【導讀】本文是係列文章中的第二篇，該係列文章將討論常見的開關模式電源(SMPS)的設計問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開關穩壓器的反饋級設計中麵臨的複雜難題，重點關注檢測電阻器(RSENSE)元件。RSENSE對於確保反饋網絡（負責維持輸出電壓）接(jie)收(shou)來(lai)自(zi)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)的(de)準(zhun)確(que)信(xin)號(hao)而(er)言(yan)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。失(shi)真(zhen)的(de)信(xin)號(hao)可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)電(dian)感(gan)紋(wen)波(bo)看(kan)起(qi)來(lai)比(bi)實(shi)際(ji)更(geng)大(da)或(huo)更(geng)小(xiao)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)反(fan)饋(kui)網(wang)絡(luo)出(chu)現(xian)意(yi)外(wai)行(xing)為(wei)。

問題

能否通過調整RSENSE值或移除RSENSE濾波元件來提高係統效率或減少元件數量
？

回答

如果選擇的RSENSE值過大或過小或者移除濾波，則可能會降低係統效率和噪聲性能。

摘要

本文是係列文章中的第二篇
，該係列文章將討論常見的開關模式電源(SMPS)的設計問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開關穩壓器的反饋級設計中麵臨的複雜難題，重點關注檢測電阻器(RSENSE)元件。RSENSE對於確保反饋網絡（負責維持輸出電壓）接(jie)收(shou)來(lai)自(zi)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)的(de)準(zhun)確(que)信(xin)號(hao)而(er)言(yan)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。失(shi)真(zhen)的(de)信(xin)號(hao)可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)電(dian)感(gan)紋(wen)波(bo)看(kan)起(qi)來(lai)比(bi)實(shi)際(ji)更(geng)大(da)或(huo)更(geng)小(xiao)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)反(fan)饋(kui)網(wang)絡(luo)出(chu)現(xian)意(yi)外(wai)行(xing)為(wei)。

簡介在本文中，降壓轉換器用於演示檢測電阻器尺寸不正確所帶來的影響，以及移除RSENSE濾波器元件時會發生什麼情況。有關降壓轉換器工作原理的詳細介紹，請參閱本係列的第一篇文章“開關模式電源電感器設計違規分析及其糾正措施”。檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)尺(chi)寸(cun)通(tong)常(chang)是(shi)不(bu)正(zheng)確(que)的(de)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)會(hui)試(shi)圖(tu)優(you)化(hua)效(xiao)率(lv)和(he)操(cao)作(zuo)
，而(er)尺(chi)寸(cun)不(bu)正(zheng)確(que)會(hui)導(dao)致(zhi)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。此(ci)外(wai)
，檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)濾(lv)波(bo)器(qi)元(yuan)件(jian)對(dui)於(yu)向(xiang)反(fan)饋(kui)架(jia)構(gou)提(ti)供(gong)準(zhun)確(que)信(xin)息(xi)而(er)言(yan)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，如(ru)果(guo)將(jiang)其(qi)移(yi)除(chu)，則(ze)可(ke)能(neng)會(hui)降(jiang)低(di)SMPS性能。

什麼是檢測電阻器？

從電感器出來的電流通過一個較小的檢測電阻器(RSENSE)轉換為電壓。這一點可以從圖1中看出。

圖1.簡化的原理圖
，展示降壓轉換器及其反饋係統的基本操作。該圖可以在應用筆記AN140中找到。

該(gai)電(dian)壓(ya)充(chong)當(dang)向(xiang)反(fan)饋(kui)邏(luo)輯(ji)發(fa)送(song)的(de)信(xin)號(hao)，用(yong)來(lai)調(tiao)整(zheng)輸(shu)出(chu)。為(wei)該(gai)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)選(xuan)擇(ze)正(zheng)確(que)的(de)值(zhi)對(dui)於(yu)確(que)保(bao)反(fan)饋(kui)邏(luo)輯(ji)接(jie)收(shou)到(dao)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)的(de)準(zhun)確(que)描(miao)述(shu)而(er)言(yan)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。此(ci)外(wai)，這(zhe)還(hai)可(ke)確(que)保(bao)RSENSE信號符合數據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複雜難題

shejirenyuankenenghuiweiletigaoxiaolverxuanzejianxiaojiancedianzuqidezhi。jiancedianzuqiyudianganqiheshuchuchuanlian
，yibianqijiankeyijiancesanjiaodiangandianliuboxingbingjiangqiyongzaifankuihuanluzhong。gaidianzuqizhongdegonglvsunhaocedingfangshiweiPloss = I2L × RSENSE。設she計ji人ren員yuan可ke以yi通tong過guo減jian小xiao檢jian測ce電dian阻zu器qi的de值zhi來lai略lve微wei提ti高gao其qi效xiao率lv。然ran而er，這zhe種zhong方fang法fa代dai價jia不bu菲fei。如ru果guo電dian阻zu器qi的de值zhi太tai小xiao，則ze來lai自zi檢jian測ce電dian阻zu器qi的de信xin號hao也ye會hui非fei常chang弱ruo。這zhe會hui導dao致zhi信xin噪zao比bi(SNR)變bian差cha，因yin為wei噪zao聲sheng的de幅fu度du會hui變bian得de接jie近jin轉zhuan換huan後hou的de電dian感gan電dian流liu信xin號hao。由you於yu信xin噪zao比bi變bian差cha，檢jian測ce電dian阻zu器qi無wu法fa再zai隔ge離li主zhu信xin號hao，從cong而er導dao致zhi輸shu出chu信xin號hao上shang產chan生sheng噪zao聲sheng。這zhe通tong常chang表biao現xian為wei輸shu出chu信xin號hao出chu現xian抖dou動dong
，如ru圖tu2所示。

圖2.輸出不穩定造成抖動。超小RSENSE輸出波形表現出持續特性。突出顯示的波形采用標稱RSENSE捕獲。

為了解決此問題，設計人員應根據以下公式選擇合適的RSENSE值：

其中Vsense(max)在器件的數據手冊中確定
，Imax是可汲取的最大負載電流。每個SMPS可以處理的最大電流(Imax)被定義為電感電流紋波的一半與平均負載電流之和，如圖3所示。

圖3.電感電流波形。

根據此公式選擇值可確保RSENSE值足夠大，足以充分捕獲電感電流紋波。如果設計人員很難選擇合適的值，則可以利用ADI公司的LTpowerCAD®計算RSENSE值並獲得建議值
，以確保正常工作。如果設計人員關心其設計的效率
，他們還可以利用LTpowerCAD中的功率損耗和效率選項卡來確定電路中的功率損耗來源（例如MOSFET開關損耗和電感器DCR損耗），並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(jian)測(ce)功(gong)能(neng)將(jiang)檢(jian)測(ce)電(dian)感(gan)器(qi)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)
，從(cong)而(er)以(yi)犧(xi)牲(sheng)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)為(wei)代(dai)價(jia)來(lai)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)。首(shou)選(xuan)方(fang)法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)，但(dan)如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)達(da)到(dao)峰(feng)值(zhi)效(xiao)率(lv)，可(ke)以(yi)對(dui)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)進(jin)行(xing)電(dian)感(gan)器(qi)DCR檢測。

超大檢測電阻器涉及的複雜難題

設計人員在設計SMPS時通常不會選擇超大的檢測電阻器。然而，布局問題會導致PCB走線產生電阻，將其與檢測電阻器的值相加會使總檢測電阻增加。通常，SMPSxinpianjuyoudianliuxianzhigongneng
，gaigongnengyoujiancedianzuqiliangduankechanshengdezuidadianyaqueding。dangchaoguogaizhishi，qijianjinruxianliumoshi
，bingqieshuchudianyakaishisuizhefuzaidianliudezengjiaerxiajiang。qijianbuzaitiaozhengshuchudianya。zheyidiankeyicongtu4中看出。

圖4.超大檢測電阻器的負載調整。該特定DC-DC轉換器的額定電流高達15 A，但使用超大檢測電阻器時會在4 A左右停止調整。

當(dang)電(dian)感(gan)器(qi)和(he)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)走(zou)線(xian)大(da)於(yu)所(suo)需(xu)的(de)長(chang)度(du)，或(huo)者(zhe)載(zai)流(liu)走(zou)線(xian)連(lian)接(jie)到(dao)芯(xin)片(pian)上(shang)的(de)檢(jian)測(ce)引(yin)腳(jiao)之(zhi)一(yi)時(shi)，通(tong)常(chang)會(hui)發(fa)生(sheng)這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)。由(you)於(yu)所(suo)選(xuan)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)在(zai)毫(hao)歐(ou)級(ji)，因(yin)此(ci)它(ta)對(dui)所(suo)增(zeng)加(jia)的(de)任(ren)何(he)電(dian)阻(zu)都(dou)很(hen)敏(min)感(gan)。可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)開(kai)爾(er)文(wen)連(lian)接(jie)來(lai)避(bi)免(mian)此(ci)問(wen)題(ti)，如(ru)圖(tu)5所示。

圖5.這是一個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。開爾文走線要細得多
，並且會盡可能靠近檢測電阻器以避免寄生電阻增加。這使VSENSE能夠準確表示檢測電阻器兩端的電壓。因此，當檢測電阻器由於缺乏正確的開爾文連接、走線太長或隻是由於所選值有誤而增加時，電流限製會由於VSENSE(MAX)能夠更快達到而在較低負載下觸發，從而導致負載調整能力變差。

什麼是等效串聯電感(ESL)？

寄生等效串聯電感(ESL)是表麵貼裝器件(SMD)電阻器的固有特性。由於檢測電阻器的值較低（毫歐級）
，ESL會對檢測架構帶來顯著的影響。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。設計人員並沒有意識到省略這些元件有什麼好處，但可能會為了減小BOM尺寸、降低成本或可能隻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計算：

VESL(step)是檢測電阻器兩端的附加電壓。濾波器需要產生一個RC時間常數，該常數等於或小於計算出的檢測電阻器時間常數(ESL/R)。移除濾波器後

，檢測電阻器將表現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.這是移除濾波器補償係統後的RSENSE信號。

此外，由於輸出紋波增加，器件錯誤地認為它已在較低額定負載下達到其內部電流限製
，因此會導致負載調整能力變差。

圖7.移除濾波器補償係統後電源的負載調整。該特定器件的額定電流高達15 A，但在12 A時停止調整。

該問題可以通過添加適當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.建議的濾波器補償RC規格。源自LTC3855數據手冊。

這樣做之後

，傳送到檢測架構的電壓將會增加。與不帶濾波器的檢測電阻器兩端的信號相比，很明顯
，RC濾波器對信號進行了平滑處理
，而且消除了ESL階躍。正如預期的那樣
，感應尖峰將消失
，波形將呈三角形。這一點可以從圖9中看出。

圖9.這是帶濾波器補償係統時的RSENSE信號。該信號是在濾波電容器兩端測量的，因為它既是濾波器的輸出信號，又是進入反饋係統的信號。

結論

benwenkezuoweifenxijiangyazhuanhuanqizhongjiancedianzuqishejiwentidezhinan。ciwai，benwenhaiweishejirenyuantigongleshiyongjiejuefangan，yibimianchuxianwenzhongsuoshuderenheganraoxingwei。jinguanjiancedianzuqijingchangbeihushi，danqichicunduiyuzaifuzaibianhuashibaochiwendingdeshuchudianyazhiguanzhongyao。ruguoweileshengdianerxuanzechicunbuheshidejiancedianzuqi，huozhebukaolvbujudianzuqijishengxiaoying，zekenenghuidaozhizhenggexitongdexingnengxiajiang。ciwai
，hulvejiancedianzuqilvboyuanjianjiangdaozhixiangjiancejiagoufankuidexinhaobuzhunque
，erqiehuijinyibujiangdixitongxingneng。

（來源：ADI公司，作者：Abe Ibraheim，核心應用部實習生，Kenneth Armijo
，核心應用部工程師，Piyu Dhaker，資深工程師）

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