中心議題：

• 電流模式降壓轉換器的取樣電阻放置位置：輸入端、輸出端及續流管
• 三種位置各自的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)
• 峰值電流模式和谷點(diǎn)電流模式的工作原理
• 使用高端主開(kāi)關(guān)管導通電阻等設計應該注意的問(wèn)題

解決方案：

• 在輸入端，使用高端MOSFET導通電阻作電流取樣電阻
• 在續流端，配置為谷點(diǎn)電流模式，用續流MOSFET導通電阻作電流取樣電阻
• 在輸出端，常用峰值電流模式，用電感DCR作電流取樣電阻
  

盡管電流模式的降壓轉換器需要精密的電流檢測電阻，并且會(huì )影響到系統的效率和成本，但它仍然獲得了廣泛的應用，這是因為其具有以下優(yōu)點(diǎn)：①反饋內在cycle-by-cycle峰值限流;②電感電流真正的軟起動(dòng)特性;③精確的電流檢測環(huán);④輸出電壓與輸入電壓無(wú)關(guān)，一階系統容易設計反饋環(huán)，系統的穩定余量大，且穩定性好，對于所有陶瓷電容容易補償;⑤易實(shí)現多相位/多轉換器的并聯(lián)操作，以得到更大輸出電流;⑥允許大的輸入電壓紋波，從而減小輸入濾波電容。

對于電流模式的降壓轉換器，電流的取樣電阻有三種不同的放置方式：①放置在輸入回路，即與高端主開(kāi)關(guān)管相串聯(lián);②放置在輸出回路，即與電感相串聯(lián);③放置在續流回路，即與續流二極管或同步開(kāi)關(guān)管串聯(lián)。有時(shí)候為了提高效率，可以取消外加的取樣電阻，用高端主開(kāi)關(guān)管的導通電阻、電感DCR或續流同步開(kāi)關(guān)管的導通電阻作電流取樣電阻。本文將詳細地闡述這些問(wèn)題，并比較它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從而使電源工程師有針對性地選取不同的架構，來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際應用要求。

電流取樣電阻在輸入端的降壓轉換器

電流取樣電阻在輸入端的降壓轉換器如圖1所示。在電流模式的降壓轉換器拓樸結構中，反饋有兩個(gè)環(huán)路：一個(gè)電壓外環(huán)，另一個(gè)是電流內環(huán)。電壓外環(huán)包括電壓誤差放大器、反饋電阻分壓器和反饋補償環(huán)節。電壓誤差放大器的同相端接一個(gè)參考電壓Vref，反饋電阻分壓器連接到電壓誤差放大器反相端VFB，反饋環(huán)節連接到VFB和電壓誤差放大器的輸出端VC。若電壓型放大器是跨導型放大器，則反饋環(huán)節連接到電壓誤差放大器的輸出端VITH和地。目前，在高頻DC/DC的應用中，跨導型放大器應用更多。本文就以跨導型放大器進(jìn)行討論。輸出電壓微小的變化反映到VFB引腳，VFB引腳電壓與參考電壓的差值被跨導型放大器放大，然后輸出，輸出值為VITH?？鐚头糯笃鬏敵鲞B接到電流比較器的同相端，電流比較器的反相端輸入信號為電流檢測電阻的電壓信號VSENSE。由此可見(jiàn)，對于電流比較器，電壓外環(huán)的輸出信號作為電流內環(huán)的給定信號。對于峰值電流模式，工作原理如下：在時(shí)鐘同步信號到來(lái)時(shí)，高端的主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，電感激磁，電流線(xiàn)性上升，電流檢測電阻的電壓信號也線(xiàn)性上升。由于此時(shí)電壓外環(huán)的輸出電壓信號高于電流檢測電阻的電壓，電流比較器輸出為高電壓;當電流檢測電阻的電壓信號繼續上升，直到等于電壓外環(huán)的輸出電壓信號時(shí)，電流比較器輸出翻轉，從高電平翻轉為低電平，邏輯控制電路工作，關(guān)斷高端主開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號，高端的主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，此時(shí)電感開(kāi)始去磁，電流線(xiàn)性下降，到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始的時(shí)鐘同步信號到來(lái)，如此反復。

由此可見(jiàn)，峰值電流模式檢測的是上升階段的電流信號。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，輸入回路高端的主開(kāi)關(guān)管流過(guò)的電流波形為上升階段的梯形波，續流回路低端的開(kāi)關(guān)管流過(guò)的電流波形為下降階段的梯形波，而輸出回路電感的電流波形為包含上升和下降階段的鋸齒狀波形。因此，如果電流取樣電阻放在降壓轉換器的輸入回路，系統一定工作于峰值電流模式。

對于降壓轉換器，輸入電壓高于輸出電壓，電流取樣電阻放在Buck轉換器的輸入回路，那么電流比較器的兩個(gè)輸入引腳的共模電壓為高輸入電壓。對于輸入電壓大于12V的應用，電流比較器的兩個(gè)輸入引腳的共模電壓也必然大于12V，這樣電流比較器的成本很高。因此，電流取樣電阻放在降壓轉換器的輸入回路，一般應用于低輸入電壓，尤其是低輸入電壓?jiǎn)涡酒慕祲恨D換器。高端的功率MOSFET集成在單芯片中，由于電流取樣電阻放在降壓轉換器的輸入回路，所以電阻取樣和電流比較器均可以集成在單芯片中，設計十分緊湊。要注意的是，高端的主開(kāi)關(guān)管和低端的同步續流管之間，要設定一定的死區時(shí)間，以防止上下管的直通。

如果采用高端的功率MOSFET導通電阻作為電流取樣電阻，可以省去額外的電流取樣電阻，從而提高效率。由于MOSFET的導通電阻值比較分散，而且隨溫度的變化也會(huì )在較大范圍內波動(dòng)，因此電流取樣的精度較差。峰值電流模式容易受到電流信號前沿尖峰干擾。在占空比大于50%時(shí)需要斜坡補償。

電流取樣電阻在續流端的降壓轉換器

通過(guò)前面的討論可知，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，低端的開(kāi)關(guān)管流過(guò)的電流波形為下降階段的梯形波。這種電流模式常稱(chēng)為谷點(diǎn)電流模式。和峰值電流模式一樣，谷點(diǎn)電流模式反饋也有兩個(gè)環(huán)路：一個(gè)電壓外環(huán)，另一個(gè)是電流內環(huán)(見(jiàn)圖2)。

其工作原理如下：高端的主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，電感激磁，電流線(xiàn)性上升;高端MOSFET導通一段時(shí)間，此時(shí)間由PWM設定;當高端MOSFET關(guān)斷后，低端MOSFET導通，此時(shí)電感開(kāi)始去磁，電流線(xiàn)性下降。注意，低端MOSFET的電流隨著(zhù)時(shí)間線(xiàn)性下降，電流檢測電阻的電壓信號也線(xiàn)性下降，由于此時(shí)電壓外環(huán)的輸出電壓信號低于電流檢測電阻的電壓，電流比較器輸出為低電平。當電流檢測電阻的電壓信號繼續下降，直到等于電壓外環(huán)的輸出電壓信號時(shí)，電流比較器的輸出翻轉，從低電平翻轉為高電平，邏輯控制電路開(kāi)始工作，關(guān)斷低端的續流開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號，高端的主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，此時(shí)電感開(kāi)始激磁，電流線(xiàn)性上升，進(jìn)入下一個(gè)周期，如此反復。同樣，高端的主開(kāi)關(guān)管和低端的同步續流管之間，要設定一定的死區時(shí)間，以防止上下管的直通。
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谷點(diǎn)電流模式具有寬電壓范圍、低占空比、易檢測電流和快速負載響應的特點(diǎn)。在占空比小于50%時(shí)需要斜坡補償。負載響應快速的原因在于，谷點(diǎn)電流模式從當前的脈沖周期響應，而峰值電流模式從下一個(gè)脈沖周期響應。

當輸入和輸出電壓變化時(shí)，若高端MOSFET導通的時(shí)間固定不變，那么系統將工作在變頻模式，不利于電感的優(yōu)化工作。因此在PWM內部需要一個(gè)前饋電路，使高端MOSFET的導通時(shí)間可隨輸入電壓成反比變化，及隨輸出電壓成正比變化，從而在輸入電壓和負載變化時(shí)，維持轉換器近似工作于定頻方式。

如果采用低端續流功率MOSFET導通電阻作為電流取樣電阻，可以省去額外的電流取樣電阻，從而提高效率。同樣，由于MOSFET導通電阻值比較分散，而且隨溫度的變化也會(huì )在較大范圍內波動(dòng)，因此電流取樣的精度差。但這種配置通常應用于高輸入電壓，低輸出電壓及大輸出電流的轉換器中。

電流取樣電阻在輸出端的降壓轉換器
　　
通過(guò)前面的討論知道，輸出回路電感的電流波形為包含上升和下降階段的鋸齒狀波形。因此，當電流取樣電阻在輸出端時(shí)(見(jiàn)圖3)，轉換器可以工作于谷點(diǎn)電流模式，也可工作于峰值電流模式。而通常這種配置工作于峰值電流模式。

由于輸出電壓低，那么電流比較器的兩個(gè)輸入引腳的共模電壓較低，因此可以使用低輸入共模電壓的差動(dòng)放大器，提高電流檢測的精度，降低噪聲。這種配置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以使用電感的DCR作為電流檢測電阻。要注意的是，在電感值和飽和電流滿(mǎn)足整個(gè)輸入電壓范圍，和輸出負載電流范圍的前提下，對電感的DCR有一定限制，因而在一些應用中需要定制電感。

此外，電流比較器的輸入阻抗要大，兩個(gè)輸入引腳的偏置電流要小，從而提高使用DCR作為電流檢測電阻時(shí)的檢測精度。相關(guān)的濾波元件也在設計中作相應的匹配，如圖4所示。

　　
通常，由于DCR值大于設計要求的電阻值，因此需要一個(gè)電阻分壓器來(lái)得到所需要的電壓值。

另外，為了滿(mǎn)足濾波器時(shí)間的要求，必須使：

事實(shí)上，在設計中還要考慮到溫度變化時(shí)，DCR也會(huì )發(fā)生變化，這將會(huì )影響電流取樣的精度。在有些PWM的設計中，也會(huì )將電流比較器的參考基準電壓設計為可調整，從而增加電感使用的通用性。

結語(yǔ)

①電流取樣電阻放在輸入端，可配置為峰值電流模式，使用高端MOSFET導通電阻作電流取樣電阻可提高效率，但影響電流取樣精度。

②電流取樣電阻放在續流端，可配置為響應速度快的谷點(diǎn)電流模式，使用續流MOSFET導通電阻作電流取樣電阻可提高效率，但影響電流取樣精度。

③電流取樣電阻放在輸出端，可配置為峰值和谷點(diǎn)電流兩種模式，常用峰值電流模式。使用電感DCR作電流取樣電阻可提高效率，但設計和調試變得復雜，同時(shí)影響電流取樣精度。