電流模式控制因其高可靠性、簡單的環(huán)路補償設計以及簡單可靠的負載共享能力而廣泛用于開關模式電源。電流檢測信號是電流模式開關模式電源設計的重要組成部分;它用于調(diào)節(jié)輸出，還提供過流保護。　　圖 1 顯示了 LTC3855 同步開關模式降壓電源的電流感應電路。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：開關模式電源電流感應電阻器 （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、電源開關導通時間、電路的輸入和輸出電壓以及負載電流（在圖中用“1”表示）設置。當發(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力。
　　電流感應還用于其他目的。它允許在多相電源設計中實現(xiàn)精確的電流共享。對于輕負載電源設計，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，這在某些應用中可能是不可取的，甚至是破壞性的）。此外，當多相應用負載較輕時，可以使用電流感應來減少所需的相數(shù)，從而提高電路效率。對于需要電流源的負載，電流感應可以將電源轉換為恒流源，用于 LED 驅動、電池充電和驅動激光器等應用。
　　　圖 3：帶有高側 RSENSE 的降壓轉換器。
　　電流檢測電阻器的放置與開關穩(wěn)壓器架構相結合，決定了被檢測的電流。感應到的電流包括峰值電感電流、谷值電感電流（處于連續(xù)導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。當放置在頂部 MOSFET 的高端時（如圖 3 所示），它會在頂部 MOSFET 導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，當頂部 MOSFET 關閉而底部 MOSFET 導通時，它不會測量電感電流。
　　在這種配置中，電流感應可能會有噪聲，因為頂部 MOSFET 的導通邊沿具有很強的開關電壓振鈴。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）。這限制了最小開關導通時間，并可能限制最小占空比 （占空比 = VOUT/VIN） 和最大轉換器降壓比。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） 來感應電流，而無需使用外部電流感應電阻器 RSENSE。
　　　　圖 4：具有低側 RSENSE 的降壓轉換器。
　　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，當占空比較大時，它很敏感。谷值模式控制的降壓轉換器可實現(xiàn)高降壓比;然而，由于其固定/受控的開關開啟時間，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 通常可以提供非常精確的電流感應信號，以實現(xiàn)精確的電流限制和共享。然而，RSENSE 也會導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） 來感應電流，而無需外部 RSENSE。
　　升壓和反相穩(wěn)壓器的高側布局　　對于升壓（升壓）穩(wěn)壓器，檢測電阻可以與提供高側檢測的電感串聯(lián)放置（圖 6）。

　　圖 6：采用高端 RSENSE 的升壓轉換器。
　　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 SENSE 電阻器放置或與電感串聯(lián)
　　下面的圖 8 顯示了一個 4 開關降壓-升壓轉換器，其中檢測電阻器位于低側。當輸入電壓遠高于輸出電壓時，轉換器工作在降壓模式，當輸入電壓遠低于輸出電壓時，轉換器工作在升壓模式。在該電路中，檢測電阻器位于 4 開關 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 位于低側的降壓-升壓。
　　在降壓模式下 （開關 D 始終導通，開關 C 始終關斷），檢測電阻器監(jiān)控底部開關 B 電流，電源作為谷值電流模式降壓轉換器運行。
　　在升壓模式下（開關 A 始終導通，開關 B 始終關斷），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 連接到具有高開關噪聲的 SW1 節(jié)點，因此需要仔細設計控制器 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用，例如電池充電或驅動 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路徑中添加一個強大的 RC 濾波器，以降低電流感應噪聲。
　　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。
　　開關模式電源常用的三種電流傳感方法是：使用感應電阻器、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考慮這些優(yōu)點和缺點。
　　檢測電阻器電流感應
　　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。
　　另一方面，由于電源設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，與其他檢測技術相比，檢測電阻電流監(jiān)測技術可能具有更高的功耗，從而導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，由于封裝結構的原因，繞線感應電阻器具有較高的 ESL，應避免使用。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，ESL 效應變得更加明顯。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)有的電路設計問題。
　　檢測電阻 ESL 的影響可輕可重。ESL 會導致開關柵極驅動器上出現(xiàn)明顯的振鈴，從而對開關導通產(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;示例包括板結構 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，可實現(xiàn)簡單且經(jīng)濟高效的電流感應。LTC3878 是使用此方法的設備。它采用恒定導通時間、谷值模式電流傳感架構。在這里，頂部開關打開固定時間，之后底部開關打開，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，尤其是對于需要良好相均流的多相電路。
　　　圖 12：RSENSE ESL 會對電流感應產(chǎn)生不利影響。
　　圖 13：MOSFET RDS（ON） 電流感應。
　　電感器 DCR 電流感應
　　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 上測量感應電壓（圖 14）。

　　圖 14：電感器 DCR 電流感應。
　　通過選擇適當?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 感應功能，可提高隨溫度變化的精度。
　　表 1 總結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模式電源提供了額外的保護。根據(jù)設計要求，精度、效率、熱應力、保護和瞬態(tài)性能方面的權衡都可能成為選擇過程中的因素。　　電流傳感方法的優(yōu)缺點

　　表 1：電流感應方法的優(yōu)缺點。
　　電源設計人員需要仔細選擇電流傳感方法和功率電感器，并正確設計電流傳感網(wǎng)絡。ADI公司的LTpowerCAD設計工具和LTspice?電路仿真工具等計算機軟件程序對于簡化設計工作并獲得最佳結果非常有幫助。
　　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量方面的工作效果。