开关电源测流电阻应放置的6个位置.pdf开关电源测流电阻应放置的6个位置pdf,电流模式控制由于其高

文件名称: 开关电源测流电阻应放置的6个位置.pdf

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详细说明：开关电源测流电阻应放置的6个位置pdf,电流模式控制由于其高可靠性、环路补偿设计简单、负载分配功能简单可靠的特点，被广泛用于开关模式电源。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，它用于调节输出并提供过流保护。图1显示了 ADI LTC3855同步开关模式降压电源的电流检测电路。LTC3855是一款具有逐周期限流功能的电流模式控制器件。检测电阻RS监测电流。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=∨OUT∧N)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屯压(VIN)之上。放置在降压调节器低端图4中,检测电阻位于底部M○SFET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。 sW中 YY QLT BG OUT RL -E 图4.带低端 RSENSE的降压转换器这种配置通常用于谷值模式控制的电源。它对噪声π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。降压调节器与电感串联图5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,此配詈支持峰值、谷值或平均电流模式控制。 TG R SENSE sW命 BUT BG T tR 图5. RSENSE与电感串联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。放置在升压和反相调节器的高端对于升压调节器,检测电阻可以与电感串联,以提供高端检沨。(图6 ENSE RL Duty 图6.带高端 RSENSE的升压转换器升压转换器具有连续输入电流,因此会产生三角波形并持续监测电流。放置在升压和反相调节器的低端检测电阻也可以放在底部 MOSFET的低端,如图7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 ouT RL RseNSE 图7.带低端 RSENSE的升压转换器 SENSE电阻放置在升降压转换器低端或与电感串联图8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。 UT TG1 A TG2 SW1 sw2 BG1 B BG2 图8.带低端 RSENSE的升压转换器在降压模式下(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电沇,电源用作谷值电沇模式降压转换器。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岙时,很难检测负电感电流。负电感电流意味着电能从输岀端传回输入端,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。图9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。由于屯流检测 RSENSE连接到具有高开关噪卢的 sW1节点,因此需要精心改计控制器C,使内部电流比较器有足够长的消際时 OUT TG1- TG2 SENSE sw1中 Sw2 BG1 图9.LT8390升降压转换器, RSENSE与电感串联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,用于电池充电或驱动LED等恒定输岀电流应用。这种情况下需要平均输入或输岀电流信号,因此可在电流检测路径中増加一个强RC滤波器,以减少电流检测噪声电流检测方法使用说明书开关模式电源有三种常用电流检测方法是:使用检测电阻,使用 MOSFET RDS(ON),以及使用电感的直流电阻DcR)。每种方法都有优点和缺点,选择检测方法时应予以考虑检测电阻电流传感作为电流检测元件的检测电阻,产生的检测误差最低(通常在1%和5%之间) 温度系数也非常低,约为100ppmc(0.01%)。在性能方面,它提供精度最高的电源,有助于实现极为精确的电源限流功能,并且在多个电源并联时,还有利于实现精密均流 c 5y to 24 y TG RUN/SS BOOST sW RSENSE\1.6V SGND 0.005)9A 口 SENSE INTV SENSE B 1000PF SENSE+PGND 图10. RSENSE电流检测另一方面,因为电源设计中增加了电流检测电阻,所以电阻也会产生额外的功耗。因此,与其他检测技术相比,检测电阻电流监测技术可能有更高的功耗,导致解决方案整体效率有所下降。专用电流检测电阻也可能增加解决方案成本,虽然个检测电阻的成本通常在0.05美元至0.20美元之间。选择检测电阻时不应忽略的力一个参数是其寄生电感(也称为有效串联电感或 ESL)。检测电阻可以用一个电阻与一个有限电感串联来正确模拟。 Sense resistor Plus Parasitic Inductance LI R. ESL VesL=Vi*L+ ESL ESL 图12. RSENSE ESL模型此电感取决于所选的特定检测电阻。某些类型的电流检测电阻,例如金属板电阻具有较低的ESL,应优先使用。相比之下,绕线检测电阻由于其封装结构而具有较高的ESL,应避免使用。一般来说,ESL效应会随着电流的增加、检测信号幅度的减小以及布局不合理而变得更加明显。电路的总电感还包括由元件引线和其他电路元件引起的寄生屯感。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趣。检测电阻ESL的影响可能很轻微,也可能很严重。ESL会导致开关栅极驱动器发生明显振荡,从而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, 导致波形中出现屯压阶跃,而不是预期的如图13所示的锯齿波形。这会降低电流检测精度 50m圆220Mr500ns/ div Stop,國420v (5 mV/div (22 A/div) RSENSE: 2 mQ/2512 Size △X=0.0s 1/△x=Hz △Y3=1125mV Mode‖ Source Normal 425mV1550mvY2 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,更好的选择包括倒儿何SMD史寸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。 IRUNSS V 45y to 28 V SGND BOOST 12v LTC3878 15A BG PGND 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)。 RUN/SS TG Mi BOOST LTC3654 R SW Inductor R INTVcc DCR FEI FB PUI LF SENSE B R1 OUT SENSE+ GND 图15.电感DCR电流检测通过选择适当的元件(R1×C1=LDCR),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,但可能会增加屯感的磁芯损耗。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检测方法检测吴差温度变化检测电感您和可靠性保护电流和热平衡元件成本电源效率 25°C(%) 1或5 001 最高最佳 (05至020美元) 准值电感DCR 03 中不适用轻高 MOSFET R (OIN 较低最盖不适用较高表1中提到的每种方法都为开关模式电源提供额外的保扩。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。AD丨公司的 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号隔离电源一起使用,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)和电沇检测的新型功率 MOSFET也已出现,但到目前为上,还没有足够的数据来推断DMOS在检测信号的精度和质量方面表现如何。

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