在開關(guān)模式電源應(yīng)用中使用電流傳感器

常見的控制方案，像電流模式控制和峰值電流限制，在沒有傳統(tǒng)交流電流傳感器提供實時信息的條件下是不可能實現(xiàn)的。設(shè)計師通常使用變壓器、運算放大器和無源分立元件來實現(xiàn)這些傳感器，盡管市場上有許多單芯片解決方案。他們堅持使用分立電路設(shè)計方案有許多原因，包括成本和/或性能，同時也在期待有更好的單芯片交流電流傳感器方案出現(xiàn)。不過迄今為止，他們看到的還只是在已有老技術(shù)上的少量改進。

什么因素最重要？

對于一個成本壓力很大的電源系統(tǒng)來說，設(shè)計師的需求一覽表中首先是成本，所以交流電流傳感器的安裝成本必須具有吸引力(安裝成本指的是傳感器自身成本再加上外圍元器件成本，以及額外的制造成本，比如校準(zhǔn)等)。第二項是通過將電流檢測通道上的功率損耗降到最小來提高效率的低阻值有效串行電阻(ESR)，這在負(fù)載點(POL)調(diào)節(jié)器這類大電流設(shè)備中尤其重要，因為每增加一個毫歐的ESR都會引起高達(dá)1%的效率下降。在成本和效率之外，還要求體積小，這對于安裝到電路板上的電源模塊來說是一個關(guān)鍵要求。其他方面的考慮還包括高精度(可以簡化或省去系統(tǒng)內(nèi)部校準(zhǔn))、足夠高的隔離電壓(在AC/DC轉(zhuǎn)換器中這是一個重要考慮因素)，還有就是用于高頻系統(tǒng)應(yīng)用的寬工作帶寬。

傳感器種類

可用的電流檢測解決方案可以被分為兩大類：即單芯片方案和分立電路方案，如表1所示。

電流傳感放大器通過測量一個小值串聯(lián)電阻上的電壓產(chǎn)生一個代表電流的電壓信號。很顯然，該電阻將產(chǎn)生功耗，并且該功耗隨著電流的增加而增加，而為了限制噪聲，放大器帶寬通常較窄。這些特性使得該技術(shù)最適于小電流直流系統(tǒng)和低頻交流系統(tǒng)，而不適合那些高頻和大電流開關(guān)模式設(shè)備。

霍爾效應(yīng)和磁阻(MR)器件是通過檢測有電流流過的電感器產(chǎn)生的磁場來工作的，因此產(chǎn)生的功耗要低得多。但這些器件的工作帶寬較窄，體積大，成本高，而且輸出信號小，噪聲大，還有偏移和溫度誤差，這些都降低了測量的精度。

顧名思義，電流變壓器(CT)的工作原理是將流經(jīng)初級線圈的電流反映到次級，再在次級通過一個外部負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓。CT已被廣泛接受，因為它們需要的外圍元件最少，工作穩(wěn)定，提供固有的高隔離度，而且便宜。不過體積較大，功率損耗相對較高，有時還需要額外的電路進行磁芯復(fù)位。許多小型CT還是手工繞制的，因而存在機械完整性問題，例如抽頭間隔一致性差。

低端FET和DCR檢測電路都是檢測電路中已經(jīng)存在的電阻上的電壓，因此實際上它們自身并不會帶來什么損耗。在DCR檢測方案中，輸出濾波器上的RC電路使得這種組合電路看上去像是電阻。連接到這個“虛擬電阻”上的放大器測量電流的方式與前面所述的串聯(lián)電阻/檢測放大器方案是一樣的。與DCR類似，低端FET檢測方案也是檢測電阻上的電壓，不過是采用低端電阻RDS(ON)作為檢測電阻。雖然這兩種方法都需要較多的通用運算放大器和無源器件，但在目前最低成本和最低損耗的系統(tǒng)中仍有使用。這些方案不利的一面是，安裝體積大，有時還需要額外的系統(tǒng)校準(zhǔn)成本來解決高測量誤差-有時誤差高達(dá)40%。

表1：相關(guān)交流電流傳感器比較一覽表。

面對這些含糊不清的技術(shù)分類，設(shè)計師必須嚴(yán)格地區(qū)分電流傳感器的好壞，然后選擇能夠達(dá)到目標(biāo)的最佳方案。盡管有足夠多的交流電流檢測解決方案涌現(xiàn)，但許多設(shè)計還不是最佳方案，需要進一步優(yōu)化，至少目前為止是這樣。

絕佳的新方案

圖1所示的單向電流傳感器是一個最佳的、低成本、高效率、體積小的交流電流傳感器，并且還具有許多其他優(yōu)點。

圖1：Si85xx單向交流傳感器方框圖。

圖1中，傳感器由一個金屬嵌片和封裝在一個小型(4x4x1mm)QFN封裝中的硅裸片組成。嵌片和片上精選線圈一起構(gòu)成一個耦合電感器，因此流經(jīng)嵌片的交流電流感應(yīng)出的電壓等于電流的一階導(dǎo)數(shù)(即v=Lm di/dt)。然后片上的信號處理電路執(zhí)行一個有限積分運算，產(chǎn)生一個與流經(jīng)嵌片的電流成正比的實時信號。該信號再經(jīng)過片上的溫度補償器和增益級電路進一步調(diào)整。最后的結(jié)果是一個滿刻度為2V、噪聲非常低的溫補電流信號。

這種令人迷惑的簡單架構(gòu)卻能提供許多傳統(tǒng)電流檢測技術(shù)無法提供的優(yōu)點。例如，通過使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理技術(shù)和半導(dǎo)體封裝實現(xiàn)了極低的成本，這兩種技術(shù)使得該架構(gòu)的成本可能比CT的安裝成本還有競爭力，而且還有更高可靠性和更小體積等附加優(yōu)點。同時還實現(xiàn)了較低的損耗，這是因為嵌片在電流檢測通道中僅僅增加了1.3mΩ的串聯(lián)電阻和2nH的串聯(lián)電感。還有一個附加的優(yōu)點，就是通過對積分操作進行平均，將輸出噪聲減到了最小，從而節(jié)省了外部RC濾波器的成本和空間。它甚至還能抑制變壓器耦合設(shè)計中的邊沿噪聲，從而無需邊沿消隱。圖2和圖3分別通過將未濾波的輸出比作(在低值傳感電阻上使用差分探頭)測得的電流和CT電路(CT、二極管和RC濾波器)來展示了低噪聲原理。在兩種情況下，交流電流傳感器都幾乎沒有噪聲。

圖2：Si85xx輸出與檢測電阻的關(guān)系。

圖3：Si85xx輸出與CT輸出的關(guān)系。

如何實現(xiàn)這一新技術(shù)

使用這種電流傳感器的方法非常簡單。連接傳感器使得電流從IIN流到IOUT端。反向電流(即從IOUT流到IIN的電流)將導(dǎo)致零輸出，因此不會損壞器件。

上面提及的有限積分要求在每個電流測量周期之前將積分器復(fù)位。實現(xiàn)的方法是將現(xiàn)有的門控信號連接到復(fù)位輸入端(R1CR4)。積分器復(fù)位的標(biāo)準(zhǔn)很簡單：在電流測量后復(fù)位必須立即開始，而在下一次測量前必須結(jié)束。對于額定的精度，復(fù)位事件最少要持續(xù)250nS。

片上積分器復(fù)位邏輯具有足夠的靈活度，允許這種電流傳感器能夠與任意的電源系統(tǒng)拓?fù)湟黄鹗褂谩D4所示的是用于單輸出Si850x的復(fù)位電路。這些器件通常可以用于不存在變壓器磁通平衡控制問題的相對簡單一些的應(yīng)用(如降壓和升壓電路)中。

圖4：Si850x復(fù)位邏輯方框圖。

如圖4所示，當(dāng)TRST輸入被連接到VDD時，積分器復(fù)位可以受R1和R2上的信號的實時控制。為了滿足高頻或/和高占空比應(yīng)用，可以將TRST通過定時電阻RTRST連接到地來縮短復(fù)位時間。在這種情況下，復(fù)位的啟動由R1和R2觸發(fā)，持續(xù)時間則由RTRST決定。在較高速度的操作時，允許用戶對傳感器精度進行調(diào)整。

這意味著這些產(chǎn)品適用于更復(fù)雜的拓?fù)浼軜?gòu)，例如控制或監(jiān)視變壓器磁通平衡非常重要的全橋應(yīng)用。這種復(fù)雜的復(fù)位邏輯(圖5)是圖4所示電路的一個超集。

圖5：Si851x復(fù)位邏輯。

正如圖中所示的那樣，有三種復(fù)位算法可以選擇：即XOR、XNOR或AND/OR，選擇依據(jù)則取決于MODE狀態(tài)和R4輸入。需要重申的是，復(fù)位事件可以由復(fù)位輸入單獨決定，或由復(fù)位輸入進行觸發(fā)，并由前面所述的RTRST來定時?？傊?，RESET1適用于升壓、隔離式和非隔離式降壓以及其他相對簡單的拓?fù)洌琑ESET2一般用于推拉應(yīng)用，而RESET3適合全橋應(yīng)用。

應(yīng)用實例

圖6所示的是前面提到的用于簡單同步降壓轉(zhuǎn)換器的電流傳感器，當(dāng)Q1接通時對電流進行測量。同步FFT(Q2)出來的門控信號用于積分器復(fù)位，因為要確保復(fù)位事件不與電流測量周期相重疊。

圖6：同步降壓轉(zhuǎn)換器中的Si850x。

還需注意，復(fù)位輸入R2應(yīng)接地，這樣當(dāng)R1為高阻時，能夠使(XOR)門(圖4)的輸出觸發(fā)復(fù)位啟動。定時電阻RTRST用于設(shè)定圖6時序圖所示的復(fù)位事件周期(tR)。

復(fù)位信號最好來自驅(qū)動器輸入，因為增加的驅(qū)動器和晶體管時延能夠提供額外的時序余量。但是在帶有集成驅(qū)動器的控制器中是無法訪問驅(qū)動器輸入信號的，故必須用驅(qū)動器輸出信號來復(fù)位。在這種情況下，復(fù)位輸入端通常需要一個分壓器將驅(qū)動器輸出的擺幅限制到Si85xx VDD范圍內(nèi)。

圖7所示是一個相移調(diào)制的全橋應(yīng)用，使用了一個工作在乒乓模式的電流傳感器。乒乓模式能使一個單電流傳感器代替兩個CT(通常用來監(jiān)視變壓器磁通平衡)。乒乓輸出模式將橋的各臂上的電流信號送到分開的各個輸出端。

圖7：相移全橋應(yīng)用中的Si851x(乒乓模式)。

如圖所示，被測電流在Q1和Q4接通時流到OUT2，而當(dāng)Q2和Q3接通時流到OUT1。在電流循環(huán)相位期間(即當(dāng)Q1和Q2接通或Q3和Q4接通時)，積分器復(fù)位。工作頻率相對較低的全橋允許足夠的復(fù)位時間，因此TRST連到VDD，使得復(fù)位時間成為R1-R4狀態(tài)的函數(shù)。

擴展?jié)M刻度范圍

許多應(yīng)用要求大于20A的滿刻度范圍，這可以利用一個簡單的電路板版圖技巧來實現(xiàn)(圖8)。

左圖為安裝在電路板上的電流傳感器的“x射線圖”。這是一種標(biāo)準(zhǔn)的安裝方法，在載流導(dǎo)體中有一間隙，該間隙通過電流傳感器中的金屬嵌片橋接起來，從而允許全部被測電流流過嵌片。右圖中增加了一個與嵌片平行的小電流旁路線，它們構(gòu)成一個分流器，旁路線的寬度和厚度則決定了分流比。例如，一個1mm寬的旁路線能將從嵌片上分流足夠的電流，使Si85xx的滿刻度增加1.8倍，達(dá)到36A。

圖8：利用電流旁路線來擴展?jié)M刻度范圍。

本文小結(jié)

交流電流傳感器常用于開關(guān)模式電源應(yīng)用。傳統(tǒng)的交流電流傳感器設(shè)計折中重點圍繞著選擇“最簡捷的設(shè)計方法”。但是，本文所描述的交流電流傳感器以巧妙的方法應(yīng)用了基本技術(shù)，最終形成的傳感器性能超出了設(shè)計者的預(yù)期。它具有很多重要的優(yōu)點：性價比高，損耗低，體積小，帶寬寬，精度高，還提高了系統(tǒng)集成度(特別是在全橋應(yīng)用中)，并且噪聲低，靈活度高，能夠應(yīng)用于50kHz到1.2MHz的開關(guān)模式系統(tǒng)。它將是21世紀(jì)電源應(yīng)用中最佳的交流電流傳感器解決方案……它還將是最通用的電流傳感器！