【導(dǎo)讀】本文分享的是“無損耗的”電流檢測(cè)設(shè)計(jì)，有電阻存在它是如何實(shí)現(xiàn)無損耗的呢？ 另外，電容器的作用是什么？ 它看起來像個(gè)濾波器，但又似乎不對(duì)，有許多需要濾波的噪音嗎？ 這個(gè)電路有效嗎？ 本文為你分解！
我目前正在研究一個(gè)號(hào)稱“無損耗的”電流檢測(cè)設(shè)計(jì)（參見下面的電路圖片段）。有電阻存在它是如何實(shí)現(xiàn)無損耗的呢？ 另外，電容器的作用是什么？ 它看起來像個(gè)濾波器，但又似乎不對(duì)，有許多需要濾波的噪音嗎？ 這個(gè)電路有效嗎？ 我是一個(gè)有著豐富閱歷的人，因此我知道凡人是無法達(dá)到完美境界的。該電路有哪些危險(xiǎn)性和局限性？
—Vijay in Vallejo
您好，Vijay。確實(shí)，我一切都好，事實(shí)上是更好。我剛完成了一個(gè)跨州的頭等艙（只會(huì)是頭等艙）長(zhǎng)線飛機(jī)旅行，在林肯中心欣賞了大都市歌劇院演出的雅克·奧芬巴赫未完成的杰作《霍夫曼的故事》。然而，您寫信給我的目的不是討論法國(guó)歌劇，但我希望您可以縱容我一下，我在工作時(shí)就想象成我正在揮舞著手臂，附和著男中音歌手重演。
與電感器串聯(lián)的電阻表示電感器的串聯(lián)電阻。該繞線電阻始終存在。我們可以最小化該電阻，但卻不能消除它。之所以說 ESR 檢測(cè)電路沒有損耗，是因?yàn)槲覀儧]有添加任何額外的電流檢測(cè)電阻，我們只是使用不可避免的電阻。
正如你所猜測(cè)的，電容器不是濾波器，但可以視為一個(gè)重建器件，其電容電壓是電感電流的模擬。
我會(huì)擴(kuò)展您的電路并包括更多典型元件。在圖 1 中，注意添加的典型同步降壓開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形以及產(chǎn)生的電感電流。說明： 節(jié)點(diǎn)數(shù)量與 PSPICE 文件匹配。
如何選擇 R2 和 C1？ 很簡(jiǎn)單，設(shè)置 L/R = RC，因而 RL 網(wǎng)絡(luò)的阻抗與 RC 網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配；由于網(wǎng)絡(luò)匹配，電容器兩端的電壓模擬電感器電流。說明： 若 VC 過度驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)放大器，R3 就可用來縮放VC。說明： 若使用 R3，則阻抗匹配計(jì)算中所用的 R 應(yīng)該是 R2 和 R3 并聯(lián)等效值。為了利用一定的濾波，我們通常希望 C1 至少為 0.1μF。
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我們可以看到 VC模擬 IL（如圖2模擬所示），其中綠色曲線是電感器電流，而紅色曲線是電容器電壓。可以看到波形匹配得很好。
圖3波形是通過簡(jiǎn)單的 PSPICE 仿真繪制的。說明： 曲線自 950 uSec 開始，允許諧振 LC（其中 C 是指大容量輸出電容）網(wǎng)絡(luò)達(dá)到接近穩(wěn)態(tài)。還請(qǐng)注意用于覆蓋波形的 Y 軸比例。
圖3這個(gè)電路有效嗎？ 當(dāng)然有效，這個(gè)電路在業(yè)界很常見，用于很多地方。
您最后那個(gè)關(guān)于危險(xiǎn)性和局限性的問題很富有洞察力。該電路有哪些問題呢？
首先，為了處理更高的電流，我們使用較大的銅導(dǎo)線，電感器的 ESR 就會(huì)降低。這意味著 VC波形的幅度會(huì)變小而對(duì)應(yīng)的信噪比會(huì)變差。在我們的例子中，注意對(duì)于 36.5 A 的電流，我們得到 8.92 mV 的 VC信號(hào)。在嘈雜的電源環(huán)境中，很難測(cè)量沒有顯著噪聲耦合的毫伏信號(hào)，我們總是推薦使用差分跟蹤路由、隔離和屏蔽，尤其是對(duì)于開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴。當(dāng)然，更低電流的信噪比更差，其中，VC接近微伏，這樣低電流測(cè)量就更加不準(zhǔn)確。
測(cè)得電流的容差堆積存在更大的問題。電感器 ESR 可能有一個(gè)初始±7%的容差。銅的正溫度系數(shù)每度大概增加 0.4%。對(duì)于 75 度的溫升，這意味著 290 uOhm 銅電阻大概增加 87 微歐 (+30%)。實(shí)際上，很難使得整體 ESR 電流檢測(cè)精度高于 ±15%，盡管可以通過溫度補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)一定程度的改善。
為了方便討論，我們可以假設(shè)您正在設(shè)計(jì)一個(gè)提供 35 A 穩(wěn)態(tài)電流的電路。為了避免錯(cuò)誤觸發(fā)瞬態(tài)負(fù)載，可以將 OCP（過流保護(hù)）觸發(fā)電流設(shè)置為 50 A。假設(shè)整體誤差為 15%。這就說，當(dāng)您認(rèn)為輸出電流是 50 A 時(shí)，它實(shí)際上要高出 15% (57.5A)。那么，現(xiàn)在您設(shè)計(jì)的電路必須能夠以無損方式以 57.5 A 的恒流運(yùn)行，盡管您通常只使用 35 A。這就是大量過度開銷，而過度設(shè)計(jì)耗費(fèi)的是真實(shí)的金錢。有一個(gè)選擇是使用一個(gè)精密電流檢測(cè)電阻與電感器串聯(lián)。這會(huì)提高精度，但會(huì)花費(fèi)金錢并浪費(fèi)功率——這樣的事情會(huì)使設(shè)計(jì)管理團(tuán)隊(duì)血壓升高。
正是由于這些顧慮，如今對(duì)電流檢測(cè)的關(guān)注度才這么高，并且為提高電流檢測(cè)電路的精度度作出了很大的努力。
現(xiàn)在，在進(jìn)行了這么多的武斷討論后，抱歉，我可以用含鉛水晶玻璃杯小酌一杯令人神清氣爽的單麥芽威士忌了。不摻水的。
