ZHCA693E december 2016 – april 2023 INA240 , INA240-Q1 , INA253 , INA253-Q1 , INA254 , INA296A , INA296B , LMP8481 , LMP8481-Q1 , LMP8601 , LMP8601-Q1 , LMP8602 , LMP8602-Q1 , LMP8603 , LMP8603-Q1
用來滿足系統(tǒng)電源要求的開關(guān)電源拓?fù)淇梢杂性S多種。DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器將較高電壓的直流軌降低為較低電壓的直流軌。這些轉(zhuǎn)換器架構(gòu)包括降壓、升壓、降壓/升壓和反激式拓?fù)?。DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為交流輸出電壓。
顧名思義，開關(guān)轉(zhuǎn)換器采用各種開關(guān)、晶體管/FET 和/或二極管，在高系統(tǒng)效率水平下將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。這些轉(zhuǎn)換器的開關(guān)性質(zhì)為嘗試精確測量電流波形帶來了挑戰(zhàn)。在選擇電流檢測放大器時，需要考慮電壓節(jié)點要求、系統(tǒng)控制要求和測量漂移等因素。
電壓節(jié)點要求
電路架構(gòu)中的每個節(jié)點具有不同的共模電壓和行為。在每個位置測量電流時，需要考慮到測量電路中的特征各不相同。圖 1 展示了降壓轉(zhuǎn)換器的不同節(jié)點。該電路顯示了包含半 H 橋輸出級以及由電感器和電容器構(gòu)成的低通濾波器的基本電路。未顯示控制電路、輸出級驅(qū)動器和負(fù)載。
圖 1 DC-DC 開關(guān)電源 - 降壓架構(gòu)節(jié)點 1 電壓與轉(zhuǎn)換器的輸入電源連接。這是轉(zhuǎn)換器用以“降壓”到較低輸出電壓的高電壓。在該節(jié)點進(jìn)行的電流測量將測量流過半 H 橋的高側(cè)器件的電流，主要用于使用比較器進(jìn)行過流/短路檢測。在該節(jié)點進(jìn)行的測量都需要高共模電路，該電路具有測量小差分電壓的性能。
節(jié)點 2 是半 H 橋的中點，并顯示開關(guān)電源所在的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號。在該位置進(jìn)行的電流測量提供電感器電流，用于系統(tǒng)控制和過流/短路檢測。電壓以 PWM 比率在高電壓和接地（或負(fù)電源）之間進(jìn)行切換，其中 PWM 比率經(jīng)過平均以產(chǎn)生正確的輸出電壓。節(jié)點 2 電壓具有急劇的共模轉(zhuǎn)換，因此在此處進(jìn)行的測量需要能夠處理轉(zhuǎn)換電壓的量級，以及抑制輸出波形中的瞬態(tài)。
節(jié)點 3 電壓是轉(zhuǎn)換器輸出電壓，在示波器上觀察時，該電壓是具有微小電壓紋波的直流電壓電平。在該位置進(jìn)行的測量具有與節(jié)點 1 相類似的要求，并提供電感器電流以用于系統(tǒng)控制和過流和短路檢測。雖然節(jié)點 3 電壓低于節(jié)點 1 電壓，但所需的輸出電壓電平可能仍需要測量電路來處理高共模電壓。
節(jié)點 4 電壓與電路的接地端連接。在該節(jié)點會看到較低的、接近于接地的共模電平，因此，與前面提到的位置相比，對在該位置進(jìn)行的測量的要求更低。
其他直流/直流開關(guān)架構(gòu)具有與上述節(jié)點類似的行為，不過它們可能處于轉(zhuǎn)換器電路中的不同位置。
測量漂移要求
開關(guān)電源是一種高效的電壓電平轉(zhuǎn)換電路，但在轉(zhuǎn)換中仍存在功率損耗。這些功率損耗是系統(tǒng)效率損失，表現(xiàn)為發(fā)熱或熱能。根據(jù)轉(zhuǎn)換器的功率級別，這會成為相當(dāng)大的熱源。
INA240 具有較低的熱漂移規(guī)格，這意味著電流測量值不會因發(fā)熱而顯著變化。為了進(jìn)一步減少熱量，INA240 提供了不同的增益版本，可減小電流檢測電阻器的阻值。傳統(tǒng)放大器的性能會隨著放大器增益的增大而顯著下降。相比之下，INA240 的所有增益版本均具有出色的電氣規(guī)格，因此可在不同的增益選項中實現(xiàn)高性能水平。表 1 提供了不同增益之間的功率耗散差異比較。
| 參數(shù) | 增益 | ||
|---|---|---|---|
| 20 V/V | 100 V/V | 200 V/V | |
| 輸入電壓 (mV) | 150 | 30 | 15 |
| RSENSE (mΩ) | 15 | 3 | 1.5 |
| 耗散的功率 (W) | 1.5 | 0.30 | 0.15 |
系統(tǒng)控制和監(jiān)控要求
大多數(shù)開關(guān)電源采用閉環(huán)反饋系統(tǒng)來提供穩(wěn)定、經(jīng)過良好調(diào)節(jié)的電源。為了提供優(yōu)化的反饋控制，需要進(jìn)行精密測量。放大器規(guī)格（如偏移和增益誤差）可以顯著影響控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能。根據(jù)系統(tǒng)要求和所需的電路復(fù)雜性，采用不同的反饋方法。此外，由于設(shè)計會優(yōu)化和報告終端設(shè)備在不同操作模式下的功耗，故系統(tǒng)功率監(jiān)測的需求也越來越大。。
電壓模式反饋將調(diào)節(jié)版本的輸出電壓與參考準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，以獲取誤差電壓。該反饋方法相對簡單，但反饋速度較慢，因為系統(tǒng)必須允許輸出電壓發(fā)生變化后才能進(jìn)行調(diào)節(jié)。電壓模式反饋的電流測量通常監(jiān)控負(fù)載電流，并確定是否存在任何短路。電壓模式反饋轉(zhuǎn)換器的最重要的電流放大器標(biāo)準(zhǔn)是轉(zhuǎn)換器的共模輸出電壓。這些轉(zhuǎn)換器上的輸出電壓范圍從用于微處理器和低電壓數(shù)字電路（1.8 V 至 5 V）的低電壓到用于 48 V 或更高電壓系統(tǒng)的高電壓。經(jīng)過濾波器之后的輸出波形可能仍包含可能會干擾測量或?qū)е聹y量出現(xiàn)誤差的噪聲或瞬態(tài)。
電流模式反饋向利用系統(tǒng)電流的控制系統(tǒng)添加了反饋環(huán)路。通常使用的電流是轉(zhuǎn)換器中的電感器電流（請參閱圖 2）。這可以提供與電壓反饋環(huán)路并行運行且快得多的內(nèi)部環(huán)路。一般而言，電流模式反饋的缺點之一是易受信號上的噪聲/瞬態(tài)的影響。
圖 2 用于電源控制反饋的電流檢測電流模式反饋通常分為峰值電流模式控制和平均電流模式控制。峰值電流模式控制直接利用電感器電流，因此信號上的任何噪聲或瞬態(tài)都會在反饋環(huán)路中引起干擾。INA240 設(shè)計有高 CMRR，這有助于衰減由于輸入信號引起的任何潛在干擾或噪聲。