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如何用霍尔传感器提高开关电源的转换效率

发布时间:2013-03-07 责任编辑:shyhuang

【导读】本文采用霍尔作为开关电源的电流传感器,并详细论述了霍尔传感器在开关电源中的设计使用方法。霍尔传感器的使用大大降低了因电流检测而产生的功耗,提高了开关电源的转换效率。

电流传感器在开关电源中的应用

开关电源从控制方式上可分为电压控制型和电流控制型,从隔离变压器的驱动方式上可分为单端型和双端型。在这些电路形式中, 许多形式的开关电源需要使用电流传感器检测电流,或者用于脉冲占空比的控制,或者用于电路的保护。电流控制型开关电源直接对输入的脉冲电流进行检测,能同时根据输入电压和输出电压的变化综合调节脉冲占空比,具有动态响应速度快,输入电压的波动对输出电压影响小等特点。电流控制型开关电源中需要电流传感器检测输入的脉冲电流, 以作为开关电源调节脉冲占空比、稳定输出电压的反馈信号。图1 所示为一个电流控制型的反激式开关电源的输入通道原理图。图中电阻RS在电路中的作用即是电流传感器, 在功率开关T1导通时, 流过隔离变压器原边绕组W1的电流Ii将使RS上产生电压降US,US即为向开关电源控制器反馈的输入电流值信号。根据输出电压反馈信号和输入电流值反馈信号US, 开关电源控制器将综合调节电路的脉冲占空比,保证输出电压的稳定。

 

图1:反激式开关电源输入通道原理图

双端型开关电源双向驱动隔离变压器,可以有效地提高隔离变压器的使用效率,减小隔离变压器的体积。为了防止隔离变压器偏磁饱和,双端型开关电源常常需要电流传感器检测输入隔离变压器的双向脉冲电流,以进行电流的平衡控制和电路保护。图2 为一个推挽式开关电源的防偏磁原理图,电路以电阻RS作为电流传感器,当功率开关T1、T2依次导通时,分别流过隔离变压器原边绕组W1和W2的电流I1和I2将被电阻RS以电压US的形式向偏磁控制电路反馈。一旦两路电流差值过大或某一路电流值过大,即说明隔离变压器出现了偏磁饱和现象,由偏磁控制电路调节功率开关T1或T2的导通占空比,使隔离变压器的双向磁感应强度趋于平衡[2]。

 

图2:推挽式开关电源防偏磁原理图

为了提高开关电源工作的可靠性,防止输出电流过流等情况发生,许多开关电源在输出端接入电流传感器,检测输出电流的大小,一旦输出电流超过设计标准,保护电路即采取必要措施保护开关电源的安全[3]。此外,当开关电源作为蓄电池充电器时,也需要检测输出电流的大小,以此了解蓄电池的充电情况,适时切换充电方式,达到提高充电效率,延长蓄电池的使用寿命的效果。图3 为一个蓄电池充电器的输出电流检测原理图, 电流检测电阻RS将蓄电池的充电电流转化为电压US,反馈给充电方式控制电路,由控制电路根据充电电流的大小适时切换充电方式[4]。

采用霍尔电流传感器作为开关电源的电流反馈传感器

为了克服以电阻作为电流传感器所产生的功耗,采用霍尔电流传感器作为开关电源的电流传感器。霍尔电流传感器由磁芯、磁芯绕组、霍尔电极以及电压放大器等组成,当被检测电流流过磁芯绕组时,将在磁芯中产生磁场,磁场的磁感应强度将通过霍尔电极转换为电压,经过内部电压放大器的放大和处理,以与被检测电流成一定比例关系的电压形式输出。霍尔电流传感器的构成有开环和闭环两种形式,开环霍尔电流传感器将霍尔电极的转换电压放大后的直接输出,其电流容量大,但测量精度稍低[5];闭环霍尔电流传感器采用磁平衡方式测量电流,测量精度高,线性度好,非常适合在开关电源中使用。闭环霍尔电流传感器的结构如图4 所示,被测电流通过绕组后在磁芯中产生磁场,磁场使霍尔电极上产生电压,此电压经放大器放大后输出,同时经补偿绕组使磁芯中磁场得到平衡补偿,保证输出电压UOUT 与被测电流成严格的线性关系。

 

图3:开关电源充电器输出电流检测原理图

 

图4:闭环霍尔电流传感器的结构

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常用的TBC-DS 系列闭环霍尔电流传感器的引线框图和传输特性如图5 所示[6]。图5(a)所示的霍尔电流传感器引线中,I+1~3和I-1~3是被测电流的串入绕组引脚, 其中,I+1和I-1是一个被测电流绕组的引脚,I+2和I-2、I+3和I-3也分别各是一个被测电流绕组的引脚。当3 个被测电流绕组并联时,霍尔电流传感器的额定测量电流为IPN1; 若将两个绕组并联再与一个绕组串联时,霍尔电流传感器的额定测量电流为IPN2;若将3 个绕组相互串联时,霍尔电流传感器的额定测量电流为IPN3。3 个额定测量电流间的关系为:IPN1=2 IPN2=3 IPN3。可见,通过3 组被测电流绕组的不同接法,可以改变霍尔电流传感器的额定测量电流值,扩展测量区间。VCC为电源引脚,电源电压通常为5 V;GND 是电源和传感器输出电压的地;OUT 是传感器电压输出引脚。由5(b)所示的霍尔电流传感器传输特性可见,当被测电流为0 时,其输出电压UOUT =2.5 V;当被测电流不为0 且方向为从I+至I-时,输出电压UOUT>2.5 V,当被测电流不为0 且方向为从I-至I+时,输出电压UOUT<2.5 V。IPN和-IPN是霍尔传感器的正负额定电流, 当被检测电流达到额定电流时,根据电流方向的不同,输出电压UOUT 的值分别为3.125 V 或1.875 V, 即相对于2.5 V 的中心值有±0.625 V的偏移。当被检测电流值绝对值大于IPN 时,霍尔传感器仍可输出与被检测电流成线性关系的电压值,直至被检测电流达到霍尔传感器的最大检测电流IPmax。通常,IPmax>3 IPN。

 

图5:闭环霍尔电流传感器的引线和传输特性

霍尔电流传感器被测电流绕组的阻抗通常小于1 mΩ,串入被检测电流回路后产生的功耗极小,可以忽略不计。以霍尔传感器作为开关电源电流传感器时,只需将霍尔电流传感器的两个被检测电流接入端I+和I-串入电流回路中,取代原来的电流检测电阻即可。但霍尔电流传感器需要一个5 V的电压供电,此电压需要由开关电源提供。一般的开关电源控制器芯片均会提供一个5 V 左右的参考电压Vref输出,如果电流容量允许,也可将此参考电压作为霍尔电流传感器的供电电压。需要重点考虑的是霍尔电流传感器的输出电压UOUT的转换,涉及输出电压基值和输出电压与被检测电流的比例关系两个方面。其一,电流检测电阻以0 V 作为基值,即被测电流为0 时,其两端电压为0 V;而霍尔电流传感器的UOUT 是以2.5 V 为基值,即被测电流为0 时,UOUT =2.5 V。其二,电流检测电阻两端电压与被检测电流的比例关系是由电阻阻值决定的,电阻两端电压 US=I?i RS;而霍尔传感器的输出电压与被测电流的比例关系通常取决于霍尔电流传感器的额定电流IPN,当被检测电流等于霍尔电流传感器的额定电流时,UOUT的偏移量为±0.625 V。设,则霍尔电流传感器被检测电流I1与输出电压的传输关系为:

(Uout)/I1 =0.625V/IPN                     (1)

实现霍尔电流传感器的输出电压UOUT的转换,替换电流检测电阻可采用如下方式:选择适当额定电流的霍尔电流传感器,根据开关电源电路中的电流最大值I1max,依式(1)即可计算出反馈至开关电源控制器的电压最大值U′OUTmax , 则霍尔传感器产生的反馈电压的变化区间即为0~U′OUTmax 。如果开关电源控制器要求的反馈电压最大值USmax大于U′OUTmax 且与U′OUTmax 相近, 则可直接采用2.5 V 的稳压二极管将霍尔电流传感器的输出电压基值嵌位至0 V, 其电路如图6 所示。也可使用精密可调基准源TL431 代替稳压二极管,将TL431 的K 端和R 端并联,亦可实现2.5 V 的压降,其电路如图7 所示。霍尔电流传感器的输出电压UOUT经嵌位后,加至开关电源控制器[7]的反馈电压就为U′OUT 。但应注意,霍尔电流传感器被测电流绕组的电流方向应为I+至I-,不可接反,否则输出电压将为0。

 

图6:使用稳压二极管嵌位霍尔传感器

 

图7:使用TL431 嵌位霍尔传感器

如果开关电源控制器要求的反馈电压最大值USmax小于U′OUTmax 或远大于U′OUTmax ,则可依图8 所示电路,将UOUT经运放构成的比例放大器处理后,再用2.5 V 稳压二极管嵌位,反馈至开关电源控制器。由于比例放大器通常采用反相放大方式,故霍尔电流传感器被测电流绕组的电流方向应为I-至I+。

 

图8:使用比例放大器对传感器输出电压进行处理

采用霍尔电流传感器与电流传感电阻的比较

霍尔电流传感器的被测电流绕组阻抗通常小于1 mΩ,串入被检测电流回路后产生的功耗极小,可以忽略不计。而电流传感电阻是耗能元件, 在输入电流或输出电流比较大时,电流传感电阻上的功耗可达几瓦至十几瓦。同时,功耗还导致电流传感电阻的发热,增加了开关电源的散热难度。因此,采用霍尔电流传感器比电流传感电阻在提高开关电源的转换效率上存在较大优势。

霍尔电流传感器能够比较准确的检测电流,输出电压与被测电流成严格的线性关系,线性度误差小于0.1%。而电流传感电阻在环境温度变化或自身发热后, 其阻值将变化,影响电流检测精度。因此,将霍尔电流传感器用于开关电源过流保护、蓄电池充电器的充电电流检测时,会比电流传感电阻的精度高得多。如果开关电源采用恒流模式输出,则使用霍尔电流传感器检测输出电流会极大提高开关电源的输出电流精度。

目前,霍尔电流传感器的应用刚处于开始阶段,霍尔电流传感器的价格远高于电流传感电阻,因此,霍尔电流传感器还只能用于大输入电流开关电源的输入电流反馈和大输出电流开关电源的输出电流检测。在这样的开关电源中,霍尔电流传感器所带来的转换效率优势高于价格劣势。随着霍尔电流传感器的应用普及, 霍尔电流传感器的价格会越来越低,应用也会越来越广泛。

结论

综上所述,采用霍尔电流传感器作为开关电源中的电流传感器,替代以往的电流传感电阻,可以大大降低开关电源的功耗,减少电路的发热,从而提高开关电源的整体转换效率,延长开关电源的寿命。虽然使用霍尔电流传感器较使用电流传感电阻使开关电源的成本会有所提高, 但综合考虑,使用霍尔电流传感器的性价比会更高,故此方法具有很好的应用价值。霍尔电流传感器的价格会越来越低,应用也会越来越广泛。
 

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