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DCR温度补偿


摘要

DCR电流检测技术,因其具有无损耗之优点,是一个能获得正确电感电流讯息的好方法。然而,金属铜本身具有正温度系数,所以电感的 DCR 值会随温度变化而改变。而随温度变化的DCR 值,就会使控制器检测到不正确的电流信号。 常用的解决方式是在电流检测回路中加上 DCR 温度网络,以避免此温度效应。故此,本应用须知将介绍 DCR 温度补偿的基本概念和电路实现的方法。



1.为何需要DCR温度补偿网络

图一所示为一 DCR 电流检测网络。当时间常数相等,也就是 CxRx = L / DCR 时,如式(1)所示,VCX电压可用来取得电感电流信号。然而, DCR 值会以正比随温度增加,如式(2)所示,其中参数 TCDCR 是铜的温度系数,且是一正数。当电路在重载条件下工作时,电感的温度也会随之增加。这使得稳压器会因随温度改变的 DCR 值,检测到错误的负载电流值,进而回报不正确的电流讯息。此外,也会使得输出电压无法达到其该有的值,也因此就无法满足在 VCORE 应用中所需要的适应性电压定位 (AVP) 下垂的负载线规格。所以,在此探讨的温度补偿网络就是为了解决这个问题。

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图一、DCR电流检测网络



2. DCR 温度补偿之架构

DCR温度补偿网络的目的就是使 DCR 值不随温度改变,因此使得 VCX 电压只和电感电流有关。因为 DCR 是一具有正温度系数的电阻,所以就必须在电流检测回路中插入一个有负温度系数的电阻性网络,以补偿 DCR 随温度的变化。当有 Y个温度点需要进行补偿,补偿网络就需要 Y 个电阻和一个负温度系数(NTC)的热敏电阻,如此才能在这 Y 个温度点时,DCR 值的温度变化均可被抵消。然而,不同的电流检测架构,DCR温度补偿网络的设计方式也不同。图二和图三分别显示了总和电流检测架构 (sum current sensing topology) 和差分电流检测架构 (differential current sensing topology) 的温度补偿网络,及其电路示意图。总和电流检测架构示范的是有三个温度点作补偿的补偿网络,而差分电流检测架构则示范的是有两个温度点作补偿的补偿网络。式(3)和式(4)可分别作为这两个电流检测架构的设计原则。

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图二、总和电流检测架构之DCR温度补偿网络

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图三、差分电流检测架构之DCR温度补偿网络



3. DCR 温度补偿网络之公式推导

在本节中,将以总和电流检测架构为例,说明如何推导出温度补偿网络。如式(3),藉由 Vsum 电压及一个适当的比例,即可得到正确负载电流的讯息;此比例为Rsum 和(Rx+Rs)之比,如式 (5)所示。以 RT8893 例,此值必须设为4,才能有正常的操作。

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而为了消除温度对 DCR 的影响,必须在 Rsum 网络中插入一个 NTC 热敏电阻,使得 Vsum 电压不会随温度改变。 NTC热敏电阻和温度之间的关系如式(6),其中 β 是 NTC 的温度系数;不同的 NTC 热敏电阻,β 值也会不同。

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如果是有三个温度点(TL、TR和TH)需要进行补偿,则在此三个温度点,Vsum 电压必须相同;也就是如式(7)之右侧所示之结果,与温度无关。Rsum(T) 为内含 NTC 热敏电阻的热补偿网络之等效电阻,其表示式为式(8)。

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因此,由以上公式,Rsum 网络之各参数可分别由公式(9),(10),和(11)得出。详细之推导,可参阅附录 I。

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在经过温度补偿电路之后,VSUM 在这三个温度点的误差(例如:20°C, 60°C, 和 100°C)应当为零,如图四所示。

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图四、DCR温度补偿后之VSUM误差



4. DCR 温度补偿网络的设计范例

以下设计方法所选用的是总和电流检测架构,并以 RT8893 作为设计范例;所订的规格是根据英特尔VR12.5的设计需求。

VCORE 规格

输入电压

10.8V to 13.2V

相位数

3

Vboot

1.7V

VDAC(MAX)

1.8V

ICCMAX

90A

ICC-DY

60A

ICC-TDC

55A

负载线

1.5mΩ

快速电压回转率

12.5mV/µs

最大开关频率

300kHz

在 Shark Bay VRTB 桌上型平台指南中,输出滤波器的设计需求如下所示:

输出电感:360nH/0.72mΩ
输出大型电容:560µF/2.5V/5mΩ(max) 4 至 5 个
输出陶瓷电容:22µF / 0805 (在上层最多可放 18 个)

步骤1:决定电感的参数

决定电感值。
输出电感:360nH/0.72mΩ
决定DCR温度系数,TCDCR
TCDCR = 3930ppm
因此,受温度影响的电感 DCR值,可由式(2)算出。下面的计算范例是 60°C 的 DCR 值。

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步骤2:决定热补偿的NTC参数

选用型号 NCP15WL104J03RC 的 NTC热敏电阻;该电阻值为100kΩ,且 β 值是 4485。利用式(6),可以计算在不同温度下的 NTC 电阻值;NTC热敏电阻操作于 60°C 时,其电阻值可计算如下:

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步骤3:设计 DCR 电流检测网络及 Rx、Rs 和 Rsum 之值

如何决定 DCR 电流检测网络中之电容 Cx 及电阻 Rx 和 Rs ,可参阅应用须知AN033 「不同DCR电流检测架构之比较」。
Cx = 1µF, Rs = 3.41kΩ, and Rx = 590Ω
在RT8893,Rsum 和 (Rx+Rs) 之比值必须设为4,才能有正常的操作。
Rsum = 4•(Rx+Rs) = 16kΩ

步骤4:设计Rsum 之电阻网络

选定三个作温度补偿之温度点。
选择(TH,TR,TL)=(100,60,20)
例如,Rsum 在 60°C 下的值可由式(7)获得:

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因此,参数α1,α2,及ΚR可以计算如下:

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再藉由公式(9),(10),和(11),可因此而算出Rsump,Rsums2和Rsums1

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5. 实验结果

图五显示了有 DCR 温度补偿之 DCLL 和 DIMON 回报结果。从实验结果来看,DCLL和DIMON回报结果都在容忍范围内。然而,若无 DCR 温度补偿,则在重载条件下,DIMON 回报结果会是高估的,因而造成 DCLL 会无法满足负载线规格,见图六。

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(a) DCLL

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(b)DIMON 回报
图五、有 DCR 温度补偿之 DCLL 和 DIMON 回报结果

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(a) DCLL

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(b)DIMON 回报
图六、无DCR温度补偿之 DCLL 和 DIMON 报告结果

6. 结论

本应用须知提供了DCR温度补偿电路的设计方法及实用的设计公式;经由适当的设计,它可以有效地减少因温度变化而对 DCR 值产生的影响,因此能在 DCR 电流检测应用中,提供正确的电流讯息。



7. 参考数据

[1] 立锜科技 RT8884B 规格书。
[2] 立锜科技 RT8893 规格书。
[3] Intel, VR12.5 Pulse Width Modulation (PWM) 规格
[4] 立锜科技之应用须知AN033 「不同DCR电流检测架构之比较」。



附录I. DCR温度补偿网络之公式推导

将三个温度点(TL,TR,TH)都代入式(8),即可得式(12)至式(14)。而式(15)和式(16)可分别由式(12)- 式(13)和式(13)- 式(14)得出。

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定义 kR=Rsump+Rsums2,则可进一步将式(15)和式(16)表示为式(17)和式(18)。

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式(19)可由式(18)/ 式(17)导出。

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从式(18),可得Rsump,如式(20)。

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然后,可得 Rsums2,如式(21)。

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Rsums1可因此推导而得,如式(22)。

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