我目前正在研究一個號稱“無損耗的”電流檢測設(shè)計（參見下面的電路圖片段）。有電阻存在它是如何實現(xiàn)無損耗的呢？ 另外，電容器的作用是什么？ 它看起來像個濾波器，但又似乎不對，有許多需要濾波的噪音嗎？ 這個電路有效嗎？ 我是一個有著豐富閱歷的人，因此我知道凡人是無法達到完美境界的。該電路有哪些危險性和局限性？

 

—Vijay in Vallejo

您好，Vijay。確實，我一切都好，事實上是更好。我剛完成了一個跨州的頭等艙（只會是頭等艙）長線飛機旅行，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歌劇，但我希望您可以縱容我一下，我在工作時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 檢測電路沒有損耗，是因為我們沒有添加任何額外的電流檢測電阻，我們只是使用不可避免的電阻。

 

正如你所猜測的，電容器不是濾波器，但可以視為一個重建器件，其電容電壓是電感電流的模擬。

 

我會擴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)點波形以及產(chǎn)生的電感電流。說明： 節(jié)點數(shù)量與 PSPICE 文件匹配。

如何選擇 R2 和 C1？ 很簡單，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)動電流檢測放大器，R3 就可用來縮放VC。說明： 若使用 R3，則阻抗匹配計算中所用的 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。

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)達到接近穩(wěn)態(tài)。還請注意用于覆蓋波形的 Y 軸比例。

圖3這個電路有效嗎？ 當然有效，這個電路在業(yè)界很常見，用于很多地方。

 

您最后那個關(guān)于危險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線，電感器的 ESR 就會降低。這意味著 VC波形的幅度會變小而對應(yīng)的信噪比會變差。在我們的例子中，注意對于 36.5 A 的電流，我們得到 8.92 mV 的 VC信號。在嘈雜的電源環(huán)境中，很難測量沒有顯著噪聲耦合的毫伏信號，我們總是推薦使用差分跟蹤路由、隔離和屏蔽，尤其是對于開關(guān)節(jié)點的振鈴。當然，更低電流的信噪比更差，其中，VC接近微伏，這樣低電流測量就更加不準確。

 

測得電流的容差堆積存在更大的問題。電感器 ESR 可能有一個初始±7%的容差。銅的正溫度系數(shù)每度大概增加 0.4%。對于 75 度的溫升，這意味著 290 uOhm 銅電阻大概增加 87 微歐 (+30%)。實際上，很難使得整體 ESR 電流檢測精度高于 ±15%，盡管可以通過溫度補償電路實現(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)計一個提供 35 A 穩(wěn)態(tài)電流的電路。為了避免錯誤觸發(fā)瞬態(tài)負載，可以將 OCP（過流保護）觸發(fā)電流設(shè)置為 50 A。假設(shè)整體誤差為 15%。這就說，當您認為輸出電流是 50 A 時，它實際上要高出 15% (57.5A)。那么，現(xiàn)在您設(shè)計的電路必須能夠以無損方式以 57.5 A 的恒流運行，盡管您通常只使用 35 A。這就是大量過度開銷，而過度設(shè)計耗費的是真實的金錢。有一個選擇是使用一個精密電流檢測電阻與電感器串聯(lián)。這會提高精度，但會花費金錢并浪費功率——這樣的事情會使設(shè)計管理團隊血壓升高。

 

正是由于這些顧慮，如今對電流檢測的關(guān)注度才這么高，并且為提高電流檢測電路的精度度作出了很大的努力。

 

現(xiàn)在，在進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。