由於電流檢測如此重要,瞭解哪一種電流檢測法最適合應用也就十分關鍵。本文探討3種常用的電流檢測法:檢測電阻、電感直流電阻(DCR),以及Rds(on)場效電晶體(FET)檢測。

如上所述,降壓轉換器中電流檢測的主要應用,是針對過電流保護訊號的安全。過電流保護電路的方式是在電流達到即將導致導體溫度過度上升的值時改變工作模式,如關斷高側FET。此外,電流資訊對降壓轉換器中的電流模式控制十分重要。當檢測到電流時,即對資訊進行處理,如有必要的話,轉換器可能在CCM和DCM間改變。這對所有的降壓轉換器至關重要,因為這確保了高能效。

傳統意義上,檢測電阻技術用於降壓轉換器中的電流檢測。該技術串聯了檢測電阻與電路中的電感串聯。然而,增加的電阻會導致電路中產生功率損耗。由於電源能效至關重要,本文探討檢測電阻技術以及兩種無損耗的電流檢測方法。第二部份探討這三種技術及其所導出的等式。第三部份提供模擬和電路測試結果。第四部份則檢討這些結果,分析每種技術的優勢和缺點。

電流檢測技術

檢測電阻 這是傳統的電流檢測法。在這種方法中,檢測電阻與電感串聯,如圖1所示。如果已知檢測電阻值,就能經由測量電阻電壓得知流過電感的電流。這種方法很準確,但所產生的功率損耗可能明顯降低能效。

20160721 OnSemi TA31P1 圖1:檢測電阻(Rsense)電流檢測

DCR檢測 在這種電路中,將電阻和電容與電感並聯,如圖2所示。電阻電容組合提供可算出流經電感的電流資訊。一旦根據所需的能量算出電感(L),加上DCR是已知的,就可以透過匹配時間常數Rs*Cs到L/Rdcr,計算出電阻(Rs)和電容(Cs)。電容電壓與電感DC電阻的壓降成正比。因此,電容電壓提供了計算電感電流(見計算公式)所需的資訊。這種方法雖然沒有損耗,但該技術的缺點之一是DCR會隨溫度變化而異,從而影響測量計算和準確度。

20160721 OnSemi TA31P2 圖2:電感DCR電流檢測

計算公式:

利用分壓定理(Voltage divider rule) 20160721 OnSemi TA31E1 20160721 OnSemi TA31E2

將VL代入並簡化分數: 20160721 OnSemi TA31E3 選擇Rs與Cs,可得出以下比率: 20160721 OnSemi TA31E4 因此: 20160721 OnSemi TA31E5 20160721 OnSemi TA31E6 20160721 OnSemi TA31E7

Rds(on)檢測 這種方法無需添加額外的檢測元件到電路中,如圖3所示,這是一個相當大的優勢,因為沒有功率損耗。這種檢測法可在MOSFET處於歐姆(Ω)區的時候操作。以歐姆區的MOSFET作為電阻時,其電壓直接與電流成正比。鑒於已知汲極-源極電阻(Rds),電流可藉由測量汲極-源極的電壓得知。這種途徑的主要缺點是不準確。Rds的變化是非線性的,隨溫度變化可能產生諸多變異。

20160721 OnSemi TA31P3 圖3:Rds(on)檢測

檢測結果比較

首先,探討的技術以Pspice建模,如圖5、6和7所示。然後在降壓轉換器PCB的電源段打造等效電路。由於取得結果只需要這一部份的電路板,所以只用了該PCB的電源段。

20160721 OnSemi TA31P4 圖4:用於測試的PCB電源段

檢測電阻 這種電流檢測法以Pspice建模,如圖5所示;建模與測試實際電路的結果則如表1所示。表1中的Vin代表輸入電路的電壓,Vg是MOSFET閘極電壓,Vgd是MOSFET閘極和汲極之間的壓差。Rsense是測量的檢測電阻值,Vsense是檢測電阻在測試中所測得的電壓,Isense則是流經檢測電阻的電流總和。其值取決於測得的電壓值以及通過電阻的電阻值。Ispice是模擬中流過檢測電阻的電流。Eff是測得的電流值與模擬值比較的效率,其值為測量值和模擬值的+/-百分比。P loss是僅由檢測電阻消耗的功率。AVG則是這種電流檢測法的平均能效百分比。

20160721 OnSemi TA31P5 圖5:Rsense電路的Pspice模式 20160721 OnSemi TA31T1 表1:Rsense模擬與測試結果

電感DCR檢測 在建模和打造如圖6的電路以前,可在一連串輸入電壓中得出電感(L1)的DC電阻。這使能效結果比使用數據表給出的最大DCR 5.39Ω更準確。即使是完全相同類型與數值的電感,DCR值也不同,因此測量電路所用的準確電感DCR極其重要。根據所發現的DCR,選擇電阻和電容組合(見計算公式)。

表2中的Rdcr是電感的DC電阻(不同電壓時的Rdcr略有不同)。Vcsense是在檢測電容所測得的電壓。Iind是流經電感所計算的電流)。所有其他表頭同表1。 20160721 OnSemi TA31P6 圖6:電感DCR檢測電路的Pspice模式 20160721 OnSemi TA31T2 表2:DCR檢測模擬和測試結果

Rds(on)FET檢測 值得注意的是在此電路中並未添加元件。在測試或模擬發生前就可發現Rds(on)值,並取得MOSFET處於‘導通’狀態所需的汲極和閘極電壓。流過MOSFET的電流可在一連串不同‘導通’電壓下測得,並得出相應的Rds值。所取得的值明顯與數據表的值不同。必須注意的是Rds值在不同的輸入電壓下是不同的。接著,MOSFET被焊接到PCB上進行測試。

20160721 OnSemi TA31P7 圖7:Rds(on)檢測電路的Pspice模型 20160721 OnSemi TA31T3 表3:Rds(on)檢測模擬和測試的結果

在表3中,Rds(on)是MOSFET汲極與源極之間的測量電阻值,在MOSFET處於導通狀態時測得。Vds則是在MOSFET汲極與源極之間的測量電壓。Ifet是流過MOSFET的測量電流,取決於Vds與Rds(on)的比值。

檢測法的優點與缺點

相較之下,可以明顯看到為什麼檢測電阻法是較傳統的電流檢測法。其操作非常簡單、準確,而有穩定的線性度。採用電感DCR檢測和MOSFET的導通電阻檢測法已經證實難以得到準確的結果。大部份數據表中的電感的DCR並不準確,這是因為在測試時易於隨溫度不同而發生變化,因而難以精確測量。用於測試的電感有20%的容限,這可能影響到能效結果。

採用MOSFET的‘導通’電阻也是如此。數據表的值通常不準確,隨後的測試也因其隨溫度變化而難以取得理想的Rds(on)測量值。

經過多次測試和平衡得到了表4的結果。DCR和Rds(on)技術大體上耗費更多的時間。

20160721 OnSemi TA31T4 表4:比較三種檢測法的優點與缺點

結論

本文討論三種常用的電流檢測技術,但並沒有哪一種技術是最好的。這取決於系統需要哪一種電流檢測。如果系統能夠承受功率損耗,那麼檢測電阻法就是最佳的。它最準確、最簡單,也能同時保持準確的結果。然而,如果系統無法承受功率損耗,而且時間不是問題,採用Rds(on)檢測法最具有最高能效。採用其他測試對於MOSFET的主要問題是可能損壞電路板。因此,在風險太大的情況下,DCR檢測技術是最適合的無損耗技術。在電路板上焊接電感而不損壞電路板並不難。另一方面,如果電流測量的精確度不是最關鍵的(如20%-30%的能效即可接受),那麼Rds(on)和DCR法都十分適用,即使是在對MOSFET或電感進行其他測試之前。