开关模式电源问题分析及其纠正措施：检测电阻器违规

作者：Abe Ibraheim，核心应用部实习生，
Kenneth Armijo，核心应用部工程师，
Piyu Dhaker，资深工程师
ADI公司

问题
能否通过调整RSENSE值或移除RSENSE滤波元件来提高系统效率或减少元件数量？



回答
如果选择的RSENSE值过大或过小或者移除滤波，则可能会降低系统效率和噪声性能。

摘要
本文是系列文章中的第二篇，该系列文章将讨论常见的开关模式电源(SMPS)的设计问题及其纠正方案。本文旨在解决DC-DC开关稳压器的反馈级设计中面临的复杂难题，重点关注检测电阻器(RSENSE)元件。RSENSE对于确保反馈网络（负责维持输出电压）接收来自电感电流的准确信号而言至关重要。失真的信号可能会使电感纹波看起来比实际更大或更小，从而导致反馈网络出现意外行为。

简介
在本文中，降压转换器用于演示检测电阻器尺寸不正确所带来的影响，以及移除RSENSE滤波器元件时会发生什么情况。有关降压转换器工作原理的详细介绍，请参阅本系列的第一篇文章“开关模式电源电感器设计违规分析及其纠正措施”。检测电阻器的尺寸通常是不正确的，这是因为设计人员会试图优化效率和操作，而尺寸不正确会导致性能下降。此外，检测电阻器滤波器元件对于向反馈架构提供准确信息而言至关重要，如果将其移除，则可能会降低SMPS性能。

什么是检测电阻器？

从电感器出来的电流通过一个较小的检测电阻器(RSENSE)转换为电压。这一点可以从图1中看出。


图1.简化的原理图，展示降压转换器及其反馈系统的基本操作。该图可以在应用笔记AN140中找到。

该电压充当向反馈逻辑发送的信号，用来调整输出。为该检测电阻器选择正确的值对于确保反馈逻辑接收到电感电流的准确描述而言至关重要。此外，这还可确保RSENSE信号符合数据手册中检测电阻器两端的绝对最大差分电压。

超小检测电阻器涉及的复杂难题

设计人员可能会为了提高效率而选择减小检测电阻器的值。检测电阻器与电感器和输出串联，以便器件可以检测三角电感电流波形并将其用在反馈环路中。该电阻器中的功率损耗测定方式为Ploss = I2L × RSENSE。设计人员可以通过减小检测电阻器的值来略微提高其效率。然而，这种方法代价不菲。如果电阻器的值太小，则来自检测电阻器的信号也会非常弱。这会导致信噪比(SNR)变差，因为噪声的幅度会变得接近转换后的电感电流信号。由于信噪比变差，检测电阻器无法再隔离主信号，从而导致输出信号上产生噪声。这通常表现为输出信号出现抖动，如图2所示。


图2.输出不稳定造成抖动。超小RSENSE输出波形表现出持续特性。突出显示的波形采用标称RSENSE捕获。

为了解决此问题，设计人员应根据以下公式选择合适的RSENSE值：



其中Vsense(max)在器件的数据手册中确定，Imax是可汲取的最大负载电流。每个SMPS可以处理的最大电流(Imax)被定义为电感电流纹波的一半与平均负载电流之和，如图3所示。




图3.电感电流波形。

根据此公式选择值可确保RSENSE值足够大，足以充分捕获电感电流纹波。如果设计人员很难选择合适的值，则可以利用ADI公司的LTpowerCAD®计算RSENSE值并获得建议值，以确保正常工作。如果设计人员关心其设计的效率，他们还可以利用LTpowerCAD中的功率损耗和效率选项卡来确定电路中的功率损耗来源（例如MOSFET开关损耗和电感器DCR损耗），并通过选择更高效的器件来纠正这些损耗。此外，如果器件具有电感器DCR检测功能，则可以省略检测电阻器，电感器DCR检测功能将检测电感器两端的电压，从而以牺牲可靠性和噪声性能为代价来提高效率。首选方法是使用检测电阻器，但如果需要达到峰值效率，可以对电流波形进行电感器DCR检测。

超大检测电阻器涉及的复杂难题

设计人员在设计SMPS时通常不会选择超大的检测电阻器。然而，布局问题会导致PCB走线产生电阻，将其与检测电阻器的值相加会使总检测电阻增加。通常，SMPS芯片具有电流限制功能，该功能由检测电阻器两端可产生的最大电压确定。当超过该值时，器件进入限流模式，并且输出电压开始随着负载电流的增加而下降。器件不再调整输出电压。这一点可以从图4中看出。


图4.超大检测电阻器的负载调整。该特定DC-DC转换器的额定电流高达15 A，但使用超大检测电阻器时会在4 A左右停止调整。

当电感器和检测电阻器之间的走线大于所需的长度，或者载流走线连接到芯片上的检测引脚之一时，通常会发生这种现象。由于所选检测电阻器在毫欧级，因此它对所增加的任何电阻都很敏感。可以通过开尔文连接来避免此问题，如图5所示。


图5.这是一个正确的开尔文连接示例。

检测走线来自检测电阻器，它与PCB焊盘和载流走线分离。开尔文走线要细得多，并且会尽可能靠近检测电阻器以避免寄生电阻增加。这使VSENSE能够准确表示检测电阻器两端的电压。因此，当检测电阻器由于缺乏正确的开尔文连接、走线太长或只是由于所选值有误而增加时，电流限制会由于VSENSE(MAX)能够更快达到而在较低负载下触发，从而导致负载调整能力变差。

什么是等效串联电感(ESL)？

寄生等效串联电感(ESL)是表面贴装器件(SMD)电阻器的固有特性。由于检测电阻器的值较低（毫欧级），ESL会对检测架构带来显著的影响。因此，为了消除寄生ESL所带来的影响，必须在检测走线中添加RC滤波器。设计人员并没有意识到省略这些元件有什么好处，但可能会为了减小BOM尺寸、降低成本或可能只是忘了包含这些元件而省略它们。

ESL不仅包含检测电阻器寄生电感，而且还包含由电路板布局和走线引起的总电感。ESL可通过公式3计算：



VESL(step)是检测电阻器两端的附加电压。滤波器需要产生一个RC时间常数，该常数等于或小于计算出的检测电阻器时间常数(ESL/R)。移除滤波器后，检测电阻器将表现出与其电阻特性叠加的电感特性。这些可以通过检测电阻器波形上的尖峰（电压阶跃）观察到，如图6所示。


图6.这是移除滤波器补偿系统后的RSENSE信号。

此外，由于输出纹波增加，器件错误地认为它已在较低额定负载下达到其内部电流限制，因此会导致负载调整能力变差。


图7.移除滤波器补偿系统后电源的负载调整。该特定器件的额定电流高达15 A，但在12 A时停止调整。

该问题可以通过添加适当尺寸的滤波器来解决。该滤波器可以通过图8所示的公式确定。


图8.建议的滤波器补偿RC规格。源自LTC3855数据手册。

这样做之后，传送到检测架构的电压将会增加。与不带滤波器的检测电阻器两端的信号相比，很明显，RC滤波器对信号进行了平滑处理，而且消除了ESL阶跃。正如预期的那样，感应尖峰将消失，波形将呈三角形。这一点可以从图9中看出。


图9.这是带滤波器补偿系统时的RSENSE信号。该信号是在滤波电容器两端测量的，因为它既是滤波器的输出信号，又是进入反馈系统的信号。

结论

本文可作为分析降压转换器中检测电阻器设计问题的指南。此外，本文还为设计人员提供了实用解决方案，以避免出现文中所述的任何干扰行为。尽管检测电阻器经常被忽视，但其尺寸对于在负载变化时保持稳定的输出电压至关重要。如果为了省电而选择尺寸不合适的检测电阻器，或者不考虑布局电阻器寄生效应，则可能会导致整个系统的性能下降。此外，忽略检测电阻器滤波元件将导致向检测架构反馈的信号不准确，而且会进一步降低系统性能。

关于作者

Abe Ibraheim是核心应用部的实习生，于2023年夏加入ADI公司。Abe是伍斯特理工学院一名大三学生，正在攻读电气和计算机工程学士和硕士学位。他的专业方向是微电子和电力系统。

Kenneth Armijo于2022年加入ADI公司，担任核心应用部助理工程师。他拥有伍斯特理工学院电气工程和机器人工程两个学士学位，还拥有电气工程硕士学位。他专注于电源管理电路（主要是开关稳压器）的设计和实现。

Piyu Dhaker是ADI公司北美核心应用部的一名应用工程师。2007年毕业于圣何塞大学，获电气工程硕士学位。2017年6月加入北美核心应用部。她还曾在ADI的汽车动力总成部和电源管理部工作。