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霍尔电流传感器在开关电源中的应用

    开关电源是目前最普遍使用的直流稳压电源,具有效率高、重量轻、体积小等优点,取代以往的线性电源,逐渐作为家电设备、自动化仪表等电子设备的直流供电电源和蓄电池充电电源被广泛使用。开关电源的核心部通过DC-AC-DC变换,高效地产生一路或多路的稳定直流电压或电流。开关电源还需要电流检测和过电流保护电路,要求动作灵敏度、高速、可靠性。开关电源检测出的电流既有直流又有交流,睿感电流传感器是适合开关电源的电流检测和过电流保护的,将电流的大小作为电压信号反馈给开关电源控制器。 


    实现电路的脉冲占空比调整和电路保护,以保证开关电源的稳定可靠动作。这样开关电源大多使用与主电流路径串联连接的电阻作为电流传感器,利用电阻中的电压降向开关电源控制器反馈电流的大小作为电压信号。由于电阻是消耗电力元件,因此产生消耗电力。通常电流感测电阻的电阻值小,产生的返回电压也低,但其消耗电力不能忽视,特别是在输入电流和输出电流比较大的情况下,电流感测电阻的消耗电力从数瓦变为十几瓦,开关电源的转换效率直接降低。同时,消耗电力会导致电流感应电阻的发热,开关电源的散热变得困难。为了克服电流感测电阻产生的消耗电力,采用霍尔传感器作为开关电源的电流传感器,有效抑制电流检测引起的消耗电力,提高开关电源的转换效率。1电流传感器在开关电源中的应用开关电源从控制方式分为电压控制型和电流控制型,从绝缘变压器的驱动方式分为单端型和双端型。


    在这些大多数的电路形式中,需要使用电流传感器来检测电流、控制脉冲占空比、保护电路。

1)电流控制型开关电源所需的电流传感器,作为开关电源调整脉冲占空比、稳定输出电压的反馈信号。

2)双端子型开关电源双向驱动绝缘变压器为了电流的平衡控制和电路保护,大多需要电流传感器检测输入绝缘变压器的双向脉冲电流。如果两个系统电流差值过大或某个系统的电流值过大,则在绝缘变压器中产生偏磁饱和现象,通过偏磁控制电路调整功率,绝缘变压器的两个方向磁感应强度容易平衡。

3)为了提高开关电源动作的可靠性,防止输出电流流过等,许多开关电源在输出端连接电流传感器,检测输出电流的大小,输出电流超过设计基准时,保护电路保护开关电源的安全所需的措施。

4)在将开关电源作为蓄电池充电器的情况下,也需要检测输出电流的大小,由此知道蓄电池的充电状况,适当地切换充电方式,提高充电效率,具有延长蓄电池寿命的效果。


    可使用的电流检测解决方案可分为单芯片方式和分立电路方式两类。

    电流传感放大器通过测量一个小值串联电阻上的电压产生一个代表电流的电压信号。当然,电阻产生功耗,功耗随着电流的增加而增加,但为了限制噪声,放大器的带宽通常较窄。根据这些特性,不适合高频电流开关模式装置和大电流开关模式装置,最适合小电流直流方式和低频交流方式。

    高频开关电源主要由主电路、控制电路、检测电路以及辅助电源四部分构成,主电路主要包括输入滤波器、整流和滤波、逆变以及输出整流和滤波,最终可以提供稳定可靠的直流电源,主要是电镀、氧化。

  对于高频开关电源,大电流整流电源的输出电流的准确性很重要,但直流大电流检测精度是一个问题,检测的手段现在很多,最常用的是分流器和霍尔电流传感器,可以直接在直流输出母列中检测电流值,进口产品先进。

  

    现在,在高频开关电源实用化中,一般是在霍尔电流传感器的长时间使用下传感器铁心发热,动作异常,进而没有信号输出的现象,输出直流电流和实际值存在较大的误差,直接影响输出的正确计算和设定,电源产品的品质变得不稳定。

  该应用通常使用开环型霍尔电流传感器,因此传感器结构简单,具备一个磁芯(一个或多个气隙)和一个电路基板,在电路基板上设置感应元件及处理电路,通过栅极密封端子输出有效信号。 电路基板上没有发热元件,不会变成高温,只有磁芯是发热体。

  正常的整流器中不存在高频电流,但在不进行整流处理的情况下,高频电流成分急剧增加。由于高频电流,磁通急剧变化,磁芯内部产生漩涡电流。漩涡电流的存在是核心发热的根本原因。如何减少漩涡电流,减少传感器的发热呢?方法1 :增加核心层数。磁芯通常是卷绕带材而成,带材越薄越好。方法2 :铁心使用高电阻导磁率材料。方法3 :使用零磁通霍尔传感器(闭环霍尔电流传感器),使磁芯处于零磁通状态。 两种方法都可以,但第一种方法不能从根本上解决发热现象,只能减慢温度上升的速度,实际效果可以忽略不计。方法2更彻底地解决问题,降低漩涡电流,降低漩涡电流损失。方法3大大提高了成本,闭环孔的价格是开环孔的数倍,而且功耗大,不适合现场安装和使用。


  电器产品的寿命与它的使用温度息息相关。由于漩涡电流的存在引起磁芯的发热,最终设备的寿命急剧缩短,传感器提前废弃。根据电源制造商的不同,有时也会将霍尔电流传感器作为消耗品使用,但每经过一段时间就购买备用零件非常异常。

  为了解决该问题,采用具有优异磁特性、耐腐蚀性、耐磨损性、高强度、硬度、韧性、高电阻率、机电耦合性能等的高品质的特殊磁芯材料,有效地解决高频电流下的电流传感器的发热现象,大幅度提高霍尔电流传感器的可靠性、寿命。

                                                 

    睿感RITG系列磁平衡电流传感器是能够分离先进的主回路和控制回路的检测模块。检测范围包括直流、交流正弦、非正弦周期电力的高科技模块化产品,副边输出实际反映原边电流的波形。发射器除了传感器外,还输出4~20ma、0~20ma、0~5 v、1~5 v等标准仪表信号,以及a/d转换后可与计算机接口的信号。主电流电路产生磁场被一个次级线圈的电流产生的磁场补偿,霍尔元件始终处于检测零磁通的动作状态。 如果响应时间在1 us以内,则是如果主回路电流IP变化,则平衡磁场被破坏,如果磁场失去平衡,则霍尔元件有信号输出,在由放大器放大后立即对应电流流过次级线圈进行补偿的动态平衡处理。


     睿感磁平衡电流传感器主要特性  

 (1) RITG电流传感器能够测定任意波形电流、交流直流脉冲及不规则电流等。  

 (2) RITG电流传感器的线性度良好,0.1 %×IN;  

 (3) RITG电流传感器测量精度高,±0.5 %;  

 (4) RITG电流传感器响应速度快,响应时间1us  

 (5) RITG电流传感器1次电路和2次电路间的高绝缘。  

 (6) 良好温度特性;。

 (7) 可靠的mtbf:5×104 h 

 (8) 采用先进SMT表面安装技术


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