電流傳感器在開關電源中的應用

開關電源從控製方式上可分為電壓控製型和電流控製型，從隔離變壓器的驅動方式上可分為單端型和雙端型。在這些電路形式中， xuduoxingshidekaiguandianyuanxuyaoshiyongdianliuchuanganqijiancedianliu，huozheyongyumaichongzhankongbidekongzhi
，huozheyongyudianludebaohu。dianliukongzhixingkaiguandianyuanzhijieduishurudemaichongdianliujinxingjiance，nengtongshigenjushurudianyaheshuchudianyadebianhuazonghetiaojiemaichongzhankongbi
，juyoudongtaixiangyingsudukuai，shurudianyadebodongduishuchudianyayingxiangxiaodengtedian。dianliukongzhixingkaiguandianyuanzhongxuyaodianliuchuanganqijianceshurudemaichongdianliu， 以作為開關電源調節脈衝占空比、穩定輸出電壓的反饋信號。圖1 所示為一個電流控製型的反激式開關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， 在功率開關T1導通時
， 流過隔離變壓器原邊繞組W1的電流Ii將使RS上產生電壓降US，US即為向開關電源控製器反饋的輸入電流值信號。根據輸出電壓反饋信號和輸入電流值反饋信號US， 開關電源控製器將綜合調節電路的脈衝占空比
，保證輸出電壓的穩定。

圖1：反激式開關電源輸入通道原理圖

雙(shuang)端(duan)型(xing)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)雙(shuang)向(xiang)驅(qu)動(dong)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)
，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)地(di)提(ti)高(gao)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)使(shi)用(yong)效(xiao)率(lv)，減(jian)小(xiao)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)體(ti)積(ji)。為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)偏(pian)磁(ci)飽(bao)和(he)，雙(shuang)端(duan)型(xing)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)常(chang)常(chang)需(xu)要(yao)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)檢(jian)測(ce)輸(shu)入(ru)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)雙(shuang)向(xiang)脈(mai)衝(chong)電(dian)流(liu)

，以(yi)進(jin)行(xing)電(dian)流(liu)的(de)平(ping)衡(heng)控(kong)製(zhi)和(he)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)。圖(tu)2 為一個推挽式開關電源的防偏磁原理圖
，電路以電阻RS作為電流傳感器，當功率開關T1、T2依次導通時，分別流過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USdexingshixiangpiancikongzhidianlufankui。yidanliangludianliuchazhiguodahuomouyiludianliuzhiguoda，jishuominggelibianyaqichuxianlepiancibaohexianxiang，youpiancikongzhidianlutiaojiegonglvkaiguanT1或T2的導通占空比

，使隔離變壓器的雙向磁感應強度趨於平衡[2]。

圖2：推挽式開關電源防偏磁原理圖

weiletigaokaiguandianyuangongzuodekekaoxing
，fangzhishuchudianliuguoliudengqingkuangfasheng，xuduokaiguandianyuanzaishuchuduanjierudianliuchuanganqi，jianceshuchudianliudedaxiao，yidanshuchudianliuchaoguoshejibiaozhun，baohudianlujicaiqubiyaocuoshibaohukaiguandianyuandeanquan[3]。此(ci)外(wai)，當(dang)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)作(zuo)為(wei)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)時(shi)，也(ye)需(xu)要(yao)檢(jian)測(ce)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)的(de)大(da)小(xiao)
，以(yi)此(ci)了(le)解(jie)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)情(qing)況(kuang)
，適(shi)時(shi)切(qie)換(huan)充(chong)電(dian)方(fang)式(shi)

，達(da)到(dao)提(ti)高(gao)充(chong)電(dian)效(xiao)率(lv)，延(yan)長(chang)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)效(xiao)果(guo)。圖(tu)3 為一個蓄電池充電器的輸出電流檢測原理圖
， 電流檢測電阻RS將蓄電池的充電電流轉化為電壓US
，反饋給充電方式控製電路，由控製電路根據充電電流的大小適時切換充電方式[4]。

采用霍爾電流傳感器作為開關電源的電流反饋傳感器

為了克服以電阻作為電流傳感器所產生的功耗
，采用霍爾電流傳感器作為開關電源的電流傳感器。霍爾電流傳感器由磁芯
、磁芯繞組、霍huo爾er電dian極ji以yi及ji電dian壓ya放fang大da器qi等deng組zu成cheng


，當dang被bei檢jian測ce電dian流liu流liu過guo磁ci芯xin繞rao組zu時shi

，將jiang在zai磁ci芯xin中zhong產chan生sheng磁ci場chang，磁ci場chang的de磁ci感gan應ying強qiang度du將jiang通tong過guo霍huo爾er電dian極ji轉zhuan換huan為wei電dian壓ya，經jing過guo內nei部bu電dian壓ya放fang大da器qi的de放fang大da和he處chu理li，以yi與yu被bei檢jian測ce電dian流liu成cheng一yi定ding比bi例li關guan係xi的de電dian壓ya形xing式shi輸shu出chu。霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi的de構gou成cheng有you開kai環huan和he閉bi環huan兩liang種zhong形xing式shi
，開kai環huan霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi將jiang霍huo爾er電dian極ji的de轉zhuan換huan電dian壓ya放fang大da後hou的de直zhi接jie輸shu出chu
，其qi電dian流liu容rong量liang大da，但dan測ce量liang精jing度du稍shao低di[5]；閉環霍爾電流傳感器采用磁平衡方式測量電流，測量精度高
，線性度好，非常適合在開關電源中使用。閉環霍爾電流傳感器的結構如圖4 所suo示shi，被bei測ce電dian流liu通tong過guo繞rao組zu後hou在zai磁ci芯xin中zhong產chan生sheng磁ci場chang，磁ci場chang使shi霍huo爾er電dian極ji上shang產chan生sheng電dian壓ya，此ci電dian壓ya經jing放fang大da器qi放fang大da後hou輸shu出chu，同tong時shi經jing補bu償chang繞rao組zu使shi磁ci芯xin中zhong磁ci場chang得de到dao平ping衡heng補bu償chang
，保bao證zheng輸shu出chu電dian壓yaUOUT 與被測電流成嚴格的線性關係。

圖3：開關電源充電器輸出電流檢測原理圖

圖4：閉環霍爾電流傳感器的結構

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常用的TBC-DS 係列閉環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是被測電流的串入繞組引腳
， 其中，I+1和I-1是一個被測電流繞組的引腳，I+2和I-2
、I+3和I-3也分別各是一個被測電流繞組的引腳。當3 個被測電流繞組並聯時，霍爾電流傳感器的額定測量電流為IPN1； 若將兩個繞組並聯再與一個繞組串聯時，霍爾電流傳感器的額定測量電流為IPN2；若將3 個繞組相互串聯時，霍爾電流傳感器的額定測量電流為IPN3。3 個額定測量電流間的關係為：IPN1=2 IPN2=3 IPN3。可見，通過3 組被測電流繞組的不同接法
，可以改變霍爾電流傳感器的額定測量電流值，擴展測量區間。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
，當被測電流為0 時,其輸出電壓UOUT =2.5 V
；當被測電流不為0 且方向為從I+至I-時，輸出電壓UOUT>2.5 V,當被測電流不為0 且方向為從I-至I+時
，輸出電壓UOUT<2.5 V。IPN和-IPN是霍爾傳感器的正負額定電流， 當被檢測電流達到額定電流時，根據電流方向的不同，輸出電壓UOUT 的值分別為3.125 V 或1.875 V
， 即相對於2.5 V 的中心值有±0.625 V的偏移。當被檢測電流值絕對值大於IPN 時，霍爾傳感器仍可輸出與被檢測電流成線性關係的電壓值，直至被檢測電流達到霍爾傳感器的最大檢測電流IPmax。通常，IPmax>3 IPN。

圖5:閉環霍爾電流傳感器的引線和傳輸特性

霍爾電流傳感器被測電流繞組的阻抗通常小於1 mΩ，chuanrubeijiancedianliuhuiluhouchanshengdegonghaojixiao
，keyihulvebuji。yihuoerchuanganqizuoweikaiguandianyuandianliuchuanganqishi，zhixujianghuoerdianliuchuanganqidelianggebeijiancedianliujieruduanI+和I-串入電流回路中，取代原來的電流檢測電阻即可。但霍爾電流傳感器需要一個5 V的電壓供電，此電壓需要由開關電源提供。一般的開關電源控製器芯片均會提供一個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。需要重點考慮的是霍爾電流傳感器的輸出電壓UOUT的轉換，涉及輸出電壓基值和輸出電壓與被檢測電流的比例關係兩個方麵。其一，電流檢測電阻以0 V 作為基值，即被測電流為0 時，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
，即被測電流為0 時，UOUT =2.5 V。其二，電流檢測電阻兩端電壓與被檢測電流的比例關係是由電阻阻值決定的，電阻兩端電壓 US=I?i RS
；而霍爾傳感器的輸出電壓與被測電流的比例關係通常取決於霍爾電流傳感器的額定電流IPN，當被檢測電流等於霍爾電流傳感器的額定電流時，UOUT的偏移量為±0.625 V。設，則霍爾電流傳感器被檢測電流I1與輸出電壓的傳輸關係為：

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

實現霍爾電流傳感器的輸出電壓UOUT的轉換

，替換電流檢測電阻可采用如下方式：選擇適當額定電流的霍爾電流傳感器，根據開關電源電路中的電流最大值I1max，依式（1）即可計算出反饋至開關電源控製器的電壓最大值U′OUTmax 
， 則霍爾傳感器產生的反饋電壓的變化區間即為0~U′OUTmax 。如果開關電源控製器要求的反饋電壓最大值USmax大於U′OUTmax 且與U′OUTmax 相近， 則可直接采用2.5 V 的穩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。也可使用精密可調基準源TL431 代替穩壓二極管，將TL431 的K 端和R 端並聯
，亦可實現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經嵌位後
，加至開關電源控製器[7]的反饋電壓就為U′OUT 。但應注意，霍爾電流傳感器被測電流繞組的電流方向應為I+至I-，不可接反
，否則輸出電壓將為0。

圖6：使用穩壓二極管嵌位霍爾傳感器

圖7:使用TL431 嵌位霍爾傳感器

如果開關電源控製器要求的反饋電壓最大值USmax小於U′OUTmax 或遠大於U′OUTmax ，則可依圖8 所示電路
，將UOUT經運放構成的比例放大器處理後，再用2.5 V 穩壓二極管嵌位，反饋至開關電源控製器。由於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電流繞組的電流方向應為I-至I+。

圖8：使用比例放大器對傳感器輸出電壓進行處理

采用霍爾電流傳感器與電流傳感電阻的比較

霍爾電流傳感器的被測電流繞組阻抗通常小於1 mΩ，串入被檢測電流回路後產生的功耗極小，可以忽略不計。而電流傳感電阻是耗能元件， zaishurudianliuhuoshuchudianliubijiaodashi，dianliuchuangandianzushangdegonghaokedajiwazhishijiwa。tongshi，gonghaohaidaozhidianliuchuangandianzudefare，zengjialekaiguandianyuandesanrenandu。yinci，caiyonghuoerdianliuchuanganqibidianliuchuangandianzuzaitigaokaiguandianyuandezhuanhuanxiaolvshangcunzaijiaodayoushi。

霍爾電流傳感器能夠比較準確的檢測電流，輸出電壓與被測電流成嚴格的線性關係，線性度誤差小於0.1%。而電流傳感電阻在環境溫度變化或自身發熱後， 其阻值將變化，影響電流檢測精度。因此，將霍爾電流傳感器用於開關電源過流保護
、蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)時(shi)
，會(hui)比(bi)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)電(dian)阻(zu)的(de)精(jing)度(du)高(gao)得(de)多(duo)。如(ru)果(guo)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)采(cai)用(yong)恒(heng)流(liu)模(mo)式(shi)輸(shu)出(chu)，則(ze)使(shi)用(yong)霍(huo)爾(er)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)檢(jian)測(ce)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)會(hui)極(ji)大(da)提(ti)高(gao)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)精(jing)度(du)。

muqian

，huoerdianliuchuanganqideyingyonggangchuyukaishijieduan，huoerdianliuchuanganqidejiageyuangaoyudianliuchuangandianzu
，yinci，huoerdianliuchuanganqihaizhinengyongyudashurudianliukaiguandianyuandeshurudianliufankuihedashuchudianliukaiguandianyuandeshuchudianliujiance。zaizheyangdekaiguandianyuanzhong，huoerdianliuchuanganqisuodailaidezhuanhuanxiaolvyoushigaoyujiagelieshi。suizhehuoerdianliuchuanganqideyingyongpuji, 霍爾電流傳感器的價格會越來越低，應用也會越來越廣泛。

結論

綜zong上shang所suo述shu，采cai用yong霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi作zuo為wei開kai關guan電dian源yuan中zhong的de電dian流liu傳chuan感gan器qi
，替ti代dai以yi往wang的de電dian流liu傳chuan感gan電dian阻zu，可ke以yi大da大da降jiang低di開kai關guan電dian源yuan的de功gong耗hao

，減jian少shao電dian路lu的de發fa熱re
，從cong而er提ti高gao開kai關guan電dian源yuan的de整zheng體ti轉zhuan換huan效xiao率lv
，延yan長chang開kai關guan電dian源yuan的de壽shou命ming。雖sui然ran使shi用yong霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi較jiao使shi用yong電dian流liu傳chuan感gan電dian阻zu使shi開kai關guan電dian源yuan的de成cheng本ben會hui有you所suo提ti高gao， danzonghekaolv，shiyonghuoerdianliuchuanganqidexingjiabihuigenggao，gucifangfajuyouhenhaodeyingyongjiazhi。huoerdianliuchuanganqidejiagehuiyuelaiyuedi，yingyongyehuiyuelaiyueguangfan。