電流模式電流的取樣方式

對于工作于電流模式的DCDC變換器，通常需要電流檢測元件，下面就介紹這些電流檢測元件，并闡述它們各自的特點(diǎn)。

1.1高精度的功率電阻

高精度的功率電阻是用于檢測電流的zui常用的元件，也稱(chēng)電流取樣電阻，為了減小功率損耗，電流檢測信號的zui大幅值較小，對于一些大電流的應用，有的甚至小到25mV、30mV。由于功率地回路中有較大的開(kāi)關(guān)電流，會(huì )干擾電流檢測信號，從而影響電流檢測信號的精度，因此電流檢測電阻通常不會(huì )放在地端，此外，電流檢測電阻放在地端，會(huì )使系統的地和電源芯片的地不共地，電源芯片的地會(huì )被電流檢測電阻抬高，電流檢測電阻流過(guò)的開(kāi)關(guān)大電流，使電源芯片的地會(huì )較大幅度的隨系統工作而變化，電源芯片易受到干擾，嚴重的時(shí)候會(huì )導致電源芯片無(wú)法正常工作。

設計中，電流檢測的電阻的選取要考慮到其值隨溫度的變化和精度的要求。布線(xiàn)的時(shí)候，要用KELVIN接法，直接從電阻的管腳引出布線(xiàn)，而不要從連接到電阻管腳的銅皮引出布線(xiàn)。電阻引腳的焊盤(pán)的焊錫的用量也會(huì )影響電流檢測的精度。同時(shí)選出用ESL盡量小或無(wú)感電阻。

1.2 電流互感器

電流互感器也稱(chēng)為電流變壓器，主要應用于大功率電路，檢測大的電流。電流變壓器功率損耗小效率高，能夠保持良好的電流檢測波形，具有較寬的帶寬，檢測電阻可以用較大的值，并能將整個(gè)瞬態(tài)電流包括直流分量耦合次邊的檢測電阻上，同時(shí)具有變壓器有隔離的作用，因此可以連接到任何地方。

電流變壓器的缺點(diǎn)是需要電流變壓器和一些額外的元件，成本高，此外，電流變壓器通常工作于正激方式，要求在每個(gè)電流脈沖周期，磁芯必須復位，也就是要求每個(gè)周期，電流脈沖必須過(guò)0，磁芯才能夠復位。同時(shí)，當變換器工作于高的占空比時(shí)，電流變壓器磁芯復位的時(shí)間短，可能導致磁芯無(wú)法及時(shí)復位，這樣就必須外加強迫磁復位電路，保證每個(gè)周期電流變壓器在起始時(shí)可靠復位，從而保證電流檢測的精度。電流變壓器需要激磁電流，因此也會(huì )影響電流檢測的精度。

對于BUCK變換器，電流變壓器與MOSFET串聯(lián)，檢測輸入電流。對于BOOST變換器，電流變壓器也要與MOSFET串聯(lián)，檢測輸入電流。BUCK變換器中，電流變壓器不能與輸出電感相串聯(lián)來(lái)檢測輸出電感的電流，BOOST變換器中，電流變壓器不能與輸入電感相串聯(lián)來(lái)檢測輸入電感的電流。當變換器工作于CCM時(shí)，BUCK變換器和BOOST變換器電感中的電流均為較大的直流分量上疊加了較小的交流充放電三角形波，這種大于0的直流電流會(huì )使磁芯不能夠復位，磁芯會(huì )逐漸的飽和，從而無(wú)法正確的檢測電流。

由于DCDC變換器都有一個(gè)功率電感，也可以在電路的功率電感上串聯(lián)一個(gè)繞組用于電流檢測，這樣可以省去專(zhuān)用的電流變壓器，問(wèn)題是帶電流檢測的功率電感需要定制，成本高。

1.3 功率MOSFET的導通電阻

如果采用高 端的功率MOSFET的導通電阻作為電流取樣電阻，這樣可以省去額外的電流取樣電阻，從而提高效率。但是由于MOSFET的導通電阻值比較分散，而且隨溫度的變化也會(huì )在較大范圍內波動(dòng)，因此電流取樣的精度差，電流取樣信號在很寬的范圍內波動(dòng)，批量生產(chǎn)時(shí)，有些產(chǎn)品可能在輸出電流不到全載時(shí)就提前進(jìn)入限流保護，無(wú)法在全載時(shí)正常工作；有些產(chǎn)品在系統過(guò)載時(shí)無(wú)法提供可靠的限流保護。圖3為一個(gè)MOSFET的結溫與導通電阻歸一化系數表，型號：AOL1454，VDS = 40V，ID = 50A， RDS(ON) =7.5mOhm。由圖可知，從-20C到100C，歸一化系數從0.8到1.3，相差1.6倍。

同時(shí)，對于一個(gè)輸入電壓，輸出電壓和電流已經(jīng)確定的應用而言，要計算zui大的峰值電流，然后由電流參考電壓計算出對應的電流取樣電流阻，盡管這個(gè)電流阻有一定的變化范圍，但有時(shí)候并不能找到與其相匹配的，具有相應的RDSON的功率MOSFET，做折衷處理時(shí)，或者選取RDSON比計算出的RS大的MOSFET，有可能導致系統輸出電流不到滿(mǎn)載時(shí)就提前進(jìn)入限流保護，無(wú)法在全載時(shí)正常工作；或者選取RDSON比計算出的RS小的MOSFET，成本高，而且在系統過(guò)載時(shí)無(wú)法提供可靠的限流保護。

解決的方法是PWM控制器的電流取樣的參考電壓可以在外部調節，按照一般的設計流程，確定系統的限流點(diǎn)，在電流參考電壓可以調節的范圍的中間點(diǎn)計算電流取樣電阻值，然后選取相應的RDSON的MOSFET，MOSFET選定后，通過(guò)選取MOSFET的RDSON和其實(shí)際的zui高工作溫度系數，計算實(shí)際的zui大的RDSON，再根據限流點(diǎn)和MOSFETzui大的RDSON，計算要求的電流參考電壓。然后調整外部的電阻分壓器的阻器，得到要求的電流參考電壓。

zui好的方法是在PWM控制器的內部對MOSFET的檢測電壓進(jìn)行溫度的補償調節，從而保證不同的溫度下，相同的電流所得到的檢測電壓相同，現在已有公司開(kāi)始采用這種技術(shù)。

1.4 功率電感的直流等效串聯(lián)電阻

功率電感的等效串聯(lián)電阻DCR作為電流取樣電阻，可以省去額外的電流取樣電阻，從而提高效率。同樣，由于等效串聯(lián)電阻的導通電阻值比較分散，而且隨溫度的變化也會(huì )在較大范圍內波動(dòng)，因此電流取樣的精度差，電流取樣信號在很寬的范圍內波動(dòng)，批量生產(chǎn)時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生在全載時(shí)不能正常工作或過(guò)載時(shí)無(wú)法提供可靠的限流保護問(wèn)題。
同樣，在選取電感時(shí)，在電感值和飽和電流值所限定的范圍內，更難找到與設計的限流點(diǎn)所要求取樣電阻相匹配的等效串聯(lián)電阻，更多時(shí)候需要定制，成本高。

另外，使用電感的等效串聯(lián)電阻，電流比較器的輸入阻抗要大，兩個(gè)輸入管腳的偏置電流要小，從而提高電流檢測的精度。

解決的zui好方法也是PWM控制器的電流取樣的參考電壓可以在外部調節，調整外部的電阻分壓器的阻器，得到合適的電流參考電壓，在滿(mǎn)足相應的電感值，飽和電流值和DCR的前提條件下，得到要求的限流點(diǎn)。

另外的一個(gè)方法是加一個(gè)電阻分壓器和相關(guān)的濾波元件，但在設計要作相應的匹配，如圖4所示。

電阻分壓器將DCR的電壓進(jìn)行分壓，然后由電容C1濾波，電容C1的電壓為送入到PWM電流放大器的電流取樣信號。

Vc1=R2*VDCR/(R1 R2)

另外，為了滿(mǎn)足濾波器時(shí)間的要求，必須使：R1*R2*C1/(R1 R2)=L/RDCR