接續前文: 切換開關模式電源電流感測基本知識詳解  

電流感測電阻的位置連同切換開關穩壓器架構決定了需感測的電流。感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。感測電阻的位置會影響功率損耗、雜訊計算以及感測電阻監控電路看到的共模電壓。

放置在降壓穩壓器高側

對於降壓穩壓器(step-down/buck regulator)而言,電流感測電阻有多個位置選項;當放置在頂部MOSFET的高側時(如圖1所示),它會在頂部MOSFET導通時感測峰值電感電流,從而可用於峰值電流模式控制電源。但是當頂部MOSFET關斷且底部MOSFET導通時,它不測量電感電流。

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圖1:具備高側RSENSE的降壓轉換器

在這種配置中,電流感測可能有很高的雜訊,原因是頂部MOSFET的導通邊緣具有很強的切換開關電壓振盪。為使這種影響最小,需要一個較長的電流比較器消隱(blanking)時間(比較器忽略輸入的時間);而這會限制最小切換開關導通時間,並且可能限制最小工作週期(工作週期 = VOUT/VIN)和最大轉換器降壓比。注意在高側配置中,電流訊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側

圖2中,感測電阻位於底部MOSFET下方。在這種配置中,它感測谷值模式電流。為了進一步降低功率損耗並節省元件成本,底部FET RDS(ON)可用來感測電流,而不必使用外部電流感測電阻RSENSE

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圖2:具備低側RSENSE的降壓轉換器

這種配置通常用於谷值模式控制的電源。它對雜訊可能也很敏感,但在這種情況下,它在工作週期較大時相當敏感。谷值模式控制的降壓轉換器支援高降壓比,但由於其切換開關導通時間是固定/受控的,故最大工作週期有限。

降壓穩壓器與電感串聯

圖3中,電流感測電阻RSENSE與電感串聯,因此可以感測連續電感電流,此電流可用於監測平均電流以及峰值或谷值電流。所以,此配置支援峰值、谷值或平均電流模式控制。

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圖3:SENSE與電感串聯

這種感測方法可提供最佳的訊號雜訊比性能。外部RSENSE通常可提供非常準確的電流感測訊號,以實現精準的限流和均流;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)感測電流,而不使用外部RSENSE

放置在升壓和反相穩壓器的高側

對於升壓(step-up/boost)穩壓器,感測電阻可以與電感串聯,以提供高側感測(圖4)。

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圖4:具備高側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。

放置在升壓和反相穩壓器的低側

感測電阻也可以放在底部MOSFET的低側,如圖5所示。此處監測峰值切換開關電流(也是峰值電感電流),每半個週期產生一個電流波形。MOSFET開關切換導致電流訊號具有很強的切換開關雜訊。

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圖5:具備低側RSENSE的升壓轉換器

SENSE電阻放置在升降壓轉換器低側或與電感串聯

圖6顯示了一個4開關升降壓轉換器,其感測電阻位於低側。當輸入電壓遠高於輸出電壓時,轉換器以降壓模式運作;當輸入電壓遠低於輸出電壓時,轉換器以升壓模式運作。在此電路中,感測電阻位於4-switch H橋配置的底部。元件的模式(降壓模式或升壓模式)決定了監測的電流。

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圖6:RSENSE圖6:位於低側的升降壓轉換器

在降壓模式下(開關D持續導通,切換開關C持續關斷),感測電阻監測底部切換開關B電流,電源用作穀值電流模式降壓轉換器。

在升壓模式下(切換開關A持續導通,切換開關B持續關斷),感測電阻與底部MOSFET(C)串聯,並在電感電流上升時測量峰值電流。在這種模式下,由於不監測谷值電感電流,因此當電源處於輕負載狀態時,很難感測負電感電流。

負電感電流意味著電能從輸出端傳回輸入端,但由於這種傳輸會有損耗,故效率會受損。對於電池供電系統等應用,輕負載效率很重要,這種電流感測方法不合需要。

圖7電路解決了這個問題,其將感測電阻與電感串聯,從而在降壓和升壓模式下均能連續測量電感電流訊號。由於電流感測RSENSE連接到具有高切換開關雜訊的SW1節點,因此需要精心設計控制器IC,使內部電流比較器有足夠長的消隱時間。

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圖7:LT8390升降壓轉換器,RSENSE與電感串聯

輸入端也可以添加額外的感測電阻,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等恆定輸出電流應用。這種情況下需要平均輸入或輸出電流訊號,因此可在電流感測路徑中增加一個強RC濾波器,以減少電流感測雜訊。

上述大多數例子假定電流感測元件為感測電阻,但這不是強制要求,而且實際上往往並非如此。其他感測技術包括使用MOSFET上的壓降或電感的直流電阻(DCR),這些電流感測方法將在這一系列文章的Part 3──電流感測方法──中介紹。