開關(guān)模式電源問題分析及其糾正措施：檢測(cè)電阻器違規(guī)

問題

能否通過調(diào)整R_SENSE值或移除R_SENSE濾波元件來(lái)提高系統(tǒng)效率或減少元件數(shù)量？

回答

如果選擇的R_SENSE值過大或過小或者移除濾波，則可能會(huì)降低系統(tǒng)效率和噪聲性能。

摘要

本文是系列文章中的第二篇，該系列文章將討論常見的開關(guān)模式電源(SMPS)的設(shè)計(jì)問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋級(jí)設(shè)計(jì)中面臨的復(fù)雜難題，重點(diǎn)關(guān)注檢測(cè)電阻器(R_SENSE)元件。R_SENSE對(duì)于確保反饋網(wǎng)絡(luò)（負(fù)責(zé)維持輸出電壓）接收來(lái)自電感電流的準(zhǔn)確信號(hào)而言至關(guān)重要。失真的信號(hào)可能會(huì)使電感紋波看起來(lái)比實(shí)際更大或更小，從而導(dǎo)致反饋網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)意外行為。

簡(jiǎn)介

在本文中，降壓轉(zhuǎn)換器用于演示檢測(cè)電阻器尺寸不正確所帶來(lái)的影響，以及移除R_SENSE濾波器元件時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。有關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器工作原理的詳細(xì)介紹，請(qǐng)參閱本系列的第一篇文章“開關(guān)模式電源電感器設(shè)計(jì)違規(guī)分析及其糾正措施”。檢測(cè)電阻器的尺寸通常是不正確的，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員會(huì)試圖優(yōu)化效率和操作，而尺寸不正確會(huì)導(dǎo)致性能下降。此外，檢測(cè)電阻器濾波器元件對(duì)于向反饋架構(gòu)提供準(zhǔn)確信息而言至關(guān)重要，如果將其移除，則可能會(huì)降低SMPS性能。

什么是檢測(cè)電阻器？

從電感器出來(lái)的電流通過一個(gè)較小的檢測(cè)電阻器(R_SENSE)轉(zhuǎn)換為電壓。這一點(diǎn)可以從圖1中看出。

圖1 簡(jiǎn)化的原理圖，展示降壓轉(zhuǎn)換器及其反饋系統(tǒng)的基本操作。該圖可以在應(yīng)用筆記AN140中找到

該電壓充當(dāng)向反饋邏輯發(fā)送的信號(hào)，用來(lái)調(diào)整輸出。為該檢測(cè)電阻器選擇正確的值對(duì)于確保反饋邏輯接收到電感電流的準(zhǔn)確描述而言至關(guān)重要。此外，這還可確保R_SENSE信號(hào)符合數(shù)據(jù)手冊(cè)中檢測(cè)電阻器兩端的絕對(duì)最大差分電壓。

超小檢測(cè)電阻器涉及的復(fù)雜難題

設(shè)計(jì)人員可能會(huì)為了提高效率而選擇減小檢測(cè)電阻器的值。檢測(cè)電阻器與電感器和輸出串聯(lián)，以便器件可以檢測(cè)三角電感電流波形并將其用在反饋環(huán)路中。該電阻器中的功率損耗測(cè)定方式為P_loss = I²L × R_SENSE。設(shè)計(jì)人員可以通過減小檢測(cè)電阻器的值來(lái)略微提高其效率。然而，這種方法代價(jià)不菲。如果電阻器的值太小，則來(lái)自檢測(cè)電阻器的信號(hào)也會(huì)非常弱。這會(huì)導(dǎo)致信噪比(SNR)變差，因?yàn)樵肼暤姆葧?huì)變得接近轉(zhuǎn)換后的電感電流信號(hào)。由于信噪比變差，檢測(cè)電阻器無(wú)法再隔離主信號(hào)，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)上產(chǎn)生噪聲。這通常表現(xiàn)為輸出信號(hào)出現(xiàn)抖動(dòng)，如圖2所示。

圖2 輸出不穩(wěn)定造成抖動(dòng)。超小R_SENSE輸出波形表現(xiàn)出持續(xù)特性。突出顯示的波形采用標(biāo)稱R_SENSE捕獲

為了解決此問題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)以下公式選擇合適的R_SENSE值：

其中V_sense(max)在器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中確定，I_max是可汲取的最大負(fù)載電流。每個(gè)SMPS可以處理的最大電流(I_max)被定義為電感電流紋波的一半與平均負(fù)載電流之和，如圖3所示。

圖3 電感電流波形

根據(jù)此公式選擇值可確保R_SENSE值足夠大，足以充分捕獲電感電流紋波。如果設(shè)計(jì)人員很難選擇合適的值，則可以利用ADI公司的LTpowerCAD^?計(jì)算R_SENSE值并獲得建議值，以確保正常工作。如果設(shè)計(jì)人員關(guān)心其設(shè)計(jì)的效率，他們還可以利用LTpowerCAD中的功率損耗和效率選項(xiàng)卡來(lái)確定電路中的功率損耗來(lái)源（例如MOSFET開關(guān)損耗和電感器DCR損耗），并通過選擇更高效的器件來(lái)糾正這些損耗。此外，如果器件具有電感器DCR檢測(cè)功能，則可以省略檢測(cè)電阻器，電感器DCR檢測(cè)功能將檢測(cè)電感器兩端的電壓，從而以犧牲可靠性和噪聲性能為代價(jià)來(lái)提高效率。首選方法是使用檢測(cè)電阻器，但如果需要達(dá)到峰值效率，可以對(duì)電流波形進(jìn)行電感器DCR檢測(cè)。

超大檢測(cè)電阻器涉及的復(fù)雜難題

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)SMPS時(shí)通常不會(huì)選擇超大的檢測(cè)電阻器。然而，布局問題會(huì)導(dǎo)致PCB走線產(chǎn)生電阻，將其與檢測(cè)電阻器的值相加會(huì)使總檢測(cè)電阻增加。通常，SMPS芯片具有電流限制功能，該功能由檢測(cè)電阻器兩端可產(chǎn)生的最大電壓確定。當(dāng)超過該值時(shí)，器件進(jìn)入限流模式，并且輸出電壓開始隨著負(fù)載電流的增加而下降。器件不再調(diào)整輸出電壓。這一點(diǎn)可以從圖4中看出。

圖4 超大檢測(cè)電阻器的負(fù)載調(diào)整。該特定DC-DC轉(zhuǎn)換器的額定電流高達(dá)15 A，但使用超大檢測(cè)電阻器時(shí)會(huì)在4 A左右停止調(diào)整

當(dāng)電感器和檢測(cè)電阻器之間的走線大于所需的長(zhǎng)度，或者載流走線連接到芯片上的檢測(cè)引腳之一時(shí)，通常會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。由于所選檢測(cè)電阻器在毫歐級(jí)，因此它對(duì)所增加的任何電阻都很敏感?？梢酝ㄟ^開爾文連接來(lái)避免此問題，如圖5所示。

圖5 這是一個(gè)正確的開爾文連接示例

檢測(cè)走線來(lái)自檢測(cè)電阻器，它與PCB焊盤和載流走線分離。開爾文走線要細(xì)得多，并且會(huì)盡可能靠近檢測(cè)電阻器以避免寄生電阻增加。這使V_SENSE能夠準(zhǔn)確表示檢測(cè)電阻器兩端的電壓。因此，當(dāng)檢測(cè)電阻器由于缺乏正確的開爾文連接、走線太長(zhǎng)或只是由于所選值有誤而增加時(shí)，電流限制會(huì)由于V_SENSE(MAX)能夠更快達(dá)到而在較低負(fù)載下觸發(fā)，從而導(dǎo)致負(fù)載調(diào)整能力變差。

什么是等效串聯(lián)電感(ESL)？

寄生等效串聯(lián)電感(ESL)是表面貼裝器件(SMD)電阻器的固有特性。由于檢測(cè)電阻器的值較低（毫歐級(jí)），ESL會(huì)對(duì)檢測(cè)架構(gòu)帶來(lái)顯著的影響。因此，為了消除寄生ESL所帶來(lái)的影響，必須在檢測(cè)走線中添加RC濾波器。設(shè)計(jì)人員并沒有意識(shí)到省略這些元件有什么好處，但可能會(huì)為了減小BOM尺寸、降低成本或可能只是忘了包含這些元件而省略它們。

ESL不僅包含檢測(cè)電阻器寄生電感，而且還包含由電路板布局和走線引起的總電感。ESL可通過公式3計(jì)算：

V_ESL(step)是檢測(cè)電阻器兩端的附加電壓。濾波器需要產(chǎn)生一個(gè)RC時(shí)間常數(shù)，該常數(shù)等于或小于計(jì)算出的檢測(cè)電阻器時(shí)間常數(shù)(ESL/R)。移除濾波器后，檢測(cè)電阻器將表現(xiàn)出與其電阻特性疊加的電感特性。這些可以通過檢測(cè)電阻器波形上的尖峰（電壓階躍）觀察到，如圖6所示。

圖6 這是移除濾波器補(bǔ)償系統(tǒng)后的R_SENSE信號(hào)

此外，由于輸出紋波增加，器件錯(cuò)誤地認(rèn)為它已在較低額定負(fù)載下達(dá)到其內(nèi)部電流限制，因此會(huì)導(dǎo)致負(fù)載調(diào)整能力變差。

圖7 移除濾波器補(bǔ)償系統(tǒng)后電源的負(fù)載調(diào)整。該特定器件的額定電流高達(dá)15 A，但在12 A時(shí)停止調(diào)整

該問題可以通過添加適當(dāng)尺寸的濾波器來(lái)解決。該濾波器可以通過圖8所示的公式確定。

圖8 建議的濾波器補(bǔ)償RC規(guī)格。源自LTC3855數(shù)據(jù)手冊(cè)

這樣做之后，傳送到檢測(cè)架構(gòu)的電壓將會(huì)增加。與不帶濾波器的檢測(cè)電阻器兩端的信號(hào)相比，很明顯，RC濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行了平滑處理，而且消除了ESL階躍。正如預(yù)期的那樣，感應(yīng)尖峰將消失，波形將呈三角形。這一點(diǎn)可以從圖9中看出。

圖9 這是帶濾波器補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)的R_SENSE信號(hào)。該信號(hào)是在濾波電容器兩端測(cè)量的，因?yàn)樗仁菫V波器的輸出信號(hào)，又是進(jìn)入反饋系統(tǒng)的信號(hào)

結(jié)論

本文可作為分析降壓轉(zhuǎn)換器中檢測(cè)電阻器設(shè)計(jì)問題的指南。此外，本文還為設(shè)計(jì)人員提供了實(shí)用解決方案，以避免出現(xiàn)文中所述的任何干擾行為。盡管檢測(cè)電阻器經(jīng)常被忽視，但其尺寸對(duì)于在負(fù)載變化時(shí)保持穩(wěn)定的輸出電壓至關(guān)重要。如果為了省電而選擇尺寸不合適的檢測(cè)電阻器，或者不考慮布局電阻器寄生效應(yīng)，則可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能下降。此外，忽略檢測(cè)電阻器濾波元件將導(dǎo)致向檢測(cè)架構(gòu)反饋的信號(hào)不準(zhǔn)確，而且會(huì)進(jìn)一步降低系統(tǒng)性能。

關(guān)于作者

Abe Ibraheim是核心應(yīng)用部的實(shí)習(xí)生，于2023年夏加入ADI公司。Abe是伍斯特理工學(xué)院一名大三學(xué)生，正在攻讀電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士和碩士學(xué)位。他的專業(yè)方向是微電子和電力系統(tǒng)。

Kenneth Armijo于2022年加入ADI公司，擔(dān)任核心應(yīng)用部助理工程師。他擁有伍斯特理工學(xué)院電氣工程和機(jī)器人工程兩個(gè)學(xué)士學(xué)位，還擁有電氣工程碩士學(xué)位。他專注于電源管理電路（主要是開關(guān)穩(wěn)壓器）的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

Piyu Dhaker是ADI公司北美核心應(yīng)用部的一名應(yīng)用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位。2017年6月加入北美核心應(yīng)用部。她還曾在ADI的汽車動(dòng)力總成部和電源管理部工作。