【導(dǎo)讀】本文采用霍爾傳感器作為開(kāi)關(guān)電源的電流傳感器,并詳細(xì)論述了霍爾傳感器在開(kāi)關(guān)電源中的設(shè)計(jì)使用方法?;魻杺鞲衅鞯氖褂么蟠蠼档土艘螂娏鳈z測(cè)而產(chǎn)生的功耗,提高了開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。
電流傳感器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用
開(kāi)關(guān)電源從控制方式上可分為電壓控制型和電流控制型,從隔離變壓器的驅(qū)動(dòng)方式上可分為單端型和雙端型。在這些電路形式中, 許多形式的開(kāi)關(guān)電源需要使用電流傳感器檢測(cè)電流,或者用于脈沖占空比的控制,或者用于電路的保護(hù)。電流控制型開(kāi)關(guān)電源直接對(duì)輸入的脈沖電流進(jìn)行檢測(cè),能同時(shí)根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的變化綜合調(diào)節(jié)脈沖占空比,具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,輸入電壓的波動(dòng)對(duì)輸出電壓影響小等特點(diǎn)。電流控制型開(kāi)關(guān)電源中需要電流傳感器檢測(cè)輸入的脈沖電流, 以作為開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)脈沖占空比、穩(wěn)定輸出電壓的反饋信號(hào)。圖1 所示為一個(gè)電流控制型的反激式開(kāi)關(guān)電源的輸入通道原理圖。圖中電阻RS在電路中的作用即是電流傳感器, 在功率開(kāi)關(guān)T1導(dǎo)通時(shí), 流過(guò)隔離變壓器原邊繞組W1的電流Ii將使RS上產(chǎn)生電壓降US,US即為向開(kāi)關(guān)電源控制器反饋的輸入電流值信號(hào)。根據(jù)輸出電壓反饋信號(hào)和輸入電流值反饋信號(hào)US, 開(kāi)關(guān)電源控制器將綜合調(diào)節(jié)電路的脈沖占空比,保證輸出電壓的穩(wěn)定。
圖1:反激式開(kāi)關(guān)電源輸入通道原理圖
雙端型開(kāi)關(guān)電源雙向驅(qū)動(dòng)隔離變壓器,可以有效地提高隔離變壓器的使用效率,減小隔離變壓器的體積。為了防止隔離變壓器偏磁飽和,雙端型開(kāi)關(guān)電源常常需要電流傳感器檢測(cè)輸入隔離變壓器的雙向脈沖電流,以進(jìn)行電流的平衡控制和電路保護(hù)。圖2 為一個(gè)推挽式開(kāi)關(guān)電源的防偏磁原理圖,電路以電阻RS作為電流傳感器,當(dāng)功率開(kāi)關(guān)T1、T2依次導(dǎo)通時(shí),分別流過(guò)隔離變壓器原邊繞組W1和W2的電流I1和I2將被電阻RS以電壓US的形式向偏磁控制電路反饋。一旦兩路電流差值過(guò)大或某一路電流值過(guò)大,即說(shuō)明隔離變壓器出現(xiàn)了偏磁飽和現(xiàn)象,由偏磁控制電路調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)T1或T2的導(dǎo)通占空比,使隔離變壓器的雙向磁感應(yīng)強(qiáng)度趨于平衡[2]。
圖2:推挽式開(kāi)關(guān)電源防偏磁原理圖
為了提高開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性,防止輸出電流過(guò)流等情況發(fā)生,許多開(kāi)關(guān)電源在輸出端接入電流傳感器,檢測(cè)輸出電流的大小,一旦輸出電流超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),保護(hù)電路即采取必要措施保護(hù)開(kāi)關(guān)電源的安全[3]。此外,當(dāng)開(kāi)關(guān)電源作為蓄電池充電器時(shí),也需要檢測(cè)輸出電流的大小,以此了解蓄電池的充電情況,適時(shí)切換充電方式,達(dá)到提高充電效率,延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命的效果。圖3 為一個(gè)蓄電池充電器的輸出電流檢測(cè)原理圖, 電流檢測(cè)電阻RS將蓄電池的充電電流轉(zhuǎn)化為電壓US,反饋給充電方式控制電路,由控制電路根據(jù)充電電流的大小適時(shí)切換充電方式[4]。
采用霍爾電流傳感器作為開(kāi)關(guān)電源的電流反饋傳感器
為了克服以電阻作為電流傳感器所產(chǎn)生的功耗,采用霍爾電流傳感器作為開(kāi)關(guān)電源的電流傳感器?;魻栯娏鱾鞲衅饔纱判尽⒋判纠@組、霍爾電極以及電壓放大器等組成,當(dāng)被檢測(cè)電流流過(guò)磁芯繞組時(shí),將在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將通過(guò)霍爾電極轉(zhuǎn)換為電壓,經(jīng)過(guò)內(nèi)部電壓放大器的放大和處理,以與被檢測(cè)電流成一定比例關(guān)系的電壓形式輸出?;魻栯娏鱾鞲衅鞯臉?gòu)成有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種形式,開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器將霍爾電極的轉(zhuǎn)換電壓放大后的直接輸出,其電流容量大,但測(cè)量精度稍低[5];閉環(huán)霍爾電流傳感器采用磁平衡方式測(cè)量電流,測(cè)量精度高,線性度好,非常適合在開(kāi)關(guān)電源中使用。閉環(huán)霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4 所示,被測(cè)電流通過(guò)繞組后在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)使霍爾電極上產(chǎn)生電壓,此電壓經(jīng)放大器放大后輸出,同時(shí)經(jīng)補(bǔ)償繞組使磁芯中磁場(chǎng)得到平衡補(bǔ)償,保證輸出電壓UOUT 與被測(cè)電流成嚴(yán)格的線性關(guān)系。
圖3:開(kāi)關(guān)電源充電器輸出電流檢測(cè)原理圖
圖4:閉環(huán)霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)
[page]
常用的TBC-DS 系列閉環(huán)霍爾電流傳感器的引線框圖和傳輸特性如圖5 所示[6]。圖5(a)所示的霍爾電流傳感器引線中,I+1~3和I-1~3是被測(cè)電流的串入繞組引腳, 其中,I+1和I-1是一個(gè)被測(cè)電流繞組的引腳,I+2和I-2、I+3和I-3也分別各是一個(gè)被測(cè)電流繞組的引腳。當(dāng)3 個(gè)被測(cè)電流繞組并聯(lián)時(shí),霍爾電流傳感器的額定測(cè)量電流為IPN1; 若將兩個(gè)繞組并聯(lián)再與一個(gè)繞組串聯(lián)時(shí),霍爾電流傳感器的額定測(cè)量電流為IPN2;若將3 個(gè)繞組相互串聯(lián)時(shí),霍爾電流傳感器的額定測(cè)量電流為IPN3。3 個(gè)額定測(cè)量電流間的關(guān)系為:IPN1=2 IPN2=3 IPN3。可見(jiàn),通過(guò)3 組被測(cè)電流繞組的不同接法,可以改變霍爾電流傳感器的額定測(cè)量電流值,擴(kuò)展測(cè)量區(qū)間。VCC為電源引腳,電源電壓通常為5 V;GND 是電源和傳感器輸出電壓的地;OUT 是傳感器電壓輸出引腳。由5(b)所示的霍爾電流傳感器傳輸特性可見(jiàn),當(dāng)被測(cè)電流為0 時(shí),其輸出電壓UOUT =2.5 V;當(dāng)被測(cè)電流不為0 且方向?yàn)閺腎+至I-時(shí),輸出電壓UOUT>2.5 V,當(dāng)被測(cè)電流不為0 且方向?yàn)閺腎-至I+時(shí),輸出電壓UOUT<2.5 V。IPN和-IPN是霍爾傳感器的正負(fù)額定電流, 當(dāng)被檢測(cè)電流達(dá)到額定電流時(shí),根據(jù)電流方向的不同,輸出電壓UOUT 的值分別為3.125 V 或1.875 V, 即相對(duì)于2.5 V 的中心值有±0.625 V的偏移。當(dāng)被檢測(cè)電流值絕對(duì)值大于IPN 時(shí),霍爾傳感器仍可輸出與被檢測(cè)電流成線性關(guān)系的電壓值,直至被檢測(cè)電流達(dá)到霍爾傳感器的最大檢測(cè)電流IPmax。通常,IPmax>3 IPN。
圖5:閉環(huán)霍爾電流傳感器的引線和傳輸特性
霍爾電流傳感器被測(cè)電流繞組的阻抗通常小于1 mΩ,串入被檢測(cè)電流回路后產(chǎn)生的功耗極小,可以忽略不計(jì)。以霍爾傳感器作為開(kāi)關(guān)電源電流傳感器時(shí),只需將霍爾電流傳感器的兩個(gè)被檢測(cè)電流接入端I+和I-串入電流回路中,取代原來(lái)的電流檢測(cè)電阻即可。但霍爾電流傳感器需要一個(gè)5 V的電壓供電,此電壓需要由開(kāi)關(guān)電源提供。一般的開(kāi)關(guān)電源控制器芯片均會(huì)提供一個(gè)5 V 左右的參考電壓Vref輸出,如果電流容量允許,也可將此參考電壓作為霍爾電流傳感器的供電電壓。需要重點(diǎn)考慮的是霍爾電流傳感器的輸出電壓UOUT的轉(zhuǎn)換,涉及輸出電壓基值和輸出電壓與被檢測(cè)電流的比例關(guān)系兩個(gè)方面。其一,電流檢測(cè)電阻以0 V 作為基值,即被測(cè)電流為0 時(shí),其兩端電壓為0 V;而霍爾電流傳感器的UOUT 是以2.5 V 為基值,即被測(cè)電流為0 時(shí),UOUT =2.5 V。其二,電流檢測(cè)電阻兩端電壓與被檢測(cè)電流的比例關(guān)系是由電阻阻值決定的,電阻兩端電壓 US=I?i RS;而霍爾傳感器的輸出電壓與被測(cè)電流的比例關(guān)系通常取決于霍爾電流傳感器的額定電流IPN,當(dāng)被檢測(cè)電流等于霍爾電流傳感器的額定電流時(shí),UOUT的偏移量為±0.625 V。設(shè),則霍爾電流傳感器被檢測(cè)電流I1與輸出電壓的傳輸關(guān)系為:
(Uout)/I1 =0.625V/IPN (1)
實(shí)現(xiàn)霍爾電流傳感器的輸出電壓UOUT的轉(zhuǎn)換,替換電流檢測(cè)電阻可采用如下方式:選擇適當(dāng)額定電流的霍爾電流傳感器,根據(jù)開(kāi)關(guān)電源電路中的電流最大值I1max,依式(1)即可計(jì)算出反饋至開(kāi)關(guān)電源控制器的電壓最大值U′OUTmax , 則霍爾傳感器產(chǎn)生的反饋電壓的變化區(qū)間即為0~U′OUTmax 。如果開(kāi)關(guān)電源控制器要求的反饋電壓最大值USmax大于U′OUTmax 且與U′OUTmax 相近, 則可直接采用2.5 V 的穩(wěn)壓二極管將霍爾電流傳感器的輸出電壓基值嵌位至0 V, 其電路如圖6 所示。也可使用精密可調(diào)基準(zhǔn)源TL431 代替穩(wěn)壓二極管,將TL431 的K 端和R 端并聯(lián),亦可實(shí)現(xiàn)2.5 V 的壓降,其電路如圖7 所示?;魻栯娏鱾鞲衅鞯妮敵鲭妷篣OUT經(jīng)嵌位后,加至開(kāi)關(guān)電源控制器[7]的反饋電壓就為U′OUT 。但應(yīng)注意,霍爾電流傳感器被測(cè)電流繞組的電流方向應(yīng)為I+至I-,不可接反,否則輸出電壓將為0。
圖6:使用穩(wěn)壓二極管嵌位霍爾傳感器
圖7:使用TL431 嵌位霍爾傳感器
如果開(kāi)關(guān)電源控制器要求的反饋電壓最大值USmax小于U′OUTmax 或遠(yuǎn)大于U′OUTmax ,則可依圖8 所示電路,將UOUT經(jīng)運(yùn)放構(gòu)成的比例放大器處理后,再用2.5 V 穩(wěn)壓二極管嵌位,反饋至開(kāi)關(guān)電源控制器。由于比例放大器通常采用反相放大方式,故霍爾電流傳感器被測(cè)電流繞組的電流方向應(yīng)為I-至I+。
圖8:使用比例放大器對(duì)傳感器輸出電壓進(jìn)行處理
采用霍爾電流傳感器與電流傳感電阻的比較
霍爾電流傳感器的被測(cè)電流繞組阻抗通常小于1 mΩ,串入被檢測(cè)電流回路后產(chǎn)生的功耗極小,可以忽略不計(jì)。而電流傳感電阻是耗能元件, 在輸入電流或輸出電流比較大時(shí),電流傳感電阻上的功耗可達(dá)幾瓦至十幾瓦。同時(shí),功耗還導(dǎo)致電流傳感電阻的發(fā)熱,增加了開(kāi)關(guān)電源的散熱難度。因此,采用霍爾電流傳感器比電流傳感電阻在提高開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率上存在較大優(yōu)勢(shì)。
霍爾電流傳感器能夠比較準(zhǔn)確的檢測(cè)電流,輸出電壓與被測(cè)電流成嚴(yán)格的線性關(guān)系,線性度誤差小于0.1%。而電流傳感電阻在環(huán)境溫度變化或自身發(fā)熱后, 其阻值將變化,影響電流檢測(cè)精度。因此,將霍爾電流傳感器用于開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護(hù)、蓄電池充電器的充電電流檢測(cè)時(shí),會(huì)比電流傳感電阻的精度高得多。如果開(kāi)關(guān)電源采用恒流模式輸出,則使用霍爾電流傳感器檢測(cè)輸出電流會(huì)極大提高開(kāi)關(guān)電源的輸出電流精度。
目前,霍爾電流傳感器的應(yīng)用剛處于開(kāi)始階段,霍爾電流傳感器的價(jià)格遠(yuǎn)高于電流傳感電阻,因此,霍爾電流傳感器還只能用于大輸入電流開(kāi)關(guān)電源的輸入電流反饋和大輸出電流開(kāi)關(guān)電源的輸出電流檢測(cè)。在這樣的開(kāi)關(guān)電源中,霍爾電流傳感器所帶來(lái)的轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢(shì)高于價(jià)格劣勢(shì)。隨著霍爾電流傳感器的應(yīng)用普及, 霍爾電流傳感器的價(jià)格會(huì)越來(lái)越低,應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。
結(jié)論
綜上所述,采用霍爾電流傳感器作為開(kāi)關(guān)電源中的電流傳感器,替代以往的電流傳感電阻,可以大大降低開(kāi)關(guān)電源的功耗,減少電路的發(fā)熱,從而提高開(kāi)關(guān)電源的整體轉(zhuǎn)換效率,延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)電源的壽命。雖然使用霍爾電流傳感器較使用電流傳感電阻使開(kāi)關(guān)電源的成本會(huì)有所提高, 但綜合考慮,使用霍爾電流傳感器的性?xún)r(jià)比會(huì)更高,故此方法具有很好的應(yīng)用價(jià)值?;魻栯娏鱾鞲衅鞯膬r(jià)格會(huì)越來(lái)越低,應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。