【導讀】電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)技(ji)術(shu)在(zai)現(xian)今(jin)的(de)生(sheng)活(huo)與(yu)工(gong)作(zuo)中(zhong)都(dou)有(you)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)
，許(xu)多(duo)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)都(dou)需(xu)要(yao)檢(jian)測(ce)流(liu)入(ru)和(he)流(liu)出(chu)的(de)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)，檢(jian)測(ce)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)能(neng)夠(gou)避(bi)免(mian)器(qi)件(jian)出(chu)錯(cuo)。所(suo)以(yi)我(wo)們(men)今(jin)天(tian)的(de)主(zhu)角(jiao)就(jiu)是(shi)“開關模式電源的電流檢測技術”。

基本知識談

電流模式控製由於其高可靠性、環路補償設計簡單、fuzaifenpeigongnengjiandankekaodetedian，beiguangfanyongyukaiguanmoshidianyuan。dianliujiancexinhaoshidianliumoshikaiguanmoshidianyuanshejidezhongyaozuchengbufen，tayongyutiaojieshuchubingtigongguoliubaohu。tu1顯示了 ADI LTC3855同步開關模式降壓電源的電流檢測電路。LTC3855是一款具有逐周期限流功能的電流模式控製器件。檢測電阻RS監測電流。

圖1. 開關模式電源電流檢測電阻(RS)

圖2顯示了兩種情況下電感電流的示波器圖像：第一種情況使用電感電流能夠驅動的負載（紅線），而在第二種情況下
，輸出短路（紫線）。

圖2. LTC3855限流與折返示例，在1.5 V/15 A供電軌上測量

最初
，峰值電感電流由選定的電感值、電源開關導通時間、電路的輸入和輸出電壓以及負載電流設置（圖中用“1”表示）。當電路短路時
，電感電流迅速上升，直至達到限流點
，即 RS × IINDUCTOR (IL)等於最大電流檢測電壓，以保護器件和下遊電路（圖中用“2”表示）。然後，內置電流折返限製（圖中數字“3”）進一步降低電感電流，以將熱應力降至最低。

電流檢測還有其他作用。在多相電源設計中，利用它能實現精確均流。對於輕負載電源設計，它可以防止電流反向流動，從而提高效率（反向電流指反向流過電感的電流，即從輸出到輸入的電流，這在某些應用中可能不合需要，甚至具破壞性）。另ling外wai，當dang多duo相xiang應ying用yong的de負fu載zai較jiao小xiao時shi
，電dian流liu檢jian測ce可ke用yong來lai減jian少shao所suo需xu的de相xiang數shu，從cong而er提ti高gao電dian路lu效xiao率lv。對dui於yu需xu要yao電dian流liu源yuan的de負fu載zai
，電dian流liu檢jian測ce可ke將jiang電dian源yuan轉zhuan換huan為wei恒heng流liu源yuan，以yi用yong於yuLED驅動、電池充電和驅動激光等應用。

檢測電阻放哪最合適
？

電流檢測電阻的位置連同開關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、穀值電感電流（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控電路看到的共模電壓。

放置在降壓調節器高端

對於降壓調節器

，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3所示）
，它會在頂部MOSFET 導通時檢測峰值電感電流

，從而可用於峰值電流模式控製電源。但是
，當頂部MOSFET關斷且底部MOSFET導通時
，它不測量電感電流。

圖3. 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關電壓振蕩。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）。這會限製最小開關導通時間
，並且可能限製最小占空比（占空比 = VOUT/VIN）和最大轉換器降壓比。注意在高端配置中
，電流信號可能位於非常大的共模電壓(VIN)之上。

放置在降壓調節器低端

圖4中，檢測電阻位於底部MOSFET下方。在這種配置中
，它檢測穀值模式電流。為了進一步降低功率損耗並節省元件成本
，底部FET RDS(ON)可用來檢測電流
，而不必使用外部電流檢測電阻RSENSE。

圖4. 帶低端RSENSE的降壓轉換器

這zhe種zhong配pei置zhi通tong常chang用yong於yu穀gu值zhi模mo式shi控kong製zhi的de電dian源yuan。它ta對dui噪zao聲sheng可ke能neng也ye很hen敏min感gan

，但dan在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，它ta在zai占zhan空kong比bi較jiao大da時shi很hen敏min感gan。穀gu值zhi模mo式shi控kong製zhi的de降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi支zhi持chi高gao降jiang壓ya比bi
，但dan由you於yu其qi開kai關guan導dao通tong時shi間jian是shi固gu定ding/ 受控的，故最大占空比有限。

降壓調節器與電感串聯

圖5中，電流檢測電阻RSENSE與電感串聯

，因此可以檢測連續電感電流，此電流可用於監測平均電流以及峰值或穀值電流。所以
，此配置支持峰值、穀值或平均電流模式控製。

圖5. RSENSE與電感串聯

這種檢測方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常準確的電流檢測信號，以實現精確的限流和均流。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節器的高端

對於升壓調節器
，檢測電阻可以與電感串聯，以提供高端檢測 （圖6）。

圖6. 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端

檢測電阻也可以放在底部MOSFET的低端，如圖7所示。此處監測峰值開關電流（也是峰值電感電流），每半個周期產生一個電流波形。MOSFET開關切換導致電流信號具有很強的開關噪聲。

圖7. 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

圖8顯示了一個4開關升降壓轉換器，其檢測電阻位於低端。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
，轉換器工作在升壓模式。在此電路中
，檢測電阻位於4開關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8. 帶低端RSENSE的升壓轉換器

在降壓模式下（開關D一直導通，開關C一直關斷），檢測電阻監測底部開關B電流，電源用作穀值電流模式降壓轉換器。

在升壓模式下（開關A一直導通，開關B一直關斷），檢測電阻與底部MOSFET (C)chuanlian，bingzaidiangandianliushangshengshiceliangfengzhidianliu。zaizhezhongmoshixia

，youyubujianceguzhidiangandianliu
，yincidangdianyuanchuyuqingfuzaizhuangtaishi，hennanjiancefudiangandianliu。fudiangandianliuyiweizhediannengcongshuchuduanchuanhuishuruduan
，danyouyuzhezhongchuanshuhuiyousunhao，guxiaolvhuishousun。duiyudianchigongdianxitongdengyingyong，qingfuzaixiaolvhenzhongyao，zhezhongdianliujiancefangfabuhexuyao。

圖9電路解決了這個問題，其將檢測電阻與電感串聯
，從而在降壓和升壓模式下均能連續測量電感電流信號。由於電流檢測 RSENSE連接到具有高開關噪聲的SW1節點
，因此需要精心設計控製器IC

，使內部電流比較器有足夠長的消隱時間。

圖9. LT8390升降壓轉換器，RSENSE與電感串聯

輸入端也可以添加額外的檢測電阻，以實現輸入限流；或者添加在輸出端，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。 

電流檢測方法使用說明書

開關模式電源有三種常用電流檢測方法是：使用檢測電阻，使用MOSFET RDS(ON)，以及使用電感的直流電阻(DCR)。每種方法都有優點和缺點
，選擇檢測方法時應予以考慮。

檢測電阻電流傳感

作為電流檢測元件的檢測電阻，產生的檢測誤差最低（通常在1%和5%之間），溫度係數也非常低，約為100 ppm/°C (0.01%)。在性能方麵，它提供精度最高的電源，有助於實現極為精確的電源限流功能，並且在多個電源並聯時
，還有利於實現精密均流。

圖10. RSENSE電流檢測

另ling一yi方fang麵mian，因yin為wei電dian源yuan設she計ji中zhong增zeng加jia了le電dian流liu檢jian測ce電dian阻zu，所suo以yi電dian阻zu也ye會hui產chan生sheng額e外wai的de功gong耗hao。因yin此ci
，與yu其qi他ta檢jian測ce技ji術shu相xiang比bi，檢jian測ce電dian阻zu電dian流liu監jian測ce技ji術shu可ke能neng有you更geng高gao的de功gong耗hao
，導dao致zhi解jie決jue方fang案an整zheng體ti效xiao率lv有you所suo下xia降jiang。專zhuan用yong電dian流liu檢jian測ce電dian阻zu也ye可ke能neng增zeng加jia解jie決jue方fang案an成cheng本ben，雖sui然ran一yi個ge檢jian測ce電dian阻zu的de成cheng本ben通tong常chang在zai0.05美元至0.20美元之間。

選擇檢測電阻時不應忽略的另一個參數是其寄生電感（也稱為有效串聯電感或ESL）。檢測電阻可以用一個電阻與一個有限電感串聯來正確模擬。

圖12. RSENSE ESL模型

此電感取決於所選的特定檢測電阻。某些類型的電流檢測電阻，例如金屬板電阻，具有較低的ESL
，應優先使用。相比之下，繞線檢測電阻由於其封裝結構而具有較高的ESL，應避免使用。一般來說，ESL效應會隨著電流的增加、jiancexinhaofududejianxiaoyijibujubuhelierbiandegengjiamingxian。dianludezongdianganhaibaokuoyouyuanjianyinxianheqitadianluyuanjianyinqidejishengdiangan。dianludezongdianganyeshoudaobujudeyingxiang
，yincibixutuoshankaolvyuanjiandebuju，buqiadangdebujukenengyingxiangwendingxingbingjiajuxianyoudianlushejiwenti。

檢測電阻ESL的影響可能很輕微，也可能很嚴重。ESL會hui導dao致zhi開kai關guan柵zha極ji驅qu動dong器qi發fa生sheng明ming顯xian振zhen蕩dang，從cong而er對dui開kai關guan導dao通tong產chan生sheng不bu利li影ying響xiang。它ta還hai會hui增zeng加jia電dian流liu檢jian測ce信xin號hao的de紋wen波bo，導dao致zhi波bo形xing中zhong出chu現xian電dian壓ya階jie躍yue
，而er不bu是shi預yu期qi的de如ru圖tu13所示的鋸齒波形。這會降低電流檢測精度。

圖13. RSENSE ESL可能會對電流檢測產生不利影響

為使電阻ESL最小
，應避免使用具有長環路（如繞線電阻）或長引線（如厚電阻）的檢測電阻。薄型表麵貼裝器件是首選
，例子包括板結構SMD尺寸0805、1206
、2010和2512，更好的選擇包括倒幾何SMD尺寸0612和1225。

基於功率MOSFET的電流檢測

利用MOSFET RDS(ON)進行電流檢測，可以實現簡單且經濟高效的電流檢測。LTC3878是一款采用這種方法的器件。它使用恒定導通時間穀值模式電流檢測架構。頂部開關導通固定的時間，此後底部開關導通，其RDS壓降用於檢測電流穀值或電流下限。

圖14. MOSFET RDS(ON)電流檢測

雖然價格低廉
，但這種方法有一些缺點。首先，其精度不高
， RDS(ON)值可能在很大的範圍內變化（大約33%或更多）。其溫度係數可能也非常大，在100°C以上時甚至會超過80%。另外，如果使用外部MOSFET，則必須考慮MOSFET寄生封裝電感。這種類型的檢測不建議用於電流非常高的情況
，特別是不適合多相電路，此類電路需要良好的相位均流。

電感DCR電流檢測

電感直流電阻電流檢測采用電感繞組的寄生電阻來測量電流，從而無需檢測電阻。這樣可降低元件成本
，提高電源效率。與MOSFET RDS(ON)相比
，銅線繞組的電感DCR的(de)器(qi)件(jian)間(jian)偏(pian)差(cha)通(tong)常(chang)較(jiao)小(xiao)，不(bu)過(guo)仍(reng)然(ran)會(hui)隨(sui)溫(wen)度(du)而(er)變(bian)化(hua)。它(ta)在(zai)低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)應(ying)用(yong)中(zhong)受(shou)到(dao)青(qing)睞(lai)
，因(yin)為(wei)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)任(ren)何(he)壓(ya)降(jiang)都(dou)代(dai)表(biao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)一(yi)個(ge)相(xiang)當(dang)大(da)部(bu)分(fen)。將(jiang)一(yi)個(ge)RC網絡與電感和寄生電阻的串聯組合並聯，檢測電壓在電容C1上測量（圖15）。

圖15. 電感DCR電流檢測

通過選擇適當的元件(R1 × C1 = L/DCR)
，電容C1兩端的電壓將與電感電流成正比。為了最大限度地減少測量誤差和噪聲
，最好選擇較低的R1值。

電(dian)路(lu)不(bu)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)，因(yin)此(ci)無(wu)法(fa)檢(jian)測(ce)電(dian)感(gan)飽(bao)和(he)。推(tui)薦(jian)使(shi)用(yong)軟(ruan)飽(bao)和(he)的(de)電(dian)感(gan)
，如(ru)粉(fen)芯(xin)電(dian)感(gan)。與(yu)同(tong)等(deng)鐵(tie)芯(xin)電(dian)感(gan)相(xiang)比(bi)
，此(ci)類(lei)電(dian)感(gan)的(de)磁(ci)芯(xin)損(sun)耗(hao)通(tong)常(chang)較(jiao)高(gao)。與(yu)RSENSE方法相比，電感DCR檢測不存在檢測電阻的功率損耗
，但可能會增加電感的磁芯損耗。

使用RSENSE和DCR兩種檢測方法時
，由於檢測信號較小
，故均需要開爾文檢測。必須讓開爾文檢測痕跡（圖5中的SENSE 和 SENSE-）遠離高噪聲覆銅區和其他信號痕跡，以將噪聲提取降至最低，這點很重要。某些器件（如LTC3855）具有溫度補償DCR檢測功能
，可提高整個溫度範圍內的精度。

表1. 電流檢測方法的優缺點

表1中提到的每種方法都為開關模式電源提供額外的保護。取決於設計要求，精度
、效率
、熱應力、保護和瞬態性能方麵的權衡都可能影響選擇過程。電源設計人員需要審慎選擇電流檢測方法和功率電感

，並正確設計電流檢測網絡。ADI LTpowerCAD設計工具和LTspice®電路仿真工具等計算機軟件程序，對簡化設計工作並獲得最佳結果會大有幫助。

其他電流檢測方法

還hai有you其qi他ta電dian流liu檢jian測ce方fang法fa可ke供gong使shi用yong。例li如ru，電dian流liu檢jian測ce互hu感gan器qi常chang常chang與yu隔ge離li電dian源yuan一yi起qi使shi用yong
，以yi跨kua越yue隔ge離li柵zha對dui電dian流liu信xin號hao信xin息xi提ti供gong保bao護hu。這zhe種zhong方fang法fa通tong常chang比bi上shang述shu三san種zhong技ji術shu更geng昂ang貴gui。此ci外wai
，近jin年nian來lai集ji成cheng柵zha極ji驅qu動dong器qi(DrMOS)和電流檢測的新型功率MOSFET也已出現，但到目前為止，還沒有足夠的數據來推斷DrMOS在檢測信號的精度和質量方麵表現如何。

軟件推薦

LTspice 

LTspice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，可改善開關穩壓器的仿真。

LTpowerCAD

LTpowerCADshejigongjushiyikuanwanzhengdedianyuanshejigongjuchengxu，kexianzhujianhuadianyuanshejirenwu。tayindaoyonghuxunzhaojiejuefangan

，xuanzegonglvjiyuanjian
，tigongxiangxixiaolvxinxi，xianshikuaisuhuanlubotetuwendingxinghefuzaishuntaifenxi，bingkejiangzuizhongshejidaochuzhiLTspice進行仿真。

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