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无损耗测量电流

2009-11-09 14:28:55 来源:《国际电子变压器》2009年11月刊

1 引言
流敏变压器(CST)用于控制和保护电路,同时检测电源载荷。爱普科斯已经开发出两款流敏变压器系列,由于采用了节约空间的SMT设计,它们特别适用于紧凑型DC/DC转换器。因为所有类型当中都采用了集成式初级绕组,因而节约了研发和组装时间。两大系列都覆盖了1∶20到1∶125的传送比率。
由于流敏变压器在测量电流的同时,从电气上隔离了电路,与其他电流测量形式相比更具有优势。工作时,被测量的电流进入变压器的初级绕组,同时,在二级绕组一侧对与初级电流成比例的电压进行采样。与通过分流电阻测量电流的模式相比较,它的电气损耗降到了最低。此外,流敏变压器的结构牢固,与下游电子器件一起使用时操作简单。
两大流敏变压器是基于不同的铁氧体磁芯而设计的。第一系列与现有以EE5为基础的设计相兼容。它的特点是占用面积小,仅为8.33×7.11mm2,插入高度为5.08mm。该系列所有型号中,初级绕组的直流电阻为0.8mΩ。该系列变压器的最大工作电流是20A,测试电压为500V。根据转换比例的不同,它们的电感值在80μH至3000μH之间。
第二大系列是一个微型的变体,采用了体积小得多的E4.2磁芯。它的初级绕组被集成到线圈架之中,节约了空间。该系列的所有型号,面积仅相当于与之对等的EE5的33%, 体积(4.7×3.5mm2,插入高度3.5mm)相当于后者的23%。它们产生的电感值在33和1280μH之间,其直流电阻为2.5mΩ,额定电流为7A,测试电压为360VAC。
两个CST变体的初级绕组均为一匝。根据需要的解析度的不同,客户可为二级绕组一侧选择20、30、40、50、60、70、100或125匝的结构。例如,如果使用目的是测量高频率,则为二级绕组选择相应的小匝数,可使性能优化。在二级绕组匝数少的变体中,具有有限效果的自然共振频率比匝数多的变体高,这是因为二级绕组中的寄生电容的缘故。
2 工作原理和正确的尺寸选择
CST的理想应用是开关型稳压器。它们可以替代开关晶体管电源线中的电阻,并在相当程度上减少本部分电路中的功率损耗(图1)。
CST(T1)被连接到晶体管的电源线上。与分流电阻不同的是,CST几乎不造成损耗。
图2说明了CST的工作原理。需要测量到的初级电流(Iprim)流入变压器的初级绕组。在两个系列产品中,初级绕组均为一匝。这样,传送比率就取决于二级绕组的匝数(Ns)。当处于下降过程且经过D1的二极管电压被忽略时,所测到的信号电压Vsense与Iprim成线性关系。
3 正确的尺寸选择
在选择CST的型号之前,必须先检查用于所需最大初级电流的特定CST型号的适用性。型号合适的产品,其磁通量密度不超过200mT, 公式如下:


其中:
Bmax磁芯中的最大磁通量密度
Ls二级绕组的电感
Ns  CST二级匝数 
Iprim_max最大初级电流
Ae 磁芯的有效磁横截面
A的值:
EE5磁芯:2,510-6m2
E4.2磁芯:1,44-6m2
可通过法拉第定律,算出获得要求测量信号Vsense所需的传送比率,公式如下:


其中:
Np CST的初级匝数(1匝)
Ns CST二级匝数
Lp初级绕组的电感
Ls二级绕组的电感
Iprim_max最大初级电流
fosc开关型稳压器的工作频率
于此,我们得出:
Vsense_max=NsVprim_max
在选择具有足够匝数的CST并确定最大测量电压Vsense_max后,可确定最大测量电流和RT,公式如下:

其中:
Imag_max最大磁化电流
Vsense_max测量信号的最大输出电压
dmax工作比
Ls二级绕组的电感
fosc开关型稳压器的工作频率
为了将不需要的磁化电流降至最低,应尽可能使用二级绕组匝数最多的变体。
Isense_max的值可以通过下列公式算出:

其中:
Isense_max通过RT的最大电流
Iprim_max最大初级电流 
Ns CST的二级匝数
最后,用下列公式算出RT:

其中:
RT 载荷电阻量
两大系列产品对应的IR值分别为20A(EE5)和7A(E4.2)。对于大多数中型功率的DC/DC转换器而言,这已经足够了。可使用上述公式和规则来从该系列产品中鉴别出合适的CST型号。两大系列产品均符合RoHS指令的规定,并适合自动取放。为此,产品以卷带方式供货。

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