了检测电阻。这降低了组件成本并提高了电源效率。与 mosfet r 相比ds（on），铜线绕组的电感dcr通常具有较小的部件间变化，尽管它仍然随温度而变化。它在低输出电压应用中受到青睐，因为检测电阻两端的任何压降都代表输出电压的很大一部分。rc网络与串联电感和寄生电阻组合并联放置，并测量电容c1两端的检测电压（图5）。
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通过正确选择元件（r1*c1 = l/dcr），电容c1两端的电压将与电感电流成正比。为了将测量误差和噪声降至最低，最好使用较低的r1值。
由于该电路不直接测量电感电流，因此无法检测电感饱和。因此，建议使用具有“软饱和度”的电感器，如铁功率磁芯电感器。这些电感器的磁芯损耗通常高于同类铁氧体磁芯电感器。与 r 相比意义方法中，电感dcr检测消除了检测电阻的功率损耗，但可能会增加电感磁芯损耗。
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