【導讀】本文是係列文章中的第二篇
，該係列文章將討論常見的開關模式電源(SMPS)的設計問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開關穩壓器的反饋級設計中麵臨的複雜難題，重點關注檢測電阻器(RSENSE)元件。RSENSE對於確保反饋網絡（負責維持輸出電壓）接jie收shou來lai自zi電dian感gan電dian流liu的de準zhun確que信xin號hao而er言yan至zhi關guan重zhong要yao。失shi真zhen的de信xin號hao可ke能neng會hui使shi電dian感gan紋wen波bo看kan起qi來lai比bi實shi際ji更geng大da或huo更geng小xiao，從cong而er導dao致zhi反fan饋kui網wang絡luo出chu現xian意yi外wai行xing為wei。

問題

能否通過調整RSENSE值或移除RSENSE濾波元件來提高係統效率或減少元件數量？

回答

如果選擇的RSENSE值過大或過小或者移除濾波，則可能會降低係統效率和噪聲性能。

摘要

本文是係列文章中的第二篇，該係列文章將討論常見的開關模式電源(SMPS)的設計問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開關穩壓器的反饋級設計中麵臨的複雜難題
，重點關注檢測電阻器(RSENSE)元件。RSENSE對於確保反饋網絡（負責維持輸出電壓）接jie收shou來lai自zi電dian感gan電dian流liu的de準zhun確que信xin號hao而er言yan至zhi關guan重zhong要yao。失shi真zhen的de信xin號hao可ke能neng會hui使shi電dian感gan紋wen波bo看kan起qi來lai比bi實shi際ji更geng大da或huo更geng小xiao，從cong而er導dao致zhi反fan饋kui網wang絡luo出chu現xian意yi外wai行xing為wei。

簡介在本文中，降壓轉換器用於演示檢測電阻器尺寸不正確所帶來的影響，以及移除RSENSE濾波器元件時會發生什麼情況。有關降壓轉換器工作原理的詳細介紹
，請參閱本係列的第一篇文章“開關模式電源電感器設計違規分析及其糾正措施”。檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)尺(chi)寸(cun)通(tong)常(chang)是(shi)不(bu)正(zheng)確(que)的(de)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)會(hui)試(shi)圖(tu)優(you)化(hua)效(xiao)率(lv)和(he)操(cao)作(zuo)
，而(er)尺(chi)寸(cun)不(bu)正(zheng)確(que)會(hui)導(dao)致(zhi)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。此(ci)外(wai)，檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)濾(lv)波(bo)器(qi)元(yuan)件(jian)對(dui)於(yu)向(xiang)反(fan)饋(kui)架(jia)構(gou)提(ti)供(gong)準(zhun)確(que)信(xin)息(xi)而(er)言(yan)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，如(ru)果(guo)將(jiang)其(qi)移(yi)除(chu)
，則(ze)可(ke)能(neng)會(hui)降(jiang)低(di)SMPS性能。

什麼是檢測電阻器
？

從電感器出來的電流通過一個較小的檢測電阻器(RSENSE)轉換為電壓。這一點可以從圖1中看出。

圖1.簡化的原理圖
，展示降壓轉換器及其反饋係統的基本操作。該圖可以在應用筆記AN140中找到。

該gai電dian壓ya充chong當dang向xiang反fan饋kui邏luo輯ji發fa送song的de信xin號hao，用yong來lai調tiao整zheng輸shu出chu。為wei該gai檢jian測ce電dian阻zu器qi選xuan擇ze正zheng確que的de值zhi對dui於yu確que保bao反fan饋kui邏luo輯ji接jie收shou到dao電dian感gan電dian流liu的de準zhun確que描miao述shu而er言yan至zhi關guan重zhong要yao。此ci外wai，這zhe還hai可ke確que保baoRSENSE信號符合數據手冊中檢測電阻器兩端的絕對最大差分電壓。

超小檢測電阻器涉及的複雜難題

設she計ji人ren員yuan可ke能neng會hui為wei了le提ti高gao效xiao率lv而er選xuan擇ze減jian小xiao檢jian測ce電dian阻zu器qi的de值zhi。檢jian測ce電dian阻zu器qi與yu電dian感gan器qi和he輸shu出chu串chuan聯lian，以yi便bian器qi件jian可ke以yi檢jian測ce三san角jiao電dian感gan電dian流liu波bo形xing並bing將jiang其qi用yong在zai反fan饋kui環huan路lu中zhong。該gai電dian阻zu器qi中zhong的de功gong率lv損sun耗hao測ce定ding方fang式shi為weiPloss = I2L × RSENSE。shejirenyuankeyitongguojianxiaojiancedianzuqidezhilailveweitigaoqixiaolv。raner，zhezhongfangfadaijiabufei。ruguodianzuqidezhitaixiao，zelaizijiancedianzuqidexinhaoyehuifeichangruo。zhehuidaozhixinzaobi(SNR)變bian差cha，因yin為wei噪zao聲sheng的de幅fu度du會hui變bian得de接jie近jin轉zhuan換huan後hou的de電dian感gan電dian流liu信xin號hao。由you於yu信xin噪zao比bi變bian差cha，檢jian測ce電dian阻zu器qi無wu法fa再zai隔ge離li主zhu信xin號hao

，從cong而er導dao致zhi輸shu出chu信xin號hao上shang產chan生sheng噪zao聲sheng。這zhe通tong常chang表biao現xian為wei輸shu出chu信xin號hao出chu現xian抖dou動dong，如ru圖tu2所示。

圖2.輸出不穩定造成抖動。超小RSENSE輸出波形表現出持續特性。突出顯示的波形采用標稱RSENSE捕獲。

為了解決此問題，設計人員應根據以下公式選擇合適的RSENSE值：

其中Vsense(max)在器件的數據手冊中確定
，Imax是可汲取的最大負載電流。每個SMPS可以處理的最大電流(Imax)被定義為電感電流紋波的一半與平均負載電流之和，如圖3所示。

圖3.電感電流波形。

根據此公式選擇值可確保RSENSE值足夠大，足以充分捕獲電感電流紋波。如果設計人員很難選擇合適的值，則可以利用ADI公司的LTpowerCAD®計算RSENSE值並獲得建議值，以確保正常工作。如果設計人員關心其設計的效率
，他們還可以利用LTpowerCAD中的功率損耗和效率選項卡來確定電路中的功率損耗來源（例如MOSFET開關損耗和電感器DCR損耗），並通過選擇更高效的器件來糾正這些損耗。此外，如果器件具有電感器DCR檢測功能，則可以省略檢測電阻器，電感器DCR檢jian測ce功gong能neng將jiang檢jian測ce電dian感gan器qi兩liang端duan的de電dian壓ya

，從cong而er以yi犧xi牲sheng可ke靠kao性xing和he噪zao聲sheng性xing能neng為wei代dai價jia來lai提ti高gao效xiao率lv。首shou選xuan方fang法fa是shi使shi用yong檢jian測ce電dian阻zu器qi
，但dan如ru果guo需xu要yao達da到dao峰feng值zhi效xiao率lv，可ke以yi對dui電dian流liu波bo形xing進jin行xing電dian感gan器qiDCR檢測。

超大檢測電阻器涉及的複雜難題

設計人員在設計SMPS時通常不會選擇超大的檢測電阻器。然而，布局問題會導致PCB走線產生電阻，將其與檢測電阻器的值相加會使總檢測電阻增加。通常，SMPS芯(xin)片(pian)具(ju)有(you)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)功(gong)能(neng)，該(gai)功(gong)能(neng)由(you)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)兩(liang)端(duan)可(ke)產(chan)生(sheng)的(de)最(zui)大(da)電(dian)壓(ya)確(que)定(ding)。當(dang)超(chao)過(guo)該(gai)值(zhi)時(shi)，器(qi)件(jian)進(jin)入(ru)限(xian)流(liu)模(mo)式(shi)，並(bing)且(qie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)開(kai)始(shi)隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)下(xia)降(jiang)。器(qi)件(jian)不(bu)再(zai)調(tiao)整(zheng)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。這(zhe)一(yi)點(dian)可(ke)以(yi)從(cong)圖(tu)4中看出。

圖4.超大檢測電阻器的負載調整。該特定DC-DC轉換器的額定電流高達15 A

，但使用超大檢測電阻器時會在4 A左右停止調整。

dangdianganqihejiancedianzuqizhijiandezouxiandayusuoxudechangdu
，huozhezailiuzouxianlianjiedaoxinpianshangdejianceyinjiaozhiyishi，tongchanghuifashengzhezhongxianxiang。youyusuoxuanjiancedianzuqizaihaoouji，yincitaduisuozengjiaderenhedianzudouhenmingan。keyitongguokaierwenlianjielaibimianciwenti

，rutu5所示。

圖5.這是一個正確的開爾文連接示例。

檢測走線來自檢測電阻器，它與PCB焊盤和載流走線分離。開爾文走線要細得多，並且會盡可能靠近檢測電阻器以避免寄生電阻增加。這使VSENSE能夠準確表示檢測電阻器兩端的電壓。因此，當檢測電阻器由於缺乏正確的開爾文連接、走線太長或隻是由於所選值有誤而增加時
，電流限製會由於VSENSE(MAX)能夠更快達到而在較低負載下觸發，從而導致負載調整能力變差。

什麼是等效串聯電感(ESL)？

寄生等效串聯電感(ESL)是表麵貼裝器件(SMD)電阻器的固有特性。由於檢測電阻器的值較低（毫歐級）
，ESL會對檢測架構帶來顯著的影響。因此，為了消除寄生ESL所帶來的影響
，必須在檢測走線中添加RC濾波器。設計人員並沒有意識到省略這些元件有什麼好處
，但可能會為了減小BOM尺寸
、降低成本或可能隻是忘了包含這些元件而省略它們。

ESL不僅包含檢測電阻器寄生電感，而且還包含由電路板布局和走線引起的總電感。ESL可通過公式3計算：

VESL(step)是檢測電阻器兩端的附加電壓。濾波器需要產生一個RC時間常數，該常數等於或小於計算出的檢測電阻器時間常數(ESL/R)。移除濾波器後，檢測電阻器將表現出與其電阻特性疊加的電感特性。這些可以通過檢測電阻器波形上的尖峰（電壓階躍）觀察到，如圖6所示。

圖6.這是移除濾波器補償係統後的RSENSE信號。

此外，由於輸出紋波增加
，器件錯誤地認為它已在較低額定負載下達到其內部電流限製
，因此會導致負載調整能力變差。

圖7.移除濾波器補償係統後電源的負載調整。該特定器件的額定電流高達15 A
，但在12 A時停止調整。

該問題可以通過添加適當尺寸的濾波器來解決。該濾波器可以通過圖8所示的公式確定。

圖8.建議的濾波器補償RC規格。源自LTC3855數據手冊。

這樣做之後，傳送到檢測架構的電壓將會增加。與不帶濾波器的檢測電阻器兩端的信號相比，很明顯
，RC濾波器對信號進行了平滑處理
，而且消除了ESL階躍。正如預期的那樣，感應尖峰將消失
，波形將呈三角形。這一點可以從圖9中看出。

圖9.這是帶濾波器補償係統時的RSENSE信號。該信號是在濾波電容器兩端測量的
，因為它既是濾波器的輸出信號，又是進入反饋係統的信號。

結論

本(ben)文(wen)可(ke)作(zuo)為(wei)分(fen)析(xi)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)設(she)計(ji)問(wen)題(ti)的(de)指(zhi)南(nan)。此(ci)外(wai)，本(ben)文(wen)還(hai)為(wei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)提(ti)供(gong)了(le)實(shi)用(yong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，以(yi)避(bi)免(mian)出(chu)現(xian)文(wen)中(zhong)所(suo)述(shu)的(de)任(ren)何(he)幹(gan)擾(rao)行(xing)為(wei)。盡(jin)管(guan)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)經(jing)常(chang)被(bei)忽(hu)視(shi)，但(dan)其(qi)尺(chi)寸(cun)對(dui)於(yu)在(zai)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)時(shi)保(bao)持(chi)穩(wen)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。如(ru)果(guo)為(wei)了(le)省(sheng)電(dian)而(er)選(xuan)擇(ze)尺(chi)寸(cun)不(bu)合(he)適(shi)的(de)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)
，或(huo)者(zhe)不(bu)考(kao)慮(lv)布(bu)局(ju)電(dian)阻(zu)器(qi)寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)，則(ze)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。此(ci)外(wai)
，忽(hu)略(lve)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)濾(lv)波(bo)元(yuan)件(jian)將(jiang)導(dao)致(zhi)向(xiang)檢(jian)測(ce)架(jia)構(gou)反(fan)饋(kui)的(de)信(xin)號(hao)不(bu)準(zhun)確(que)
，而(er)且(qie)會(hui)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)。

（來源：ADI公司，作者：Abe Ibraheim
，核心應用部實習生，Kenneth Armijo，核心應用部工程師，Piyu Dhaker，資深工程師）

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