說它「無損耗」,是因為這種方法不會使電源設計增加額外的成本或功耗,但眾所周知的是,這種電路精準度很低,尤其是使用小型、低ESR電感時,更是如此。

先來看看DCR檢測電路的組成。這種電路相當簡單:為輸出電感增加一個RC網路,生成差分訊號即可,且RC網路將電感電流轉換成C1兩端的電壓。

RC值的計算非常簡單,RC=L/DCR,其中:

L=L1的電感值;

DCR=電感L1的DC電阻;

R=圖1原理圖中的R2(或者,如果有R3存在,就是R2和R3的並聯);

C=圖1原理圖中的C1。

請注意,在圖1中,如果ISENSE峰值訊號的幅度使差分放大器飽和,那麼就增加R3,以降低該峰值訊號幅度,使其處於差分放大器的規定範圍內。

20180403TA01P1 圖1 DCR電流檢測電路。

「無損耗」總是受歡迎的,但常言說得好,「便宜無好貨,好貨不便宜」。這種電路的精準度非常差。

首先,電感的DCR有很寬的容限範圍,±7%甚至±10%都是很常見的。

如果初始容限為10%,那麼圖1所示的180nH電感的DCR可能低至261mΩ或高達319mΩ。雪上加霜的是,電感會發熱,銅線繞組的溫度係數為3,930PPM/℃或0.393%/℃。如果應用的溫度上升至比環境溫度高35℃,電感本身發熱使溫度再上升35℃,那麼標稱DCR就可能升至:

290u+(70(.00393290u))= 390μΩ(比標稱值增加35%)**

最差情況的上限為:

319u+(70(.00393319u))= 407μΩ(比標稱值增加40%)**

最差情況的下限為:

261u+(70(.00393261u))= 333μΩ(標稱值增加大15%。總誤差會低一些,因為銅線的正係數補償了電感的低初始值。)**

從工程設計的角度來看,這確實很糟糕,因為過流標記和過流停機都是基於這些電阻設定。如果電路太敏感,就會在沒有達到需要停機的程度就停機,這不是我們想要的結果。如果電路不敏感,就會有電感和功率FET壓力過大的風險,這更不是想要的結果。

20180403TA01P2 圖2 電感DCR的典型規格。

情況能糟糕到什麼程度?

假定正在設計一個能在1V時提供最大35A的電路(目前,對一個切合實際的單相降壓轉換器而言,這個數值合乎情理)。如果電感DCR處在容限低端,那麼輸出得到35A時,控制器認為提供了40A。這意味著,OCP不能設定為低於40A,否則電源會在標稱負載時停機;反過來,當OCP設定為40A,電感DCR增大10%時,情況會變得多糟糕?

在這種情況下,實際負載電流為40A,但DCR為407μΩ,因此控制器認為輸出電流是65A。這意味著,OCP需要設定為65A,如果不設定為這個數值,就有在不到40A時就出現OCP停機的風險。這似乎不能接受,可一旦OCP設定為65A,電路就必須設計成在偶爾準確報告電流的情況下,也得連續提供這麼大的電流。

這表示輸出電感和功率FET嚴重過度設計,電源必須提供35A,但卻必須按照能夠連續提供65A來設計。而且,使情況更糟的是,電感中的電流除了有DC分量,還存在峰值至峰值波紋。這個波紋有多大呢?對波紋電流而言,通常的設計原則是20%。這意味著,逐周期電流限制(cycle-by-cyclecurrent limit)必須設定為高於65A,因此保護輸出FET的能力就變成非常大的問題了。猜猜看,如果針對30%波紋電流來設計,會發生什麼情況?

然後,你會意識到,典型的電流檢測電壓範圍為10m~20mV。如果在一個電源中,有開關節點振鈴,有輸出電感產生的雜散磁場,還有電流在旁路電容和輸出電容中流通,那麼就很難得到可以接受的訊噪比(SNR)。要想訊號品質還有任何希望的話,電流檢測連接線必須仔細佈置成差分對(因此,所拾取的任何雜訊都是共模的),並佈置得遠離電感、開關節點和大電流/高頻電流回路。這在空間受限的設計中很難,一如現在空間受限設計中的一切看起來都很難一樣。

我們能做什麼?首先,透過使用熱敏電阻或溫度檢測二極體(通常是小型電晶體中正向偏置的PNP基-發射節),可以基於經驗估計出電感的溫度。利用這種方式,可以調節銅線繞組電阻的熱回應。這太有幫助了,工程師們真是太了不起!如果確實做得非常仔細,那麼最好的結果有可能達到±10%。

還能做什麼?可以忽略「無損耗」的DCR電路,為輸出電感串聯一個昂貴的、溫度穩定的電流檢測電阻。這增加了成本,損害了轉換器的效率,但是憑藉良好的差分訊號佈線,能夠以高得多的精準度檢測輸出電流。隨著容限累積,可以得到±5%或更好的總體電流檢測性能。工程師們在設計評估中既證明了這種方案的合理性,又避開了對其設計影響效率和成本的批評,他們的勇氣令我欽佩。

使用一個由溫度穩定的合金繞組構成的電感如何?這個想法一出現,我的心就被嚇得狂跳不止。

還有其他方法嗎?有個東西比電流檢測電阻要好,即讓功率鏈路元件報告其電流。這種方法運用設計良好的智慧電源狀態(SPS),雖然增加了電流檢測成本,但是能夠提供與標稱輸出要求非常接近的峰值功率能力,二者功過相抵,結果是大幅減少了過度設計功率鏈路元件導致的浪費。

20180403TA01P3 圖3 凱爾文(Kelvin)電感電流檢測佈線。

對這種電流檢測方可以寄予多大期望?就合理的運行區域而言(不要期望輸出電流處在零附近時出現奇蹟),可以得到±1%初始精準度,隨著老化和溫度變化,最差的容限為±2%。

年復一年,技術的進步為工程師們提供越來越好的基本構件。就讓「無損耗」的DCR電流檢測電路隨風而去吧。

(參考原文:“Free” DCR Current Sensing Must Die,by Ken Coffman)