[发明专利]开关电源电流检测电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种电流检测电路，用于高频开关电源领域电流检测，可以检测开关电源输入、输出、以及PWM变换器电流，精度高，而且实现了电气隔离，具有良好的线性度和带宽，而且当检测电流用于限流保护时，响应速度可以得到保证。

背景技术

开关电源的总体发展趋势是开关工作频率越来越高，从而对电流检测的实时性也要求越来越高，而且成本很备受关注。传统的电流检测技术主要分为基于磁场的检测方案和基于分流器的检测方案，以电流互感器(图1)和霍尔传感器(图2)为代表的基于磁场的检测方案由于具有良好的隔离和较低的功率损耗等优点已经广泛地采用，尤其是在交流和大电流应用领域，但它的缺点是体积较大，补偿特性、线性度以及温度特性不理想，而且成本较高。

电流互感器采用变压器电磁隔离原理，一般原边具有较少的匝数N1，副边具有较多的匝数N2。互感器原边接被测电流I，副边则为检测后的输出电流I_OUT，然后通过电阻R将电流转换为电压信号，通过磁感应方式实现了原、副边的电气隔离。

变换比例关系为：

I_OUT/I＝N1/N2

由于采用电流变压器隔离，存在低频响应带宽的问题，因为实际变压器都存在激磁电感，当被检测电流的频率低到变压器响应带宽，互感器将失去电流检测能力。而高频开关电源中很多时候都需要检测直流电流，电流互感器无法满足这种要求。

霍尔元件利用霍尔效应，通过聚集磁路检测到与原边电流成比例关系的磁通量后输出霍尔电压信号，经放大电路放大后变换为成比例的电流或电压信号，直观反映电流的大小。

目前一般将霍尔元件、聚磁电路以及放大电路集成在一起，作为霍尔传感器使用，可以实现直流、交流电流的隔离检测，不存在低频响应带宽问题。但霍尔元件以及放大电路存在温度飘移，存在频率响应上限，一般为数十或数百kHz，同时成本也比较高，限制了在开关电源中的应用。

应用线性光耦组成的电流检测隔离电路(图3)的线性度好，电路简单，能够检测直流电流，有效地解决了模拟信号与采样控制系统的电气隔离问题，而且精度高、成本低。

但是线性光耦的一个显著缺点就是电流检测的延时，因为线性光耦的带宽一般在数十kHz以下，延时在数微秒以上。而在高频开关电源中，电流检测电路除了检测电流的幅度之外，还需要能快速检测到过流故障，及时关闭电源的驱动信号，限制电流进一步上升，如果过流检测不及时，就会造成电流超过允许的上限。随着开关电源的发展，开关频率越来越高，这个问题也越来越突出。

图4是以一种带逐波限流功能的PWM电源变换电路来说明开关电源限流保护原理。PWM控制信号是一个周期为T，占空比(D)0～1变化的方波，触发器在每个周期的上升沿将PWM控制信号输送给开关S，使S导通，使输入电压Vi变换为输出电压Vo，两者关系为：

Vo/Vi＝D

在电路中还设置了电流检测电路，用来检测输出过电流，当电流超过设定上限时，比较器翻转，使触发器复位，S驱动信号封锁，直到下一个周期开始且过流信号消失才会解除封锁，这样就实现了逐波过流保护。由此可见，开关频率越高，周期越短，则要求过流检测越迅速，否则会造成过流不能及时检测使电流过大，以及过流信号不能及时解除而使封锁不能及时解除。这两个问题都会影响高频开关电源正常工作。电源开关频率目前已达到数百kHz，甚至数MHz，线性光耦的响应延迟一般都在数us以上，显然不能满足快速保护的需求。

图5显示了过流检测延时对电路工作的影响。当给开关S施加驱动信号时，开关导通，输出电流在电感L的作用下以锯齿波的波形上升，电流峰值表达式为：

I＝Vi*D/R+(Vi-Vo)*D*T/2L

可见占空比越小，则电流峰值也越小。如果设定一个电流上限，当电流超过这个上限时及时封锁PWM控制信号，则可以保证电流始终不超过设定上限。

但实际电流检测电路都存在延时(Δt)，检测到的电流与实际电流波形一致，但相位有滞后，这就造成实际电流已经达到设定上限时，检测电路的电流还未达到上限，再经过Δt延时之后才能达到，从而产生过电流，过电流幅度为：

ΔI＝(Vi-Vo)*Δt/L

可见延时越大，则过电流也越严重。

另一方面，检测延时使得过流信号解除也出现滞后，在下一个周期开始时，过流封锁信号有可能不能及时解除，造成驱动信号丢失一个周期。以上两个现象为延时的主要危害，因此在设计中，要求过流保护信号延时比开关周期要小一个数量级以上。当电源开关频率达到100kHz以上时，要求小于1uS，对于线性光耦，显然不能满足要求。