電流模式控制因其高可靠性、簡單的環(huán)路補償設(shè)計以及簡單可靠的負載共享能力而廣泛用于開關(guān)模式電源。電流檢測信號是電流模式開關(guān)模式電源設(shè)計的重要組成部分;它用于調(diào)節(jié)輸出，還提供過流保護?！　D 1 顯示了 LTC3855 同步開關(guān)模式降壓電源的電流感應(yīng)電路。LTC3855 是一款具有逐周期電流限制功能的電流模式控制器件。檢測電阻 RS 監(jiān)控電流。

　　圖 1：開關(guān)模式電源電流感應(yīng)電阻器 （RS）。
　　圖 2 顯示了兩種情況下的電感電流示波器圖像：一種情況是電感電流能夠驅(qū)動的負載（紅線），第二種情況是輸出短路（紫線）。　　LTC3855折返電流限制示例，如 1.5 V/15 A 電源軌上所示。

　　圖 2：LTC3855折返示例的電流限制，如 1.5 V/15 A 電源軌上所示。
　　最初，峰值電感電流由所選電感值、電源開關(guān)導(dǎo)通時間、電路的輸入和輸出電壓以及負載電流（在圖中用“1”表示）設(shè)置。當(dāng)發(fā)生短路時，電感電流迅速上升，直到在 RS× I 電感 （IL） 等于最大電流感應(yīng)電壓時達到電流限制，從而保護器件和下游電路（圖中用“2”表示）。之后，內(nèi)置電流折返限制（圖中的數(shù)字“3”）進一步降低電感電流以最小化熱應(yīng)力。
　　電流感應(yīng)還用于其他目的。它允許在多相電源設(shè)計中實現(xiàn)精確的電流共享。對于輕負載電源設(shè)計，它可用于通過防止反向電流流動來提高效率（反向電流是以相反方式流過電感的電流，從輸出流向輸入，這在某些應(yīng)用中可能是不可取的，甚至是破壞性的）。此外，當(dāng)多相應(yīng)用負載較輕時，可以使用電流感應(yīng)來減少所需的相數(shù)，從而提高電路效率。對于需要電流源的負載，電流感應(yīng)可以將電源轉(zhuǎn)換為恒流源，用于 LED 驅(qū)動、電池充電和驅(qū)動激光器等應(yīng)用。
　　　圖 3：帶有高側(cè) RSENSE 的降壓轉(zhuǎn)換器。
　　電流檢測電阻器的放置與開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)相結(jié)合，決定了被檢測的電流。感應(yīng)到的電流包括峰值電感電流、谷值電感電流（處于連續(xù)導(dǎo)通模式下的電感電流最小值）和平均輸出電流。檢測電阻的位置會影響功率損耗、噪聲計算和檢測電阻監(jiān)控電路看到的共模電壓。
　　降壓穩(wěn)壓器高側(cè)布局
　　對于降壓穩(wěn)壓器，電流檢測電阻器可以放置在多個位置。當(dāng)放置在頂部 MOSFET 的高端時（如圖 3 所示），它會在頂部 MOSFET 導(dǎo)通時檢測峰值電感電流，因此可用于峰值電流模式控制電源。但是，當(dāng)頂部 MOSFET 關(guān)閉而底部 MOSFET 導(dǎo)通時，它不會測量電感電流。
　　在這種配置中，電流感應(yīng)可能會有噪聲，因為頂部 MOSFET 的導(dǎo)通邊沿具有很強的開關(guān)電壓振鈴。為了最大限度地減少這種影響，需要一個較長的電流比較器消隱時間 （比較器忽略輸入的時間）。這限制了最小開關(guān)導(dǎo)通時間，并可能限制最小占空比 （占空比 = VOUT/VIN） 和最大轉(zhuǎn)換器降壓比。請注意，在高端配置中，電流信號可以位于非常大的共模電壓 （VIN） 之上。
　　降壓穩(wěn)壓器 Low-Side Placement（降壓穩(wěn)壓器低側(cè)布局）
　　在圖 4 中，檢測電阻器位于底部 MOSFET 的下方。在此配置中，它檢測谷值模式電流。為了進一步降低功率損耗并節(jié)省元件成本，可以使用底部 FET RDS（ON） 來感應(yīng)電流，而無需使用外部電流感應(yīng)電阻器 RSENSE。
　　　　圖 4：具有低側(cè) RSENSE 的降壓轉(zhuǎn)換器。
　　此配置通常用于谷值模式受控電源。它也可能對噪聲敏感，但在這種情況下，當(dāng)占空比較大時，它很敏感。谷值模式控制的降壓轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)高降壓比;然而，由于其固定/受控的開關(guān)開啟時間，其最大占空比受到限制。
　　降壓穩(wěn)壓器與電感器串聯(lián)的布局
　　在圖 5 中，電流感應(yīng)電阻器 RSENSE 與電感串聯(lián)，以便它可以檢測連續(xù)電感電流，可用于平均電流監(jiān)測和峰值或谷值電流監(jiān)測。因此，此配置允許峰值、谷值或平均電流模式控制。
　　　圖 5：RSENSE 與電感器串聯(lián)。
　　這種傳感方法提供了最佳的信噪比性能。外部 RSENSE 通?？梢蕴峁┓浅＞_的電流感應(yīng)信號，以實現(xiàn)精確的電流限制和共享。然而，RSENSE 也會導(dǎo)致額外的功率損耗和組件成本。為了降低功率損耗和成本，可以使用電感繞組直流電阻 （DCR） 來感應(yīng)電流，而無需外部 RSENSE。
　　升壓和反相穩(wěn)壓器的高側(cè)布局　　對于升壓（升壓）穩(wěn)壓器，檢測電阻可以與提供高側(cè)檢測的電感串聯(lián)放置（圖 6）。

　　圖 6：采用高端 RSENSE 的升壓轉(zhuǎn)換器。
　　由于升壓具有連續(xù)的輸入電流，因此會產(chǎn)生三角波形并持續(xù)監(jiān)控電流。
　　降壓-升壓低側(cè) SENSE 電阻器放置或與電感串聯(lián)
　　下面的圖 8 顯示了一個 4 開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，其中檢測電阻器位于低側(cè)。當(dāng)輸入電壓遠高于輸出電壓時，轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式，當(dāng)輸入電壓遠低于輸出電壓時，轉(zhuǎn)換器工作在升壓模式。在該電路中，檢測電阻器位于 4 開關(guān) H 橋配置的底部。器件的模式（buck 模式或 boost 模式）決定了被監(jiān)控的電流。
　　圖 8：RSENSE 位于低側(cè)的降壓-升壓。
　　在降壓模式下 （開關(guān) D 始終導(dǎo)通，開關(guān) C 始終關(guān)斷），檢測電阻器監(jiān)控底部開關(guān) B 電流，電源作為谷值電流模式降壓轉(zhuǎn)換器運行。
　　在升壓模式下（開關(guān) A 始終導(dǎo)通，開關(guān) B 始終關(guān)斷），檢測電阻器與底部 MOSFET （C） 串聯(lián)，并在電感電流上升時測量峰值電流。在這種模式下，由于沒有監(jiān)控谷值電感電流，因此當(dāng)電源處于輕負載狀態(tài)時，很難檢測到負電感電流。負電感電流意味著能量只是從輸出傳輸回輸入，但由于與傳輸相關(guān)的損耗，效率會受到影響。對于輕負載效率很重要的電池供電系統(tǒng)等應(yīng)用，這種電流檢測方法是不可取的。
　　圖 9 中的電路通過將檢測電阻器與電感串聯(lián)來解決這個問題，以便在降壓和升壓模式下連續(xù)測量電感電流信號。由于電流檢測 RSENSE 連接到具有高開關(guān)噪聲的 SW1 節(jié)點，因此需要仔細設(shè)計控制器 IC，以便為內(nèi)部電流比較器留出足夠的消隱時間。
　　　圖 9：RSENSE 與電感器串聯(lián)的 LT8390 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。
　　還可以在輸入端添加一個額外的檢測電阻器，用于輸入電流限制，或在輸出端（如下所示）添加一個額外的檢測電阻器，用于恒定輸出電流應(yīng)用，例如電池充電或驅(qū)動 LED。在這種情況下，由于需要平均輸入或輸出電流信號，因此可以在電流感應(yīng)路徑中添加一個強大的 RC 濾波器，以降低電流感應(yīng)噪聲。
　　在上述大多數(shù)示例中，電流檢測元件被假定為檢測電阻器。然而，這并非必須如此，而且通常情況并非如此。其他傳感技術(shù)包括使用 MOSFET 兩端的壓降或電感的直流電阻 （DCR）。這些電流檢測方法在第 3 部分 “電流檢測方法”中介紹。
　　開關(guān)模式電源常用的三種電流傳感方法是：使用感應(yīng)電阻器、使用 MOSFET RDS（ON） 和使用電感器的直流電阻 （DCR）。每種方法都有優(yōu)點和缺點，在選擇一種方法而不是另一種方法時應(yīng)考慮這些優(yōu)點和缺點。
　　檢測電阻器電流感應(yīng)
　　作為電流傳感元件的檢測電阻器可實現(xiàn)最低的傳感誤差（通常在 1% 到 5% 之間）和非常低的溫度系數(shù)，約為 100 ppm/°C （0.01%）。它在性能方面提供最精確的電源，有助于提供非常精確的電源電流限制，并且還有助于在多個電源并聯(lián)時實現(xiàn)精確的電流共享。
　　圖 10：RSENSE 電流感應(yīng)。
　　另一方面，由于電源設(shè)計中增加了電流檢測電阻器，因此該電阻器也會產(chǎn)生額外的功率耗散。因此，與其他檢測技術(shù)相比，檢測電阻電流監(jiān)測技術(shù)可能具有更高的功耗，從而導(dǎo)致解決方案的整體效率略有降低。專用電流檢測電阻器也可能增加解決方案成本，因為檢測電阻器的成本通常在 0.05 美元到 0.20 美元之間。
　　選擇檢測電阻器時不應(yīng)忽略的另一個參數(shù)是其寄生電感（也稱為有效串聯(lián)電感或 ESL）。檢測電阻器被正確建模為具有有限電感的串聯(lián)電阻器。
　　　圖 11：RSENSE ESL 模型。
　　該電感取決于所選的特定檢測電阻器。某些類型的電流傳感電阻器（例如金屬板電阻器）具有低 ESL，是首選。相比之下，由于封裝結(jié)構(gòu)的原因，繞線感應(yīng)電阻器具有較高的 ESL，應(yīng)避免使用。一般來說，隨著電流水平的增加、傳感信號幅度的減小和布局不當(dāng)，ESL 效應(yīng)變得更加明顯。電路的總電感還包括元件引線和其他電路元件引起的寄生電感。電路的總電感也受布局的影響，因此必須適當(dāng)考慮元件的布局;不正確的放置會影響穩(wěn)定性并加劇現(xiàn)有的電路設(shè)計問題。
　　檢測電阻 ESL 的影響可輕可重。ESL 會導(dǎo)致開關(guān)柵極驅(qū)動器上出現(xiàn)明顯的振鈴，從而對開關(guān)導(dǎo)通產(chǎn)生不利影響。它還會在電流檢測信號上增加紋波，從而在波形中產(chǎn)生電壓階躍，而不是圖 12 所示的預(yù)期鋸齒波。這會降低電流檢測精度。
　　為了最小化電阻 ESL，請避免使用具有長回路（如繞線電阻器）或長引線（如高尺寸電阻器）的檢測電阻器。首選薄型表面貼裝器件;示例包括板結(jié)構(gòu) SMD 尺寸 0805、1206、2010 和 2512;更好的選擇包括反向幾何 SMD 尺寸 0612 和 1225。
　　基于 MOSFET 的功率電流傳感
　　通過使用 MOSFET RDS（ON） 進行電流感應(yīng)，可實現(xiàn)簡單且經(jīng)濟高效的電流感應(yīng)。LTC3878 是使用此方法的設(shè)備。它采用恒定導(dǎo)通時間、谷值模式電流傳感架構(gòu)。在這里，頂部開關(guān)打開固定時間，之后底部開關(guān)打開，其 RDS 壓降用于檢測電流谷值或電流下限。
　　雖然價格低廉，但這種方法也有一些缺點。首先，它不是很準(zhǔn)確;RDS（ON） 值范圍可能存在很大變化（大約 33% 或更多）。它也可以具有非常大的溫度系數(shù);超過 100°C 的 80% 值也不是不可能的。此外，如果使用外部 MOSFET，則必須考慮 MOSFET 寄生封裝電感。對于非常高的電流水平，不建議進行這種類型的感應(yīng)，尤其是對于需要良好相均流的多相電路。
　　　圖 12：RSENSE ESL 會對電流感應(yīng)產(chǎn)生不利影響。
　　圖 13：MOSFET RDS（ON） 電流感應(yīng)。
　　電感器 DCR 電流感應(yīng)
　　電感直流電阻電流檢測使用電感繞組的寄生電阻來測量電流，從而消除檢測電阻。這降低了組件成本并提高了電源效率。與 MOSFET RDS（ON） 相比，銅線繞組的電感器 DCR 通常具有較小的部件間變化，但它仍然會隨溫度變化。它在低輸出電壓應(yīng)用中受到青睞，因為檢測電阻器上的任何壓降都代表輸出電壓的很大一部分。RC 網(wǎng)絡(luò)與串聯(lián)電感器和寄生電阻組合并聯(lián)放置，并在電容器 C1 上測量感應(yīng)電壓（圖 14）。

　　圖 14：電感器 DCR 電流感應(yīng)。
　　通過選擇適當(dāng)?shù)脑?（R1 × C1 = L/DCR），電容器 C1 兩端的電壓將與電感電流成正比。為了最大限度地減少測量誤差和噪聲，最好使用較低的 R1 值。
　　由于該電路不直接測量電感電流，因此無法檢測電感飽和。因此，建議使用具有軟飽和的電感器，如鐵芯電感器。這些電感器通常比同類鐵氧體磁芯電感器具有更高的磁芯損耗。與 RSENSE 方法相比，電感 DCR 檢測消除了檢測電阻的功率損耗，但可能會增加電感磁芯損耗。
　　對于 RSENSE 和 DCR 傳感方法，由于傳感信號較小，因此需要開爾文傳感。重要的是要使開爾文檢測跡線（圖 5 中的 SENSE+ 和 SENSE–）遠離嘈雜的銅區(qū)域和其他信號跡線，以最大限度地減少噪聲拾取。一些器件（如 LTC3855）具有溫度補償 DCR 感應(yīng)功能，可提高隨溫度變化的精度。
　　表 1 總結(jié)了不同類型的電流傳感方法以及每種方法的優(yōu)缺點。
　　表 1 中提到的每種方法都為開關(guān)模式電源提供了額外的保護。根據(jù)設(shè)計要求，精度、效率、熱應(yīng)力、保護和瞬態(tài)性能方面的權(quán)衡都可能成為選擇過程中的因素?！　‰娏鱾鞲蟹椒ǖ膬?yōu)缺點

　　表 1：電流感應(yīng)方法的優(yōu)缺點。
　　電源設(shè)計人員需要仔細選擇電流傳感方法和功率電感器，并正確設(shè)計電流傳感網(wǎng)絡(luò)。ADI公司的LTpowerCAD設(shè)計工具和LTspice?電路仿真工具等計算機軟件程序?qū)τ诤喕O(shè)計工作并獲得最佳結(jié)果非常有幫助。
　　其他電流傳感方法
　　還有其他電流傳感方法可用。例如，電流感應(yīng)變壓器通常與隔離電源一起使用，以提供跨隔離柵的電流信號信息。這種方法通常比上面討論的三種技術(shù)更昂貴。此外，近年來還推出了集成電流傳感的帶有集成柵極驅(qū)動器 （DrMOS） 的新型功率 MOSFET，但迄今為止，還沒有足夠的數(shù)據(jù)來得出 DrMOS 傳感在傳感信號的精度和質(zhì)量方面的工作效果。