开关电源中电流检测的原理及实现方法分析

在阅读开关电源芯片手册时，经常会看到这样的特性描述“short-circuit protect”或者“current limitation”，即电源芯片具有短路保护或者限流功能；而且，在电气参数列表中往往还会看到限流值。若电源芯片具备上述特点，那必定离不开电流检测功能。

电流检测是开关电源设计的重要组成部分，其具有调节输出和限流保护功能；而且，电流检测电路具有高可靠性、回路补偿简单、负载分担能力好等特点，因此被广泛应用在开关电源中。

因此，这篇博文就来分析一下开关电源中电流检测的原理及实现方法。

一、电流检测的基本原理

以 Buck 降压型电路为例，LTC3855 同步开关降压电源的电流检测电路如图 1 所示。

LTC3855 是一种电流模式控制器件，具有循环限流功能。通过电阻 Rs 检测负载电流。

上述电路对应的测试波形如图 2 所示。

其中，绿线表示 Top MOSFET 的栅极电压信号，紫线表示输出电压，红线表示电感电流。

初始阶段，电感电流的峰值是固定的，即由给定的电感值、Top MOSFET 导通时间、电路的输入输出电压和负载电流决定（图 2 中 1 代表的区间）。 当施加短路时，电感电流迅速上升，直到检测电阻 Rs 上的压降（Rs * I_L）等于限定电压时达到电流极限，从而保护器件和下游电路(图 2 中 2 的位置)。 之后，内置的电流反馈限制进一步降低电感电流(图 2 中 3 代表的区间)，以最小化热应力。

除此之外，开关电源中的电流检测功能还有其他用途：

1）在多相电源设计中，重载时，可以精确分配各相电源电流；轻载时，可以减少电源输出路数，从而提高效率，也可以防止电流回流造成的效率降低。

2）对于需要电流源的负载，电流检测可以将电压源转换为恒流源，用于 LED 驱动、电池充电和驱动激光器等应用。

二、电流检测电路中感应电阻的位置

上述示例是将感应电阻放在靠近负载端，通过检测感应电阻的压降间接获取检测电流，当然，感应电阻的位置也不仅局限于放在负载端，也可以放在 Top MOSFET 的上面或者 Bottom MOSFET 的下面。感应电阻的位置会影响开关电源的功率损耗、噪声计算和共模电压。接下来，将分别分析感应电阻在 Buck 变换器、Boost 变换器和 Buck-Boost 变换器中的位置及相应影响。

2.1 Buck 降压型开关电源中感应电阻的位置

对于 Buck 降压型开关电源，电流感应电阻可以放置在几个位置。

（1）感应电阻放在 Top MOSFET 的上面

当 Top MOSFET 导通时，其检测电感的峰值电流；当 Top MOSFET 断开或者 Bottom MOSFET 导通时，其不检测电感电流。因此可以用于控制峰值电流模式的电源。如图 3 所示。

在这种配置模式下，由于 Top MOSFET 导通瞬间会存在电压振铃，因此检测电流可能会存在噪声。为了减少这种影响，检测电流比较器需要一定的消隐时间(即比较器忽略输入的时间)。但是这就限制了 Top MOSFET 的最小导通时间，即通过限制最小占空比（D = V_OUT/V_IN）或最大 V_IN/V_OUT压降比来实现。另外，需要注意，检测电流的共模电压是建立在 V_IN之上。

（2）感应电阻放在 Bottom MOSFET 的下面

当 Bottom MOSFET 导通时，其检测电感的谷值电流。当 Bottom MOSFET 断开或者 Top MOSFET 导通时，其不检测电感电流。因此可以用于控制谷值电流模式的电源。如图 4 所示。

这种配置模式也对噪声敏感，但是其限制了 Bottom MOSFET 的最小导通时间，即限定了最大占空比（D = V_OUT/V_IN）或者最小 V_IN/V_OUT压降比。

另外，为了进一步降低功耗和节约元件成本，可以采用 Bottom MOSFET 的 R_DS(ON)代替感应电阻，用于检测电流。

（3）感应电阻与电感串联

这种配置模式可以检测电感的连续电流，即可以检测电感峰值电流、谷值电流和平均电流。相应地，这种配置可以用于控制峰值、谷值或平均电流模式的电源。如图 5 所示。

这种配置模式具有最佳的信噪比性能，能够提供非常精确的检测电流。

同样，为了降低功耗和成本，可以采用电感线圈的直流电阻(DCR)代替感应电阻，用于检测电流。

2.2 Boost 变换器中感应电阻的位置

（1）感应电阻放在 Top MOSFET 的上面

对于 Boost 变换器来说，因为电感电流的输入是连续的，所以检测电流是三角波。

（2）感应电阻放在 Bottom MOSFET 的下面

这种配置模式可以检测电感的峰值电流。另外，需要注意，由于感应电阻与 Bottom MOSFET 串联，所以会带来一定的传导损耗。为了降低功率损耗和成本，可以采用 Bottom MOSFET 的导通电阻代替感应电阻。

2.3 Boost 和 Buck-boost 变换器（H 桥式）中感应电阻的位置

（1）感应电阻放在 4 个 MOSFET 的下面

下面是 H 桥变换器的电路，感应电阻仿在了 4 个 MOSFET 的下面。如图 8 所示。

当 MOSFET A 常导通 MOSFET B 常断开时，电感 L、MOSFET C 和 D 就组成了 boost 变换器，感应电阻用于检测电感电流的谷值。

当 MOSFET D 常导通 MOSFET C 常断开时，电感 L、MOSFET A 和 B 就组成了 buck 变换器，感应电阻用于检测电感电流的峰值。由于检测不到谷值电流，所以在轻载时，效率会降低，不适用于低功耗场景。

（2）感应电阻与电感串联

分析方法类似。

另外，根据实际应用需求，也可以在开关电源的输入端或者输出端设置电流检测电路。

三、三种实现开关电源电流检测的方法

上述默认都是使用感应电阻的方式来实现电流检测，为了降低功耗和成本，也可以使用 MOSFET 的导通电阻或者电感的等效电阻来实现电流检测，这 3 种方法各有优缺点。

3.1 电阻

优点：采用电阻实现电流检测时，要注意电阻的容差（1%或更低）和温度系数（100ppm/°C），因为高精度的电阻可以提高开关电源电流检测的精度和稳定性，在多相电源时，还可以均衡各相电源的输出。

缺点：电阻会引入功率损耗和物料成本，另外，电阻的寄生电感还会增加检测电流的纹波，降低了电流检测精度。如图 11 和图 12 所示。

因此，为了减少电阻的寄生电感，应采用表贴式的薄膜金属电感，例如 0805,1206, 2010, 2512 封装的电阻。

3.2 MOSFET 导通电阻

借助 MOSFET 的导通电阻作为感应电阻是一种比较简单和低成本的方法，LTC3878 的电路即是采用这种方法，如图 13 所示。

当 Bottom MOSFET 导通时，检测其导通电阻压降，进而检测电感的谷值电流。

但是，这种方法具有以下缺点：

（1）MOSFET 导通电阻的容差范围比较大，多达 33%；

（2）MOSFET 导通电阻的温度系数较差，在 100℃时，阻值可增加 80%；

（3）因为 MOSFET 是分立器件（相较于集成在控制器内部），所以，会引入寄生电感；

因此，这种方法并不适用于高输出电流的场合，尤其是多相输出的电源。

3.3 电感的等效电阻

借助电感的等效电阻作为感应电阻也是一种简单和低成本的方法，同时也提高了开关电源效率。相对于 MOSFET 的导通电阻，电感的等效电阻的容差较小，但是温度系数仍然较差。具体检测方法，是将 RC 网络并联在电感两端，并检测电容两端的压差，如图 14 所示。

根据时间常数公式：

R1*C1 = L/DCR

电容两端电压正比于电感电流。

为了降低检测误差和噪声，电阻 R 的阻值应较小。

由于该方法不直接测量电感电流，因此检测不到电感电流饱和。 所以，电感要有一个“软饱和”，推荐使用铁芯功率电感，这种电感通常比同类的铁氧体电感具有更高的磁心损耗。 与感应电阻方法相比，电感 DCR 传感消除了传感电阻的功率损耗，但可能会增加电感磁芯损耗。

无论是采用感应电阻还是电感等效电阻的方法，都要检测温度，即通过温度补偿的方法提高电流检测精度。

3.4 三种电流检测方法对比

三种电流检测方法的测试数据如图 15 所示，从中可以看出各个方法的优缺点。

这三种方法都为开关电源提供了额外的保护，在设计开关电源时，根据设计要求，应权衡精度、效率、热应力、保护和瞬态性能等方面的要求。

3.5 其他电流检测的方法

（1）变压器，往往和隔离开关电源一起使用，但是成本要大很多；

（2）带有集成栅极驱动器(DrMOS)的新型功率 MOSFET，同时也集成了电流检测功能，但是目前还不够成熟。

参考文章

• Switch Mode Power Supply Current Sensing—Part 1: The Basics
• Switch Mode Power Supply Current Sensing – Part 2: Where to Place the Sense Resistor
• Switch Mode Power Supply Current Sensing – Part 3: Current Sensing Methods

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