BUCK电感电流检测电路current sense-20250603

目录

一、背景介绍

二、三种常用CurrentSense电路

1、Rsense电路检测

2、电感DCR检测

3、Mosfet Rdson检测

三、参考链接与文献：

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一、背景介绍

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。

此外，针对多相buck而言，较大的挑战在于相位管理。为了获得尽可能高的性能，电流必须在有源相之间均匀平衡，以避免任何一个相的热应力，并提供最佳的纹波消除。此外，负载电流变化必须增加或删除相位，以尽量保持较优的能效。因此准确的检测各相电感平均电流至关重要，以反馈到控制器中准确地完成各相均流/慢切相/loadline。检测电感平均电流的方式有很多种，包括电感上串联电阻，DCR电阻积分，功率管Rdson检测。电感上串联电阻虽然有较好的精度，但是为有损检测，能效低；DCR电阻积分，需要已知电感值，设计随不同电路拓扑结构变化，复杂性较高。而功率管Rdson检测为无损检测，对功率管和检测管匹配度要求高，适用于片上集成。

二、三种常用CurrentSense电路

• Rsense电阻检测

• 电感DCR检测

• Mosfet Rdson检测

1、Rsense电路检测

如下图，该方法利用与功率MOSFET或电感串联的小电阻进行检测，通过放大电阻两端的电位差，可以获得电感电流波形的瞬时电压表示。虽然检测电阻的公差较小且线性度高，但它们会耗散能量，因此可能不适用于低功耗应用。

2、电感DCR检测

该方法将一个电阻-电容 (RC) 滤波器（图 1.4）与功率级电感并联，以便在电容两端获得与频率无关的电流感应电压 。它依赖于选择精确的电容和电阻值，使得电感零点抵消 RC 极点。这种极点-零点抵消会产生一个精确的电感电流电压表示，该电压与电感的固有电阻成正比。然而，这种方法对集成电路制造过程中的元件公差和工作温度波动非常敏感。因此，通常很难实现理想的极点-零点抵消。

上图所示，是同步降压转换器电路基于功率电感DCR检流 ( DCR Current Sensing ) 的原理简化图， RDC 是功率电感 L 的等效串联电阻，Rx 和 Cx 是这种检流方法需要额外增加而且与电感是并联关系的阻容元件。

由基尔霍夫电压定律可知，电感两端的电压，与 Rx 和 Cx 两端的电压，必然是相等的。假设流过电感的电流为 IL ，流过 Rx 和 Cx 的电流为 Ix ，那么基于“拉普拉斯方程”，容易得到

流过 Rx 和 Cx 的电流表达式如下：

将公式(2.9)代入公式(2.8)容易得到：

其中 sL 是电感的感抗， 1/(sCx) 是电容的容抗，都是与频率有关的阻抗分量。

如果同时考虑DC和AC电流信号，基于公式(2.10)解得 Vcx 的表达式如下：

如果仅考虑DC电流信号（忽略 sL 和 sRxCx），公式(2.11)可以简化如下：

可见，如果选择适当的 Rx 和 Cx 参数值，可以使得 Rx 和 Cx 网络的时间常数 RxCx与电感时间常数 L/RDC 相等，即

那么，DCR检流网络的极点和零点就会重合，并且相互抵消。这样，从DC电流信号或AC电流信号得到的 Vcx 都是相同的，即公式(2.11)与公式(2.12)是等同的。

所以，公式(2.13)用于计算DCR检流电路中RC网络的参数，使得电容 Cx 两端的电压 Vcx 等于DCR两端的电压。因为对于固定电感元件来说，其等效串联电阻 RDC 的值是固定的。所以，我们可以通过检测电容 Cx 两端的电压 Vcx ，再利用公式(2.12)得到电感电流 IL 的大小。

3、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。

如下图，MS与SenseFET的mos管数量比为m：1，由于运放的虚断虚短，MS和SenseFET两端电压相等，则可以将流经MS的电流等比例复刻至SenseFET上，然后Is电流从下方mos管通过，流经Rgain，得到vsense电压；

此外，在芯片制造过程中会引入一些不差，为了弥补误差，需要对芯片进行修调，会在此基础上增加一个基准电流，同时对Rsense和ib进行修调，具体如下：

Vsense=Rsense*（Iload+ib）

K：Current Sense电阻Rsense的误差，对应Current Sense的斜率；

B：基准电流源，通过修调基准电流源ib，弥补整个电路带来的y轴方向的偏移误差；

三、参考链接与文献：

https://www.dianyuan.com/eestar/article-8833.html

https://www.analog.com/cn/resources/technical-articles/switch-mode-power-supply-current-sensing-part-3-current-sensing-methods.html

https://www.cytech.com/technical-articles/introduction-current-detection-methods-commonly-used-dc-dc

Gain-reconfigurable Current-sensing Circuit for High-frequencey Low-power DC-DC Converters