常用的電流互感器檢測(cè)電路分析

　　在高頻開關(guān)電源中，需要檢測(cè)出開關(guān)管、電感等元器件的電流提供給控制、保護(hù)電路使用。電流檢測(cè)方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻取樣。采用霍爾元件取樣，控制和主功率電路有隔離，可以檢出直流信號(hào)，信號(hào)還原性好，但有μs級(jí)的延遲，并且價(jià)格比較貴；采用電阻取樣價(jià)格非常便宜，信號(hào)還原性好，但是控制電路和主功率電路不隔離，功耗比較大。

　　電流互感器具有能耗小、頻帶寬、信號(hào)還原性好、價(jià)格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點(diǎn)。在Push-Pull、Bridge等雙端變換器中，功率變壓器原邊流過正負(fù)對(duì)稱的雙極性電流脈沖，沒有直流分量，電流互感器可以得到很好的應(yīng)用。但在Buck、Boost等單端應(yīng)用場(chǎng)合，開關(guān)器件中流過單極性電流脈沖；原邊包含的直流分量不能在副邊檢出信號(hào)中反映出來，還有可能造成電流互感器磁芯單向飽和；為此需要對(duì)電流互感器構(gòu)成的檢測(cè)電路進(jìn)行一些改進(jìn)。

　　2 電流互感器檢測(cè)單極性電流脈沖的應(yīng)用電路分析根據(jù)電流互感器磁芯復(fù)位方法的不同，可有兩種電路形式：自復(fù)位與強(qiáng)迫復(fù)位。自復(fù)位在電流互感器原邊電流脈沖消失后，利用激磁電流通過電流互感器副邊的開路阻抗產(chǎn)生的負(fù)向電壓實(shí)現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位電壓大小與激磁電流和電流互感器開路阻抗有關(guān)。強(qiáng)迫復(fù)位電路在原邊直流脈沖消失期間，外加一個(gè)大的復(fù)位電壓，實(shí)現(xiàn)磁芯短時(shí)間內(nèi)快速復(fù)位。

　　2.1 電流互感器檢測(cè)電路

　　常用的電流互感器檢測(cè)電路如圖1（a）所示。 圖1（b）表示原邊有電流脈沖時(shí)的等效電路，電流互感器簡(jiǎn)化為理想變壓器與勵(lì)磁電感m模型，s為取樣電阻。

　　當(dāng)占空比《0.5時(shí)，在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯依靠勵(lì)磁電流流過采樣電阻s產(chǎn)生負(fù)的伏秒值，實(shí)現(xiàn)自復(fù)位〔如圖1（d1）～（i1）所示〕，由于采樣電阻s很小，所以負(fù)向復(fù)位電壓較??；當(dāng)電流脈沖占空比很大時(shí)（》0.5），復(fù)位時(shí)間很短，沒有足夠的復(fù)位伏秒值，使得磁芯中直流分量d增大，有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和〔如圖1（d2）～（i2）所示〕，失去檢測(cè)的作用，所以自復(fù)位只能應(yīng)用于電流脈沖占空比《0.5的場(chǎng)合。

　?。╝）檢測(cè)電路 （b）原邊有脈沖時(shí)等效電路 （c）磁芯復(fù)位時(shí)等效電路

　　圖1 常用的電流互感器檢測(cè)電路分析

　　可以看出，此電路對(duì)于檢測(cè)單極性直流脈沖存在諸多缺點(diǎn)。勵(lì)磁電感電流m中存在直流分量d，容易導(dǎo)致磁芯飽和。輸出電壓信號(hào)R為雙極性，不便于后級(jí)電路處理。

　　2.2 改進(jìn)的自復(fù)位電流互感器

　　為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓R的單極性輸出，在電流互感器端加上一個(gè)二極管，根據(jù)原邊輸入電流1與輸出電壓R的相位的不同、信號(hào)地位置的不同，可有4種電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

　　圖2 改進(jìn)的電流互感器檢測(cè)電路

　　對(duì)圖2（c）的電路工作過程進(jìn)行分析，電路在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的工作波形如圖3所示。

　　（a）檢測(cè)電路 （b）原邊有脈沖時(shí)等效電路

　　磁芯復(fù)位時(shí)等效電路 圖3 改進(jìn)的電流互感器檢測(cè)電路分析

　　圖3（c）表示電流互感器磁芯復(fù)位時(shí)的等效電路，T為電流互感器副邊分布電容，D為二極管結(jié)電容。圖3（d）～（i）繪出了占空比小時(shí)，磁芯充分復(fù)位的各參數(shù)波形。

　　在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯的復(fù)位依靠勵(lì)磁電流在m、T、D中諧振產(chǎn)生負(fù)的復(fù)位電壓值，實(shí)現(xiàn)自復(fù)位，如圖3（g）所示。m、T構(gòu)成的諧振電路特征阻抗遠(yuǎn)大于s，所以復(fù)位效果好于圖1電路。但是，諧振產(chǎn)生的復(fù)位電壓并不是很大，當(dāng)脈沖占空比很大時(shí)，復(fù)位時(shí)間很短，仍有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和，所以也只能應(yīng)用于電流脈沖占空比《0.5的場(chǎng)合。

　　由于互感器副邊線圈匝數(shù)很多，分布電容大，諧振電流主要從電流互感器流過；流經(jīng)s、D支路的電流很小，并且s很小，所以復(fù)位電流經(jīng)D支路的諧振電流在s上產(chǎn)生的負(fù)向電壓可以忽略，取樣輸出電壓R波形如圖3（h）所示。因?yàn)槎O管的作用，輸出電壓信號(hào)R為單極性，其幅值與原邊電流信號(hào)脈動(dòng)量成正比，便于后級(jí)電路處理。

　　電流互感器用于檢測(cè)智能電表中的交流電流解析方案

　　兼容直流的電流互感器一直用于檢測(cè)智能電表中的交流電流，但它有一些缺點(diǎn)，而且很昂貴。對(duì)于某些應(yīng)用，分流電阻是更好的電流傳感器選擇，因?yàn)樗鼉r(jià)格低廉、具有高線性度并且抗磁場(chǎng)干擾。遺憾的是，分流電阻不具有電流互感器所固有的電氣隔離特性。在要求隔離的智能電表等應(yīng)用中，采用隔離電源技術(shù)的數(shù)字隔離器與分流電阻結(jié)合可提供一種良好的解決方案。

　　單相防竊電智能電表

　　模擬前端（AFE） IC利用分流電阻測(cè)量相位電流，并利用一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器測(cè)量相位電壓，從而計(jì)算電能并監(jiān)控負(fù)載的質(zhì)量。在這種應(yīng)用中，電力線相位電壓用作AFE的接地參考。零線電流測(cè)量必須隔離，從而保護(hù)AFE免受高壓影響。AFE利用標(biāo)準(zhǔn)SPI或I2C通信將計(jì)算得到的電氣量傳輸給微控制器（MCU）。然后，MCU將數(shù)據(jù)發(fā)送到通信模塊，通常使用UART接口，必須確保安全隔離并避免接地環(huán)路。因此，MCU必須與AFE隔離，與通信模塊共地，或者與通信模塊隔離，與AFE共地。

　　電表電源從電力線獲得，但安全隔離柵會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電源域。圖1中的PS1與相電源是同一電源域，可以直接使用而無需隔離AFE。然而，安全隔離柵1或2則需要使用隔離電源PS2來為MCU和通信模塊提供電源，或者僅為通信模塊供電。

　　總而言之，單相防竊電電表中有多個(gè)點(diǎn)需要隔離：

　　●零線電流檢測(cè)

　　●AFE與MCU（隔離1）之間或MCU與通信模塊之間

　　必須通過隔離柵1和2的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。為了隔離數(shù)字信號(hào)，已經(jīng)開發(fā)出許多技術(shù)。傳統(tǒng)方法使用帶LED和光電二極管的光耦合器，較新的技術(shù)則是使用芯片級(jí)變壓器的數(shù)字隔離器。例如，與光耦合器相比，iCoupler數(shù)字隔離器具有許多優(yōu)勢(shì)，包括：更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時(shí)序精度更佳、易于使用。芯片級(jí)隔離技術(shù)也可以與其他半導(dǎo)體電路結(jié)合，實(shí)現(xiàn)小尺寸、高集成度解決方案。在數(shù)據(jù)速率較高的應(yīng)用中，這些優(yōu)勢(shì)尤其顯著。智能電能計(jì)量就是這樣一種應(yīng)用，目前新式電表需要更高的實(shí)時(shí)信息流量。

　　芯片級(jí)變壓器也可以用在隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器中，從而將數(shù)據(jù)和電源隔離集成到單個(gè)封裝中。iCoupler產(chǎn)品就有這種能力，isoPower隔離式 DC-DC轉(zhuǎn)換器可集成到隔離式數(shù)據(jù)通道所在的同一薄型表貼封裝中。考慮上例中的零線電流檢測(cè)。傳統(tǒng)上使用電流互感器，因?yàn)樗旧砟軌蛱峁└綦x，但電流互感器必須為直流兼容型以免飽和，這會(huì)提高其成本。此外，它還會(huì)引入相位延遲，相位延遲隨頻率成分不同而異，因此難以在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。分流電阻具 有明顯的優(yōu)勢(shì)。不僅價(jià)格低廉，不受外部交流或直流磁場(chǎng)的影響，而且與用于檢測(cè)相電流的分流電阻具有相同的特性。然而，分流電阻本身不具隔離性。使用集成 DC-DC轉(zhuǎn)換器和隔離數(shù)據(jù)通道的數(shù)字隔離器可以解決這一問題。這樣就產(chǎn)生一種新的單相防竊電智能電表結(jié)構(gòu)。

　　新結(jié)構(gòu)利用AFE1測(cè)量從線路電流獲得的電氣量，利用AFE2測(cè)量從零線電流獲得的電氣量。兩個(gè)電流均利用不受外部磁場(chǎng)影響的分流電阻測(cè)量，從而消除竊電之憂。AFE2利用一個(gè)IC接收功率，該IC包含一個(gè)基于數(shù)字隔離器的隔離電源。它利用嵌入同一IC并采用相同技術(shù)的隔離數(shù)據(jù)通道與MCU通信。

　　可以將同樣的方法（IC同時(shí)包含隔離電源和隔離數(shù)據(jù)通道）應(yīng)用于通信模塊，因?yàn)樗残枰粋€(gè)隔離電源并通過隔離柵進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　與大型、昂貴、難以通過認(rèn)證的隔離電源相比，這種方法的優(yōu)勢(shì)顯而易見。數(shù)字隔離技術(shù)造就了業(yè)界最小的UL認(rèn)證DC-DC轉(zhuǎn)換器，這些IC具有很高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性、出色的耐化學(xué)腐蝕性以及良好的ESD性能。設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在可以集中精力改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而無需擔(dān)心隔離問題。

　　三相智能電表

　　對(duì)于三相智能電表，可以采用同樣的方法。在傳統(tǒng)的四線系統(tǒng)中，零線被選作電表AFE的接地參考。相電流利用電流互感器測(cè)量。電源利用所有三相創(chuàng)建兩個(gè)電源域：一個(gè)為AFE供電，一個(gè)為通信模塊供電，電源必須進(jìn)行隔離以保證安全。MCU可以置于任一電源域中，因此AFE與MCU之間（隔離1）或MCU與通 信模塊之間都存在一個(gè)隔離柵。

　　類似于單相防竊電電表所采用的方法，利用數(shù)字隔離技術(shù)，可以將電流傳感器替換為使用分流電阻的隔離模塊，通信模塊可以利用包含隔離電源和數(shù)據(jù)通道（可通過隔離柵通信）的IC供電并與MCU通信。

　　結(jié)束語

　　分流電阻和芯片級(jí)數(shù)字隔離器完全可以取代直流兼容型電流互感器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離和電源隔離。數(shù)字隔離器優(yōu)于傳統(tǒng)的光耦合器，并且支持多種串行通信：SPI、I2C或UART。數(shù)字隔離器性能更高、更易使用、更加可靠，堪稱光耦合器的真正替代產(chǎn)品。

　　數(shù)字隔離器使智能電表的系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)生如下變化：

　　●相電流和零線電流可以利用分流電阻檢測(cè)，從而消除通過磁場(chǎng)干擾竊電的風(fēng)險(xiǎn)，以及處理電流互感器相位延遲的難題。

　　●使用UL認(rèn)證的IC，單相和三相電表均可以使用單一主電源。特別是在三相電表中，這可以顯著縮小電源尺寸，使電表外殼尺寸更小。