基于LTC7803方案的Rsense电阻电流采样

大规模集成电路的飞速发展使得电子产品的体积越来越小，促使了便携式电子产品如雨后春笋一般蓬勃发展，不断添加的新特征和能力，使得电子产品变得越来越复杂，作为电子设备运作的核心——电源就面临了越来越大的挑战。DC-DC电源管理芯片的高效率，低功耗等特性使得它在便携式电子设备市场中具有不可替代的地位，因此研究并改善DC-DC的性能具有很大的意义。 除了性能要满足供电产品的要求外，电源自身的保护措施也非常重要，过流保护即是防止DC-DC因过载或输出短路造成意外损坏的防护措施之一。而电流检测又是过流保护的重中之重。本文中首先分析了传统电流检测方法的功能及优缺点，在此基础上研究并提出了一种适用于电流控制模式的降压型DC-DC芯片的高性能的电流检测电路，可以及时探知电流大小，可靠地保护芯片。 本文所设计的电流检测电路包括电流采样电路和限流电路两部分，其中，电流采样部分是检测电路可靠工作的关键所在。电流采样是利用了差分放大器两个输入端的虚短特性，将一端与功率元件连接，则另一端输入就等于相应点的电压。采样电路使用了折叠式共源共栅差分电路作为采样放大器。并使用伸缩式串接差分电路构成两级比较器对采样信号进行比较。 利用CMOS工艺设计的电路容易缩减元件尺寸，增加MOSFETs的速度，而且功耗低、制作成本也低，本文的电流检测电路就采用了0.6μm的标准CMOS工艺设计，达到了较好的性能指标。利用Hspice仿真，证明了该电流检测电路的可行性和可靠性。而且此电路也适用于升压型和降—升压型DC-DC芯片的电流检测。

电源作为所有电子产品不可或缺的部分，起着非常重要的作用。如何提高功率密度以及产品功能特性(例如EMC、保护性能等)，成为不少半导体厂商需解决的问题。而近些年来，电子产品爆炸，起火等安全问题时有出现，电源安全也需要引起人们的高度重视。电源的保护特性，往往离不开电流电压检测的方式。

本文旨在介绍DC-DC(非特大功率应用)中几种比较常用的电流检测方式及其优点和缺点，当中包括三种DC-DC中比较常用的电流检测方式：

Rsense电阻检测

电感DCR检测

Mosfet Rdson检测

常用电流检测方式介绍

方式一: Rsense电阻检测

采用Rsense电阻检测的优点是合金电阻可以把温度系数降低到1PPM/℃。在高低温(比如-40℃到85℃或者125℃)的变化之下，电流检测出来的结果不会相差太大。

但缺点是合金电阻会带来一部分的损耗，同时对于输出大电流的应用(20A/30A)而言，每一个毫欧都能带来0.4W/0.9W的损耗，因此有时候需要多个合金电阻并联，此时会增加整个电源的面积。

如下图1是LTC7803方案使用Rsense电阻进行电流检测，对于输出电流I来说，则有检测的输出信号等于CF两端的电压Vcf，根据传递公式如下:

公式中，Rsense+S*ESL是整个检测电阻两端的电压(S=jw),

图 1 基于LTC7803方案的Rsense电阻电流采样

方式二: 电感DCR检测

采用DCR检测的优点是可以减小损耗，增加电源的效率。

缺点是电感的DCR温度系数一般是正温度系数，大约3900PPM/℃的变化率(如果是100℃温度的变化，就有39%的电流采样误差)。因此在高低温的环境下，可以直观地发现电源过流保护的保护点相差很大，如果需要抵消温度带来的影响，则需要增加温度补偿电路。

图2是LTC7803采用电感DCR去进行检测，对于输出电流I来说，检测的信号电压等于C1//R2之后两端的电压(也有的DCR采样部分是没有R2这个电阻)，根据传递公式可以得Vc1:

当(R1//R2)*C1=L/DCR时，Vc1=I*DCR*R2/(R1+R2)。

图 2 基于LTC7803方案的电感DCR电流采样这个传递函数是没有考虑DCR随温度变化的因素，假设温度升高，DCR增大，Vc1增大，但是门限不变，那么对应的过流保护点就会变小。

一些多相的设计会采用温度补偿电路去匹配，譬如比如NTC电路 (可以参考Intersil的ISL6334)，但是此时需要注意NTC电阻的放置的位置(需要尽量靠近电感放置)，另外选择NTC电阻的B值也要尽量去匹配电路。另外，也可以使用到采用图3，LTM4664 Module等类似的PSM电源方案，内部有2路的温度采样点(对应两路输出)，用内部的ADC去采样，由于功能全部集成，可以把温度采样点尽量接近电感。

图 3 LTM4664内部框图-输入30-58V输出0.5-1.5V/2X25A (详情请参考LTM4664数据手册第26页)

方式三: Mosfet Rdson检测

对于一部分集成Mosfet的DC-DC驱动器而言，由于是内部集成的Mosfet，可以知道其导通的电阻Rdson，则可以采样Rdson上的电压去计算管子上流过的电流。该检测的优点是集成方便，同时可以把方案的体积做小型点。

缺点就是Rdson也是正温度系数，而且Rdson不可能做到完全一致，因此过流保护点也会在一个范围内波动，如图4的LT8610的内部框图和图5的电气特性表。

图 4 LT8610内部框图/红色圈出部分为芯片内部电流采样的位置

图 5 LT8610上下管的过流点以及上下管的Rdson总结

本文主要介绍了三种DC-DC中比较常用的电流检测方式：Rsense电阻检测、电感DCR检测和Mosfet Rdson检测。此外，一些大电流的应用会采用霍尔检测电流去提高效率，来实现检测隔离;而一些新兴的产品会采用电流镜的方式去检测电流。 ADI-LT电源数据手册提供了详细的方案以及应用介绍，包括计算公式，实现的拓扑方式，以及布局Layout上的注意事项，是大家学习提升的好帮手。