DC-DC转换器初级电流检测方法

引言

在开关电源设计中，很重要的一项内容是过载保护功能的设计，尤其是在空间领域，由于其高可靠、高风险、不可维修的特性，使得空间用DC-DC转换器要具备可靠的过载保护功能。

过载保护功能是指在负载过载情况下，能有效保护DC-DC转换器不会因过热而损坏。由于用电负载不同，对过载保护功能要求也不同。控制系统要求过载后DC-DC转换器不能断电，其采取限流保护；有效载荷系统要求可以在过载后DC-DC转换器断电，其采取截流保护。

设计过载保护就需要检测电路中的电流，DC-DC转换器的电流取样可以直接检测输出回路的电流，例如次级整流回路的电流；也可以检测初级回路的电流，例如流过功率MOSFET管的电流。

电流检测的一般方式

电流检测常用的方式为电阻直接取样、利用霍尔元件(LEM)取样和利用电流互感器取样。

用电阻取样易于实现，电路设计简单，但损耗大，检测信号易受干扰，适用于小功率转换电路，电路如图1所示，其中R1为电流检测电阻。以源端平均电流1A为例，常用的电流控制型PWM控制器UC1845的电流保护检测电压为1V，这样需要的电阻为1Ω，功耗为1W，按照航天器元器件降额要求(GJB／Z 35-93《元器件降额准则》)，至少选用2W的电阻。而一个2W电阻的封装对于模块电源来说体积较大。

用霍尔元件虽然检测精度较高，但成本、体积常常对于模块电源来说还是无法接受。

一般电流互感器的特性介于电阻和霍尔元件之间，是用得最多的一种电流检测方法。DC-DC转换器中常用的是脉冲直流互感器，其原理如图2所示，工作方式为单向磁化，类似正激转换器。当初级电流流通时，磁芯中磁场逐渐增大；当初级电流不再增加时，次级感应电势将二极管击穿，使磁芯复位到剩磁感应强度Br。

通常初级线圈为1匝，次级匝数很多，这样可以减小次级反射到初级的阻抗，以减小对初级的影响。

如果不考虑线圈电阻，则次级感应电压可以近似为电压源，脉冲直流互感器的设计依据公式(1)：



式中：e2为次级感应电压，Ton为导通时间，N2为次级线圈匝数，Ae为磁芯有效截面积，△B为工作磁感应强度，单位为特斯拉(T)。

互感器励磁电流im有如下关系式：



一般电流互感器初级匝数为1，即N1=1，则(3)式可以表示为：



式中：AL为磁芯电感系数，表达式为：

如果定义电流检测误差为：

即电流互感器设计公式为：

用输入差模电感作电流互感器的原理

由于电磁兼容性的需要，DC-DC转换器输入端都要加EMC滤波器，通常的滤波器由共模滤波电感、差模滤波电感、滤波电容组成，如图3所示。

由于输入回路串接了工作于开关状态的功率开关管，因此输入端有两个电流回路，一个是输入电容通过输入电感充电回路，另一个是输入电容通过变压器初级向功率开关管放电回路。

用输入差模电感作电流互感器，检测输入电流的应用电路如图4所示。

下面推导互感器次级感应电压与输入电流的关系。

如果忽略T1次级反射阻抗的影响，可以将T1初级等效成电流值为输入电流Iin的恒流源，主变压器初级及开关管V1可以等效成受占空比控制的脉动电流源。

不考虑V1的导通与截止时间，且整个转换器工作在连续模式，主变压器初级导通时的电流可以近似为常值，这样整个工作周期内主要各点电压、电流波形如图5所示。

电路工作于稳态后，t0～t1时间段V1关断，输入通过Iin给输入电容Cin充电；t1～t2时间段V1导通，输入电容Cin通过主变压器和V1放电，如此循环。

可以推导输入电流与电容纹波电压的关系为：


因此可以把输入电容上的纹波电压等效为T1初级的交流信号源，如图6所示。

互感器初级按照一般差模电感进行设计，本文再不赘述了。设计次级时，此时不能按照一般电流互感器次级设计，而是把电流互感器次级作为正激变压器次级去设计，次级匝数为：


电路仿真

作者用Saber-2005仿真软件对这一应用电路进行了仿真分析，仿真电路如图7所示。输出电压为28.5V，输出电流步长为0.1A，从0A变化到4A。

测试数据

作者设计了一个开关电源，输入互感器用MPP磁芯55045A2，初级而数22匝，次级匝数220匝，输出电压28V，输出电流步长为0.1 A，从0A变化到4A，输出电流与互感器次级感应电压Vout的实测曲线如图8所示。

结语

本文探讨了一种利用输入滤波差模电感，做DC-DC转换器输入电流互感器的原理与设计方法，在电路应用中可以省略单独的电流互感器。当然对于具体电路，其设计要依赖于输入滤波电容的大小，因此对于一个具体的DC-DC转换器，应先设计输入滤波电路，再设计该电流互感器。