详细分析降压转换器中检测电阻器设计问题

降压转换器用于演示检测电阻器尺寸不正确所带来的影响，以及移除R_SENSE滤波器元件时会发生什么情况。检测电阻器的尺寸通常是不正确的，这是因为设计人员会试图优化效率和操作，而尺寸不正确会导致性能下降。此外，检测电阻器滤波器元件对于向反馈架构提供准确信息而言至关重要，如果将其移除，则可能会降低SMPS性能。从电感器出来的电流通过一个较小的检测电阻器转换为电压。这一点可以从图1中看出。

该电压充当向反馈逻辑发送的信号，用来调整输出。为该检测电阻器选择正确的值对于确保反馈逻辑接收到电感电流的准确描述而言至关重要。此外，这还可确保R_SENSE信号符合数据手册中检测电阻器两端的绝对最大差分电压。

设计人员可能会为了提高效率而选择减小检测电阻器的值。检测电阻器与电感器和输出串联，以便器件可以检测三角电感电流波形并将其用在反馈环路中。该电阻器中的功率损耗测定方式为P_loss=I²_L×R_SENSE。设计人员可以通过减小检测电阻器的值来略微提高其效率。然而，这种方法代价不菲。如果电阻器的值太小，则来自检测电阻器的信号也会非常弱。这会导致信噪比(SNR)变差，因为噪声的幅度会变得接近转换后的电感电流信号。由于信噪比变差，检测电阻器无法再隔离主信号，从而导致输出信号上产生噪声。这通常表现为输出信号出现抖动，如图2所示。

为了解决此问题，设计人员应根据以下公式选择合适的R_SENSE值：

其中V_sense(max)在器件的数据手册中确定，I_max是可汲取的最大负载电流。每个SMPS可以处理的最大电流(I_max)被定义为电感电流纹波的一半与平均负载电流之和，如图3所示。

根据此公式选择值可确保R_SENSE值足够大，足以充分捕获电感电流纹波。如果设计人员很难选择合适的值，则可以利用ADI公司的LTpowerCAD^®计算R_SENSE值并获得建议值，以确保正常工作。如果设计人员关心其设计的效率，他们还可以利用LTpowerCAD中的功率损耗和效率选项卡来确定电路中的功率损耗来源（例如MOSFET开关损耗和电感器DCR损耗），并通过选择更高效的器件来纠正这些损耗。此外，如果器件具有电感器DCR检测功能，则可以省略检测电阻器，电感器DCR检测功能将检测电感器两端的电压，从而以牺牲可靠性和噪声性能为代价来提高效率。首选方法是使用检测电阻器，但如果需要达到峰值效率，可以对电流波形进行电感器DCR检测。

设计人员在设计SMPS时通常不会选择超大的检测电阻器。然而，布局问题会导致PCB走线产生电阻，将其与检测电阻器的值相加会使总检测电阻增加。通常，SMPS芯片具有电流限制功能，该功能由检测电阻器两端可产生的最大电压确定。当超过该值时，器件进入限流模式，并且输出电压开始随着负载电流的增加而下降。器件不再调整输出电压。这一点可以从图4中看出。

当电感器和检测电阻器之间的走线大于所需的长度，或者载流走线连接到芯片上的检测引脚之一时，通常会发生这种现象。由于所选检测电阻器在毫欧级，因此它对所增加的任何电阻都很敏感。可以通过开尔文连接来避免此问题，如图5所示。

检测走线来自检测电阻器，它与PCB焊盘和载流走线分离。开尔文走线要细得多，并且会尽可能靠近检测电阻器以避免寄生电阻增加。这使V_SENSE能够准确表示检测电阻器两端的电压。因此，当检测电阻器由于缺乏正确的开尔文连接、走线太长或只是由于所选值有误而增加时，电流限制会由于V_SENSE(MAX)能够更快达到而在较低负载下触发，从而导致负载调整能力变差。

寄生等效串联电感(ESL)是表面贴装器件(SMD)电阻器的固有特性。由于检测电阻器的值较低（毫欧级），ESL会对检测架构带来显著的影响。因此，为了消除寄生ESL所带来的影响，必须在检测走线中添加RC滤波器。设计人员并没有意识到省略这些元件有什么好处，但可能会为了减小BOM尺寸、降低成本或可能只是忘了包含这些元件而省略它们。

ESL不仅包含检测电阻器寄生电感，而且还包含由电路板布局和走线引起的总电感。ESL可通过公式3计算：

V_ESL(step)是检测电阻器两端的附加电压。滤波器需要产生一个RC时间常数，该常数等于或小于计算出的检测电阻器时间常数(ESL/R)。移除滤波器后，检测电阻器将表现出与其电阻特性叠加的电感特性。这些可以通过检测电阻器波形上的尖峰（电压阶跃）观察到，如图6所示。

此外，由于输出纹波增加，器件错误地认为它已在较低额定负载下达到其内部电流限制，因此会导致负载调整能力变差。

该问题可以通过添加适当尺寸的滤波器来解决。该滤波器可以通过图8所示的公式确定。

这样做之后，传送到检测架构的电压将会增加。与不带滤波器的检测电阻器两端的信号相比，很明显，RC滤波器对信号进行了平滑处理，而且消除了ESL阶跃。正如预期的那样，感应尖峰将消失，波形将呈三角形。这一点可以从图9中看出。

本文可作为分析降压转换器中检测电阻器设计问题的指南。此外，本文还为设计人员提供了实用解决方案，以避免出现文中所述的任何干扰行为。尽管检测电阻器经常被忽视，但其尺寸对于在负载变化时保持稳定的输出电压至关重要。如果为了省电而选择尺寸不合适的检测电阻器，或者不考虑布局电阻器寄生效应，则可能会导致整个系统的性能下降。此外，忽略检测电阻器滤波元件将导致向检测架构反馈的信号不准确，而且会进一步降低系统性能。