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开关模式电源电流检测方法

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发表于 2021-11-3 13:25 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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电流检测电阻的位置连同开关稳压器架构决定了要检测的电流。检测的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)和平均输出电流。检测电阻的位置会影响功率损耗、噪声计算以及检测电阻监控电路看到的共模电压。' G. ~  k1 T3 X6 z8 v; P4 G

" F* W( l% s5 b7 }9 v$ Q) I放置在降压调节器高端
, d" b! d- A# o' O/ k: k3 @0 `2 j对于降压调节器,电流检测电阻有多个位置可以放置。当放置在顶部MOSFET的高端时(如图1所示),它会在顶部MOSFET导通时检测峰值电感电流,从而可用于峰值电流模式控制电源。但是,当顶部MOSFET关断且底部MOSFET导通时,它不测量电感电流。% K6 `. [- }& F" E; D5 \

& d2 M5 \4 W1 |. q; ~

) |- C$ ^  I& f# m6 N图1.带高端RSENSE的降压转换器
7 b% g0 V, v7 Q4 Y# W. u$ O0 h; u2 z9 F  i7 s9 p
在这种配置中,电流检测可能有很高的噪声,原因是顶部MOSFET的导通边沿具有很强的开关电压振荡。为使这种影响最小,需要一个较长的电流比较器消隐时间(比较器忽略输入的时间)。这会限制最小开关导通时间,并且可能限制最小占空比(占空比 = VOUT/VIN)和最大转换器降压比。注意在高端配置中,电流信号可能位于非常大的共模电压(VIN)之上。
/ ?/ g+ O: w9 s: F; c* i* w: c0 W6 Z3 B6 ~; ~' D
放置在降压调节器低端
4 A9 S/ ~& w$ G7 I* B0 m图2中,检测电阻位于底部MOSFET下方。在这种配置中,它检测谷值模式电流。为了进一步降低功率损耗并节省元件成本,底部FET RDS(ON)可用来检测电流,而不必使用外部电流检测电阻RSENSE。
# w- T% O/ n+ r2 n9 d* Q! N4 K3 ~3 S5 ~. b% C. V5 [9 V# _; P5 ^- n+ y

' A6 ?, _) A1 i% \+ v图2.带低端RSENSE的降压转换器
2 a% o  \2 O$ C% ^/ S1 q9 v5 b
! s; G9 E: R3 i! c. M这种配置通常用于谷值模式控制的电源。它对噪声可能也很敏感,但在这种情况下,它在占空比较大时很敏感。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是固定/受控的,故最大占空比有限。% R/ C) v9 I3 @0 Q6 k" y

9 R6 \; D  @& ~, u- b降压调节器与电感串联
# x% m1 [  |+ [! \图3中,电流检测电阻RSENSE与电感串联,因此可以检测连续电感电流,此电流可用于监测平均电流以及峰值或谷值电流。所以,此配置支持峰值、谷值或平均电流模式控制。
! o( e1 `; Z& F5 I6 u! m; N& Q( y( O0 L$ c' t- C) i

8 j! U$ K- `4 |- {9 d' g: L% W4 t图3.RSENSE与电感串联
3 x8 w: w% Q* o) i2 E1 J! `* _- R2 i2 S- o% K
这种检测方法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常准确的电流检测信号,以实现精确的限流和均流。但是,RSENSE也会引起额外的功率损耗和元件成本。为了减少功率损耗和成本,可以利用电感线圈直流电阻(DCR)检测电流,而不使用外部RSENSE。* D3 @) r, c1 D1 D; N( K
( c. ^* b0 N6 _  {
放置在升压和反相调节器的高端; U* e1 `7 S0 [; Y
对于升压调节器,检测电阻可以与电感串联,以提供高端检测(图4)。4 U. N: e4 v( X) a$ O# b

' v" o) Z" V9 `: L( ]+ Y% `

9 s$ C" e/ n8 K7 a" W! [图4.带高端RSENSE的升压转换器/ b# S( Z- t) h
7 J: j( R; S* m" P) v5 y
升压转换器具有连续输入电流,因此会产生三角波形并持续监测电流。  s! O8 g1 D9 z" v

; N+ F" X) w# C3 g放置在升压和反相调节器的低端& g7 T# c% d5 b- m) O! l1 a2 {8 H+ ]
检测电阻也可以放在底部MOSFET的低端,如图5所示。此处监测峰值开关电流(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很强的开关噪声。
! v1 W4 [5 j* m; X
2 B, n' T9 Z4 P

4 e4 D! z" Z. `- g) Z图5.带低端RSENSE的升压转换器4 |) e9 M. D- H+ }- `- r
8 E# X. g! w: y8 K0 e
转换器低端或与电感串联
: n; F0 G3 Z* {& m图6显示了一个4开关升降压转换器,其检测电阻位于低端。当输入电压远高于输出电压时,转换器工作在降压模式;当输入电压远低于输出电压时,转换器工作在升压模式。在此电路中,检测电阻位于4开关H桥配置的底部。器件的模式(降压模式或升压模式)决定了监测的电流。6 X& S, R. g/ E- u: d4 h; l
) b3 e2 U* V3 d. {( B( `: U' p

4 }- _4 D0 v# A% l6 a# n4 j) G! u图6.RSENSE位于低端的升降压转换器/ J5 z8 i4 U) _+ M* h2 q
; _0 D+ g# U" |
在降压模式下(开关D一直导通,开关C一直关断),检测电阻监测底部开关B电流,电源用作谷值电流模式降压转换器。
( s8 q4 ^8 m# w& `7 c: O; g. P: d! [/ k; q1 N6 n. S
在升压模式下(开关A一直导通,开关B一直关断),检测电阻与底部MOSFET (C)串联,并在电感电流上升时测量峰值电流。在这种模式下,由于不监测谷值电感电流,因此当电源处于轻负载状态时,很难检测负电感电流。负电感电流意味着电能从输出端传回输入端,但由于这种传输会有损耗,故效率会受损。对于电池供电系统等应用,轻负载效率很重要,这种电流检测方法不合需要。3 ^- ]2 D3 ~2 [0 p( D

1 K/ D4 d4 D6 s. N% I图7电路解决了这个问题,其将检测电阻与电感串联,从而在降压和升压模式下均能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SW1节点,因此需要精心设计控制器IC,使内部电流比较器有足够长的消隐时间。
" K4 L9 {) K2 A* d& C& s3 }: e' x  k$ y( `

5 d0 p# C6 @# q% S图7.LT8390升降压转换器,RSENSE与电感串联
7 D! S" G$ w8 F* W* L( b- G
6 |# o6 B1 v1 p0 X2 k9 i& n输入端也可以添加额外的检测电阻,以实现输入限流;或者添加在输出端(如下图所示),用于电池充电或驱动LED等恒定输出电流应用。这种情况下需要平均输入或输出电流信号,因此可在电流检测路径中增加一个强RC滤波器,以减少电流检测噪声。
) k' P6 G. i( p+ L2 Y" ~$ q4 W. j' [0 s8 @7 {" f
上述大多数例子假定电流检测元件为检测电阻。但这不是强制要求,而且实际上往往并非如此。其他检测技术包括使用MOSFET上的压降或电感的直流电阻(DCR)。
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发表于 2021-11-3 13:38 | 只看该作者
对于降压调节器,电流检测电阻有多个位置可以放置

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发表于 2021-11-3 15:04 | 只看该作者
当顶部MOSFET关断且底部MOSFET导通时,它不测量电感电流

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发表于 2021-11-3 15:05 | 只看该作者
在高端配置中,电流信号可能位于非常大的共模电压之上
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