開(kāi)關(guān)模式電源電流檢測——第二部分:何處放置檢測電阻
2021/2/25 13:29:06??????點(diǎn)擊:
電流檢測電阻的位置連同開(kāi)關(guān)穩壓器架構決定了要檢測的電流。檢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。檢測電阻的位置會(huì )影響功率損耗、噪聲計算以及檢測電阻監控電路看到的共模電壓。
對于降壓調節器,電流檢測電阻有多個(gè)位置可以放置。當放置在頂部MOSFET的高端時(shí)(如圖1所示),它會(huì )在頂部MOSFET導通時(shí)檢測峰值電感電流,從而可用于峰值電流模式控制電源。但是,當頂部MOSFET關(guān)斷且底部MOSFET導通時(shí),它不測量電感電流。
在這種配置中,電流檢測可能有很高的噪聲,原因是頂部MOSFET的導通邊沿具有很強的開(kāi)關(guān)電壓振蕩。為使這種影響最小,需要一個(gè)較長(cháng)的電流比較器消隱時(shí)間(比較器忽略輸入的時(shí)間)。這會(huì )限制最小開(kāi)關(guān)導通時(shí)間,并且可能限制最小占空比(占空比 = VOUT/VIN)和最大轉換器降壓比。注意在高端配置中,電流信號可能位于非常大的共模電壓(VIN)之上。
圖2中,檢測電阻位于底部MOSFET下方。在這種配置中,它檢測谷值模式電流。為了進(jìn)一步降低功率損耗并節省元件成本,底部FET RDS(ON)可用來(lái)檢測電流,而不必使用外部電流檢測電阻RSENSE。
圖3中,電流檢測電阻RSENSE與電感串聯(lián),因此可以檢測連續電感電流,此電流可用于監測平均電流以及峰值或谷值電流。所以,此配置支持峰值、谷值或平均電流模式控制。
對于升壓調節器,檢測電阻可以與電感串聯(lián),以提供高端檢測(圖4)。
檢測電阻也可以放在底部MOSFET的低端,如圖5所示。此處監測峰值開(kāi)關(guān)電流(也是峰值電感電流),每半個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)電流波形。MOSFET開(kāi)關(guān)切換導致電流信號具有很強的開(kāi)關(guān)噪聲。
圖6顯示了一個(gè)4開(kāi)關(guān)升降壓轉換器,其檢測電阻位于低端。當輸入電壓遠高于輸出電壓時(shí),轉換器工作在降壓模式;當輸入電壓遠低于輸出電壓時(shí),轉換器工作在升壓模式。在此電路中,檢測電阻位于4開(kāi)關(guān)H橋配置的底部。器件的模式(降壓模式或升壓模式)決定了監測的電流。
在升壓模式下(開(kāi)關(guān)A一直導通,開(kāi)關(guān)B一直關(guān)斷),檢測電阻與底部MOSFET (C)串聯(lián),并在電感電流上升時(shí)測量峰值電流。在這種模式下,由于不監測谷值電感電流,因此當電源處于輕負載狀態(tài)時(shí),很難檢測負電感電流。負電感電流意味著(zhù)電能從輸出端傳回輸入端,但由于這種傳輸會(huì )有損耗,故效率會(huì )受損。對于電池供電系統等應用,輕負載效率很重要,這種電流檢測方法不合需要。
圖7電路解決了這個(gè)問(wèn)題,其將檢測電阻與電感串聯(lián),從而在降壓和升壓模式下均能連續測量電感電流信號。由于電流檢測RSENSE連接到具有高開(kāi)關(guān)噪聲的SW1節點(diǎn),因此需要精心設計控制器IC,使內部電流比較器有足夠長(cháng)的消隱時(shí)間。
輸入端也可以添加額外的檢測電阻,以實(shí)現輸入限流;或者添加在輸出端(如下圖所示),用于電池充電或驅動(dòng)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信號,因此可在電流檢測路徑中增加一個(gè)強RC濾波器,以減少電流檢測噪聲。
上述大多數例子假定電流檢測元件為檢測電阻。但這不是強制要求,而且實(shí)際上往往并非如此。其他檢測技術(shù)包括使用MOSFET上的壓降或電感的直流電阻(DCR)。
放置在降壓調節器高端
對于降壓調節器,電流檢測電阻有多個(gè)位置可以放置。當放置在頂部MOSFET的高端時(shí)(如圖1所示),它會(huì )在頂部MOSFET導通時(shí)檢測峰值電感電流,從而可用于峰值電流模式控制電源。但是,當頂部MOSFET關(guān)斷且底部MOSFET導通時(shí),它不測量電感電流。
圖1.帶高端RSENSE的降壓轉換器
在這種配置中,電流檢測可能有很高的噪聲,原因是頂部MOSFET的導通邊沿具有很強的開(kāi)關(guān)電壓振蕩。為使這種影響最小,需要一個(gè)較長(cháng)的電流比較器消隱時(shí)間(比較器忽略輸入的時(shí)間)。這會(huì )限制最小開(kāi)關(guān)導通時(shí)間,并且可能限制最小占空比(占空比 = VOUT/VIN)和最大轉換器降壓比。注意在高端配置中,電流信號可能位于非常大的共模電壓(VIN)之上。
放置在降壓調節器低端
圖2中,檢測電阻位于底部MOSFET下方。在這種配置中,它檢測谷值模式電流。為了進(jìn)一步降低功率損耗并節省元件成本,底部FET RDS(ON)可用來(lái)檢測電流,而不必使用外部電流檢測電阻RSENSE。
圖2.帶低端RSENSE的降壓轉換器
這種配置通常用于谷值模式控制的電源。它對噪聲可能也很敏感,但在這種情況下,它在占空比較大時(shí)很敏感。谷值模式控制的降壓轉換器支持高降壓比,但由于其開(kāi)關(guān)導通時(shí)間是固定/受控的,故最大占空比有限。降壓調節器與電感串聯(lián)
圖3中,電流檢測電阻RSENSE與電感串聯(lián),因此可以檢測連續電感電流,此電流可用于監測平均電流以及峰值或谷值電流。所以,此配置支持峰值、谷值或平均電流模式控制。
圖3.RSENSE與電感串聯(lián)
這種檢測方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通??商峁┓浅蚀_的電流檢測信號,以實(shí)現精確的限流和均流。但是,RSENSE也會(huì )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(xiàn)圈直流電阻(DCR)檢測電流,而不使用外部RSENSE。放置在升壓和反相調節器的高端
對于升壓調節器,檢測電阻可以與電感串聯(lián),以提供高端檢測(圖4)。
圖4.帶高端RSENSE的升壓轉換器
升壓轉換器具有連續輸入電流,因此會(huì )產(chǎn)生三角波形并持續監測電流。放置在升壓和反相調節器的低端
檢測電阻也可以放在底部MOSFET的低端,如圖5所示。此處監測峰值開(kāi)關(guān)電流(也是峰值電感電流),每半個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)電流波形。MOSFET開(kāi)關(guān)切換導致電流信號具有很強的開(kāi)關(guān)噪聲。
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端或與電感串聯(lián)
圖6顯示了一個(gè)4開(kāi)關(guān)升降壓轉換器,其檢測電阻位于低端。當輸入電壓遠高于輸出電壓時(shí),轉換器工作在降壓模式;當輸入電壓遠低于輸出電壓時(shí),轉換器工作在升壓模式。在此電路中,檢測電阻位于4開(kāi)關(guān)H橋配置的底部。器件的模式(降壓模式或升壓模式)決定了監測的電流。
圖6.RSENSE位于低端的升降壓轉換器
在降壓模式下(開(kāi)關(guān)D一直導通,開(kāi)關(guān)C一直關(guān)斷),檢測電阻監測底部開(kāi)關(guān)B電流,電源用作谷值電流模式降壓轉換器。在升壓模式下(開(kāi)關(guān)A一直導通,開(kāi)關(guān)B一直關(guān)斷),檢測電阻與底部MOSFET (C)串聯(lián),并在電感電流上升時(shí)測量峰值電流。在這種模式下,由于不監測谷值電感電流,因此當電源處于輕負載狀態(tài)時(shí),很難檢測負電感電流。負電感電流意味著(zhù)電能從輸出端傳回輸入端,但由于這種傳輸會(huì )有損耗,故效率會(huì )受損。對于電池供電系統等應用,輕負載效率很重要,這種電流檢測方法不合需要。
圖7電路解決了這個(gè)問(wèn)題,其將檢測電阻與電感串聯(lián),從而在降壓和升壓模式下均能連續測量電感電流信號。由于電流檢測RSENSE連接到具有高開(kāi)關(guān)噪聲的SW1節點(diǎn),因此需要精心設計控制器IC,使內部電流比較器有足夠長(cháng)的消隱時(shí)間。
圖7.LT8390升降壓轉換器,RSENSE與電感串聯(lián)
輸入端也可以添加額外的檢測電阻,以實(shí)現輸入限流;或者添加在輸出端(如下圖所示),用于電池充電或驅動(dòng)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信號,因此可在電流檢測路徑中增加一個(gè)強RC濾波器,以減少電流檢測噪聲。
上述大多數例子假定電流檢測元件為檢測電阻。但這不是強制要求,而且實(shí)際上往往并非如此。其他檢測技術(shù)包括使用MOSFET上的壓降或電感的直流電阻(DCR)。
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