原创 “无损耗的”电流检测设计中的五个问题

向杰出的Fred A. Engleberry博士致敬  希望您一切都好。我的电力电子专业知识乏善可陈，为此我感到很羞愧。我诚恳地希望您提供善意的帮助。

我目前正在研究一个号称“无损耗的”电流检测设计（参见下面的电路图片段）。有电阻存在它是如何实现无损耗的呢？ 另外，电容器的作用是什么？ 它看起来像个滤波器，但又似乎不对，有许多需要滤波的噪音吗？ 这个电路有效吗？ 我是一个有着丰富阅历的人，因此我知道凡人是无法达到完美境界的。该电路有哪些危险性和局限性？

—Vijay in Vallejo
 

您好，Vijay。确实，我一切都好，事实上是更好。我刚完成了一个跨州的头等舱（只会是头等舱）长线飞机旅行，在林肯中心欣赏了大都市歌剧院演出的雅克·奥芬巴赫未完成的杰作《霍夫曼的故事》。然而，您写信给我的目的不是讨论法国歌剧，但我希望您可以纵容我一下，我在工作时就想象成我正在挥舞着手臂，附和着男中音歌手重演。

与电感器串联的电阻表示电感器的串联电阻。该绕线电阻始终存在。我们可以最小化该电阻，但却不能消除它。之所以说 ESR 检测电路没有损耗，是因为我们没有添加任何额外的电流检测电阻，我们只是使用不可避免的电阻。

正如你所猜测的，电容器不是滤波器，但可以视为一个重建器件，其电容电压是电感电流的模拟。

我会扩展您的电路并包括更多典型元件。在图 1 中，注意添加的典型同步降压开关节点波形以及产生的电感电流。说明： 节点数量与 PSPICE 文件匹配。
 

图1

如何选择 R2 和 C1？ 很简单，设置 L/R = RC，因而 RL 网络的阻抗与 RC 网络的阻抗匹配；由于网络匹配，电容器两端的电压模拟电感器电流。说明： 若 VC 过度驱动电流检测放大器，R3 就可用来缩放VC。说明： 若使用 R3，则阻抗匹配计算中所用的 R 应该是 R2 和 R3 并联等效值。为了利用一定的滤波，我们通常希望 C1 至少为 0.1μF。

我们可以看到 VC模拟 IL（如图2模拟所示），其中绿色曲线是电感器电流，而红色曲线是电容器电压。可以看到波形匹配得很好。

 

图3波形是通过简单的 PSPICE 仿真绘制的。说明： 曲线自 950 uSec 开始，允许谐振 LC（其中 C 是指大容量输出电容）网络达到接近稳态。还请注意用于覆盖波形的 Y 轴比例。
 

图3

图3这个电路有效吗？ 当然有效，这个电路在业界很常见，用于很多地方。

您最后那个关于危险性和局限性的问题很富有洞察力。该电路有哪些问题呢？

首先，为了处理更高的电流，我们使用较大的铜导线，电感器的 ESR 就会降低。这意味着 VC波形的幅度会变小而对应的信噪比会变差。在我们的例子中，注意对于 36.5 A 的电流，我们得到 8.92 mV 的 VC信号。在嘈杂的电源环境中，很难测量没有显著噪声耦合的毫伏信号，我们总是推荐使用差分跟踪路由、隔离和屏蔽，尤其是对于开关节点的振铃。当然，更低电流的信噪比更差，其中，VC接近微伏，这样低电流测量就更加不准确。

测得电流的容差堆积存在更大的问题。电感器 ESR 可能有一个初始±7%的容差。铜的正温度系数每度大概增加 0.4%。对于 75 度的温升，这意味着 290 uOhm 铜电阻大概增加 87 微欧 (+30%)。实际上，很难使得整体 ESR 电流检测精度高于 ±15%，尽管可以通过温度补偿电路实现一定程度的改善。

为了方便讨论，我们可以假设您正在设计一个提供 35 A 稳态电流的电路。为了避免错误触发瞬态负载，可以将 OCP（过流保护）触发电流设置为 50 A。假设整体误差为 15%。这就说，当您认为输出电流是 50 A 时，它实际上要高出 15% (57.5A)。那么，现在您设计的电路必须能够以无损方式以 57.5 A 的恒流运行，尽管您通常只使用 35 A。这就是大量过度开销，而过度设计耗费的是真实的金钱。有一个选择是使用一个精密电流检测电阻与电感器串联。这会提高精度，但会花费金钱并浪费功率——这样的事情会使设计管理团队血压升高。

正是由于这些顾虑，如今对电流检测的关注度才这么高，并且为提高电流检测电路的精度度作出了很大的努力。

现在，在进行了这么多的武断讨论后，抱歉，我可以用含铅水晶玻璃杯小酌一杯令人神清气爽的单麦芽威士忌了。不掺水的。