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(shí)時(shí)信息的條件下是不可能實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)師通常使用變壓器、運(yùn)算放大器和無(wú)源分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些傳感器,盡管市場(chǎng)上有許多單芯片解決方案。他們堅(jiān)持使用分立電路設(shè)計(jì)方案有許多原因,包括成本和/或性能,同時(shí)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(jìn)。
什么因素最重要？
對(duì)于一個(gè)成本壓力很大的電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)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(xiàng)是通過將電流檢測(cè)通道上的功率損耗降到最小來(lái)提高效率的低阻值有效串行電阻(ESR),這在負(fù)載點(diǎn)(POL)調(diào)節(jié)器這類大電流設(shè)備中尤其重要,因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)毫歐的ESR都會(huì)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(duì)于安裝到電路板上的電源模塊來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵要求。其他方面的考慮還包括高精度(可以簡(jiǎn)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(gè)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(cè)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(cè)量一個(gè)小值串聯(lián)電阻上的電壓產(chǎn)生一個(gè)代表電流的電壓信號(hào)。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(cè)有電流流過的電感器產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)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(hào)小,噪聲大,還有偏移和溫度誤差,這些都降低了測(cè)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(jí)線圈的電流反映到次級(jí),再在次級(jí)通過一個(gè)外部負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓。CT已被廣泛接受,因?yàn)樗鼈冃枰耐鈬钌?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(duì)較高,有時(shí)還需要額外的電路進(jìn)行磁芯復(fù)位。許多小型CT還是手工繞制的,因而存在機(jī)械完整性問題,例如抽頭間隔一致性差。
低端FET和DCR檢測(cè)電路都是檢測(cè)電路中已經(jīng)存在的電阻上的電壓,因此實(shí)際上它們自身并不會(huì)帶來(lái)什么損耗。在DCR檢測(cè)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(gè)“虛擬電阻”上的放大器測(cè)量電流的方式與前面所述的串聯(lián)電阻/檢測(cè)放大器方案是一樣的。與DCR類似,低端FET檢測(cè)方案也是檢測(cè)電阻上的電壓,不過是采用低端電阻RDS(ON)作為檢測(cè)電阻。雖然這兩種方法都需要較多的通用運(yùn)算放大器和無(wú)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(shí)還需要額外的系統(tǒng)校準(zhǔn)成本來(lái)解決高測(cè)量誤差-有時(shí)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(duì)這些含糊不清的技術(shù)分類,設(shè)計(jì)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(cè)解決方案涌現(xiàn),但許多設(shè)計(jì)還不是最佳方案,需要進(jìn)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(gè)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(diǎn)。
圖1:Si85xx單向交流傳感器方框圖。
圖1中,傳感器由一個(gè)金屬嵌片和封裝在一個(gè)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(gè)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(hào)處理電路執(zhí)行一個(gè)有限積分運(yùn)算,產(chǎn)生一個(gè)與流經(jīng)嵌片的電流成正比的實(shí)時(shí)信號(hào)。該信號(hào)再經(jīng)過片上的溫度補(bǔ)償器和增益級(jí)電路進(jìn)一步調(diào)整。最后的結(jié)果是一個(gè)滿刻度為2V、噪聲非常低的溫補(bǔ)電流信號(hào)。
這種令人迷惑的簡(jiǎn)單架構(gòu)卻能提供許多傳統(tǒng)電流檢測(cè)技術(shù)無(wú)法提供的優(yōu)點(diǎn)。例如,通過使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理技術(shù)和半導(dǎo)體封裝實(shí)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(jìng)爭(zhēng)力,而且還有更高可靠性和更小體積等附加優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了較低的損耗,這是因?yàn)榍镀陔娏鳈z測(cè)通道中僅僅增加了Ω的串聯(lián)電阻和2nH的串聯(lián)電感。還有一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn),就是通過對(duì)積分操作進(jìn)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(jì)中的邊沿噪聲,從而無(wú)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(cè)得的電流和CT電路(CT、二極管和RC濾波器)來(lái)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(cè)電阻的關(guān)系。
圖3:Si85xx輸出與CT輸出的關(guān)系。
如何實(shí)現(xiàn)這一新技術(shù)
使用這種電流傳感器的方法非常簡(jiǎn)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(huì)損壞器件。
上面提及的有限積分要求在每個(gè)電流測(cè)量周期之前將積分器復(fù)位。實(shí)現(xiàn)的方法是將現(xiàn)有的門控信號(hào)連接到復(fù)位輸入端(R1?CR4)。積分器復(fù)位的標(biāo)準(zhǔn)很簡(jiǎn)單:在電流測(cè)量后復(fù)位必須立即開始,而在下一次測(cè)量前必須結(jié)束。對(duì)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?？梢杂糜诓淮嬖谧儔浩鞔磐ㄆ胶饪刂茊栴}的相對(duì)簡(jiǎn)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(shí),積分器復(fù)位可以受R1和R2上的信號(hào)的實(shí)時(shí)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(shí)電阻RTRST連接到地來(lái)縮短復(fù)位時(shí)間。在這種情況下,復(fù)位的啟動(dòng)由R1和R2觸發(fā),持續(xù)時(shí)間則由RTRST決定。在較高速度的操作時(shí),允許用戶對(duì)傳感器精度進(jìn)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(gè)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(dú)決定,或由復(fù)位輸入進(jìn)行觸發(fā),并由前面所述的RTRST來(lái)定時(shí)?？傊?RESET1適用于升壓、隔離式和非隔離式降壓以及其他相對(duì)簡(jiǎn)單的拓?fù)?RESET2一般用于推拉應(yīng)用,而RESET3適合全橋應(yīng)用。
應(yīng)用實(shí)例
圖6所示的是前面提到的用于簡(jiǎn)單同步降壓轉(zhuǎn)換器的電流傳感器,當(dāng)Q1接通時(shí)對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量。同步FFT(Q2)出來(lái)的門控信號(hào)用于積分器復(fù)位,因?yàn)橐_保復(fù)位事件不與電流測(cè)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(shí),能夠使(XOR)門(圖4)的輸出觸發(fā)復(fù)位啟動(dòng)。定時(shí)電阻RTRST用于設(shè)定圖6時(shí)序圖所示的復(fù)位事件周期(tR)。
復(fù)位信號(hào)最好來(lái)自驅(qū)動(dòng)器輸入,因?yàn)樵黾拥尿?qū)動(dòng)器和晶體管時(shí)延能夠提供額外的時(shí)序余量。但是在帶有集成驅(qū)動(dòng)器的控制器中是無(wú)法訪問驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)的,故必須用驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)來(lái)復(fù)位。在這種情況下,復(fù)位輸入端通常需要一個(gè)分壓器將驅(qū)動(dòng)器輸出的擺幅限制到Si85xx VDD范圍內(nèi)。
圖7所示是一個(gè)相移調(diào)制的全橋應(yīng)用,使用了一個(gè)工作在乒乓模式的電流傳感器。乒乓模式能使一個(gè)單電流傳感器代替兩個(gè)CT(通常用來(lái)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(hào)送到分開的各個(gè)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(cè)電流在Q1和Q4接通時(shí)流到OUT2,而當(dāng)Q2和Q3接通時(shí)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(shí)),積分器復(fù)位。工作頻率相對(duì)較低的全橋允許足夠的復(fù)位時(shí)間,因此TRST連到VDD,使得復(fù)位時(shí)間成為R1-R4狀態(tài)的函數(shù)。
擴(kuò)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(gè)簡(jiǎn)單的電路板版圖技巧來(lái)實(shí)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(lái),從而允許全部被測(cè)電流流過嵌片。右圖中增加了一個(gè)與嵌片平行的小電流旁路線,它們構(gòu)成一個(gè)分流器,旁路線的寬度和厚度則決定了分流比。例如,一個(gè)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(lái)擴(kuò)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(jì)折中重點(diǎn)圍繞著選擇“最簡(jiǎn)捷的設(shè)計(jì)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(jì)者的預(yù)期。它具有很多重要的優(yōu)點(diǎn):性價(jià)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!
作者:Don Alfano
電源產(chǎn)品部門總監(jiān)
Silicon Laboratories公司
作者介紹:Don Alfano是Silicon Laboratories公司電源產(chǎn)品總監(jiān)。在加入Silicon Laboratories公司之前,他曾是Cygnal Integrated Products公司合伙創(chuàng)始人和行銷副總裁。Silicon Laboratories公司于2003年收購(gòu)了該公司。在創(chuàng)建Cyngnal公司之前,Alfano在模擬和混合信號(hào)芯片提供商TelCom Semiconductor處工作,擔(dān)任行銷總監(jiān)和應(yīng)用總監(jiān)職務(wù)。更早前,Alfano還擔(dān)任過NVE公司行銷副總裁、Dallas Semiconductor公司東區(qū)經(jīng)理和Mostek公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Alfano還做過模擬和數(shù)字控制設(shè)備以及電信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)工作。他擁有Villanova大學(xué)電子工程專業(yè)碩士學(xué)位。
