用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路，包括闭环霍尔电流传感器及其供电电源、绝对值电路、波形整形电路，所述全桥开关变换器的主变压器的一次侧绕组穿过所述闭环霍尔电流传感器的原边电流穿孔。本实用新型用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理，在峰值电流采样方面，消除由于普通电流互感器的检测误差对峰值电流模式控制环路稳定性的影响，减少普通电流互感器由于偏磁和饱和，不能正确检测电流信号的问题；在信号处理方面，解决目前绝大多数电压模式绝对值电路不能适用于中、大功率全桥开关变换器开关管瞬态电流采样信号的处理问题，同时使电流采样电路与信号处理电路可以共地，且电路简单，成本低。
【专利说明】用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电源【技术领域】，尤其涉及一种用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路。
【背景技术】
[0002]全桥开关变换器作为中、大功率DC-DC变换器的优选方案，应用十分广泛。全桥开关变换器的控制策略主要包括峰值电流模式控制和电压模式控制，前者需要采样开关管的瞬态电流并直接参与PWM控制，同时也能参与过流保护、短路保护或变压器偏磁及磁饱和的保护；后者需要检测开关管的瞬态电流供过流保护、短路保护、变压器偏磁及磁饱和保护的电路使用。传感器采样到的电流信号是高频交流信号，必须经过高速精密的绝对值电路与波形整形电路处理之后，才能作为有效的瞬态电流信号参与峰值电流模式PWM脉宽调制器的逐个脉冲电流的控制过程，以及逐个脉冲电流的过流保护或动态偏磁的保护。因此在全桥开关变换器中，峰值电流采样及其信号处理电路非常重要。现阶段针对全桥开关变换器主变压器一次侧的高频脉冲电流的采样与信号处理，一般为以下三种方式:
[0003](I)由串联在全桥电路主变压器一侧的电流互感器检测电流，输出的采样电流经过二极管组成的全桥整流器整流，最后在电阻上将电流信号转换成电压信号，参与PWM控制或开关管过流短路保护。普通的电流互感器在测量过程中存在较大的比差值和角差值，该误差由励磁电流引起。励磁电流是磁性器件建立磁场所消耗的电流，不能转化为输出电压信号，但会对电流的测量引入误差。这种误差在峰值电流模式控制中可能会影响控制环路的稳定性，导致DC-DC变换器的输出电流出现类似次谐波振荡的大小波，输出电流纹波显著增大。其次，在推挽、全桥等双极性变换器中，理论上，主变压器一次侧流过正负对称的双极性电流脉冲，没有直流分量，电流互感器在电流脉冲每次过零时磁芯能正常复位。但由于器件特性的差异，偏磁或多或少总是存在的，并且随着负载的变化以及温升等外部因素的改变，磁链的摆动范围还会有缓慢的漂移。如果电流互感器的磁芯不能复位，将导致磁芯逐渐饱和。电流互感器饱和是一个很严重的问题，首先是不能正确检测主变压器一次侧的电流值，从而不能进行有效的电流控制；其次，过流或短路保护电路可能出现误动作。
[0004](2)采用闭环霍尔电流传感器进行电流采样，然后将输出的电流信号通过检测电阻转换成电压信号。信号处理采用电压模式的绝对值电路。电压模式的绝对值电路一般采用运算放大器和二极管实现有源精密整流。电压模整流以电压为变量，在电压域中对电压信号进行处理，其核心器件是电压反馈运算放大器。由于电压反馈运放恒定的增益一带宽积以及较低的压摆率，对高频、小信号的整流，会产生严重的误差，甚至电路都无法正常工作。虽然采用宽带、压摆率高的电压反馈运算放大器可以降低电压模式绝对值电路的误差，但其昂贵的价格会使电压模式绝对值电路的成本大大增加。目前中、大功率全桥开关变换器的开关频率在20KHz?ΙΟΟΚΗζ，电流波形是准矩形波，而且动态范围大，能在这种条件下良好工作的电压模式绝对值电路的性价比极低。
[0005](3)采用闭环霍尔电流传感器进行电流采样，快速整流二极管组成的全桥整流器在霍尔传感器信号输出端直接进行整流，整流好的电流信号加到检测电阻上，便可以得到规则完整的绝对值电压信号。但全桥整流器电路的输入和输出端不能有公共端，因此，电流采样电路的信号地与信号处理电路的信号地不能共地，霍尔传感器的供电电源与后面的信号处理电路的供电电源必须采取单独供电的方式，比如隔离的DC-DC电源，这将增加电路的复杂程度和成本。另外，由于全桥整流器两个二极管的正向压降，同样的检测电阻，闭环霍尔电流传感器的最大线性检测电流范围将缩小。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路。
[0007]本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的:
[0008]一种用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路，包括闭环霍尔电流传感器及其供电电源、绝对值电路、波形整形电路，所述绝对值电路包括电流整流器和电流一电压转换及波形求和电路，所述闭环霍尔电流传感器的信号输出端与所述电流整流器的信号输入端连接，所述电流整流器的信号输出端与所述电流一电压转换及波形求和电路的信号输入端连接，所述电流一电压转换及波形求和电路的信号输出端与所述波形整形电路的信号输入端连接，所述波形整形电路的信号输出端与PWM处理保护电路的信号输入端连接，所述全桥开关变换器的主变压器的一次侧绕组穿过所述闭环霍尔电流传感器的原边电流穿孔。
[0009]具体地，所述闭环霍尔电流传感器的正电压输入端与第一电源的正极连接，所述闭环霍尔电流传感器的负电压输入端与第二电源的负极连接，所述第一电源的负极与所述第二电源的正极连接后接信号地。
[0010]闭环霍尔电流传感器可以看成是电子型零磁通电流互感器，可以直接检测有直流分量的高频交流信号，因此可克服电流互感器的磁通复位问题。
[0011]具体地，所述绝对值电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一三极管、第二三极管和第一运算放大器，所述闭环霍尔电流传感器的信号输出端分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的正极连接，所述第一二极管的正极分别与所述第一运算放大器的反相输入端和所述第二电阻的第一端连接，所述第二二极管的负极分别与所述第一运算放大器的同相输入端和所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端接地，所述第一运算放大器的信号输出端分别与所述第三二极管的负极和所述第四二极管的正极连接，所述第三二极管的正极分别与所述第三电阻的第一端和所述第一三极管的基极连接，所述第三电阻第二端分别与所述第一三极管的集电极和所述第一运算放大器的正极电压端连接并接+15V电压，所述第四二极管的负极分别与所述第四电阻的第一端和所述第二三极管的基极连接，所述第四电阻的第二端分别与所述第二三极管的集电极和所述第一运算放大器的负极电压输入端连接并-15V电压，所述第一三极管的发射极与所述第五电阻的第一端连接，所述第二三极管的发射极与所述第六电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端分别与所述第六电阻的第二端和所述第二电阻的第二端连接，所述第五电阻的第二端为所述绝对值电路的信号输出端。
[0012]具体地，所述波形整形电路包括第七电阻、电容和第二运算放大器，所述第七电阻的第一端与所述绝对值电路的信号输出端连接，所述第七电阻的第二端分别与所述电容的第一端和所述第二运算放大器的同相输入端连接，所述电容的第二端接地，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的正极电压输入端和负极电压输入端分别接+15V和-15V电压。
[0013]本实用新型的有益效果在于:
[0014]本实用新型用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理，体现在峰值电流采样方面的优点:
[0015](I)消除由于普通电流互感器的检测误差对峰值电流模式控制环路稳定性的影响，消除开关变换器输出电流由此而可能出现的大小波现象，减小开关变换器的输出电流纹波。
[0016](2)减少普通电流互感器由于偏磁和饱和，不能正确检测电流信号，从而不能进行有效的峰值电流控制的问题。对于逐个电流脉冲的过流保护，可以减少由此引起的误保护发生。
[0017]体现在信号处理方面的优点:
[0018](I)从技术和成本上解决目前绝大多数电压模式绝对值电路不能适用于中、大功率全桥开关变换器开关管瞬态电流采样信号的处理问题，可以很好完成频率数十KHz、峰峰值数uA?数十mA的准矩形波电流的精密绝对值运算。
[0019](2)电流采样电路与信号处理电路可以共地，无需成本较高且复杂的隔离电源。相对于现有技术(3)，减少两只开关二极管，减少了闭环霍尔电流传感器的最大线性检测电流范围的下降。
[0020](3)电路简单，成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本实用新型所述用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理的结构框图；
[0022]图2是本实用新型所述用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理的电路图；
[0023]图3是本实用新型所述全桥开关变换器的电路图；
[0024]图4是一种典型电压模式绝对值电路的电路图；
[0025]图5是图4的电路与图2的电路中的绝对值电路部分的仿真波形对比图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0027]如图1所示，本实用新型用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路，包括闭环霍尔电流传感器及其供电电源、绝对值电路、波形整形电路，绝对值电路包括电流整流器和电流一电压转换及波形求和电路，闭环霍尔电流传感器的信号输出端与电流整流器的信号输入端连接，电流整流器的信号输出端与电流一电压转换及波形求和电路的信号输入端连接，电流一电压转换及波形求和电路的信号输出端与波形整形电路的信号输入端连接，波形整形电路的信号输出端与PWM处理保护电路的信号输入端连接，全桥开关变换器的主变压器的一次侧绕组穿过闭环霍尔电流传感器的原边电流穿孔，闭环霍尔电流传感器的正电压输入端与第一电源的正极连接。
[0028]如图2所示，闭环霍尔电流传感器的负电压输入端与第二电源的负极连接，第一电源的负极与第二电源的正极连接后接信号地，绝对值电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一三极管Q1、第二三极管Q2和第一运算放大器U1-1，闭环霍尔电流传感器H的信号输出端分别与第一二极管Dl的负极和第二二极管D2的正极连接，第一二极管Dl的正极分别与第一运算放大器Ul-1的反相输入端和第二电阻R2的第一端连接，第二二极管D2的负极分别与第一运算放大器Ul-1的同相输入端和第一电阻Rl的第一端连接，第一电阻Rl的第二端接地，第一运算放大器Ul-1的信号输出端分别与第三二极管D3的负极和第四二极管D4的正极连接，第三二极管D3的正极分别与第三电阻R3的第一端和第一三极管Ql的基极连接，第三电阻R3第二端分别与第一三极管Ql的集电极和第一运算放大器Ul-1的正极电压端连接并接+15V电压，第四二极管的负极分别与第四电阻R4的第一端和第二三极管Q2的基极连接，第四电阻R4的第二端分别与第二三极管Q2的集电极和第一运算放大器Ul-1的负极电压输入端连接并-15V电压，第一三极管Ql的发射极与第五电阻R5的第一端连接，第二三极管Q2的发射极与第六电阻R6的第一端连接，第五电阻R5的第二端分别与第六电阻R6的第二端和第二电阻R2的第二端连接，第五电阻R5的第二端为绝对值电路的信号输出端，波形整形电路包括第七电阻R7、电容C和第二运算放大器U1-2，第七电阻R7的第一端与绝对值电路的信号输出端连接，第七电阻R7的第二端分别与电容C的第一端和第二运算放大器U1-2的同相输入端连接，电容C的第二端接地，第二运算放大器U1-2的反相输入端与第二运算放大器U1-2的输出端连接，第二运算放大器U1-2的正极电压输入端和负极电压输入端分别接+15V和-15V电压。
[0029]本实用新型用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路的工作原理如下:
[0030]为克服现有技术(I)的缺点与不足，针对电流互感器工作时需要励磁电流，而励磁电流的存在使电流互感器产生测量误差的问题，采用了闭环霍尔电流传感器检测峰值电流。闭环霍尔电流传感器可以看成是电子型零磁通电流互感器，在稳态电流情况下，这种互感器磁芯中的磁通为零或者磁通接近于零。通过给被补偿的电流互感器提供附加电动势，以达到减小励磁电流的目的。尤其是闭环霍尔电流传感器可以直接检测有直流分量的高频交流信号，可以克服电流互感器的磁通复位问题。
[0031]为克服现有技术(2)的缺点与不足，采用了电流整流器，直接利用闭环霍尔电流传感器的电流输出，在电流域实现整流，再经1-V电路变换成电压输出。
[0032]为克服现有技术(3)的缺点与不足，采用了半波整流，以及用集成第一运算放大器U1-1构成的1-V变换及波形求和电路，解决了电流采样电路与信号处理电路不能共地的问题。
[0033]闭环霍尔电流传感器的选择要根据具体应用，需考虑开关变换器的开关频率，主变压器一次侧绕组电流Ip峰峰值的动态范围，隔离电压，响应时间等等。本实施例中，选用LEM公司的闭环霍尔电流传感器(型号LA 100-P)，它具有绝缘耐压高(2.5kV)，测量准确(精度±0.7%以内)，动态性能好(电流跟踪速度大于200A/ μ S，响应时间小于I μ s)，信号频带宽(DC 200kHz)等优点。
[0034]第一运算放大器Ul-1需选用极低输入偏置电流和高电压增益的电压反馈集成第一运算放大器Ul-1。本实施例中，选用TI公司的运算放大器(型号OPA2134)，有低至5pA的输入偏置电流，以及极低的电流噪声，因此很适合做1-V变换放大器。
[0035]其中第一电阻Rl和第二电阻R2的阻值相等，且其均是需要匹配的精密电阻，阻值大小由被采样电流信号的动态范围以及所选择的闭环霍尔电流传感器共同确定。
[0036]第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第三二极管D3、第四二极管D4、第一三极管Ql和第二三极管Q26构成对称的射级跟随输出缓冲放大器，在1ut的负半波到来时，为反相输出型ι-v变换电路提供超出运放电流输出能力的大电流。其中第三电阻R3、第四电阻R4、第三二极管D3和第四二极管D4构成输出缓冲放大器的偏置电路，为第一三极管Ql和第二三极管Q2提供静态电流，减小信号交越失真。第五电阻R5和第六电阻R6引入电流负反馈，使输出级电路更加稳定。
[0037]波形整形电路有第七电阻R7、电容C和第二运算放大器U1-2组成的一阶低通滤波器构成，主要是为了减小采样电流波形前沿的尖峰干扰，防止后续PWM处理电路中的PWM比较器误动作，或后续过流保护电路的比较器误动作。
[0038]全桥开关变换器的电路图(图3)中A点和B点为主变压器一次侧绕组引出导线，流经A-B点之间的为全桥开关变换器的主变压器一次侧高频脉冲电流Ip，且该A-B段的主变压器一次侧绕组穿过闭环霍尔电流传感器的原边电流穿孔，使闭环霍尔电流传感器根据一次侧高频脉冲电流Ip的大小输出电流1ut至绝对值电路，(其中lout = IpXKn,Kn为闭环霍尔电流传感器的转换率)；绝对值电路中的第一二极管Dl和第二二极管D2分别作为正半波整流器和负半波整流器，仅起到切换1ut的电流方向的作用，二极管伏安特性的非线性不影响电流1ut的大小和保真度。第一运算放大器U1-1、第一电阻R1、第二电阻R2和输出缓冲放大器构成1-V变换和波形求和电路。1ut的正半波到来时，第二二极管D2导通第一二极管Dl截止，电路结构切换成同相输出型1-V变换电路，1ut的负半波到来时，第一二极管Dl导通第二二极管D2截止，电路结构切换成反相输出型1-V变换电路，从而实现了对变压器一次侧高频脉冲电流的采样及高速精密的绝对值运算(Uout= I IpXKnXrI，其中r为第一电阻Rl和第二电阻R2的阻值)。
[0039]图4为一种典型的电压模式绝对值电路的原理图，一般经采用两个运算放大器、两个二极管和五个需要匹配的精密电阻；将其与本实例中的电路进行波形仿真对比，输入波形是模拟典型的峰值电流模式控制移相全桥ZVS变换器的被采样电流波形，在输出波形中(如图5所示)，实线是本实例采用的绝对值电路的输出波形，虚线是一种典型现有技术采用的电压模式绝对值电路的输出波形，可以明显看出本实例中的绝对值电路的信号未发生失真，而典型的电压模式绝对值电路的信号产生较为明显的失真现象。
[0040]本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路，其特征在于:包括闭环霍尔电流传感器及其供电电源、绝对值电路、波形整形电路，所述绝对值电路包括电流整流器和电流一电压转换及波形求和电路，所述闭环霍尔电流传感器的信号输出端与所述电流整流器的信号输入端连接，所述电流整流器的信号输出端与所述电流一电压转换及波形求和电路的信号输入端连接，所述电流一电压转换及波形求和电路的信号输出端与所述波形整形电路的信号输入端连接，所述波形整形电路的信号输出端与PWM处理保护电路的信号输入端连接，所述全桥开关变换器的主变压器的一次侧绕组穿过所述闭环霍尔电流传感器的原边电流穿孔。
2.根据权利要求1所述的用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路，其特征在于:所述闭环霍尔电流传感器的正电压输入端与第一电源的正极连接，所述闭环霍尔电流传感器的负电压输入端与第二电源的负极连接，所述第一电源的负极与所述第二电源的正极连接后接信号地。
3.根据权利要求1所述的用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路，其特征在于:所述绝对值电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一三极管、第二三极管和第一运算放大器，所述闭环霍尔电流传感器的信号输出端分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的正极连接，所述第一二极管的正极分别与所述第一运算放大器的反相输入端和所述第二电阻的第一端连接，所述第二二极管的负极分别与所述第一运算放大器的同相输入端和所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端接地，所述第一运算放大器的信号输出端分别与所述第三二极管的负极和所述第四二极管的正极连接，所述第三二极管的正极分别与所述第三电阻的第一端和所述第一三极管的基极连接，所述第三电阻第二端分别与所述第一三极管的集电极和所述第一运算放大器的正极电压端连接并接+15V电压，所述第四二极管的负极分别与所述第四电阻的第一端和所述第二三极管的基极连接，所述第四电阻的第二端分别与所述第二三极管的集电极和所述第一运算放大器的负极电压输入端连接并-15V电压，所述第一三极管的发射极与所述第五电阻的第一端连接，所述第二三极管的发射极与所述第六电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端分别与所述第六电阻的第二端和所述第二电阻的第二端连接，所述第五电阻的第二端为所述绝对值电路的信号输出端。
4.根据权利要求1所述的用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路，其特征在于:所述波形整形电路包括第七电阻、电容和第二运算放大器，所述第七电阻的第一端与所述绝对值电路的信号输出端连接，所述第七电阻的第二端分别与所述电容的第一端和所述第二运算放大器的同相输入端连接，所述电容的第二端接地，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的正极电压输入端和负极电压输入端分别接+15V和-15V电压。
【文档编号】H02M3/28GK204168141SQ201420594215
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】何亚宁 申请人:成都熊谷加世电器有限公司