开关电源常用的电流测试办法分解比较

开关电源电流测试技术在今朝的各种测试设计中都有广泛的使用，许多的系统中都需要测试流入和流出的电流大小，测试电流大小能够避免器件出错。进行电路机理的保护，推荐知道一下“开关模式电源的电流测试技术”。

开关电源－电流模式控制由于其高可靠性、环路补偿设计简单、负载分配功能简单可靠的特点，被广泛用于开关模式电源。

电流测试信号是电流模式开关模式电源设计的紧要组成部分，它用于调节输出并提供过流保护。如下图中采用同步开关模式降压电源的电流测试电路。采用的IC控制器是一款具有逐周期限流功能的电流模式控制器件。测试电阻RS监测电流。

开关模式电源电流测试电阻（RS）

如下图显示了两种情况下电感电流的示波器波形：

第一种情况使用电感电流能够驱动的负载（红线），而在第二种情况下，输出短路（紫线）。

使用凌特的电源IC限流与折返示例，在供电轨上测量示意图

最初，峰值电感电流由选定的电感值、电源开关导通时间、电路的输入和输出电压以及负载电流设置（如图中用“1”表示）。当电路短路时，电感电流迅速上升，直至达到限流点，即RS×IL（IL）等于最大电流测试电压，以保护器件和下游电路（如图中用“2”表示）。然后，内置电流折返限制（如图中数字“3”）进一步降低电感电流，以将热应力降至最低。

电流测试还有其他作用。在多相电源设计中，利用它能实现精确均流。

对于轻负载电源设计，它可以戒备电流反向流动，从而提高效率（反向电流指反向流过电感的电流，即从输出到输入的电流，这在某些使用中可能不合需要，甚至具破坏性）。另外，当多相使用的负载较小时，电流测试可用来减少所需的相数，从而提高电路效率。对于需要电流源的负载，电流测试可将电源转换为恒流源，以用于LED驱动、电池充电和驱动激光器等等使用。

测试电阻放哪最适宜？

电流测试电阻的位置连同开关稳压器架构决定了要测试的电流。测试的电流包括峰值电感电流、谷值电感电流（连续导通模式下电感电流的最小值）和均匀输出电流。测试电阻的位置会影响功率损耗、噪声计算以及测试电阻监控电路看到的共模电压。我们在BUCK降压低成本的LED背光使用中采用了均匀值电流测试办法。

放置在降压调节器高端

对于降压调节器，电流测试电阻有多个位置可以放置。当放置在顶部MOSFET的高端时（如下图所示），它会在顶部MOSFET导通时测试峰值电感电流，从而可用于峰值电流模式控制电源。但是，当顶部MOSFET关断且底部MOSFET导通时，它不测量电感电流。

带高端RSENSE的降压转换器

在这种配置中，电流测试可能有很高的噪声，原由是顶部MOSFET的导通边沿具有很强的开关电压振荡。为使这种影响最小，需要一个较长的电流比较器消隐时间（比较器忽略输入的时间）。这会限制最小开关导通时间，并且可能限制最小占空比（占空比＝VOUT／VIN）和最大转换器降压比。留意在高端配置中，电流信号可能位于非常大的共模电压（VIN）之上。

放置在降压调节器低端

如下图中，测试电阻位于底部MOSFET下方。在这种配置中，它测试谷值模式电流。为了进一步降低功率损耗并节省元件成本，底部MOS－RDS（ON）可用来测试电流，而可以不必使用外部电流测试电阻RSENSE。

带低端RSENSE的降压转换器

这种配置通常用于谷值模式控制的电源。它对噪声可能也很敏感，但在这种情况下，它在占空比较大时很敏感。谷值模式控制的降压转换器支持高降压比，但由于其开关导通时间是固定／受控的，故最大占空比有限。

降压调节器与电感串联

如下图中，电流测试电阻RSENSE与电感串联，因此可以测试连续电感电流，此电流可用于监测均匀电流以及峰值或谷值电流。所以，此配置支持峰值、谷值或均匀电流模式控制。

RSENSE与电感串联

这种测试办法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常准确的电流测试信号，以实现精确的限流和均流。但是，RSENSE也会引起额外的功率损耗和元件成本。为了减少功率损耗和成本，可以利用电感线圈直流电阻（DCR）测试电流，而不使用外部RSENSE。

放置在升压和反相调节器的高端

对于升压调节器，测试电阻可以与电感串联，以提供高端测试（如下图）。

带高端RSENSE的升压转换器

升压转换器具有连续输入电流，因此会萌生三角波形并继续监测电流。

放置在升压和反相调节器的低端

测试电阻也可以放在底部MOSFET的低端，如下图所示。

此处监测峰值开关电流（也是峰值电感电流），每半个周期萌生一个电流波形。MOSFET开关爱换导致电流信号具有很强的开关噪声。低成本的BOOST变换器基本都采用这种办法，在LED背光控制中使用最为典型。

带低端RSENSE的升压转换器

SENSE电阻放置在升降压转换器低端或与电感串联

如下图显示了一个4开关升降压转换器，其测试电阻位于低端。当输入电压远高于输出电压时，转换器工作在降压模式；当输入电压远低于输出电压时，转换器工作在升压模式。在此电路中，测试电阻位于4开关H桥配置的底部。器件的模式（降压模式或升压模式）决定了监测的电流。

带低端RSENSE的升压转换器

在降压模式下（开关D一直导通，开关C一直关断），测试电阻监测底部开关B电流，电源用作谷值电流模式降压转换器。

在升压模式下（开关A一直导通，开关B一直关断），测试电阻与底部MOSFET（C）串联，并在电感电流上升时测量峰值电流。在这种模式下，由于不监测谷值电感电流，因此当电源处于轻负载状态时，很难测试负电感电流。负电感电流意味着电能从输出端传回输入端，但由于这种传输会有损耗，故效率会受损。对于电池供电系统等使用，轻负载效率很紧要，这种电流测试办法不合需要。

如下图的电路处理了这个问题，其将测试电阻与电感串联，从而在降压和升压模式下均能连续测量电感电流信号。由于电流测试RSENSE连接到具有高开关噪声的SW1节点，因此需要精心设计控制器IC，使内部电流比较器有足够长的消隐时间。

升降压转换器，RSENSE与电感串联

输入端也可以添加额外的测试电阻，以实现输入限流；或者添加在输出端，用于电池充电或驱动LED等恒定输出电流使用。这种情况下需要均匀输入或输出电流信号，因此可在电流测试路径中增加一个强RC滤波器，以减少电流测试噪声。

电流测试办法使用说明

开关模式电源有三种常用电流测试办法是：

使用测试电阻，

使用MOSFETRDS（ON），

以及使用电感的直流电阻（DCR）。

每种办法都有优势和缺点，选择测试办法时应予以考虑。

测试电阻电流传感

作为电流测试元件的测试电阻，萌生的测试误差最低（通常在1％和5％之间），温度系数也非常低，约为100ppm／°C（0．01％）。在性能方面，它提供精度最高的电源，有助于实现极为精确的电源限流功能，并且在多个电源并联时，还有利于实现精密均流。

RSENSE电流测试

另一方面，因为电源设计中增加了电流测试电阻，所以电阻也会萌生额外的功耗。因此，与其他测试技术相比，测试电阻电流监测技术可能有更高的功耗，导致处理方案整体效率有所下降。专用电流测试电阻也可能增加处理方案成本，虽然一个测试电阻的成本通常在0．05美元至0．20美元之间。

选择测试电阻时不应忽略的另一个参数是其寄生电感（也称为有效串联电感或ESL）。测试电阻可以用一个电阻与一个有限电感串联来正确模拟。

RSENSEESL模型

此电感取决于所选的特定测试电阻。某些类型的电流测试电阻，例如金属板电阻，具有较低的ESL，应优先使用。相比之下，绕线测试电阻由于其封装结构而具有较高的ESL，应避免使用。

一般来说，ESL效应会随着电流的增加、测试信号幅度的减小以及布局不合理而变得更加分明。

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，因此非得妥善考虑元件的布局，不恰当的布局可能影响稳定性并加剧现有电路设计问题。

测试电阻ESL的影响可能很轻微，也可能很严重。ESL会导致开关栅极驱动器发生分明振荡，从而对开关导通萌生不利影响。它还会增加电流测试信号的纹波，导致波形中出现电压阶跃，而不是预期的如下图所示的锯齿波形。这会降低电流测试精度。

RSENSEESL可能会对电流测试萌生不利影响

为使电阻ESL最小，应避免使用具有长环路（如绕线电阻）或长引线（如厚膜插件电阻）的测试电阻。薄型表面贴装器件是首选，例子包括板结构SMD尺寸0805、1206、2010和2512，更好的选择包括倒几何SMD尺寸0612和1225。

基于功率MOSFET的电流测试

利用MOSFETRDS（ON）进行电流测试，可以实现简单且经济高效的电流测试。如下是一款采用这种办法的器件。它使用恒定导通时间谷值模式电流测试架构。顶部开关导通固定的时间，此后底部开关导通，其RDS压降用于测试电流谷值或电流下限。PI的内置MOS的FLY结构也才用类似的办法。

MOS－RDS（ON）电流测试

虽然价格低廉，但这种办法有一些缺点。首先，其精度不高，RDS（ON）值可能在很大的范围内变化（约莫33％或更多）。其温度系数可能也非常大，在100°C以上时甚至会超过80％。另外，如果使用外部MOSFET，则非得考虑MOSFET寄生封装电感。这种类型的测试不提议用于电流非常高的情况，特别是不适合多相电路，此类电路需要良好的相位均流。PI的小功率电源中已有使用。

电感DCR电流测试

电感直流电阻电流测试采用电感绕组的寄生电阻来测量电流，从而无需测试电阻。这样可降低元件成本，提高电源效率。与MOS－RDS（ON）相比，铜线绕组的电感DCR的器件间偏差通常较小，不过依然会随温度而变化。它在低输出电压使用中受到酷爱，因为测试电阻上的任何压降都代表输出电压的一个相当大部分。将一个RC网络与电感和寄生电阻的串联组合并联，测试电压在电容C1上测量（如下图所示）。

电感DCR电流测试

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

电路不笔直测量电感电流，因此无法测试电感饱和。推荐使用软饱和的电感，如铁粉芯电感。与同等铁芯电感相比，此类电感的磁芯损耗通常较高。与RSENSE办法相比，电感DCR测试不存在测试电阻的功率损耗，但可能会增加电感的磁芯损耗。

使用RSENSE和DCR两种测试办法时，由于测试信号较小，故均需要开尔文测试。非得让开尔文测试痕迹（电路中的SENSE＋和SENSE－）远离高噪声覆铜区和其他信号痕迹，以将噪声提取降至最低，这点很紧要。

某些器件具有温度补偿DCR测试功能，可提高整个温度范围内的精度。

如下表总结：电流测试办法的优缺点

在表中提到的每种办法都为开关模式电源提供额外的保护。

取决于设计要求，精度、效率、热应力、保护和瞬态性能方面的权衡都可能影响选择过程。电源设计人员需要审慎选择电流测试办法和功率电感，并正确设计电流测试网络。

其他电流测试办法

还有其他电流测试办法可供使用。例如，电流测试互感器经常与隔离电源一起使用，以跨过隔离栅对电流信号信息提供保护。这种办法通常比上述三种技术更昂贵。此外，近年来集成栅极驱动器（DrMOS）和电流测试的新型功率MOSFET也已出现，但到目前为止，还没有足够的数据来推断DrMOS在测试信号的精度和质量方面表现状况。

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