切換開關模式電源電流感測——第二部分:該將放置感測電阻放置何處?

該將放置感測電阻放置何處?

電流感測電阻的位置連同切換開關穩壓器架構決定了需感測的電流。感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)和平均輸出電流。感測電阻的位置會影響功率損耗、雜訊計算以及感測電阻監控電路看到的共模電壓。

放置在降壓調節器高側

對於降壓調節器而言,電流感測電阻有多個位置可以放置。當放置在頂部MOSFET的高側時(如圖1所示),它會在頂部MOSFET導通時感測峰值電感電流,從而可用於峰值電流模式控制電源。但是,當頂部MOSFET關斷且底部MOSFET導通時,它不測量電感電流。

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圖1.帶高端RSENSE的降壓轉換器

在這種配置中,電流感測可能有很高的雜訊,原因是頂部MOSFET的導通邊緣具有很強的切換開關電壓振盪。為使這種影響最小,需要一個較長的電流比較器消隱時間(比較器忽略輸入的時間)。而這會限制最小切換開關導通時間,並且可能限制最小工作週期(工作週期 = VOUT/VIN)和最大轉換器降壓比。注意在高側配置中,電流訊號可能位於非常大的共模電壓(VIN)之上。

放置在降壓調節器低端

圖2中,感測電阻位於底部MOSFET下方。在這種配置中,它感測谷值模式電流。為了進一步降低功率損耗並節省元件成本,底部FET RDS(ON)可用來感測電流,而不必使用外部電流感測電阻RSENSE

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圖2.帶低側RSENSE的降壓轉換器

這種配置通常用於谷值模式控制的電源。它對雜訊可能也很敏感,但在這種情況下,它在工作週期較大時相當敏感。谷值模式控制的降壓轉換器支援高降壓比,但由於其切換開關導通時間是固定/受控的,故最大工作週期有限。

降壓調節器與電感串聯

圖3中,電流感測電阻RSENSE與電感串聯,因此可以感測連續電感電流,此電流可用於監測平均電流以及峰值或谷值電流。所以,此配置支援峰值、谷值或平均電流模式控制。

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圖3.RSENSE與電感串聯

這種感測方法可提供最佳的訊號雜訊比性能。外部RSENSE通常可提供非常準確的電流感測訊號,以實現精準的限流和均流。但是,RSENSE也會引起額外的功率損耗和元件成本。為了減少功率損耗和成本,可以利用電感線圈直流電阻(DCR)感測電流,而不使用外部RSENSE

放置在升壓和反相調節器的高側

對於升壓調節器,感測電阻可以與電感串聯,以提供高側感測(圖4)。

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圖4.帶高側RSENSE的升壓轉換器

升壓轉換器具有連續輸入電流,因此會產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側

感測電阻也可以放在底部MOSFET的低側,如圖5所示。此處監測峰值切換開關電流(也是峰值電感電流),每半個週期產生一個電流波形。MOSFET開關切換導致電流訊號具有很強的切換開關雜訊。

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圖5.帶低端RSENSE的升壓轉換器

SENSE電阻放置在升降壓轉換器低側或與電感串聯

圖6顯示了一個4開關升降壓轉換器,其感測電阻位於低端。當輸入電壓遠高於輸出電壓時,轉換器工作在降壓模式;當輸入電壓遠低於輸出電壓時,轉換器操作在升壓模式。在此電路中,感測電阻位於4-switch H橋配置的底部。元件的模式(降壓模式或升壓模式)決定了監測的電流。

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圖6.RSENSE位於低側的升降壓轉換器

在降壓模式下(開關D持續導通,切換開關C持續關斷),感測電阻監測底部切換開關B電流,電源用作穀值電流模式降壓轉換器。

在升壓模式下(切換開關A持續導通,切換開關B持續關斷),感測電阻與底部MOSFET (C)串聯,並在電感電流上升時測量峰值電流。在這種模式下,由於不監測谷值電感電流,因此當電源處於輕負載狀態時,很難感測負電感電流。負電感電流意味著電能從輸出端傳回輸入端,但由於這種傳輸會有損耗,故效率會受損。對於電池供電系統等應用,輕負載效率很重要,這種電流感測方法不合需要。

圖7電路解決了這個問題,其將感測電阻與電感串聯,從而在降壓和升壓模式下均能連續測量電感電流訊號。由於電流感測RSENSE連接到具有高切換開關雜訊的SW1節點,因此需要精心設計控制器IC,使內部電流比較器有足夠長的消隱時間。

8390 Current Sensing RSENSE on H-Bridge

圖7.LT8390升降壓轉換器,RSENSE與電感串聯

輸入端也可以添加額外的感測電阻,以實現輸入限流;或者添加在輸出端(如下圖所示),用於電池充電或驅動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訊號,因此可在電流感測路徑中增加一個強RC濾波器,以減少電流感測雜訊。

上述大多數例子假定電流感測元件為感測電阻。但這不是強制要求,而且實際上往往並非如此。其他感測技術包括使用MOSFET上的壓降或電感的直流電阻(DCR)。這些電流感測方法將在第三部分"電流感測方法"中介紹。


Authors

Kevin Scott

Kevin Scott

Kevin Scott works as a Product Marketing Manager for the Power Products Group at Analog Devices, where he manages Boost, Buck-Boost and Isolated Converters, LED Drivers and Linear Regulators. He previously worked as a Senior Strategic Marketing Engineer, creating technical training content, training sales engineers and writing numerous website articles about the technical advantages of the company's broad product offering. He has been in the semiconductor industry for 26 years in applications, business management and marketing roles.

Kevin graduated from Stanford University in 1987 with a BS in Electrical Engineering and started his engineering career after a brief stint in the NFL.

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Henry (Jindong) Zhang

Henry Zhang is an applications engineering manager for power products at Linear Technology. He began his Linear career as an applications engineer in 2001. He became an applications section leader in 2004 and applications engineering manager for power products in 2008. His group supports wide range of products and applications, from small monolithic regulators and power modules, to large kW-level high power, high voltage converters. In addition to supporting power applications and new product developments, his group also develops the LTpowerCAD supply design tool. Henry has broad interests in power management solutions and analog circuits. He has over twenty technical articles, seminars and videos published and 8 power supply patents granted or pending.

Henry graduated from Virginia Polytechnic Institute and State University in Blacksburg, Virginia with his masters and Ph.D. degrees in electrical engineering.