DC-DC转换器初级电流检测方法

2016-09-08 08:55:01来源: eefocus
  引言


  在开关电源设计中,很重要的一项内容是过载保护功能的设计,尤其是在空间领域,由于其高可靠、高风险、不可维修的特性,使得空间用DC-DC转换器要具备可靠的过载保护功能。

  过载保护功能是指在负载过载情况下,能有效保护DC-DC转换器不会因过热而损坏。由于用电负载不同,对过载保护功能要求也不同。控制系统要求过载后DC-DC转换器不能断电,其采取限流保护;有效载荷系统要求可以在过载后DC-DC转换器断电,其采取截流保护。

  设计过载保护就需要检测电路中的电流,DC-DC转换器的电流取样可以直接检测输出回路的电流,例如次级整流回路的电流;也可以检测初级回路的电流,例如流过功率MOSFET管的电流。

  电流检测的一般方式

  电流检测常用的方式为电阻直接取样、利用霍尔元件(LEM)取样和利用电流互感器取样。

  用电阻取样易于实现,电路设计简单,但损耗大,检测信号易受干扰,适用于小功率转换电路,电路如图1所示,其中R1为电流检测电阻。以源端平均电流1A为例,常用的电流控制型PWM控制器UC1845的电流保护检测电压为1V,这样需要的电阻为1Ω,功耗为1W,按照航天器元器件降额要求(GJB/Z 35-93《元器件降额准则》),至少选用2W的电阻。而一个2W电阻的封装对于模块电源来说体积较大。

  用霍尔元件虽然检测精度较高,但成本、体积常常对于模块电源来说还是无法接受。

  一般电流互感器的特性介于电阻和霍尔元件之间,是用得最多的一种电流检测方法。DC-DC转换器中常用的是脉冲直流互感器,其原理如图2所示,工作方式为单向磁化,类似正激转换器。当初级电流流通时,磁芯中磁场逐渐增大;当初级电流不再增加时,次级感应电势将二极管击穿,使磁芯复位到剩磁感应强度Br。

  通常初级线圈为1匝,次级匝数很多,这样可以减小次级反射到初级的阻抗,以减小对初级的影响。

  如果不考虑线圈电阻,则次级感应电压可以近似为电压源,脉冲直流互感器的设计依据公式(1):

  

  式中:e2为次级感应电压,Ton为导通时间,N2为次级线圈匝数,Ae为磁芯有效截面积,△B为工作磁感应强度,单位为特斯拉(T)。

  互感器励磁电流im有如下关系式:

  

  一般电流互感器初级匝数为1,即N1=1,则(3)式可以表示为:

  

  式中:AL为磁芯电感系数,表达式为:
  
  如果定义电流检测误差为:
  
  即电流互感器设计公式为:
  
  用输入差模电感作电流互感器的原理

  由于电磁兼容性的需要,DC-DC转换器输入端都要加EMC滤波器,通常的滤波器由共模滤波电感、差模滤波电感、滤波电容组成,如图3所示。

  由于输入回路串接了工作于开关状态的功率开关管,因此输入端有两个电流回路,一个是输入电容通过输入电感充电回路,另一个是输入电容通过变压器初级向功率开关管放电回路。

  用输入差模电感作电流互感器,检测输入电流的应用电路如图4所示。

  

  下面推导互感器次级感应电压与输入电流的关系。

  如果忽略T1次级反射阻抗的影响,可以将T1初级等效成电流值为输入电流Iin的恒流源,主变压器初级及开关管V1可以等效成受占空比控制的脉动电流源。

  不考虑V1的导通与截止时间,且整个转换器工作在连续模式,主变压器初级导通时的电流可以近似为常值,这样整个工作周期内主要各点电压、电流波形如图5所示。


  电路工作于稳态后,t0~t1时间段V1关断,输入通过Iin给输入电容Cin充电;t1~t2时间段V1导通,输入电容Cin通过主变压器和V1放电,如此循环。

  可以推导输入电流与电容纹波电压的关系为:
  

  因此可以把输入电容上的纹波电压等效为T1初级的交流信号源,如图6所示。

  互感器初级按照一般差模电感进行设计,本文再不赘述了。设计次级时,此时不能按照一般电流互感器次级设计,而是把电流互感器次级作为正激变压器次级去设计,次级匝数为:
  

  电路仿真

  作者用Saber-2005仿真软件对这一应用电路进行了仿真分析,仿真电路如图7所示。输出电压为28.5V,输出电流步长为0.1A,从0A变化到4A。

  测试数据

  作者设计了一个开关电源,输入互感器用MPP磁芯55045A2,初级而数22匝,次级匝数220匝,输出电压28V,输出电流步长为0.1 A,从0A变化到4A,输出电流与互感器次级感应电压Vout的实测曲线如图8所示。

  结语

  本文探讨了一种利用输入滤波差模电感,做DC-DC转换器输入电流互感器的原理与设计方法,在电路应用中可以省略单独的电流互感器。当然对于具体电路,其设计要依赖于输入滤波电容的大小,因此对于一个具体的DC-DC转换器,应先设计输入滤波电路,再设计该电流互感器。

关键字:DC-DC  转换器  电流检测

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016090817134.html
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