直流穩(wěn)壓電源中電流檢測電路的解析
2017-8-8 9:17:51??????點擊：
引言
介紹直流穩(wěn)壓電源電流檢測電路的實現(xiàn)方法，并探討在直流穩(wěn)壓電源電流檢測中常遇見的直流穩(wěn)壓電源電流互感器飽和、副邊直流穩(wěn)壓電源電流下垂的問題，最后用實驗結(jié)果分析了升壓電路中直流穩(wěn)壓電源電流檢測的方法。
功率開關(guān)電路的電路拓撲分為直流穩(wěn)壓電源電流模式控制和電壓模式控制。直流穩(wěn)壓電源電流模式控制具有動態(tài)反應(yīng)快、補償電路簡化、增益帶寬大、輸出電感小、易于均流等優(yōu)點，因而取得越來越廣泛的應(yīng)用。而在直流穩(wěn)壓電源電流模式的控制電路中，需要準(zhǔn)確、高效地測量直流穩(wěn)壓電源電流值，故直流穩(wěn)壓電源電流檢測電路的實現(xiàn)就成為一個重要的問題。
1、直流穩(wěn)壓電源電流檢測電路的實現(xiàn)
在直流穩(wěn)壓電源電流環(huán)的控制電路中，直流穩(wěn)壓電源電流放大器通常選擇較大的增益，其好處是可以選擇一個較小的電阻來獲得足夠的檢測電壓，而檢測電阻小損耗也小。
直流穩(wěn)壓電源電流檢測電路的實現(xiàn)方法主要有兩類：電阻檢測（resistivesensing）和直流穩(wěn)壓電源電流互感器（currentsensetransformer）檢測。
電阻檢測有兩種，如圖1、圖2所示。
當(dāng)使用圖1直接檢測開關(guān)管的直流穩(wěn)壓電源電流時還必須在檢測電阻RS旁并聯(lián)一個小RC濾波電路，如圖3所示。因為當(dāng)開關(guān)管斷開時集電極電容放電，在直流穩(wěn)壓電源電流檢測電阻上產(chǎn)生瞬態(tài)直流穩(wěn)壓電源電流尖峰，此尖峰的脈寬和幅值常足以使直流穩(wěn)壓電源電流放大器鎖定，從而使PWM電路出錯。
但是在實際電路設(shè)計時，特別在設(shè)計大功率、大直流穩(wěn)壓電源電流電路時采用電阻檢測的方法并不理想，因為檢測電阻損耗大，達數(shù)瓦，甚至十幾瓦；而且很難找到幾百毫歐或幾十毫歐那么小的電阻。
實際上在大功率電路中實用的是直流穩(wěn)壓電源電流互感器檢測，如圖4所示。直流穩(wěn)壓電源電流互感器檢測在保持良好波形的同時還具有較寬的帶寬，直流穩(wěn)壓電源電流互感器還提供了電氣隔離，并且檢測直流穩(wěn)壓電源電流小損耗也小，檢測電阻可選用稍大的值，如一二十歐的電阻。直流穩(wěn)壓電源電流互感器將整個瞬態(tài)直流穩(wěn)壓電源電流，包括直流分量耦合到副邊的檢測電阻上進行測量，但同時也要求直流穩(wěn)壓電源電流脈沖每次過零時磁芯能正常復(fù)位，尤其在平均直流穩(wěn)壓電源電流模式控制中，直流穩(wěn)壓電源電流互感器檢測更加適用，因為平均直流穩(wěn)壓電源電流模式控制中被檢測的脈沖直流穩(wěn)壓電源電流在每個開關(guān)周期中都回零。
為了使直流穩(wěn)壓電源電流互感器完全地磁復(fù)位，就需要給磁芯提供大小相等方向相反的伏秒積。在多數(shù)控制電路拓撲中，直流穩(wěn)壓電源電流過零時占空比接近100％，所以直流穩(wěn)壓電源電流過零時磁復(fù)位時間在開關(guān)周期中只占很小的比例。要在很短的時間內(nèi)復(fù)位磁芯，常需在直流穩(wěn)壓電源電流互感器上加一個很大的反向偏壓，所以在設(shè)計直流穩(wěn)壓電源電流互感器電路時應(yīng)使用高耐壓的二極管耦合在直流穩(wěn)壓電源電流互感器副邊和檢測電阻之間。
2、防止直流穩(wěn)壓電源電流檢測電路飽和的方法
如果直流穩(wěn)壓電源電流互感器的磁芯不能復(fù)位，將導(dǎo)致磁芯飽和。直流穩(wěn)壓電源電流互感器飽和是一個很嚴重的問題，首先是不能正確測量直流穩(wěn)壓電源電流值，從而不能進行有效的直流穩(wěn)壓電源電流控制；其次使直流穩(wěn)壓電源電流誤差放大器總是“認為”直流穩(wěn)壓電源電流值小于設(shè)定值，這將使直流穩(wěn)壓電源電流誤差放大器過補償，導(dǎo)致直流穩(wěn)壓電源電流波形失真。
直流穩(wěn)壓電源電流互感器檢測最適合應(yīng)用在對稱的電路，如推挽電路、全橋電路中。對于單端電路，特別是升壓電路，會產(chǎn)生一些我們必須關(guān)注的問題。對于升壓電路，電感直流穩(wěn)壓電源電流就是輸入直流穩(wěn)壓電源電流，那么在直流穩(wěn)壓電源電流連續(xù)工作方式時，不管充電還是放電，電感直流穩(wěn)壓電源電流總是大于零，即在直流值上疊加一個充放電的波形。因此直流穩(wěn)壓電源電流互感器不能用于直接測量升壓電路的輸入直流穩(wěn)壓電源電流，因為電感直流穩(wěn)壓電源電流不能回零而使直流值“丟失”了；并且直流穩(wěn)壓電源電流互感器因不能磁復(fù)位而飽和，從而失去過流保護功能，輸出產(chǎn)生過壓等。在降壓電路中也存在同樣的問題，直流穩(wěn)壓電源電流互感器不能用于直接測量輸出直流穩(wěn)壓電源電流。
解決這個問題的方法是用兩個直流穩(wěn)壓電源電流互感器分別測量開關(guān)直流穩(wěn)壓電源電流和二極管直流穩(wěn)壓電源電流，如圖4所示實際的電感直流穩(wěn)壓電源電流是這兩個直流穩(wěn)壓電源電流的合成，這樣每個直流穩(wěn)壓電源電流互感器就有足夠的時間來復(fù)位了。但要注意這兩個直流穩(wěn)壓電源電流互感器的匝比應(yīng)一樣，以保持檢測電阻RS上的直流穩(wěn)壓電源電流對稱。
功率因數(shù)校正電路一般采用升壓電路，用雙互感器檢測，但在線直流穩(wěn)壓電源電流過零時，直流穩(wěn)壓電源電流互感器也特別容易飽和。因為此時的占空比約為100％，從而容易造成磁芯沒有足夠的時間復(fù)位。為此可以在外電路中采取一些措施來防止直流穩(wěn)壓電源電流互感器飽和。如采用直流穩(wěn)壓電源電流放大器輸出箝位來限制其輸出電壓，并進一步限制占空比小于100％，電路如圖5所示。設(shè)定箝位電壓的過程很簡單，在剛起動時直流穩(wěn)壓電源電流放大器箝位在一個相對較低的值（大約4V），系統(tǒng)開始工作，但過零誤差很大；一旦系統(tǒng)正常工作后，箝位電壓將升高，直流穩(wěn)壓電源電流互感器接近飽和，箝位電壓最多升到6.5V（低電壓大負載時）并且直流穩(wěn)壓電源電流的THD在可接受的范圍內(nèi)（<10％ ） ， 以限制最大占空比 。設(shè)定的箝位電壓不能太低，否則將使直流穩(wěn)壓電源電流過零畸變大 。
如果需要更好的特性或需要運行在寬范圍，可以用圖6的電路，這個電路將根據(jù)線電壓反向調(diào)節(jié)箝位電壓。
每個直流穩(wěn)壓電源電流脈沖都使磁芯復(fù)位以克服磁芯飽和的方法，除了改進外電路還可以改進直流穩(wěn)壓電源電流檢測電路。一般利用直流穩(wěn)壓電源電流檢測電路自復(fù)位，即利用磁芯中存儲的能量和直流穩(wěn)壓電源電流互感器的開路阻抗在短時間內(nèi)產(chǎn)生足夠的伏秒積來復(fù)位。但當(dāng)占空比大于50％，特別是接近100％時，可能沒有足夠的時間來使磁芯復(fù)位，這時除直流穩(wěn)壓電源電流放大器輸出箝位外，還可以采用強制復(fù)位電路。
強制磁芯復(fù)位的電路很多，如使用附加線圈或中心抽頭的線圈，但最簡單的方法是采用圖7、圖8所示電路來強制磁芯復(fù)位。脈沖直流穩(wěn)壓電源電流來時強制復(fù)位電路和自復(fù)位電路的工作沒有差別，當(dāng)復(fù)位時從VCC通過Rr來的直流穩(wěn)壓電源電流加入磁芯復(fù)位直流穩(wěn)壓電源電流，寄生電容快速充電，副邊電壓反向，伏秒積增加，磁芯復(fù)位速度加快。如果需要得到負的檢測電壓而又不想用負電壓強制復(fù)位時則用圖8所示電路。
對于直流穩(wěn)壓電源電流檢測電路磁芯復(fù)位還要考慮的一個因素是副邊線圈的漏電感和分布電容。為了減小損耗，一般選擇匝比較大的直流穩(wěn)壓電源電流互感器，但匝比大，副邊線圈的漏電感和分布電容大。漏電感影響直流穩(wěn)壓電源電流上升和下降的時間，分布電容則影響直流穩(wěn)壓電源電流互感器的帶寬。
并且在磁芯復(fù)位時，副邊電感和分布電容諧振，如果分布電容大，則諧振頻率低，周期長，那么在占空比大、磁芯復(fù)位時間短時，副邊線圈就沒有足夠的時間來釋放能量使磁芯復(fù)位了。所以應(yīng)盡量不選擇匝比太大的直流穩(wěn)壓電源電流互感器。
3、直流穩(wěn)壓電源電流互感器的下垂效應(yīng)
直流穩(wěn)壓電源電流互感器副邊的脈沖直流穩(wěn)壓電源電流要減去直流穩(wěn)壓電源電流互感器繞組上的脈沖電壓在副邊產(chǎn)生的一個從零開始隨時間線性增長的磁化直流穩(wěn)壓電源電流，才等于檢測電阻上的直流穩(wěn)壓電源電流，該磁化直流穩(wěn)壓電源電流的大小為：
Idroop=nUs / Ls·△t （1）
式中：
US——副邊電壓
LS——副邊電感
n——Ns/Np
Δt——直流穩(wěn)壓電源電流波脈寬
剛開始時副邊直流穩(wěn)壓電源電流是原邊直流穩(wěn)壓電源電流的n倍，但隨時間增加，磁化直流穩(wěn)壓電源電流加大，副邊直流穩(wěn)壓電源電流下降得很厲害，這就是直流穩(wěn)壓電源電流互感器的下垂效應(yīng)。所以為了得到較大的副邊檢測電壓不應(yīng)完全靠增加檢測電阻Rs的值來實現(xiàn)，也要靠減小副邊下垂效應(yīng)來增加副邊的脈沖直流穩(wěn)壓電源電流，同時Rs的值大也將使磁芯復(fù)位困難。
如式（1）所示，副邊電感值越大，下垂效應(yīng)越小；匝比越小，下垂效應(yīng)也越小，但最好不要靠減少副邊的匝數(shù)來減小匝比，因為這將使副邊的電感減小了，應(yīng)在空間允許的情況下增加原邊匝數(shù)來減小匝比。
4、實驗結(jié)果
在功率因數(shù)校正電路中，使用如圖4所示的檢測電路，并采用如上所述防磁芯飽和及減小下垂效應(yīng)的措施，在直流穩(wěn)壓電源電流互感器的變比為1∶50，副邊電感為30mH,取副邊電壓為2V,直流穩(wěn)壓電源電流波脈寬為5μs時,得：
相對于十多安培的檢測直流穩(wěn)壓電源電流，該直流穩(wěn)壓電源電流下降效應(yīng)并不明顯。
5、結(jié)語
直流穩(wěn)壓電源電流檢測在直流穩(wěn)壓電源電流控制中起著重要的作用，直流穩(wěn)壓電源電流檢測分為電阻檢測和直流穩(wěn)壓電源電流互感器檢測。為了減少損耗，常采用直流穩(wěn)壓電源電流互感器檢測。在直流穩(wěn)壓電源電流互感器檢測電路的設(shè)計中，要充分考慮電路拓撲對檢測效果的影響，綜合考慮直流穩(wěn)壓電源電流互感器的飽和問題和副邊直流穩(wěn)壓電源電流的下垂效應(yīng)，以選擇合適的磁芯復(fù)位電路、匝比和檢測電阻。
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