以霍爾電流傳感器提高開(kāi)關(guān)電源的效率

林欣，王建民，余道杰

（解放軍信息工程大學(xué) 河南 鄭州 450001）

開(kāi)關(guān)電源是目前使用最為普遍的直流穩(wěn)壓電源[1]，廣泛用做各種電子裝置的直流供電電源和蓄電池充電電源。許多開(kāi)關(guān)電源中需要使用電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，將電流大小以電壓信號(hào)形式反饋至開(kāi)關(guān)電源控制器，實(shí)現(xiàn)電路的脈沖占空比調(diào)節(jié)或電路保護(hù)，以保證開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定、可靠地工作。

一般開(kāi)關(guān)電源往往使用一個(gè)串入主電流通道的電阻作為電流傳感器，利用電阻上的壓降以電壓信號(hào)的形式向開(kāi)關(guān)電源控制器反饋電流的大小。由于電阻是耗能元件，其將產(chǎn)生功耗。盡管通常電流傳感電阻的阻值較小，產(chǎn)生的反饋電壓也比較低，但其功耗仍不可忽略，尤其是在輸入電流或輸出電流比較大時(shí)，電流傳感電阻上的功耗可達(dá)幾瓦至十幾瓦，直接降低了開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，功耗還導(dǎo)致電流傳感電阻的發(fā)熱，增加了開(kāi)關(guān)電源的散熱難度。

為克服電流傳感電阻的產(chǎn)生的耗能，本文采用霍爾傳感器作為開(kāi)關(guān)電源的電流傳感器，可以有效地抑制因電流檢測(cè)而產(chǎn)生的功耗，提高了開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。

1 電流傳感器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

開(kāi)關(guān)電源從控制方式上可分為電壓控制型和電流控制型，從隔離變壓器的驅(qū)動(dòng)方式上可分為單端型和雙端型。在這些電路形式中，許多形式的開(kāi)關(guān)電源需要使用電流傳感器檢測(cè)電流，或者用于脈沖占空比的控制，或者用于電路的保護(hù)。

1）電流控制型開(kāi)關(guān)電源直接對(duì)輸入的脈沖電流進(jìn)行檢測(cè)，能同時(shí)根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的變化綜合調(diào)節(jié)脈沖占空比，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，輸入電壓的波動(dòng)對(duì)輸出電壓影響小等特點(diǎn)。電流控制型開(kāi)關(guān)電源中需要電流傳感器檢測(cè)輸入的脈沖電流，以作為開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)脈沖占空比、穩(wěn)定輸出電壓的反饋信號(hào)。圖1所示為一個(gè)電流控制型的反激式開(kāi)關(guān)電源的輸入通道原理圖。圖中電阻RS在電路中的作用即是電流傳感器，在功率開(kāi)關(guān)T1導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)隔離變壓器原邊繞組W1的電流Ii將使RS上產(chǎn)生電壓降US，US即為向開(kāi)關(guān)電源控制器反饋的輸入電流值信號(hào)。根據(jù)輸出電壓反饋信號(hào)和輸入電流值反饋信號(hào)US，開(kāi)關(guān)電源控制器將綜合調(diào)節(jié)電路的脈沖占空比，保證輸出電壓的穩(wěn)定。

圖1 反激式開(kāi)關(guān)電源輸入通道原理圖Fig.1 Flyback type switch power supply input channel principle diagram

2）雙端型開(kāi)關(guān)電源雙向驅(qū)動(dòng)隔離變壓器，可以有效地提高隔離變壓器的使用效率，減小隔離變壓器的體積。為了防止隔離變壓器偏磁飽和，雙端型開(kāi)關(guān)電源常常需要電流傳感器檢測(cè)輸入隔離變壓器的雙向脈沖電流，以進(jìn)行電流的平衡控制和電路保護(hù)。圖2為一個(gè)推挽式開(kāi)關(guān)電源的防偏磁原理圖，電路以電阻RS作為電流傳感器，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)T1、T2依次導(dǎo)通時(shí)，分別流過(guò)隔離變壓器原邊繞組W1和W2的電流I1和I2將被電阻RS以電壓US的形式向偏磁控制電路反饋。一旦兩路電流差值過(guò)大或某一路電流值過(guò)大，即說(shuō)明隔離變壓器出現(xiàn)了偏磁飽和現(xiàn)象，由偏磁控制電路調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)T1或T2的導(dǎo)通占空比，使隔離變壓器的雙向磁感應(yīng)強(qiáng)度趨于平衡[2]。

圖2 推挽式開(kāi)關(guān)電源防偏磁原理圖Fig.2 Push-pull type switch power supply’s anti-single directional magnetic biasprinciple diagram

3）為了提高開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性，防止輸出電流過(guò)流等情況發(fā)生，許多開(kāi)關(guān)電源在輸出端接入電流傳感器，檢測(cè)輸出電流的大小，一旦輸出電流超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)電路即采取必要措施保護(hù)開(kāi)關(guān)電源的安全[3]。此外，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源作為蓄電池充電器時(shí)，也需要檢測(cè)輸出電流的大小，以此了解蓄電池的充電情況，適時(shí)切換充電方式，達(dá)到提高充電效率，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命的效果。圖3為一個(gè)蓄電池充電器的輸出電流檢測(cè)原理圖，電流檢測(cè)電阻RS將蓄電池的充電電流轉(zhuǎn)化為電壓US，反饋給充電方式控制電路，由控制電路根據(jù)充電電流的大小適時(shí)切換充電方式[4]。

2 采用霍爾電流傳感器作為開(kāi)關(guān)電源的電流反饋傳感器

圖3 開(kāi)關(guān)電源充電器輸出電流檢測(cè)原理圖Fig.3 Switching power supply charger output current detection principle diagram

為了克服以電阻作為電流傳感器所產(chǎn)生的功耗，本文采用霍爾電流傳感器作為開(kāi)關(guān)電源的電流傳感器。霍爾電流傳感器由磁芯、磁芯繞組、霍爾電極以及電壓放大器等組成，當(dāng)被檢測(cè)電流流過(guò)磁芯繞組時(shí)，將在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將通過(guò)霍爾電極轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)過(guò)內(nèi)部電壓放大器的放大和處理，以與被檢測(cè)電流成一定比例關(guān)系的電壓形式輸出。霍爾電流傳感器的構(gòu)成有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種形式，開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器將霍爾電極的轉(zhuǎn)換電壓放大后的直接輸出，其電流容量大，但測(cè)量精度稍低[5]；閉環(huán)霍爾電流傳感器采用磁平衡方式測(cè)量電流，測(cè)量精度高，線性度好，非常適合在開(kāi)關(guān)電源中使用。閉環(huán)霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，被測(cè)電流通過(guò)繞組后在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)使霍爾電極上產(chǎn)生電壓，此電壓經(jīng)放大器放大后輸出，同時(shí)經(jīng)補(bǔ)償繞組使磁芯中磁場(chǎng)得到平衡補(bǔ)償，保證輸出電壓UOUT與被測(cè)電流成嚴(yán)格的線性關(guān)系。

圖4 閉環(huán)霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)Fig.4 Closed-loop Hall current sensor structure

常用的TBC-DS系列閉環(huán)霍爾電流傳感器的引線框圖和傳輸特性如圖5所示[6]。圖5（a）所示的霍爾電流傳感器引線中，I+1～3和 I-1～3是被測(cè)電流的串入繞組引腳， 其中，I+1和 I-1是一個(gè)被測(cè)電流繞組的引腳，I+2和I-2、I+3和I-3也分別各是一個(gè)被測(cè)電流繞組的引腳。當(dāng)3個(gè)被測(cè)電流繞組并聯(lián)時(shí)，霍爾電流傳感器的額定測(cè)量電流為IPN1；若將兩個(gè)繞組并聯(lián)再與一個(gè)繞組串聯(lián)時(shí)，霍爾電流傳感器的額定測(cè)量電流為IPN2；若將3個(gè)繞組相互串聯(lián)時(shí)，霍爾電流傳感器的額定測(cè)量電流為IPN3。3個(gè)額定測(cè)量電流間的關(guān)系為：IPN1=2 IPN2=3 IPN3。可見(jiàn)，通過(guò)3組被測(cè)電流繞組的不同接法，可以改變霍爾電流傳感器的額定測(cè)量電流值，擴(kuò)展測(cè)量區(qū)間。VCC為電源引腳，電源電壓通常為5 V；GND是電源和傳感器輸出電壓的地；OUT是傳感器電壓輸出引腳。由5（b）所示的霍爾電流傳感器傳輸特性可見(jiàn)，當(dāng)被測(cè)電流為0時(shí)，其輸出電壓UOUT=2.5 V；當(dāng)被測(cè)電流不為0且方向?yàn)閺腎+至I-時(shí)，輸出電壓UOUT＞2.5 V，當(dāng)被測(cè)電流不為0且方向?yàn)閺腎-至I+時(shí)，輸出電壓UOUT＜2.5 V。IPN和-IPN是霍爾傳感器的正負(fù)額定電流，當(dāng)被檢測(cè)電流達(dá)到額定電流時(shí)，根據(jù)電流方向的不同，輸出電壓UOUT的值分別為3.125 V或1.875 V，即相對(duì)于2.5 V的中心值有±0.625 V的偏移。當(dāng)被檢測(cè)電流值絕對(duì)值大于IPN時(shí)，霍爾傳感器仍可輸出與被檢測(cè)電流成線性關(guān)系的電壓值，直至被檢測(cè)電流達(dá)到霍爾傳感器的最大檢測(cè)電流IPmax。通常，IPmax＞3 IPN。

圖5 閉環(huán)霍爾電流傳感器的引線和傳輸特性Fig.5 Closed-loop Hall current sensor pin and transmission characteristics

霍爾電流傳感器被測(cè)電流繞組的阻抗通常小于1 mΩ，串入被檢測(cè)電流回路后產(chǎn)生的功耗極小，可以忽略不計(jì)。以霍爾傳感器作為開(kāi)關(guān)電源電流傳感器時(shí)，只需將霍爾電流傳感器的兩個(gè)被檢測(cè)電流接入端I+和I-串入電流回路中，取代原來(lái)的電流檢測(cè)電阻即可。但霍爾電流傳感器需要一個(gè)5 V的電壓供電，此電壓需要由開(kāi)關(guān)電源提供。一般的開(kāi)關(guān)電源控制器芯片均會(huì)提供一個(gè)5 V左右的參考電壓Vref輸出，如果電流容量允許，也可將此參考電壓作為霍爾電流傳感器的供電電壓。

需要重點(diǎn)考慮的是霍爾電流傳感器的輸出電壓UOUT的轉(zhuǎn)換，涉及輸出電壓基值和輸出電壓與被檢測(cè)電流的比例關(guān)系兩個(gè)方面。其一，電流檢測(cè)電阻以0 V作為基值，即被測(cè)電流為0時(shí)，其兩端電壓為0 V；而霍爾電流傳感器的UOUT是以2.5 V為基值，即被測(cè)電流為0時(shí)，UOUT=2.5 V。其二，電流檢測(cè)電阻兩端電壓與被檢測(cè)電流的比例關(guān)系是由電阻阻值決定的，電阻兩端電壓US=Ii·RS；而霍爾傳感器的輸出電壓與被測(cè)電流的比例關(guān)系通常取決于霍爾電流傳感器的額定電流IPN，當(dāng)被檢測(cè)電流等于霍爾電流傳感器的額定電流時(shí)，UOUT的偏移量為±0.625 V。設(shè)，則霍爾電流傳感器被檢測(cè)電流I1與輸出電壓的傳輸關(guān)系為：

實(shí)現(xiàn)霍爾電流傳感器的輸出電壓UOUT的轉(zhuǎn)換，替換電流檢測(cè)電阻可采用如下方式：

1）選擇適當(dāng)額定電流的霍爾電流傳感器，根據(jù)開(kāi)關(guān)電源電路中的電流最大值I1max，依式（1）即可計(jì)算出反饋至開(kāi)關(guān)電源控制器的電壓最大值U′OUTmax，則霍爾傳感器產(chǎn)生的反饋電壓的變化區(qū)間即為0～。如果開(kāi)關(guān)電源控制器要求的反饋電壓最大值USmax大于且與相近，則可直接采用2.5 V的穩(wěn)壓二極管將霍爾電流傳感器的輸出電壓基值嵌位至0 V，其電路如圖6所示。也可使用精密可調(diào)基準(zhǔn)源TL431代替穩(wěn)壓二極管，將TL431的K端和R端并聯(lián)，亦可實(shí)現(xiàn)2.5 V的壓降，其電路如圖7所示。霍爾電流傳感器的輸出電壓UOUT經(jīng)嵌位后，加至開(kāi)關(guān)電源控制器[7]的反饋電壓就為。但應(yīng)注意，霍爾電流傳感器被測(cè)電流繞組的電流方向應(yīng)為I+至I-，不可接反，否則輸出電壓將為0。

圖6 使用穩(wěn)壓二極管嵌位霍爾傳感器Fig.6 Use zener diodes to calmp Hall sensor

圖7 使用TL431嵌位霍爾傳感器Fig.7 Use TL431 to clamp Hall sensor

2）如果開(kāi)關(guān)電源控制器要求的反饋電壓最大值USmax小于或遠(yuǎn)大于，則可依圖8所示電路，將UOUT經(jīng)運(yùn)放構(gòu)成的比例放大器處理后，再用2.5 V穩(wěn)壓二極管嵌位，反饋至開(kāi)關(guān)電源控制器。由于比例放大器通常采用反相放大方式，故霍爾電流傳感器被測(cè)電流繞組的電流方向應(yīng)為I-至I+。

圖8 使用比例放大器對(duì)傳感器輸出電壓進(jìn)行處理Fig.8 Use proportion amplifier to processing sensor

3 采用霍爾電流傳感器與電流傳感電阻的比較

1）霍爾電流傳感器的被測(cè)電流繞組阻抗通常小于1 mΩ，串入被檢測(cè)電流回路后產(chǎn)生的功耗極小，可以忽略不計(jì)。而電流傳感電阻是耗能元件，在輸入電流或輸出電流比較大時(shí)，電流傳感電阻上的功耗可達(dá)幾瓦至十幾瓦。同時(shí)，功耗還導(dǎo)致電流傳感電阻的發(fā)熱，增加了開(kāi)關(guān)電源的散熱難度。因此，采用霍爾電流傳感器比電流傳感電阻在提高開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率上存在較大優(yōu)勢(shì)。

2）霍爾電流傳感器能夠比較準(zhǔn)確的檢測(cè)電流，輸出電壓與被測(cè)電流成嚴(yán)格的線性關(guān)系，線性度誤差小于0.1%。而電流傳感電阻在環(huán)境溫度變化或自身發(fā)熱后，其阻值將變化，影響電流檢測(cè)精度。因此，將霍爾電流傳感器用于開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護(hù)、蓄電池充電器的充電電流檢測(cè)時(shí)，會(huì)比電流傳感電阻的精度高得多。如果開(kāi)關(guān)電源采用恒流模式輸出，則使用霍爾電流傳感器檢測(cè)輸出電流會(huì)極大提高開(kāi)關(guān)電源的輸出電流精度。

3）目前，霍爾電流傳感器的應(yīng)用剛處于開(kāi)始階段，霍爾電流傳感器的價(jià)格遠(yuǎn)高于電流傳感電阻，因此，霍爾電流傳感器還只能用于大輸入電流開(kāi)關(guān)電源的輸入電流反饋和大輸出電流開(kāi)關(guān)電源的輸出電流檢測(cè)。在這樣的開(kāi)關(guān)電源中，霍爾電流傳感器所帶來(lái)的轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢(shì)高于價(jià)格劣勢(shì)。隨著霍爾電流傳感器的應(yīng)用普及，霍爾電流傳感器的價(jià)格會(huì)越來(lái)越低，應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。

4 結(jié) 論

綜上所述，采用霍爾電流傳感器作為開(kāi)關(guān)電源中的電流傳感器，替代以往的電流傳感電阻，可以大大降低開(kāi)關(guān)電源的功耗，減少電路的發(fā)熱，從而提高開(kāi)關(guān)電源的整體轉(zhuǎn)換效率，延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)電源的壽命。雖然使用霍爾電流傳感器較使用電流傳感電阻使開(kāi)關(guān)電源的成本會(huì)有所提高，但綜合考慮，使用霍爾電流傳感器的性?xún)r(jià)比會(huì)更高，故此方法具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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