在電子設(shè)備的電源設(shè)計領(lǐng)域，開關(guān)模式電源（SMPS）以其高效、緊湊的特點得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實際設(shè)計過程中，SMPS 也面臨著諸多復(fù)雜的問題。本文作為系列文章的第二篇，聚焦于 DC - DC 開關(guān)穩(wěn)壓器反饋級設(shè)計中的檢測電阻器（RSENSE）元件，深入分析其可能出現(xiàn)的違規(guī)問題，并提供相應(yīng)的糾正措施。

檢測電阻器在開關(guān)模式電源中扮演著關(guān)鍵角色。從電感器出來的電流通過一個較小的檢測電阻器（RSENSE）轉(zhuǎn)換為電壓，該電壓充當(dāng)向反饋邏輯發(fā)送的信號，用于調(diào)整輸出。選擇正確的 RSENSE 值對于確保反饋邏輯接收到電感電流的準(zhǔn)確描述至關(guān)重要，同時還需保證 RSENSE 信號符合數(shù)據(jù)手冊中檢測電阻器兩端的差分電壓。

（圖 1：簡化的原理圖，展示降壓轉(zhuǎn)換器及其反饋系統(tǒng)的基本操作。該圖可以在應(yīng)用筆記 AN140 中找到）

超小檢測電阻器帶來的問題

設(shè)計人員有時為了提高效率會選擇減小檢測電阻器的值。檢測電阻器與電感器和輸出串聯(lián)，用于檢測三角電感電流波形并將其應(yīng)用于反饋環(huán)路。電阻器中的功率損耗可通過公式 Ploss = I2L × RSENSE 測定，減小電阻值可略微提高效率。然而，這種做法代價高昂。若電阻器的值過小，來自檢測電阻器的信號會非常弱，導(dǎo)致信噪比（SNR）變差，噪聲幅度接近轉(zhuǎn)換后的電感電流信號。此時，檢測電阻器無法有效隔離主信號，輸出信號會出現(xiàn)抖動，如圖 2 所示。

（圖 2：輸出不穩(wěn)定造成抖動。超小 RSENSE 輸出波形表現(xiàn)出持續(xù)特性。突出顯示的波形采用標(biāo)稱 RSENSE 捕獲）

為解決這一問題，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)公式選擇合適的 RSENSE 值，其中 Vsense (max) 在器件的數(shù)據(jù)手冊中確定，Imax 是可汲取的負(fù)載電流。每個 SMPS 可以處理的電流（Imax）被定義為電感電流紋波的一半與平均負(fù)載電流之和，如圖 3 所示。

（圖 3：電感電流波形）

若設(shè)計人員難以選擇合適的值，可利用 ADI 公司的 LTpowerCAD? 計算 RSENSE 值并獲取建議值，以確保正常工作。若關(guān)心設(shè)計效率，還可利用 LTpowerCAD 中的功率損耗和效率選項卡確定電路中的功率損耗來源，如 MOSFET 開關(guān)損耗和電感器 DCR 損耗，并通過選擇更高效的器件來糾正這些損耗。此外，若器件具有電感器 DCR 檢測功能，可省略檢測電阻器，以犧牲可靠性和噪聲性能為代價提高效率。但方法仍是使用檢測電阻器，僅在需要達(dá)到峰值效率時，可對電流波形進(jìn)行電感器 DCR 檢測。

超大檢測電阻器引發(fā)的問題

設(shè)計人員在設(shè)計 SMPS 時通常不會選擇超大的檢測電阻器，但布局問題會導(dǎo)致 PCB 走線產(chǎn)生電阻，與檢測電阻器的值相加會使總檢測電阻增加。通常，SMPS 芯片具有電流限制功能，由檢測電阻器兩端可產(chǎn)生的電壓確定。當(dāng)超過該值時，器件進(jìn)入限流模式，輸出電壓開始隨負(fù)載電流的增加而下降，器件不再調(diào)整輸出電壓，如圖 4 所示。

（圖 4：超大檢測電阻器的負(fù)載調(diào)整。該特定 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的額定電流高達(dá) 15 A，但使用超大檢測電阻器時會在 4 A 左右停止調(diào)整）

當(dāng)電感器和檢測電阻器之間的走線過長，或者載流走線連接到芯片上的檢測引腳之一時，容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。由于所選檢測電阻器在毫歐級，對所增加的任何電阻都很敏感?？赏ㄟ^開爾文連接來避免此問題，如圖 5 所示。

（圖 5：這是一個正確的開爾文連接示例）

檢測走線來自檢測電阻器，與 PCB 焊盤和載流走線分離。開爾文走線更細(xì)，且盡可能靠近檢測電阻器以避免寄生電阻增加，使 VSENSE 能夠準(zhǔn)確表示檢測電阻器兩端的電壓。當(dāng)檢測電阻器因缺乏正確的開爾文連接、走線太長或所選值有誤而增加時，電流限制會因 VSENSE (MAX) 更快達(dá)到而在較低負(fù)載下觸發(fā)，導(dǎo)致負(fù)載調(diào)整能力變差。

等效串聯(lián)電感（ESL）的影響

寄生等效串聯(lián)電感（ESL）是表面貼裝器件（SMD）電阻器的固有特性。由于檢測電阻器的值較低（毫歐級），ESL 會對檢測架構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。為消除寄生 ESL 的影響，必須在檢測走線中添加 RC 濾波器。然而，設(shè)計人員可能為了減小 BOM 尺寸、降低成本或遺忘而省略這些元件。

ESL 不僅包含檢測電阻器寄生電感，還包含由電路板布局和走線引起的總電感。ESL 可通過公式計算，VESL (step) 是檢測電阻器兩端的附加電壓。濾波器需要產(chǎn)生一個 RC 時間常數(shù)，該常數(shù)等于或小于計算出的檢測電阻器時間常數(shù)（ESL/R）。移除濾波器后，檢測電阻器將表現(xiàn)出與其電阻特性疊加的電感特性，可通過檢測電阻器波形上的尖峰（電壓階躍）觀察到，如圖 6 所示。

（圖 6：這是移除濾波器補(bǔ)償系統(tǒng)后的 RSENSE 信號）

此外，由于輸出紋波增加，器件會錯誤地認(rèn)為在較低額定負(fù)載下已達(dá)到其內(nèi)部電流限制，導(dǎo)致負(fù)載調(diào)整能力變差，如圖 7 所示。

（圖 7：移除濾波器補(bǔ)償系統(tǒng)后電源的負(fù)載調(diào)整。該特定器件的額定電流高達(dá) 15 A，但在 12 A 時停止調(diào)整）

該問題可通過添加適當(dāng)尺寸的濾波器來解決。

添加濾波器后，傳送到檢測架構(gòu)的電壓將會增加。與不帶濾波器的檢測電阻器兩端的信號相比，RC 濾波器對信號進(jìn)行了平滑處理，消除了 ESL 階躍，感應(yīng)尖峰消失，波形呈三角形。

綜上所述，檢測電阻器在開關(guān)模式電源中雖然常被忽視，但其尺寸對于在負(fù)載變化時保持穩(wěn)定的輸出電壓至關(guān)重要。若為了省電選擇尺寸不合適的檢測電阻器，或不考慮布局電阻器寄生效應(yīng)，可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)性能下降。忽略檢測電阻器濾波元件會使向檢測架構(gòu)反饋的信號不準(zhǔn)確，進(jìn)一步降低系統(tǒng)性能。本文為設(shè)計人員分析降壓轉(zhuǎn)換器中檢測電阻器設(shè)計問題提供了指南，并給出了實用的解決方案，有助于避免出現(xiàn)文中所述的干擾行為。