開關電源常用的電流測試辦法分解比較

開關電源電流測試技術在今朝的各種測試設計中都有廣泛的使用，許多的系統中都需要測試流入和流出的電流大小，測試電流大小能夠避免器件出錯。進行電路機理的保護，推薦知道一下“開關模式電源的電流測試技術”。

開關電源－電流模式控制由于其高可靠性、環路補償設計簡單、負載分配功能簡單可靠的特點，被廣泛用于開關模式電源。

電流測試信號是電流模式開關模式電源設計的緊要組成部分，它用于調節輸出并提供過流保護。如下圖中采用同步開關模式降壓電源的電流測試電路。采用的IC控制器是一款具有逐周期限流功能的電流模式控制器件。測試電阻RS監測電流。

開關模式電源電流測試電阻（RS）

如下圖顯示了兩種情況下電感電流的示波器波形：

第一種情況使用電感電流能夠驅動的負載（紅線），而在第二種情況下，輸出短路（紫線）。

使用凌特的電源IC限流與折返示例，在供電軌上測量示意圖

最初，峰值電感電流由選定的電感值、電源開關導通時間、電路的輸入和輸出電壓以及負載電流設置（如圖中用“1”表示）。當電路短路時，電感電流迅速上升，直至達到限流點，即RS×IL（IL）等于最大電流測試電壓，以保護器件和下游電路（如圖中用“2”表示）。然后，內置電流折返限制（如圖中數字“3”）進一步降低電感電流，以將熱應力降至最低。

電流測試還有其他作用。在多相電源設計中，利用它能實現精確均流。

對于輕負載電源設計，它可以戒備電流反向流動，從而提高效率（反向電流指反向流過電感的電流，即從輸出到輸入的電流，這在某些使用中可能不合需要，甚至具破壞性）。另外，當多相使用的負載較小時，電流測試可用來減少所需的相數，從而提高電路效率。對于需要電流源的負載，電流測試可將電源轉換為恒流源，以用于LED驅動、電池充電和驅動激光器等等使用。

測試電阻放哪最適宜？

電流測試電阻的位置連同開關穩壓器架構決定了要測試的電流。測試的電流包括峰值電感電流、谷值電感電流（連續導通模式下電感電流的最小值）和均勻輸出電流。測試電阻的位置會影響功率損耗、噪聲計算以及測試電阻監控電路看到的共模電壓。我們在BUCK降壓低成本的LED背光使用中采用了均勻值電流測試辦法。

放置在降壓調節器高端

對于降壓調節器，電流測試電阻有多個位置可以放置。當放置在頂部MOSFET的高端時（如下圖所示），它會在頂部MOSFET導通時測試峰值電感電流，從而可用于峰值電流模式控制電源。但是，當頂部MOSFET關斷且底部MOSFET導通時，它不測量電感電流。

帶高端RSENSE的降壓轉換器

在這種配置中，電流測試可能有很高的噪聲，原由是頂部MOSFET的導通邊沿具有很強的開關電壓振蕩。為使這種影響最小，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）。這會限制最小開關導通時間，并且可能限制最小占空比（占空比＝VOUT／VIN）和最大轉換器降壓比。留意在高端配置中，電流信號可能位于非常大的共模電壓（VIN）之上。

放置在降壓調節器低端

如下圖中，測試電阻位于底部MOSFET下方。在這種配置中，它測試谷值模式電流。為了進一步降低功率損耗并節省元件成本，底部MOS－RDS（ON）可用來測試電流，而可以不必使用外部電流測試電阻RSENSE。

帶低端RSENSE的降壓轉換器

這種配置通常用于谷值模式控制的電源。它對噪聲可能也很敏感，但在這種情況下，它在占空比較大時很敏感。谷值模式控制的降壓轉換器支持高降壓比，但由于其開關導通時間是固定／受控的，故最大占空比有限。

降壓調節器與電感串聯

如下圖中，電流測試電阻RSENSE與電感串聯，因此可以測試連續電感電流，此電流可用于監測均勻電流以及峰值或谷值電流。所以，此配置支持峰值、谷值或均勻電流模式控制。

RSENSE與電感串聯

這種測試辦法可提供最佳的信噪比性能。外部RSENSE通常可提供非常準確的電流測試信號，以實現精確的限流和均流。但是，RSENSE也會引起額外的功率損耗和元件成本。為了減少功率損耗和成本，可以利用電感線圈直流電阻（DCR）測試電流，而不使用外部RSENSE。

放置在升壓和反相調節器的高端

對于升壓調節器，測試電阻可以與電感串聯，以提供高端測試（如下圖）。

帶高端RSENSE的升壓轉換器

升壓轉換器具有連續輸入電流，因此會萌生三角波形并繼續監測電流。

放置在升壓和反相調節器的低端

測試電阻也可以放在底部MOSFET的低端，如下圖所示。

此處監測峰值開關電流（也是峰值電感電流），每半個周期萌生一個電流波形。MOSFET開關愛換導致電流信號具有很強的開關噪聲。低成本的BOOST變換器基本都采用這種辦法，在LED背光控制中使用最為典型。

帶低端RSENSE的升壓轉換器

SENSE電阻放置在升降壓轉換器低端或與電感串聯

如下圖顯示了一個4開關升降壓轉換器，其測試電阻位于低端。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。在此電路中，測試電阻位于4開關H橋配置的底部。器件的模式（降壓模式或升壓模式）決定了監測的電流。

帶低端RSENSE的升壓轉換器

在降壓模式下（開關D一直導通，開關C一直關斷），測試電阻監測底部開關B電流，電源用作谷值電流模式降壓轉換器。

在升壓模式下（開關A一直導通，開關B一直關斷），測試電阻與底部MOSFET（C）串聯，并在電感電流上升時測量峰值電流。在這種模式下，由于不監測谷值電感電流，因此當電源處于輕負載狀態時，很難測試負電感電流。負電感電流意味著電能從輸出端傳回輸入端，但由于這種傳輸會有損耗，故效率會受損。對于電池供電系統等使用，輕負載效率很緊要，這種電流測試辦法不合需要。

如下圖的電路處理了這個問題，其將測試電阻與電感串聯，從而在降壓和升壓模式下均能連續測量電感電流信號。由于電流測試RSENSE連接到具有高開關噪聲的SW1節點，因此需要精心設計控制器IC，使內部電流比較器有足夠長的消隱時間。

升降壓轉換器，RSENSE與電感串聯

輸入端也可以添加額外的測試電阻，以實現輸入限流；或者添加在輸出端，用于電池充電或驅動LED等恒定輸出電流使用。這種情況下需要均勻輸入或輸出電流信號，因此可在電流測試路徑中增加一個強RC濾波器，以減少電流測試噪聲。

電流測試辦法使用說明

開關模式電源有三種常用電流測試辦法是：

使用測試電阻，

使用MOSFETRDS（ON），

以及使用電感的直流電阻（DCR）。

每種辦法都有優勢和缺點，選擇測試辦法時應予以考慮。

測試電阻電流傳感

作為電流測試元件的測試電阻，萌生的測試誤差最低（通常在1％和5％之間），溫度系數也非常低，約為100ppm／°C（0．01％）。在性能方面，它提供精度最高的電源，有助于實現極為精確的電源限流功能，并且在多個電源并聯時，還有利于實現精密均流。

RSENSE電流測試

另一方面，因為電源設計中增加了電流測試電阻，所以電阻也會萌生額外的功耗。因此，與其他測試技術相比，測試電阻電流監測技術可能有更高的功耗，導致處理方案整體效率有所下降。專用電流測試電阻也可能增加處理方案成本，雖然一個測試電阻的成本通常在0．05美元至0．20美元之間。

選擇測試電阻時不應忽略的另一個參數是其寄生電感（也稱為有效串聯電感或ESL）。測試電阻可以用一個電阻與一個有限電感串聯來正確模擬。

RSENSEESL模型

此電感取決于所選的特定測試電阻。某些類型的電流測試電阻，例如金屬板電阻，具有較低的ESL，應優先使用。相比之下，繞線測試電阻由于其封裝結構而具有較高的ESL，應避免使用。

一般來說，ESL效應會隨著電流的增加、測試信號幅度的減小以及布局不合理而變得更加分明。

電路的總電感還包括由元件引線和其他電路元件引起的寄生電感。電路的總電感也受到布局的影響，因此非得妥善考慮元件的布局，不恰當的布局可能影響穩定性并加劇現有電路設計問題。

測試電阻ESL的影響可能很輕微，也可能很嚴重。ESL會導致開關柵極驅動器發生分明振蕩，從而對開關導通萌生不利影響。它還會增加電流測試信號的紋波，導致波形中出現電壓階躍，而不是預期的如下圖所示的鋸齒波形。這會降低電流測試精度。

RSENSEESL可能會對電流測試萌生不利影響

為使電阻ESL最小，應避免使用具有長環路（如繞線電阻）或長引線（如厚膜插件電阻）的測試電阻。薄型表面貼裝器件是首選，例子包括板結構SMD尺寸0805、1206、2010和2512，更好的選擇包括倒幾何SMD尺寸0612和1225。

基于功率MOSFET的電流測試

利用MOSFETRDS（ON）進行電流測試，可以實現簡單且經濟高效的電流測試。如下是一款采用這種辦法的器件。它使用恒定導通時間谷值模式電流測試架構。頂部開關導通固定的時間，此后底部開關導通，其RDS壓降用于測試電流谷值或電流下限。PI的內置MOS的FLY結構也才用類似的辦法。

MOS－RDS（ON）電流測試

雖然價格低廉，但這種辦法有一些缺點。首先，其精度不高，RDS（ON）值可能在很大的范圍內變化（約莫33％或更多）。其溫度系數可能也非常大，在100°C以上時甚至會超過80％。另外，如果使用外部MOSFET，則非得考慮MOSFET寄生封裝電感。這種類型的測試不提議用于電流非常高的情況，特別是不適合多相電路，此類電路需要良好的相位均流。PI的小功率電源中已有使用。

電感DCR電流測試

電感直流電阻電流測試采用電感繞組的寄生電阻來測量電流，從而無需測試電阻。這樣可降低元件成本，提高電源效率。與MOS－RDS（ON）相比，銅線繞組的電感DCR的器件間偏差通常較小，不過依然會隨溫度而變化。它在低輸出電壓使用中受到酷愛，因為測試電阻上的任何壓降都代表輸出電壓的一個相當大部分。將一個RC網絡與電感和寄生電阻的串聯組合并聯，測試電壓在電容C1上測量（如下圖所示）。

電感DCR電流測試

通過選擇適當的元件（R1×C1＝L／DCR），電容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，最好選擇較低的R1值。

電路不筆直測量電感電流，因此無法測試電感飽和。推薦使用軟飽和的電感，如鐵粉芯電感。與同等鐵芯電感相比，此類電感的磁芯損耗通常較高。與RSENSE辦法相比，電感DCR測試不存在測試電阻的功率損耗，但可能會增加電感的磁芯損耗。

使用RSENSE和DCR兩種測試辦法時，由于測試信號較小，故均需要開爾文測試。非得讓開爾文測試痕跡（電路中的SENSE＋和SENSE－）遠離高噪聲覆銅區和其他信號痕跡，以將噪聲提取降至最低，這點很緊要。

某些器件具有溫度補償DCR測試功能，可提高整個溫度范圍內的精度。

如下表總結：電流測試辦法的優缺點

在表中提到的每種辦法都為開關模式電源提供額外的保護。

取決于設計要求，精度、效率、熱應力、保護和瞬態性能方面的權衡都可能影響選擇過程。電源設計人員需要審慎選擇電流測試辦法和功率電感，并正確設計電流測試網絡。

其他電流測試辦法

還有其他電流測試辦法可供使用。例如，電流測試互感器經常與隔離電源一起使用，以跨過隔離柵對電流信號信息提供保護。這種辦法通常比上述三種技術更昂貴。此外，近年來集成柵極驅動器（DrMOS）和電流測試的新型功率MOSFET也已出現，但到目前為止，還沒有足夠的數據來推斷DrMOS在測試信號的精度和質量方面表現狀況。

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