如何检测开关模式下的电源电流？这12个电路&10个知识点很清楚
电流检测技术在现今的生活与工作中都有广泛的应用，许多的系统中都需要检测流入和流出的电流大小，检测电流大小能够避免器件出错。所以我们今天的主角就是“开关模式电源的电流检测技术”。
指南电流检测技术广泛应用于当今的生活和工作中。许多系统需要检测流入和流出的电流尺寸。检测电流尺寸可以避免设备错误。因此，我们今天的主角是开关模式电源的电流检测技术。
基本知识谈
电流模式控制因其可靠性高、环路补偿设计简单、负载分配功能简单可靠而被广泛应用于开关模式电源中。电流检测信号是电流模式开关模式电源设计的重要组成部分，用于调节输出，提供过流保护。图1显示了 ADI LTC3855同步开关模式下降压电源的电流检测电路。LTC3855是一种具有循环限流功能的电流模式控制器。检测电阻RS监测电流。
图1. 开关模式电源电流检测电阻(RS)
图2显示了两种情况下电感电流的示波器图像：第一种情况使用电感电流驱动的负载（红线），第二种情况下输出短路（紫线）。
图2. LTC3855限流和折返示例1.5 V/15 A供电轨上测量
最初，峰值电感电流设置为所选电感值、电源开关导通时间、电路输入输出电压和负载电流（图为1）。当电路短路时，电感电流迅速上升，直到达到限流点 RS × IINDUCTOR (IL)为了保护装置和下游电路(图中用2表示)，等于最大电流检测电压。然后，内置电流折返限制(图中数字3)进一步降低电感电流，以最大限度地减少热应力。
电流检测还有其他功能。在多相电源设计中，可以实现精确均流。对于轻负载电源的设计，可以防止电流反向流动，从而提高效率(反向电流是指反向流过电感的电流，即从输出到输入的电流，在某些应用中可能不需要，甚至是破坏性的)。此外，当多相应用负载较小时，电流检测可用于减少所需的相数，从而提高电路效率。对于需要电流源的负载，电流检测可以将电源转换为恒流源LED驱动、电池充电、驱动激光等应用。
哪个最适合检测电阻放？
电流检测电阻的位置和开关稳压器架构决定了要检测的电流。检测电流包括峰值电感电流、谷值电感电流（连续导通模式下电感电流的最小值）和平均输出流。检测电阻的位置会影响电源损耗、噪声计算和电阻监测电路检测到的共模电压。
放置在高端降压调节器中
对于降压调节器，电流检测电阻可放置在多个位置。当放置在顶部时MOSFET高端时(如图3所示)会在顶部MOSFET 峰值电感电流可用于峰值电流模式峰值电流模式控制电源。但是，当顶部MOSFET关断且底部MOSFET它不测量电感电流。
图3. 带高端RSENSE降压转换器
在这种配置中，由于顶部，电流检测可能会产生高噪声 MOSFET导通边缘开关电压振荡强。为了最大限度地减少这种影响，需要较长的电流比较器消隐时间(比较器忽略输入时间)。这将限制最小开关的导通时间和最小占空比(占空比) = VOUT/VIN）与最大转换器降压比。请注意，在高端配置中，电流信号可能位于非常大的共模电压中(VIN)之上。
放置在降压调节器低端
在图4中，检测电阻位于底部MOSFET下面。在这种配置中，它检测谷值模式的电流。为了进一步降低功率损耗，节省元件成本，底部FET RDS(ON)不使用外部电流检测电阻，可用于检测电流RSENSE。
图4. 带低端RSENSE降压转换器
该配置通常用于谷值模式控制的电源。它可能对噪声非常敏感，但在这种情况下，它对空间占用较大时非常敏感。谷值模式控制的降压转换器支持高降压比，但由于其开关导通时间固定/ 因此，最大空比有限。
降压调节器与电感串联
图5中，电流检测电阻RSENSE连续电感电流可用于监测平均电流、峰值或谷值电流。因此，该配置支持峰值、谷值或平均电流模式的控制。
图5. RSENSE与电感串联
该检测方法提供了最佳的信噪比性能。RSENSE为了实现精确的限流和均流，通常可以提供非常准确的电流检测信号。RSENSE还会造成额外的功率损耗和元件成本。为了降低功率损耗和成本，可以使用电感线圈直流电阻(DCR)不使用外部电流检测电流RSENSE。
高端放置在升压和反相调节器中
对于升压调节器，检测电阻可与电感串联，提供高端检测 （图6）。
图6. 带高端RSENSE升压转换器
升压转换器具有连续输入电流，因此会产生三角形波形并持续监测电流。
低端放置在升压和反相调节器中
检测电阻也可以放在底部MOSFET低端，如图7所示。峰值开关电流开关电流(也是峰值电感电流)，每半个周期产生一个电流波形。MOSFET开关切换导致电流信号具有较强的开关噪声。
图7. 带低端RSENSE升压转换器
SENSE电阻放置在升降压转换器的低端或与电感串联
图8显示了一个低端的4开关升降压力转换器。当输入电压远高于输出电压时，转换器在降压模式下工作；当输入电压远低于输出电压时，转换器在升压模式下工作。在该电路中，检测电阻位于4开关H桥配置的底部。设备模式（降压模式或升压模式）决定了监测电流。
图8. 带低端RSENSE的升压转换器
在降压模式下(开关D一直导开，开关C一直关闭)，检测底部开关B电流的电阻监测，电源用作谷值电流模式的降压转换器。
在升压模式下检测电阻和底部MOSFET (C)当电感电流上升时，串联测量峰值电流。在这种模式下，当电源处于轻负载状态时，很难检测负电感电流，因为不监测谷值电感电流。负电感电流意味着电能从输出端传回输入端，但效率会受损，因为这种传输会有损失。轻负荷效率对于电池供电系统等应用非常重要，这种电流检测方法不符合要求。
图9电路解决了这个问题，将检测电阻与电感串联起来，以便在降压升压模式下连续测量电感电流信号。由于电流检测 RSENSE连接到具有高开关噪声的高开关噪声SW因此，控制器需要精心设计IC，使内部电流比较器有足够长的消隐时间。
图9. LT8390升降压转换器，RSENSE与电感串联
为了实现输入限流，还可以在输入端添加额外的检测电阻；或在输出端添加电池充电或驱动LED等待恒定输出电流应用。在这种情况下，需要平均输入或输出电流信号，因此可以在电流检测路径中增加强度RC为了降低电流检测噪声，滤波器。
电流检测方法使用说明书
开关模式有三种常用的电流检测方法：使用检测电阻和使用MOSFET RDS(ON)，以及使用电感的直流电阻(DCR)。每种方法都有优缺点，在选择检测方法时应考虑。
检测电阻电流传感
作为电流检测元件的检测电阻，检测误差最低(通常在1%和5%之间)，温度系数也很低，约100 ppm/°C (0.01%)。在性能方面，它提供最高精度的电源，有助于实现极其精确的电源限流功能，并在多个电源并联时实现精密均流。
图10. RSENSE电流检测
另一方面，电阻也会产生额外的功耗，因为电源设计增加了电流检测电阻。因此，与其他检测技术相比，检测电阻电流监测技术可能功耗更高，导致解决方案整体效率下降。虽然检测电阻的成本通常为0.05美元至0.20美元之间。
另一个检测电阻时不应忽视的参数是寄生电感(也称为有效串联电感或ESL）。用一个电阻和一个有限的电感串联正确模拟电阻。
图12. RSENSE ESL模型
该电感取决于选定的特定检测电阻。金属板电阻等某些类型的电流检测电阻较低ESL，优先使用。相比之下，由于其封装结构，绕线检测电阻较高ESL，避免使用。一般来说，ESL随着电流的增加，检测信号范围的减小，布局不合理，效果会变得更加明显。电路总电感还包括由元件引线和其它电路元件引起的寄生电感。电路的总电感也受到布局的影响，因此必须妥善考虑元件的布局，不恰当的布局可能影响稳定性并加剧现有电路设计问题。
检测电阻ESL可能会有轻微或严重的影响。ESL会导致开关栅极驱动器明显振荡，对开关导通产生不利影响。它还会增加电流检测信号的纹波，导致波形中的电压阶跃，而不是图13所示的锯齿形。这将降低电流检测精度/电流检测精度p
图13. RSENSE ESL可能会对电流检测产生不利影响
为使电阻ESL最小，应避免使用具有长环路（如绕线电阻）或长引线（如厚电阻）的检测电阻。薄型表面贴装器件是首选，例子包括板结构SMD尺寸0805、1206、2010和2512，更好的选择包括倒几何SMD尺寸0612和1225。
基于功率MOSFET的电流检测
利用MOSFET RDS(ON)进行电流检测，可以实现简单且经济高效的电流检测。LTC3878是一款采用这种方法的器件。它使用恒定导通时间谷值模式电流检测架构。顶部开关导通固定的时间，此后底部开关导通，其RDS压降用于检测电流谷值或电流下限。
图14. MOSFET RDS(ON)电流检测
虽然价格低廉，但这种方法有一些缺点。首先，其精度不高， RDS(ON)值可能在很大的范围内变化（大约33%或更多）。其温度系数可能也非常大，在100°C以上时甚至会超过80%。另外，如果使用外部MOSFET，则必须考虑MOSFET寄生封装电感。这种类型的检测不建议用于电流非常高的情况，特别是不适合多相电路，此类电路需要良好的相位均流。
电感DCR电流检测
电感直流电阻电流检测采用电感绕组的寄生电阻来测量电流，从而无需检测电阻。这样可降低元件成本，提高电源效率。与MOSFET RDS(ON)相比，铜线绕组的电感DCR的器件间偏差通常较小，不过仍然会随温度而变化。它在低输出电压应用中受到青睐，因为检测电阻上的任何压降都代表输出电压的一个相当大部分。将一个RC网络与电感和寄生电阻的串联组合并联，检测电压在电容C1上测量（图15）。
图15. 电感DCR电流检测
通过选择适当的元件(R1 × C1 = L/DCR)，电容C1两端的电压将与电感电流成正比。为了最大限度地减少测量误差和噪声，最好选择较低的R1值。
电路不直接测量电感电流，因此无法检测电感饱和。推荐使用软饱和的电感，如粉芯电感。与同等铁芯电感相比，此类电感的磁芯损耗通常较高。与RSENSE方法相比，电感DCR检测不存在检测电阻的功率损耗，但可能会增加电感的磁芯损耗。
使用RSENSE和DCR两种检测方法时，由于检测信号较小，故均需要开尔文检测。必须让开尔文检测痕迹（图5中的SENSE 和 SENSE-）远离高噪声覆铜区和其他信号痕迹，以将噪声提取降至最低，这点很重要。某些器件（如LTC3855）具有温度补偿DCR检测功能，可提高整个温度范围内的精度。
表1. 电流检测方法的优缺点
表1中提到的每种方法都为开关模式电源提供额外的保护。取决于设计要求，精度、效率、热应力、保护和瞬态性能方面的权衡都可能影响选择过程。电源设计人员需要审慎选择电流检测方法和功率电感，并正确设计电流检测网络。ADI LTpowerCAD设计工具和LTspice®电路仿真工具等计算机软件程序，对简化设计工作并获得最佳结果会大有帮助。
其他电流检测方法
还有其他电流检测方法可供使用。例如，电流检测互感器常常与隔离电源一起使用，以跨越隔离栅对电流信号信息提供保护。这种方法通常比上述三种技术更昂贵。此外，近年来集成栅极驱动器(DrMOS)和电流检测的新型功率MOSFET也已出现，但到目前为止，还没有足够的数据来推断DrMOS在检测信号的精度和质量方面表现如何。
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