放置在降壓調(diào)節(jié)器高端
開關(guān)模式電源電流檢測——第二部分:何處放置檢測電阻
發(fā)布時間:2021-02-24 來源:Henry Zhang和Kevin B. Scott 責任編輯:wenwei
【導讀】電流檢測電阻的位置連同開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)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(xù)導通模式下電感電流的最小值)和平均輸出電流。檢測電阻的位置會影響功率損耗、噪聲計算以及檢測電阻監(jiān)控電路看到的共模電壓。
放置在降壓調(diào)節(jié)器高端
對于降壓調(diào)節(jié)器,電流檢測電阻有多個位置可以放置。當放置在頂部MOSFET的高端時(如圖1所示),它會在頂部MOSFET導通時檢測峰值電感電流,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,它不測量電感電流。
圖1.帶高端RSENSE的降壓轉(zhuǎn)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關(guān)電壓振蕩。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)。這會限制最小開關(guān)導通時間,并且可能限制最小占空比(占空比 = VOUT/VIN)和最大轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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。為了進一步降低功率損耗并節(jié)省元件成本,底部FET RDS(ON)可用來檢測電流,而不必使用外部電流檢測電阻RSENSE。
圖2.帶低端RSENSE的降壓轉(zhuǎn)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,它在占空比較大時很敏感。谷值模式控制的降壓轉(zhuǎn)換器支持高降壓比,但由于其開關(guān)導通時間是固定/受控的,故最大占空比有限。
降壓調(diào)節(jié)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(xù)電感電流,此電流可用于監(jiān)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,以實現(xiàn)精確的限流和均流。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)檢測電流,而不使用外部RSENSE。
放置在升壓和反相調(diào)節(jié)器的高端
對于升壓調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換器
升壓轉(zhuǎn)換器具有連續(xù)輸入電流,因此會產(chǎn)生三角波形并持續(xù)監(jiān)測電流。
放置在升壓和反相調(diào)節(jié)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(jiān)測峰值開關(guān)電流(也是峰值電感電流),每半個周期產(chǎn)生一個電流波形。MOSFET開關(guān)切換導致電流信號具有很強的開關(guān)噪聲。
圖5.帶低端RSENSE的升壓轉(zhuǎn)換器
SENSE電阻放置在升降壓轉(zhuǎn)換器低端或與電感串聯(lián)
圖6顯示了一個4開關(guān)升降壓轉(zhuǎn)換器,其檢測電阻位于低端。當輸入電壓遠高于輸出電壓時,轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式;當輸入電壓遠低于輸出電壓時,轉(zhuǎn)換器工作在升壓模式。在此電路中,檢測電阻位于4開關(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(jiān)測的電流。
圖6.RSENSE位于低端的升降壓轉(zhuǎn)換器
在降壓模式下(開關(guān)D一直導通,開關(guān)C一直關(guān)斷),檢測電阻監(jiān)測底部開關(guān)B電流,電源用作谷值電流模式降壓轉(zhuǎn)換器。
在升壓模式下(開關(guān)A一直導通,開關(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測量峰值電流。在這種模式下,由于不監(jiān)測谷值電感電流,因此當電源處于輕負載狀態(tài)時,很難檢測負電感電流。負電感電流意味著電能從輸出端傳回輸入端,但由于這種傳輸會有損耗,故效率會受損。對于電池供電系統(tǒng)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電路解決了這個問題,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(xù)測量電感電流信號。由于電流檢測RSENSE連接到具有高開關(guān)噪聲的SW1節(jié)點,因此需要精心設計控制器IC,使內(nèi)部電流比較器有足夠長的消隱時間。
圖7.LT8390升降壓轉(zhuǎn)換器,RSENSE與電感串聯(lián)
輸入端也可以添加額外的檢測電阻,以實現(xiàn)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(qū)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信號,因此可在電流檢測路徑中增加一個強RC濾波器,以減少電流檢測噪聲。
上述大多數(shù)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)。這些電流檢測方法在第三部分“電流檢測方法”中介紹。
軟件
LTspice
LTspice®軟件是一款強大、快速、免費的仿真工具、原理圖采集和波形查看器,具有增強功能和模型,可改善開關(guān)穩(wěn)壓器的仿真。
LTpowerCAD
LTpowerCAD設計工具是一款完整的電源設計工具程序,可顯著簡化電源設計任務。它引導用戶尋找解決方案,選擇功率級元件,提供詳細效率信息,顯示快速環(huán)路波特圖穩(wěn)定性和負載瞬態(tài)分析,并可將最終設計導出至LTspice進行仿真。
作者簡介
Henry Zhang是ADI公司電源產(chǎn)品應用工程總監(jiān)。他于2001年加入凌力爾特(現(xiàn)為ADI公司一部分),擔任電源應用工程師,開始其職業(yè)生涯。他于2004年成為應用部門主管,并于2008年成為應用工程經(jīng)理。他的團隊支持廣泛的產(chǎn)品和應用,從小尺寸集成功率模塊到大型kW級高功率、高電壓轉(zhuǎn)換器。除了支持電源應用和新產(chǎn)品開發(fā)以外,他的團隊還開發(fā)了LTpowerCAD電源設計工具程序。Henry對電源管理解決方案和模擬電路有著廣泛的興趣。他發(fā)表了20多篇技術(shù)文章,發(fā)布了許多研討會和視頻,并有10多項電源專利已獲授權(quán)或在申請中。
Henry畢業(yè)于弗吉尼亞理工學院和弗吉尼亞州布萊克斯堡州立大學,獲得電氣工程碩士和博士學位。聯(lián)系方式:henry.zhang@analog.com。
Kevin Scott是ADI公司電源產(chǎn)品部門的產(chǎn)品營銷經(jīng)理,負責管理升壓、升降壓和隔離轉(zhuǎn)換器、LED驅(qū)動器和線性穩(wěn)壓器。他曾擔任高級戰(zhàn)略營銷工程師,負責制定技術(shù)培訓內(nèi)容,培訓銷售工程師,并撰寫了大量關(guān)于公司眾多產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢的網(wǎng)站文章。他在半導體行業(yè)已有 26 年從業(yè)經(jīng)驗,歷任應用、業(yè)務管理和營銷職務。
Kevin于1987年畢業(yè)于美國斯坦福大學,獲得電氣工程學士學位。聯(lián)系方式:kevin.scott@analog.com。
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