如何检测外置开关的电源控制器输出电流

Power----电流的感测

引言：外置开关的控制器可以使用电感的DCR或者检流电阻Rsense来进行电流检测，两种方案之间的选择在很大程度上是在成本、功耗和精度之间的设计权衡。DCR的优势在于不需要检流电阻，更省成本而且更节能，特别是在大电流应用中，而检流电阻为控制器提供了最精确的电流检测和电流读取(ADC)。

1.检流电阻方式

使用检流电阻方式如图3-1所示，控制器内置比较器具有最大检测阈值Vsense(max)，检测阈值可配置(例如当ILIM引脚接地、浮动或绑定到INTVCC时，最大阈值分别设置为50mV、75mV或100mV)。电流比较器阈值设置电感电流的峰值，产生最大平均电感电流Imax，等于峰值小于峰峰纹波电流∆IL，所以要计算检流电阻值，使用以下公式：

每个通道的Imax实际值取决于所需的输出电流Iout(max)，可通过以下方法计算：(此处以双通道为例)

当在低Vin和极高电压输出应用中使用控制器时，由于满足增压调节器的内部补偿，最大电感器电流和相应的最大输出电流水平将降低，典型性能特性部分提供了一条曲线，以根据工作负荷系数估计峰值电感电流水平的减少，实际Rsense选型回看(传送门：Resistor-15：检流电阻的选型和使用)。

2.DCR方式

对于在高负载电流下需要最高效率的应用，控制器能够感应到电感器DCR上的电压降，如图3-1所示。对于大电流电感器，该电感器的DCR可小于1mΩ，在需要这种电感的大电流应用中，与DCR传感相比，通过检流电阻的传导损失可以降低几%的效率。

图3-1：检流电阻和DCR方式的补偿网络

如果选择外部R1||R2，C1时间常数完全等于L/DCR时间常数，则经过外部电容器的电压降等于电感器DCR的电压降乘以R2/(R1+R2)。在DCR大于目标传感电阻值的应用中，R2对跨传感端子进行电压的缩放，要正确地选择外部滤波器组件，必须知道电感器的DCR，可以用一个好的RLC计来测量，但DCR的公差并不总是相同的，并随温度而变化，有关详细信息，请查阅制造商的数据表。

使用电感值计算电感纹波电流值，目标总体感测电阻值为：

为了确保应用程序将在整个工作温度范围内提供全负荷电流，请选择最大电流感应阈值(Vsense)的最小值。

接下来，确定电感器的DCR值，如有，使用制造商的最大值，通常为20°C增加此值以解释电阻的温度系数，约为0.4%/°C，最高电感温度[TL(max)]的保守值为100°C。要将最大电感器DCR缩放到所需的感测电阻值，使用分频器比：

C1通常选择在0.1uF到0.47uF的范围内，这将使R1|| R2上升到2k左右，减少了可能由感应针的±1uA电流引起的误差。等效电阻R1||R2被缩放为室温电感和最大DCR：

感应电阻器的值为：

R1中的最大功率损耗与占空比有关，并且将在Vin=1/2Vout的连续模式下发生：

需要确保R1的额定功率高于此值，如果在轻负载下需要实现高效率，则在决定是否使用DCR传感或感测电阻时，需要考虑这种功率损耗。由于R1产生的额外开关损耗，DCR网络的负载功率损耗可能比使用检流电阻略高，但是DCR传感消除了传感电阻，减少了传导损耗，并在重负载下提供了更高的效率，这两种方法的峰值效率大致相同。实际上，电流检测精度受到基于温度的DCR变化的影响，在一些控制器中，电流放大器可以编程以满足一般电感器的更多应用，即使其DCR不能满足上述要求。

3.检流位置如图3-2所示，对于采用DCR的检流方式，检测点位位于输出端：

图3-2：降压拓扑DCR方式

在早些年的时候，对于采用Rsense的方式，如图3-3所示，电流采样点有三个位置，1--->开关回路，即与高侧MOSFET串联，2--->续流回路，即与续流二极管或低侧同步MOSFET串联，3--->输出端，即与电感器串联。这里不再详细讨论三个位置的差异性，因为涉及到峰值电流模式和谷值电流模式，并且芯片技术进化到现在，Rsense方式的位置基本都在电感端，即图3-3中的3号位或者图3-4中的1号位。

图3-3：降压拓扑Rsense位置

而升压拓扑的特殊性，检流电阻的位置有1--->输入端，2--->输出端，因为控制器本身需要消耗一定的功率，所以升压拓扑的Rsense放置位置是在1号位。

图3-4：升压拓扑Rsense位置

4.连接方式

传感器+引脚还为控制器内部比较器提供功率，正常工作时会有uA级别的小基底电流流入Sense引脚，而高阻抗Sense-输入到电流比较器使得使用DCR也可以达到很高的精度。

与感测线相互作用的滤波器组件应放置在靠近控制器本体的位置，并且感测线使用开尔文连接(传送门：Resistor-16：焊盘布局优化检流精度)。否则其它地方的传感电流可以有效地将寄生电感和电容添加到电流感测元件上，降低感测端子上的有效信息，使得检流精度降低。如果如图3-1使用DCR传感，感测电阻R1应放置在靠近开关节点的地方，以防止噪声耦合到敏感的小信号节点中。