开关电源怎么测试输出电流，开关电源电流检测电阻如何计算

电流传感技术广泛应用于当今的生活和工作中。许多系统需要感测传入和传出电流。通过感测电流，您可以避免设备错误。那么，今天的主要话题是“开关电源的电流检测技术”。

基础知识

电流模式控制因其高可靠性、简单的环路补偿设计以及简单可靠的负载共享能力而广泛应用于开关电源。电流检测信号是电流模式开关电源设计的重要组成部分，用于调节输出并提供过流保护。图1 显示了LTC3855 同步开关模式降压电源的电流检测电路。 LTC3855 是一款具有逐周期电流限制的电流模式控制器件。检测电阻RS 监视电流。

图1. 开关模式电源电流检测电阻(RS)

图2 显示了两种情况下电感器电流的示波器图像。第一种情况使用电感电流可以驱动的负载（红线），第二种情况使用短路的输出（紫色线）。

图2. LTC3855 电流限制和折返示例（使用1.5V/15A 电源轨测量）

最初，峰值电感电流由所选电感值、电源开关导通时间、电路输入和输出电压以及负载电流（图中用“1”表示）来设置。当电路短路时，电感电流迅速增加，直至达到限流点。这意味着RS IINDUCTOR (IL) 等于最大电流检测电压，可保护器件和下游电路（用“2”表示）。 （图中“”）。接下来，内置电流折返限制（图中编号“3”）进一步降低电感器电流，以最大限度地减少热应力。

电流检测还有其他用途。它可用于多相电源设计以实现精确的均流。对于轻负载电源设计，通过防止反向电流来提高效率（反向电流是指从输出到输入以相反方向流过电感器的电流。在某些环境中这可能是不受欢迎或有害的应用）。破坏性）。此外，当多相应用负载较小时，可以使用电流检测来减少所需相数，从而提高电路效率。对于需要电流源的负载，电流检测可以将电源转换为恒流源，用于LED 驱动、电池充电和激光驱动等应用。

放置检测电阻的最佳位置在哪里？

电流检测电阻的位置和开关调节器的架构决定了检测到的电流。感测电流包括峰值电感电流、谷值电感电流（连续导通模式下的最小电感电流）和平均输出电流。检测电阻器的位置会影响功耗、噪声计算以及检测电阻器监控电路所看到的共模电压。

放置在降压调节器的高侧

对于降压稳压器，电流检测电阻器有多个位置。当放置在顶部MOSFET 的高侧时（如图3 所示），它会在顶部MOSFET 导通时感测峰值电感器电流，从而使其能够用于电源的峰值电流模式控制。然而，未测量顶部MOSFET 关闭且底部MOSFET 导通时的电感电流。

图3. 具有高侧RSENSE 的降压转换器。

在此配置中，由于顶部MOSFET 导通边缘上的强烈开关电压振荡，电流检测的噪声可能非常大。为了最大限度地减少这种影响，应增加电流比较器消隐时间（比较器忽略输入的时间量）。这限制了开关的最短导通时间，并可能限制转换器的最小占空比（占空比=VOUT/VIN）和最大降压比。请注意，在高端配置中，电流信号可能超过非常大的共模电压(VIN)。

放置在降压调节器的低侧

在图4 中，检测电阻器放置在底部MOSFET 下方。该配置检测谷值模式电流。为了进一步降低功耗并节省元件成本，可以使用底部FET RDS(ON) 来感测电流，而无需使用外部电流感测电阻RSENSE。

图4. 具有低侧RSENSE 的降压转换器

此配置通常用于谷值模式控制电源。它也可能对噪声敏感，但在这种情况下，它对大占空比敏感。谷值模式控制的降压转换器支持高降压比，但具有固定/受控的接通时间，这限制了最大占空比。

与电感器串联的降压调节器

在图5 中，电流检测电阻RSENSE 与电感器串联，以便可以检测连续电感器电流并用于监控平均电流和峰值或谷值电流。因此，该配置支持峰值、谷值或平均电流模式控制。

图5. RSENSE 与电感器串联。

这种检测方法提供了最佳的信噪比性能。外部RSENSE 通常提供非常精确的电流检测信号，以实现精确的电流限制和共享。然而，RSENSE 也会产生额外的功率损耗和组件成本。为了降低功耗和成本，可以使用电感器直流电阻(DCR) 来感测电流，而无需使用外部RSENSE。

置于升压和反相稳压器的高压侧

对于升压稳压器，可以将检测电阻器与电感器串联放置，以提供高侧检测（图6）。

图6. 具有高侧RSENSE 的升压转换器

由于升压转换器具有连续的输入电流，因此会生成三角波形并连续监测电流。

置于升压和反相稳压器的低端

检测电阻也可以放置在底部MOSFET 的低侧，如图7 所示。这里监控峰值开关电流（也是峰值电感器电流），并且每半个周期生成一个电流波形。 MOSFET 开关会在电流信号中产生强烈的开关噪声。

图7. 具有低侧RSENSE 的升压转换器

SENSE 电阻器放置在升降压转换器的底部或与电感器串联。

图8 显示了一个在低侧带有检测电阻的四开关降压-升压转换器。当输入电压远高于输出电压时，转换器工作在降压模式下，而当输入电压远低于输出电压时，转换器工作在升压模式下。在此电路中，检测电阻器放置在四开关H 桥配置的底部。器件的模式（降压或升压）决定了监测的电流。

图8. 具有低侧RSENSE 的升压转换器

在降压模式下（开关D 始终导通，开关C 始终关断），检测电阻器监视底部开关B 中的电流，电源充当谷值电流模式降压转换器。

在升压模式下（开关A 始终打开，开关B 始终关闭），检测电阻器与底部MOSFET (C) 串联，以测量电感器电流增加时的峰值电流。在此模式下，不会监控谷值电感电流，因此在电源轻载时很难检测负电感电流。负电感电流意味着功率从输出传输到输入，但这种传输会产生损耗，从而降低效率。对于轻负载效率很重要的应用（例如电池供电系统），这种电流感测方法是不可取的。

图9 中的电路通过将检测电阻器与电感器串联来解决此问题，从而允许在降压和升压模式下连续测量电感器电流信号。由于电流检测RSENSE 连接到具有高开关噪声的SW1 节点，因此必须仔细设计控制器IC，以便为内部电流比较器提供足够长的消隐时间。

图9. LT8390 降压-升压转换器，RSENSE 与电感器串联。

可以将额外的检测电阻器添加到输入端以提供输入电流限制，或者添加到输出端以实现恒定输出电流应用，例如电池充电或驱动LED。在这种情况下，需要平均输入或输出电流信号，因此可以在电流感测路径中添加强大的RC滤波器以减少电流感测噪声。

电流检测方法使用说明书

开关电源中有三种常见的电流检测方法：使用检测电阻、使用MOSFET RDS(ON) 以及使用电感器直流电阻(DCR)。每种方法都有其优点和缺点，在选择检测方法时必须考虑这些优点和缺点。

检测电阻电流检测

作为电流检测元件，检测电阻器具有最低的检测误差（通常为1% 至5%）和约100 ppm/C (0.01%) 的极低温度系数。在性能方面，它提供了最高精度的电源，当多个电源并联时，可以实现非常精确的电源电流限制和精确的均流。

图10. RSENSE 电流检测

另一方面，由于电源设计中添加了电流检测电阻，因此电阻也会带来额外的功耗。因此，与其他感测技术相比，感测电阻器电流监控技术可能具有更高的功耗，从而导致整体解决方案效率较低。专用电流检测电阻器也会增加解决方案的成本，但检测电阻器的成本通常在0.05 美元到0.20 美元之间。

选择检测电阻时另一个不可忽视的参数是其寄生电感（也称为有效串联电感或ESL）。可以使用与有限电感器串联的电阻器来正确建模检测电阻器。

图12.RSENSE ESL 模型

该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器（例如金属板电阻器）的ESL 较低，应优先使用。相比之下，线绕检测电阻器由于其封装结构而具有较高的ESL，应避免使用。一般来说，随着电流增大、检测信号幅度减小或布局变得不合理，ESL的影响变得更加明显。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电感。电路的总电感也受到布局的影响，因此必须适当考虑元件的放置。布局不当会影响稳定性并加剧现有的电路设计问题。

检测电阻ESL 的影响可能是轻微的，也可能是严重的。 ESL 可能会导致开关栅极驱动器出现严重振荡，从而对开关导通产生不利影响。它还会增加电流检测信号上的纹波，导致波形中出现电压阶跃，而不是预期的锯齿波形，如图13 所示。这降低了电流检测的精度。

图13. RSENSE ESL 会对电流感应产生负面影响

为了最大限度地减少电阻器ESL，请避免使用具有长环路（例如线绕电阻器）或长引线（例如粗电阻器）的检测电阻器。建议采用薄型表面贴装器件。示例包括电路板结构中的SMD 尺寸0805、1206、2010 和2512。更好的选择包括具有倒置几何形状的SMD 尺寸0612 和1225。

基于功率MOSFET 的电流检测

使用MOSFET RDS(ON) 进行电流检测可实现简单且经济高效的电流检测。 LTC3878 是采用这种方法的器件。采用恒定导通时间谷值模式电流感应架构。顶部开关导通一段时间，然后底部开关导通，利用其RDS压降来检测电流谷值或电流下限。

图14. MOSFET RDS(ON) 电流感测

尽管这种方法成本低廉，但它有一些缺点。首先，它不是很准确，而且RDS(ON) 值可能在很大范围内变化（大约33% 或更多）。其温度系数也变得很大，在100以上有时超过80%。此外，当使用外部MOSFET 时，必须考虑MOSFET 的寄生封装电感。不建议在非常高的电流情况下使用这种类型的感测，并且特别不适合需要良好相电流共享的多相电路。

电感器DCR 电流感应

电感器直流电阻电流检测利用电感器绕组中的寄生电阻来测量电流，从而无需检测电阻器。这降低了组件成本并提高了电源效率。与MOSFET RDS(ON) 相比，铜绕电感DCR 的器件间差异通常较小，但它仍然随温度而变化。它在低输出电压应用中是首选，因为检测电阻器上的压降是输出电压的重要部分。 RC 网络与电感和寄生电阻的串联组合并联，并通过电容器C1 测量检测电压（图15）。

图15. 电感器DCR 电流感应

通过选择适当的元件(R1 C1=L/DCR)，电容器C1 两端的电压与电感器电流成正比。最好选择较低的R1 值，以最大限度地减少测量误差和噪声。

该电路不直接测量电感电流，因此无法检测电感饱和。我们建议使用软饱和电感器，例如磁粉芯电感器。与同等铁芯电感器相比，此类电感器的磁芯损耗通常较高。与RSENSE 方法相比，电感器DCR 检测在检测电阻中没有功率损耗，但可能会增加电感器磁芯损耗。

当使用RSENSE和DCR两种检测方法时，由于检测信号较小，因此需要开尔文检测。务必使开尔文传感走线（图5 中的SENSE+ 和SENSE-）远离高噪声铜区域和其他信号走线，以最大程度地减少噪声提取。一些器件（例如LTC3855）具有温度补偿DCR 传感功能，以提高整个温度范围内的精度。

表1. 电流检测方法的优缺点

表1 中列出的每种方法都为开关模式电源提供了额外的保护。根据设计要求，精度、效率、热应力、保护和瞬态性能之间的权衡都会影响选择过程。电源设计人员必须仔细选择电流检测方法和功率电感器，并正确设计电流检测网络。

目前其他检测方法

还可以使用其他电流感测方法。例如，电流感应变压器通常与隔离电源一起使用，以保护跨隔离栅的电流信号信息。这种方法通常比上面列出的三种技术更昂贵。此外，集成栅极驱动器（DrMOS）和电流感测的新型功率MOSFET近年来也出现了，但到目前为止，我们还不清楚DrMOS在感测信号的精度和质量方面表现如何，我们还没有足够的技术数据来进行猜测。