降壓轉(zhuǎn)換器是最常見的電源拓撲，電源工程師深知其優(yōu)點和缺點。電源系統(tǒng)設(shè)計的挑戰(zhàn)之一是電流檢測。在降壓轉(zhuǎn)換器中，一種流行的“無開銷”方法是 DCR 電流檢測。說它“無開銷”，是因為這種方法不會使電源設(shè)計增加額外的成本或功耗，但人所共知的是，這種電路精度很低，尤其是使用小型、低ESR電感器時，更是這樣。

 

先來看看DCR檢測電路的組成。這種電路足夠簡單：給輸出電感器增加一個RC網(wǎng)絡(luò)，生成差分信號就行了。RC網(wǎng)絡(luò)將電感器電流轉(zhuǎn)換成C1兩端的電壓。

 

圖1：DCR電流檢測電路。

 

RC值的計算足夠簡單，RC=L/DCR，其中：

 

L = L1的電感值； DCR = 電感器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的并聯(lián)）； C = 圖1原理圖中的C1。

 

請注意，在圖1中，如果ISENSE峰值信號的幅度使差分放大器飽和，那么就增加R3，以降低該峰值信號幅度，使其處于差分放大器的規(guī)定范圍內(nèi)。

 

“無開銷”總是受歡迎的，但常言說得好，“便宜無好貨，好貨不便宜”。這種電路的精度非常差。

 

首先，電感器的DCR有很寬的容限范圍，± 7%甚至±10%是很常見的。

 

圖2：電感器DCR的典型規(guī)格。

 

如果初始容限為10%，那么圖1所示的180nH電感器的DCR可能低至261mΩ或高達319mΩ。雪上加霜的是，電感器會發(fā)熱，銅線繞組的溫度系數(shù)為3930PPM/ºC或0.393%/ºC。如果應用的溫度上升至比環(huán)境溫度高35ºC，電感器本身發(fā)熱使溫度再上升35ºC，那么標稱DCR就可能升至：

 

 

最差情況的上限為：

 

 

最差情況的下限為：

 

 

（標稱值增大15%?？傉`差會低些，因為銅線的正系數(shù)補償了電感器的低初始值。）

 

從工程設(shè)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于這些電阻設(shè)定的。如果電路太敏感，就會在沒有達到需要停機的程度就停機了。這不是我們想要的結(jié)果。如果電路不敏感，就會有電感器和功率FET壓力過大的風險。這更不是我們想要的結(jié)果。

 

 

假定正在設(shè)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(zhuǎn)換器而言，這個數(shù)值是合乎情理的）。如果電感器DCR處在容限低端，那么輸出得到35A時，控制器認為提供了40A。這意味著，OCP不能設(shè)定為低于40A，否則電源會在標稱負載時停機。反過來，當OCP設(shè)定為40A，電感器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(shè)定為65A，如果不設(shè)定為這個數(shù)值，就有在不到40A時就出現(xiàn)OCP停機的風險。這似乎不能接受，可一旦OCP設(shè)定為65A，電路就必須設(shè)計成，在偶爾準確報告電流的情況下，也得連續(xù)提供這么大的電流。

 

這意味著輸出電感器和功率FET嚴重過度設(shè)計，電源必須提供35A，但卻必須按照能夠連續(xù)提供65A來設(shè)計。而且，使情況更糟的是，電感器中的電流除了有DC分量，還存在峰值至峰值紋波。這個紋波有多大呢？對紋波電流而言，通常的設(shè)計原則是20%。這意味著，逐周期限流值必須設(shè)定為高于65A，因此保護輸出FET的能力就變得非常成問題了。猜猜看，如果針對30%紋波電流來設(shè)計，會發(fā)生什么情況？

 

然后，你會意識到，典型的電流檢測電壓范圍為10mV至20mV。如果在一個電源中，有開關(guān)節(jié)點振鈴，有輸出電感器產(chǎn)生的雜散磁場，還有電流在旁路電容器和輸出電容器中流通，那么就很難得到可以接受的信噪比（SNR）。要想信號質(zhì)量還有任何希望的話，電流檢測連接線必須仔細布置成差分對（因此，所拾取的任何噪聲都是共模的），并布置得遠離電感器、開關(guān)節(jié)點和大電流/高頻電流回路。這在空間受限的設(shè)計中是很難的，一如現(xiàn)在空間受限設(shè)計中的一切看起來都很難一樣。

 

圖3：開爾文電感器電流檢測布線。

 

我們能做什么？首先，通過使用熱敏電阻器或溫度檢測二極管（通常是小型晶體管中正向偏置的PNP基-射節(jié)），可以基于經(jīng)驗估計出電感器的溫度。通過這種方式，可以調(diào)節(jié)銅線繞組電阻的熱響應。這太有幫助了。工程師們真是太了不起了。如果我們確實做得非常仔細，那么最好的結(jié)果有可能達到±10%。

 

我們還能做什么？我們可以忽略“無開銷”的DCR電路，給輸出電感器串聯(lián)一個昂貴的、溫度穩(wěn)定的電流檢測電阻器。這增加了成本，損害了轉(zhuǎn)換器的效率，但是憑借良好的差分信號布線，我們能夠以高得多的精度檢測輸出電流。隨著容限累積，我們可以得到±5%或更好的總體電流檢測性能。工程師們在設(shè)計評審中既證明了這種方案的合理性，又避開了對其設(shè)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(wěn)定的合金繞組構(gòu)成的電感器如何？這個想法一露頭，我的心就被嚇得狂跳不止。

 

還有其它方法嗎？有個東西比電流檢測電阻器要好。讓功率鏈路器件報告其電流。這種方法運用設(shè)計良好的智能電源狀態(tài)（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(jié)果大大減少了過度設(shè)計功率鏈路元件導致的浪費。對這種電流檢測方法我們可以寄予多大期望？就合理的運行區(qū)域而言（不要期望輸出電流處在零附近時出現(xiàn)奇跡），我們可以得到±1%初始精度，隨著老化和溫度變化，最差的容限為±2%。

 

一年又一年，技術(shù)的進步為工程師們提供了越來越好的基本構(gòu)件。讓“無開銷”的DCR電流檢測電路隨風而去吧。

 

本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。