降壓轉換器是最常見的電源拓撲，電源工程師深知其優點和缺點。電源係統設計的挑戰之一是電流檢測。在降壓轉換器中，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網絡
，生成差分信號就行了。RC網絡將電感器電流轉換成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的並聯）
； 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，那麼就增加R3
，以降低該峰值信號幅度，使其處於差分放大器的規定範圍內。

 

“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有很寬的容限範圍
，± 7%甚至±10%是很常見的。

 

圖2：電感器DCR的典型規格。

 

如果初始容限為10%
，那麼圖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，電感器會發熱，銅線繞組的溫度係數為3930PPM/ºC或0.393%/ºC。如果應用的溫度上升至比環境溫度高35ºC
，電感器本身發熱使溫度再上升35ºC
，那麼標稱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%。總誤差會低些，因為銅線的正係數補償了電感器的低初始值。）

 

從cong工gong程cheng設she計ji的de角jiao度du來lai看kan，這zhe確que實shi很hen糟zao糕gao，因yin為wei過guo流liu標biao記ji和he過guo流liu停ting機ji都dou是shi基ji於yu這zhe些xie電dian阻zu設she定ding的de。如ru果guo電dian路lu太tai敏min感gan，就jiu會hui在zai沒mei有you達da到dao需xu要yao停ting機ji的de程cheng度du就jiu停ting機ji了le。這zhe不bu是shi我wo們men想xiang要yao的de結jie果guo。如ru果guo電dian路lu不bu敏min感gan，就jiu會hui有you電dian感gan器qi和he功gong率lvFET壓力過大的風險。這更不是我們想要的結果。

 

 

假定正在設計一個能在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換器而言
，這個數值是合乎情理的）。如果電感器DCR處在容限低端

，那麼輸出得到35A時
，控製器認為提供了40A。這意味著，OCP不能設定為低於40A
，否則電源會在標稱負載時停機。反過來
，當OCP設定為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，因此控製器認為輸出電流是65A。這意味著，OCP需要設定為65A，如果不設定為這個數值，就有在不到40A時就出現OCP停機的風險。這似乎不能接受，可一旦OCP設定為65A
，電路就必須設計成，在偶爾準確報告電流的情況下
，也得連續提供這麼大的電流。

 

這意味著輸出電感器和功率FET嚴重過度設計
，電源必須提供35A
，但卻必須按照能夠連續提供65A來設計。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，通常的設計原則是20%。這意味著，逐周期限流值必須設定為高於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%紋波電流來設計，會發生什麼情況？

 

然後
，你會意識到
，典型的電流檢測電壓範圍為10mV至20mV。如(ru)果(guo)在(zai)一(yi)個(ge)電(dian)源(yuan)中(zhong)
，有(you)開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)振(zhen)鈴(ling)，有(you)輸(shu)出(chu)電(dian)感(gan)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)雜(za)散(san)磁(ci)場(chang)，還(hai)有(you)電(dian)流(liu)在(zai)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)器(qi)中(zhong)流(liu)通(tong)，那(na)麼(me)就(jiu)很(hen)難(nan)得(de)到(dao)可(ke)以(yi)接(jie)受(shou)的(de)信(xin)噪(zao)比(bi)（SNR）。要想信號質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），並布置得遠離電感器
、開關節點和大電流/高頻電流回路。這在空間受限的設計中是很難的，一如現在空間受限設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。

 

我們能做什麼
？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），可ke以yi基ji於yu經jing驗yan估gu計ji出chu電dian感gan器qi的de溫wen度du。通tong過guo這zhe種zhong方fang式shi，可ke以yi調tiao節jie銅tong線xian繞rao組zu電dian阻zu的de熱re響xiang應ying。這zhe太tai有you幫bang助zhu了le。工gong程cheng師shi們men真zhen是shi太tai了le不bu起qi了le。如ru果guo我wo們men確que實shi做zuo得de非fei常chang仔zai細xi，那na麼me最zui好hao的de結jie果guo有you可ke能neng達da到dao±10%。

 

我們還能做什麼？我們可以忽略“無開銷”的DCR電路，給輸出電感器串聯一個昂貴的
、溫(wen)度(du)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)。這(zhe)增(zeng)加(jia)了(le)成(cheng)本(ben)，損(sun)害(hai)了(le)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)效(xiao)率(lv)，但(dan)是(shi)憑(ping)借(jie)良(liang)好(hao)的(de)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)布(bu)線(xian)，我(wo)們(men)能(neng)夠(gou)以(yi)高(gao)得(de)多(duo)的(de)精(jing)度(du)檢(jian)測(ce)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)。隨(sui)著(zhe)容(rong)限(xian)累(lei)積(ji)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)±5%或huo更geng好hao的de總zong體ti電dian流liu檢jian測ce性xing能neng。工gong程cheng師shi們men在zai設she計ji評ping審shen中zhong既ji證zheng明ming了le這zhe種zhong方fang案an的de合he理li性xing，又you避bi開kai了le對dui其qi設she計ji影ying響xiang效xiao率lv和he成cheng本ben的de批pi評ping，他ta們men的de勇yong氣qi令ling我wo欽qin佩pei。

 

使用一個由溫度穩定的合金繞組構成的電感器如何
？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。這種方法運用設計良好的智能電源狀態（SPS）

，雖sui然ran增zeng加jia了le電dian流liu檢jian測ce成cheng本ben，但dan是shi能neng夠gou提ti供gong與yu標biao稱cheng輸shu出chu要yao求qiu非fei常chang接jie近jin的de峰feng值zhi功gong率lv能neng力li
，二er者zhe功gong過guo相xiang抵di。結jie果guo大da大da減jian少shao了le過guo度du設she計ji功gong率lv鏈lian路lu元yuan件jian導dao致zhi的de浪lang費fei。對dui這zhe種zhong電dian流liu檢jian測ce方fang法fa我wo們men可ke以yi寄ji予yu多duo大da期qi望wang
？就jiu合he理li的de運yun行xing區qu域yu而er言yan（不要期望輸出電流處在零附近時出現奇跡）
，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，技術的進步為工程師們提供了越來越好的基本構件。讓“無開銷”的DCR電流檢測電路隨風而去吧。

 

本文轉載自電子技術設計。