開關(guān)模式電源問題分析及其糾正措施：檢測電阻器違規(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)注檢測電阻器(R_SENSE)元件。R_SENSE對于確保反饋網(wǎng)絡(luò)（負(fù)責(zé)維持輸出電壓）接收來自電感電流的準(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。

簡介

在本文中，降壓轉(zhuǎn)換器用于演示檢測電阻器尺寸不正確所帶來的影響，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，檢測電阻器濾波器元件對于向反饋架構(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。

什么是檢測電阻器？

從電感器出來的電流通過一個(gè)較小的檢測電阻器(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)，用來調(diào)整輸出。為該檢測電阻器選擇正確的值對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)手冊中檢測電阻器兩端的絕對最大差分電壓。

超小檢測電阻器涉及的復(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電阻器的值。檢測電阻器與電感器和輸出串聯(lián)，以便器件可以檢測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定方式為P_loss = I²L × R_SENSE。設(shè)計(jì)人員可以通過減小檢測電阻器的值來略微提高其效率。然而，這種方法代價(jià)不菲。如果電阻器的值太小，則來自檢測電阻器的信號(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，檢測電阻器無法再隔離主信號(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)卡來確定電路中的功率損耗來源（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糾正這些損耗。此外，如果器件具有電感器DCR檢測功能，則可以省略檢測電阻器，電感器DCR檢測功能將檢測電感器兩端的電壓，從而以犧牲可靠性和噪聲性能為代價(jià)來提高效率。首選方法是使用檢測電阻器，但如果需要達(dá)到峰值效率，可以對電流波形進(jìn)行電感器DCR檢測。

超大檢測電阻器涉及的復(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，將其與檢測電阻器的值相加會(huì)使總檢測電阻增加。通常，SMPS芯片具有電流限制功能，該功能由檢測電阻器兩端可產(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)電感器和檢測電阻器之間的走線大于所需的長度，或者載流走線連接到芯片上的檢測引腳之一時(shí)，通常會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。由于所選檢測電阻器在毫歐級(jí)，因此它對所增加的任何電阻都很敏感?？梢酝ㄟ^開爾文連接來避免此問題，如圖5所示。

圖5 這是一個(gè)正確的開爾文連接示例

檢測走線來自檢測電阻器，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)確表示檢測電阻器兩端的電壓。因此，當(dāng)檢測電阻器由于缺乏正確的開爾文連接、走線太長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。由于檢測電阻器的值較低（毫歐級(jí)），ESL會(huì)對檢測架構(gòu)帶來顯著的影響。因此，為了消除寄生ESL所帶來的影響，必須在檢測走線中添加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)算出的檢測電阻器時(shí)間常數(shù)(ESL/R)。移除濾波器后，檢測電阻器將表現(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

這樣做之后，傳送到檢測架構(gòu)的電壓將會(huì)增加。與不帶濾波器的檢測電阻器兩端的信號(hào)相比，很明顯，RC濾波器對信號(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。盡管檢測電阻器經(jīng)常被忽視，但其尺寸對于在負(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，忽略檢測電阻器濾波元件將導(dǎo)致向檢測架構(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。