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开关电源中电流无损耗检测技术

2006/7/25 9:25:00

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[摘 要] 分析目前应用最广泛的电流检测方法,指出其不适应电源发展趋势的局限之处,进一步分析多种可能取代的方案,逐一分析各自特点、适用场合。最后引进新材料与新技术在电流检测上的应用,数据显示新材料、新技术将会有广泛的应用前景。1 引言
电流作为一个基本的量值其重要性是显而易见的,在开关电源的设计中,目前电流检测主要用于过流保护和作为控制器的电流反馈控制量。应用场合非常广泛,比如可用于各种电源的电流模式控制,逐波限流和模块间均流,输入/输出电流监测。在各种不同的应用场合,对电流的要求也因物而异。但主要是从精度、反馈速度、功耗、体积等几个方面考虑。而目前开关电源领域应用最广泛的检测方法有串联电阻检测电流法、CT法和霍尔元件。串联电阻检测电流法电路拓扑如图1所示。



此法具有精度高、简单、成本低等诸多优点。但随着电源技术的不断进步,工业上对电源提出越来越高的要求,串联电阻法的一些应用缺陷也就逐渐露出来:在开关电源输出电流越来越大的趋势下,若采用此法,电阻上就会产生比较大的损耗,如通过100A电流时,即使用毫欧级别的电阻产生的功耗也是很惊人的。当功耗上升时,功率电阻体积随之增大,这不符合电源小型化的趋势。而电阻上的损耗I2R几乎都转化为热能,这又增加了散热的难度,对电源小型化同样很不利。在低压小电流场合,假设满载电流为1A,取样电阻为0.1Ω,则损耗为0.1W。若输出为3.3V,电阻损耗占总损耗的3.3%,使得总效率降低几个百分点。此外,电阻检测法输出信号小,需要另外附加放大电路。这是电阻串联检测电流法的局限处。其他如CT法存在磁饱和问题、体积过大、不能测量直流等缺点。传统霍尔元件可测量带宽约为100kHz,但价格高,体积大不利于片内一体化。
基于上述传统方法的缺点和实际应用的需要,以下提出几种新的电流检测方法,并从多方面分析各种方法的优缺点,指出各自的适用场合。
2 现有电流检测技术
2.1 MOSFET RDS电流检测法
当MOSFET处于开通状态并处于线性工作区时,会有导通电阻,并产生压降。因此可以通过测得MOSFET导通压降,然后除以导通电阻得到电流值。取样电路拓扑如图2所示。




由于是借助电路本身器件进行测量,没有任何附加器件带来外来损耗,该检测技术适合于各种功率范围的低精度要求电流检测。
2.2 MOSFET感应电流法
此法采用的是并联一个感应MOSFET到主功率管MOSFET上,如图3所示。




由于生产技术上的限制,此法现在还只能应用于小功率的开关电源和汽车电子方面。该检测技术适合使用于对响应要求较快的逐波限流和电流模式控制场合。
2.3 匹配电感电流检测法








此法无损耗,成本低,可通过片内集成技术推广。但也需要知道乙的值,且由于电感电流是一个与温度、电流大小、频率相关的量,因此在计算时要对这些量进行补偿,影响精度,增加了实现难度。
该检测技术适合于精度要求不高的限流和均流。由于是利用电路本身自有器件,故适用于各种功率范围的电源。
2.5 平均电流法




控制器取得电容C上电压与输出电压,进行计算可得到差值。此法优点是无损耗,低成本。缺点是需要知道电感寄生电阻RL的值,由于RL与温度,频率等量相关,所以要进行补偿,影响了精度。
该检测技术适合于精度要求不高的限流和均流场合以及对实时特性不敏感的开关电源电流检测。
3 新型电流无损耗检测技术
3.1 新型纳米材料GMR技术
在20世纪70年代,科学家们发现了一种材料的磁致电阻效应,称为AMR(Anisotrohttp://a.gongkong.com/meiti/meiti/pic Magneto Resistance),在外磁场改变时,磁性材料的电阻发生改变,并由此应用于各种场合,电流检测是其中之一。但AMR由于其本身的一些缺点,应用并不成功。直到1988年科学家们又发现了GMR(Ciant Magneto Resistive),巨磁致电阻效益。在使得当外磁场变化时,磁性合金材料的电阻产生更大的变化,这样GMR的应用范围大大拓宽。如图7所示,为反铁磁耦合的磁性多层超薄膜,每层厚为纳米级别。其中A层是非磁性导体材料,B为反铁磁耦合的磁性材料。


当外界没有磁场的时候,A对C的电阻是很大的。但当外界有磁场时,如图8所示。


此时,A对电流C的电阻减少10%~15%。这个特性用来检测电流产生的磁场并由此信息得到电流大小。美国的NVE公司已经通过此项技术制造出电流检测产品AA、AAH、AAL系列。与HALL和AMR相比,GMR的优点如表1所示。


GMR的应用前景很广泛,适用于输出限流、均流,逐波限流,电流模式控制等。但不能应用大电流场合,因为目前技术水平的磁场感应范围是10-3~600e。
3.2 GMR试验应用
GMR为隔离型测量器件,在实际应用中将其紧贴在导电铜箔表面以测量由电流产生的磁场,测量示意图如图9所示。


图中Trace1,2,3分别为粗细不同的铜箔导线,以通过不同大小的电流做测试。GMR电流检测器芯片横跨导线横截面感应电流产生的磁场。实际测量实物图如图10所示。


图中采用芯片为NVE公司提供的AA002—02型,芯片工作线性范围为1.5~10.50e。铜箔通过电流在测量芯片处产生的磁场强度计算公式为


如表2所示,在磁场线性工作范围内,芯片输出电压与理论值基本吻合,具有线性度良好,输出信号大,灵敏度高,体积小等优点。在实际应用场合,可将芯片输出接运放进行放大输出,与比较器比较后输出方波再经过推挽电路进行电流放大以作为控制信号使用。


4 结束语
以上分析了六种传统的电流检测技术,指出各自的特点和适用场合。由此进一步介绍了新材料与新技术的应用,与传统技术相比优点明显,具有很好的应用前景。相信很快会在开关电源电流检测领域有新的突破。

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