“無開銷”DCR電流檢測“功成身退”
發(fā)布時(shí)間:2018-02-26 來源:Ken Coffman,Intersil 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)之一是電流檢測。在降壓轉(zhuǎn)換器中,一種流行的“無開銷”方法是DCR電流檢測。但這種電路精度很低,尤其是使用小型、低ESR電感器時(shí),因此將被其它方法取代,如電流檢測電阻器,或功率鏈路器件。
降壓轉(zhuǎn)換器是最常見的電源拓?fù)洌娫垂こ處熒钪鋬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)之一是電流檢測。在降壓轉(zhuǎn)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?yàn)檫@種方法不會(huì)使電源設(shè)計(jì)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(shí),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(gè)RC網(wǎng)絡(luò),生成差分信號(hào)就行了。RC網(wǎng)絡(luò)將電感器電流轉(zhuǎn)換成C1兩端的電壓。
圖1:DCR電流檢測電路。
RC值的計(jì)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的并聯(lián)); C = 圖1原理圖中的C1。
請(qǐng)注意,在圖1中,如果ISENSE峰值信號(hào)的幅度使差分放大器飽和,那么就增加R3,以降低該峰值信號(hào)幅度,使其處于差分放大器的規(guī)定范圍內(nèi)。
“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有很寬的容限范圍,± 7%甚至±10%是很常見的。
圖2:電感器DCR的典型規(guī)格。
如果初始容限為10%,那么圖1所示的180nH電感器的DCR可能低至261mΩ或高達(dá)319mΩ。雪上加霜的是,電感器會(huì)發(fā)熱,銅線繞組的溫度系數(shù)為3930PPM/ºC或0.393%/ºC。如果應(yīng)用的溫度上升至比環(huán)境溫度高35ºC,電感器本身發(fā)熱使溫度再上升35ºC,那么標(biāo)稱DCR就可能升至:
最差情況的上限為:
最差情況的下限為:
(標(biāo)稱值增大15%。總誤差會(huì)低些,因?yàn)殂~線的正系數(shù)補(bǔ)償了電感器的低初始值。)
從工程設(shè)計(jì)的角度來看,這確實(shí)很糟糕,因?yàn)檫^流標(biāo)記和過流停機(jī)都是基于這些電阻設(shè)定的。如果電路太敏感,就會(huì)在沒有達(dá)到需要停機(jī)的程度就停機(jī)了。這不是我們想要的結(jié)果。如果電路不敏感,就會(huì)有電感器和功率FET壓力過大的風(fēng)險(xiǎn)。這更不是我們想要的結(jié)果。
情況能糟糕到什么程度?
假定正在設(shè)計(jì)一個(gè)能在1V時(shí)提供最大35A的電路(目前對(duì)一個(gè)切合實(shí)際的單相降壓轉(zhuǎn)換器而言,這個(gè)數(shù)值是合乎情理的)。如果電感器DCR處在容限低端,那么輸出得到35A時(shí),控制器認(rèn)為提供了40A。這意味著,OCP不能設(shè)定為低于40A,否則電源會(huì)在標(biāo)稱負(fù)載時(shí)停機(jī)。反過來,當(dāng)OCP設(shè)定為40A,電感器DCR增大10%時(shí),情況會(huì)變得多糟糕?
在這種情況下,實(shí)際負(fù)載電流為40A,但DCR為407µΩ,因此控制器認(rèn)為輸出電流是65A。這意味著,OCP需要設(shè)定為65A,如果不設(shè)定為這個(gè)數(shù)值,就有在不到40A時(shí)就出現(xiàn)OCP停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。這似乎不能接受,可一旦OCP設(shè)定為65A,電路就必須設(shè)計(jì)成,在偶爾準(zhǔn)確報(bào)告電流的情況下,也得連續(xù)提供這么大的電流。
這意味著輸出電感器和功率FET嚴(yán)重過度設(shè)計(jì),電源必須提供35A,但卻必須按照能夠連續(xù)提供65A來設(shè)計(jì)。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(gè)紋波有多大呢?對(duì)紋波電流而言,通常的設(shè)計(jì)原則是20%。這意味著,逐周期限流值必須設(shè)定為高于65A,因此保護(hù)輸出FET的能力就變得非常成問題了。猜猜看,如果針對(duì)30%紋波電流來設(shè)計(jì),會(huì)發(fā)生什么情況?
然后,你會(huì)意識(shí)到,典型的電流檢測電壓范圍為10mV至20mV。如果在一個(gè)電源中,有開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴,有輸出電感器產(chǎn)生的雜散磁場,還有電流在旁路電容器和輸出電容器中流通,那么就很難得到可以接受的信噪比(SNR)。要想信號(hào)質(zhì)量還有任何希望的話,電流檢測連接線必須仔細(xì)布置成差分對(duì)(因此,所拾取的任何噪聲都是共模的),并布置得遠(yuǎn)離電感器、開關(guān)節(jié)點(diǎn)和大電流/高頻電流回路。這在空間受限的設(shè)計(jì)中是很難的,一如現(xiàn)在空間受限設(shè)計(jì)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。
我們能做什么?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(jié)),可以基于經(jīng)驗(yàn)估計(jì)出電感器的溫度。通過這種方式,可以調(diào)節(jié)銅線繞組電阻的熱響應(yīng)。這太有幫助了。工程師們真是太了不起了。如果我們確實(shí)做得非常仔細(xì),那么最好的結(jié)果有可能達(dá)到±10%。
我們還能做什么?我們可以忽略“無開銷”的DCR電路,給輸出電感器串聯(lián)一個(gè)昂貴的、溫度穩(wěn)定的電流檢測電阻器。這增加了成本,損害了轉(zhuǎn)換器的效率,但是憑借良好的差分信號(hào)布線,我們能夠以高得多的精度檢測輸出電流。隨著容限累積,我們可以得到±5%或更好的總體電流檢測性能。工程師們在設(shè)計(jì)評(píng)審中既證明了這種方案的合理性,又避開了對(duì)其設(shè)計(jì)影響效率和成本的批評(píng),他們的勇氣令我欽佩。
使用一個(gè)由溫度穩(wěn)定的合金繞組構(gòu)成的電感器如何?這個(gè)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(gè)東西比電流檢測電阻器要好。讓功率鏈路器件報(bào)告其電流。這種方法運(yùn)用設(shè)計(jì)良好的智能電源狀態(tài)(SPS),雖然增加了電流檢測成本,但是能夠提供與標(biāo)稱輸出要求非常接近的峰值功率能力,二者功過相抵。結(jié)果大大減少了過度設(shè)計(jì)功率鏈路元件導(dǎo)致的浪費(fèi)。對(duì)這種電流檢測方法我們可以寄予多大期望?就合理的運(yùn)行區(qū)域而言(不要期望輸出電流處在零附近時(shí)出現(xiàn)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(shù)的進(jìn)步為工程師們提供了越來越好的基本構(gòu)件。讓“無開銷”的DCR電流檢測電路隨風(fēng)而去吧。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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