借助新一代SenseFET实现精确的电流感测

作者：Wharton McDaniel

功率MOSFET分部产品营销经理

安森美半导体

测量、控制及优化功率是电子系统的基础需求，它们取决于精确地感测负载电流，以达到提升能效、延长电池使用时间，以及在故障事件中保护系统元件等目标。

随着提升能效、精确度及降低成本的需求增多，能用以电流感测MOSFET为基础的更现代化的方案替代传统的分流电阻或类似无源电路。不同于会遭受感测电流精确度宽范围变化的前代SenseFET，新元件拥有紧密的感测电流容限。

现有电流感测技术

传统感测电流方法是在负载电流路径中插入低欧姆值的感测电阻，这种方法有局限性。降低工作电压的趋势导致感测电阻的I2R损耗相对较高。这就浪费电能，而在当今的电子产品设计中电能是日益珍贵之物。相对较高的I2R值也可能会增加电阻发热，滋生温度稳定性方面的顾虑。

此外，电阻必须能够传递满额负载电流，因此通常是相对耗电多的元件。设计人员亦可能被迫指定使用昂贵的紧密容限电阻，以此避免批量生产的设备中出现不可接受的元件间差异。

如果电路中包含串行电感，例如假定要感测电流来控制开关电源(SMPS)，有可能感测电感寄生电阻的电流。小型电阻(R)及小型陶瓷电容(CS)直接置于电感两端。如果所选择的电阻及电容值与电感及寄生电阻(RL)有关，那么：R x CS = L/RL

于是，电容两端的电压就与RL两端的电压相同。因此，就能以此电压除以RL来计算感测电流。此方法有一些局限，如电感值会随着直流偏置电流而变化，可能削弱宽电流范围内的感测精确度。此外，电感寄生电阻并非紧密控制的参数，元件之间的差异可能极大，因此要求在制造时各自校准。也可能要求温度补偿，以此针对由自发热导致的电感及寄生电阻变化而修正。

与之类似的是，设计人员可能选择透过测量电路中适当MOSFET的导通电阻的电压降来感测电流。此MOSFET可以是同步整流器中的同步FET。同样，由于MOSFET的导通电阻(RDS(ON))可能在不同元件之间有很大差异，可能需要校准电流感测电路。MOSFET的导通电阻也可能陪着温度而大范围变化。

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下一代SenseFET

电流感测MOSFET，或称SenseFET，能够克服使用传统感测电阻、电感感测或普通MOSFET的局限。在SenseFET中，组成功率MOSFET的各个单元中的一小部分透过将其源极连接隔离并将其引出至单独接脚，用于电流感测。此元件的电路图能够表征为两个共漏极及栅极连接但拥有单独源极连接的并联MOSFET，如图1所示。

图1：SenseFET电路图。

由于仅有小部分单元被隔离用于电流感测用途，流经主源极通道的电流接近等于负载电流，而此电流的已知较小部分流经感测通道。感测通道的单元数量与主通道的单元数量之比，有时被称作电流镜比例。SenseFET的原理充分利用了相同裸片上制造的单元的导通电阻之间紧密匹配的优势，确保提供一致的精确度及温度稳定性。

可以透过测量与感测端子串行连接的小型电阻的电压来计算流经感测单元的电流。由于感测端子的电流是负载电流的一小部分，故功率损耗极低，可以使用小型的低成本信号电平电阻。图2是使用感测电阻的典型实际电路配置。

图2：带信号电平感测电阻的SenseFET。

如果此电阻小于感测通道导通电阻的10%，采样电流约等于负载电流除以FET的感测比例。实际上，如此小的电阻就不能够承受足够大的感测电压来驱动限流电路，且不能够提供微处理器所需的充足输出电压骤降控制。

为了使用足够大的感测电阻来精确地测量电流，设计人员必须将整个SenseFET电路建模为由元件大漏极电阻以及源极线电阻、主通道及感测通道的导通电阻组成的电阻分流器。然后设计人员可以依据感测电路电流与主源极通道电流之间的关系来修正变化。

与此同时，设计人员在计算感测电阻值时，也必须顾及温度稳定性以及各个SenseFET元件之间差异的效应。随着感测电阻值增大，测量精确度更加取决于SenseFET主通道之导通电阻，而此导通电阻的元件之间差异可能多达 30%，在工作温度下降条件下甚至可能达40%。

以SenseFET提供精确的感测

使用运算放大器的虚拟接地感测提供更加精确的电流测量，特别是在要求更高感测电压的情况下。运算放大器的非反相输入端连接至地，其反相输入连接至SenseFET的感测端，如图3所示。因此，感测连接承接在虚拟地，电势与源极相同。

图3：使用运算放大器虚拟地的电流感测。

在此案例中，可采用下述感测等式：

VSENSE = -ID * n * Rf

Rf = VSENSE / ID * n

ID = -(VSENSE / Rf) * n

其中，n是SenseFET的电流镜比例。

通过此方式，虚拟地感测能够提供更大的感测信号，而不要求以大感测电阻值来改变SenseFET的特性；但需要第二个反相运算放大器来产生正输出。

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专用接口IC

虚拟地感测电路可以使用离散运算放大器及电阻网络来构建，设计耗时不菲，且增加BOM成本。另一种方案是使用SenseFET控制器IC，此IC集成了虚拟地感测网络及控制SenseFET所需的栅极驱动电路。

图4显示了诸如安森美半导体NTMFS4854NS这样的SenseFET如何连接到合适的控制器IC(CAT2301)。此IC产生SenseFET栅极驱动信号，也集成了监控SenseFET主通道和感测通道的精密电流感测电路。

图4：使用结合栅极驱动及电流测量功能的IC控制SenseFET。

为了提供最高精确度，SenseFET提供通往其金属化源极的直接开尔文连接。如果不这样做，任何由流经接地连接的负载电流所导致的电压降都会增加感测电压，从而改变感测通道与主通道之间的电流分配。CAT2301为开尔文连接提供相应的输入。此连接应当仅用于电流感测，而不被其它电路共享。CAT2301也提供开尔文感测(KS)连接，此连接应该直接连到SenseFET的感测连接。这种连接方式确保SenseFET感测与开尔文引线之间具有紧密的电压匹配。

本文小结

寻求精确电流测量的设计人员如今面临多种选择，从简单地插入分流电阻，到使用最新一代的SenseFET等不一而足。使用像CAT2301这样的在单封装中结合栅极驱动器，以及优化的电流感测电路的SenseFET伴侣IC，能够更简易地设计出精确且温度稳定的电流感测电路，实现系统保护及功率控制等功能。