CN101807857B - 电流取样电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电流取样电路，涉及采用谐振零电流技术的开关电源技术领域。包括与开关电源电路的振荡电容并联的取样支路、取样电阻、和与取样电阻相并联的电位平移电路；取样支路包括相串联的分流电容和电流互感器；取样电阻与电流互感器并联连接；电位平移电路包括电平隔离电容和嵌位二极管，嵌位二极管的阴极与电平隔离电容串联连接，嵌位二极管的阳极接地。本发明提供的电流取样电路，并联在谐振电容上，靠分流电容与主电路电容的容值比例决定电流分配关系，所以电流取样电路里只有很小的电流，从而大大降低电流取样电路的功率损耗。并且，本电路可以选用小型的互感器实现大电流电路的检流，从而降低成本和体积。

Description

电流取样电路

技术领域

本发明涉及采用谐振零电流技术的开关电源技术领域，特别涉及一种电流取样电路。

背景技术

参见图1，为现有技术中开关电源电路中的一种典型正激谐振零电流(ZCS)电路形式，也可以由正激简化为BUCK电路形式。其中，电感Le和电容Cres是产生振荡的电感和电容；Le的值比较小，所以实践当中一般是用变压器的漏感作为Le；为保证振荡特性稳定，Cres要用稳定性高的电容。现有技术中，电流取样电路通常串联在主电路中，即图1中虚线框位置是传统的电流取样电路通常位置；传统的电流取样电路理论上也可以串联在Le上，不过此时电流取样电路中互感器本身的感量会影响LC振荡，通常不采用。

在实施本发明过程中，发明人发现现有电流取样电路由于串联在主电路上，工作时流经电流取样电路上的电流较大，不但使得电流取样电路的功率损耗较大，而且对电流取样电路中互感器的选用要求较高，导致现有开关电源中的电流取样电路的成本较高。

发明内容

本发明实施例提供一种电流取样电路，以解决现有谐振零电流开关电路中电流取样电路功率损耗大及成本高的问题。

一种电流取样电路，包括与开关电源电路的振荡电容(Cres)相并联的取样支路、取样电阻(Ris)、和与所述取样电阻(Ris)相并联的电位平移电路；

所述取样支路包括相串联的分流电容(Cis)和电流互感器(Tis)；所述取样电阻(Ris)与所述电流互感器(Tis)输出边并联连接；

所述电位平移电路包括电平隔离电容(Cg)和嵌位二极管(Dg)，所述嵌位二极管(Dg)的阴极与电平隔离电容(Cg)串联连接，嵌位二极管(Dg)的阳极接地；

其中，所述电平隔离电容(Cg)和嵌位二极管(Dg)的串联连接点为所述电流取样电路的电流输出端。

所述电流互感器(Tis)的输入边线圈匝数少于输出边线圈匝数。

所述电流互感器(Tis)的输入边线圈与分流电容(Cis)串联；

所述电流互感器(Tis)的输出边一端接地，当Cis充电时，输出接地的一端与原边电流流出端为同名端。

所述分流电容(Cis)选用与振荡电容(Cres)相同材质的电容。

所述分流电容(Cis)的电容小于振荡电容(Cres)的电容。

本发明提供的电流取样电路，并联在谐振电容上，靠分流电容与主电路电容的容值比例决定电流分配关系，所以电流取样电路里只有很小的电流，从而大大降低电流取样电路的功率损耗。并且，本电路可以选用小型的互感器实现大电流电路的检流，从而降低成本和体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种典型正激谐振零电流(ZCS)电路原理图；

图2为本发明实施例提供的电流取样电路原理图；

图3为ZCS电路原理图；

图4为开关波形和Le上电流波形的对应关系图；

图5为振荡电容Cres的电压Vc和电流Ic的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图2，本发明实施例提供一种电流取样电路，包括与开关电源电路的振荡电容Cres相并联的取样支路、取样电阻Ris、和与所述取样电阻Ris相并联的电位平移电路；

所述取样支路包括相串联的分流电容Cis和电流互感器Tis；所述取样电阻Ris与所述电流互感器Tis输出边并联连接；

所述电位平移电路包括电平隔离电容Cg和嵌位二极管Dg，所述嵌位二极管Dg的阴极与电平隔离电容Cg串联连接，嵌位二极管Dg的阳极接地；

其中，所述电平隔离电容Cg和嵌位二极管Dg的串联连接点为所述电流取样电路的电流输出端。

为更清楚的描述本发明实施例提供的电流取样电路，下面先详细介绍下图3所示正激谐振零电流ZCS电路的振荡电感Le上的电流工作原理。

其中，振荡电感Le和振荡电容Cres是产生振荡的电感和电容；Le的值比较小，所以实践当中一般是用变压器的漏感作为Le；为保证振荡特性稳定，Cres应选择稳定性高的电容。

假设变压器为理想变压器，原边电感量很大，此时励磁电流很小，可以忽略励磁电流，则原边电流I1和振荡电感Le上的电流波形的形状和时间相位是相同的，只是幅值高度有个成比例的差异，这个差异是变压器的变比。

图4所示为开关波形和Le上电流波形的对应关系。为了直观表现出输出电流Io在电路中的作用，图4用的是Le中的电流波形，如前所述，原边电流I1与Le上的电流只是幅值高度有差异，形状和时间相位关系完全一样。从开关管K开始导通到t2的时间里，由于续流管D2在工作，Cres并联在一个导通的二极管上，电压被嵌位，无法参与振荡，所以这时候时间是变压器输出电压对漏感Le充电过程；直到t2时刻充电到输出电流Io，此时续流管D2不再提供电流，续流管D2关断，Le和Cres开始振荡；此时Le上的电流是输出电流Io加上一个LC振荡的电流，t2到t3时刻，振荡经过了大半个周期进入负半周期，并且负的值达到输出电流Io，Le上整体电流过零，此时取样电路检测出过零状态，控制电路切断开关管K。

图5所示为上述过程中振荡电容Cres的电压Vc和电流Ic的波形。在t0到t2时刻，续流管D2导通，Cres未开始振荡，上面既没有电压也没有电流。t2时刻开始振荡过程，这一过程中Cres先充电后放电，Le电流大于Io时候充电，小于Io时候放电，保证Le和Cres最终提供给负载的总电流为Io；换一种说法，Le流过的电流除了提供给Cres就是提供给输出Io，所以在LC振荡期间Ic和ILe总相差一个Io。到t3时刻，Le和原边电流同时过零，开关K关断，但此时Cres上还有电压，所以继续放电提供给输出电流Io，此时Cres放电电流为恒定Io，直到t4时刻Cres放完电，电压为零，此时进入续流管D2导通时段。可以看出，如果能给Ic补上一个Io，则在t2到t4的时段，它的波形与Le的波形是完全一样的。

本发明实施例中，在Cres上并联一个电容很小的分流电容，这样，分流电容上小电流的充放电波形和Cres上电流波形是同形状的，并且，Cres是一个稳定性高的电容，这保证了分流电容分得的电流不受时间温度等因素的影响。只要对振荡电容Cres上的电流补上Io对应的部分，则可以取代t2到t4时段的ILe和I1波形作电流取样，从而减少电流取样电路的功率损耗和成本，这是发明的基本思路。需要说明的是，对于电流控制来说，开关刚导通的时段，和关断以后的时段通常都是没用的，真正起作用的时间段为t2到t3段，所需要的关键参数是峰值、过零点和(可能有用的)斜率；t4远在t3之后，所以对t2到t4的时段取样已经完全包括了有用的部分。

本发明实施例提供的电流取样电路中，包括分流电容Cis，电流互感器Tis，取样电阻Ris，电平隔离电容Cg，嵌位二极管Dg五个器件。Tis为电流互感器，相当于一个袖珍的正激变压器，图左部分为互感器输入边，匝数少工作电流大，图右为互感器输出边，匝数多工作电流小。Cis为分流电容，与Tis的输入边串联在一起，行成取样支路；这个串联中，Cis和Tis谁在上谁在下对电路工作没有影响。这个串联出来的取样支路，整体并联在Cres上。而电阻Ris并联在Tis输出边两端，既是取样电阻也起到给Tis退磁复位的作用。这样当Cres振荡工作时候，Tis的输出边有一个信号Is′，这个信号可以反应Cres上流过的充放电电流。注意同名端，Cres充电时，Tis的输入边流入电流的一端，对应的输出边同名端为信号Is′；而输出边另一端接参考地，这个参考地就是控制电路的地，由于电流互感器本身起到隔离作用，所以无论控制电路在开关电源初级侧还是次级侧，互感器都可以把电流信号送到相应的参考地电位上。这个Is′还需要叠加上输出电流Io对应的部分才可以反应原边电流I1及Le电流ILe，为此加上电容Cg和二极管Dg实现电平平移，把Is′变为最终电流信号Is。Cg一端接Is′一端接Is，Dg阳极接参考地，阴极接Is。

电路工作中，当Cres振荡工作时候，Cis会根据容量分到部分电流，这个分电流的比例是根据容量比例而来，流过Cres和Cis的电流比约等于它们的容量比。Cis最好选用和Cres同材质电容，这样温漂等影响可以互相抵消；Cis的容量应该远小于Cres，可以是几十分之一或更小，这有双重目的：一是减少流过电流互感器Tis的电流，减小功耗和器件成本，二来由于Tis的输入边电感量的作用，流过Cis的电流对电路工作有少量影响，电流小则对整体电路工作影响小。Ris有取样的作用，取值大损耗大，取值过小则Dg的导通压降低对电路有较明显影响，根据电流不同用几欧姆到几百欧姆均可。Ris上得到的信号Is′反映了互感器Tis输入侧电流，这是一个有正有负的信号，分流电容Cis充电Is′是正值，Cis放电Is′是负值。Cg和Dg是一种常用的电位平移电路，电流互感器输出端采用电容隔离加二极管嵌位的整流方式，可以补偿出电路无法直接取样的直流分量。其中，Cg的容量较大，利用电容上电压不能突变的特性传递交流信号，把Is′中的交流分量传递到Is端，而嵌位电容Dg保证Is信号最低电位为零，不会出负值(忽略二极管导通压降的因素)。当Is′为负值，由于Dg的作用，从参考地往Cg右端Is信号处充电，使Is信号为零，这样Cg两端有一个电压，这个电压正好是输出电流Io对应的信号值，当Is′为正值时候，Is为正值，Dg截至，Is为Is′电压加Cg两端电压，由于Cg容量较大，根据电容上电压不能突变的特性近似认为Cg两端电压不变，可以认为在整个取样时间Is的电压为Is′电压加上Io对应部分，所以Is可以反应I1或ILe的特性。

经发明人反复试验验证，可以得到下列一系列优选的实用参数：主电路输出电流Io为30A，主电容Cres为0.88uF的电容，谐振峰值电流可以到90A；分流电容Cis用16.5nF的同材质的电容，电流互感器Tis选用1∶70的变比，Ris为100ohm，Cg用0.1uF普通陶瓷电容，Dg要求可以不很严格，普通二极管即可。

可见，本发明实施例提供的电流取样电路，提供的电流取样电路，并联在谐振电容上，靠分流电容与主电路电容的容值比例决定电流分配关系，所以电流取样电路里只有很小的电流，从而大大降低电流取样电路的功率损耗。并且，本电路可以选用小型的互感器实现大电流电路的检流，从而降低成本和体积。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明专利的启示下得出的其他任何与本发明专利相同或相近似的产品，均落在本发明专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电流取样电路，其特征在于，包括与谐振零电流开关电源电路的振荡电容(Cres)相并联的取样支路、取样电阻(Ris)、和与所述取样电阻(Ris)相并联的电位平移电路；

所述取样支路包括相串联的分流电容(Cis)和电流互感器(Tis)；所述取样电阻(Ris)与所述电流互感器(Tis)输出边并联连接；

所述电位平移电路包括电平隔离电容(Cg)和嵌位二极管(Dg)，所述嵌位二极管(Dg)的阴极与电平隔离电容(Cg)串联连接，嵌位二极管(Dg)的阳极接地；

其中，所述电平隔离电容(Cg)和嵌位二极管(Dg)的串联连接点为所述电流取样电路的电流输出端。

2.根据权利要求1所述的电流取样电路，其特征在于，所述电流互感器(Tis)的输入边线圈匝数少于输出边线圈匝数。

3.根据权利要求1所述的电流取样电路，其特征在于，所述电流互感器(Tis)的输入边同名端与分流电容(Cis)串联；

所述电流互感器(Tis)的输出边异名端接地。

4.根据权利要求1所述的电流取样电路，其特征在于，所述分流电容(Cis)选用与振荡电容(Cres)相同材质的电容。

5.根据权利要求1所述的电流取样电路，其特征在于，所述分流电容(Cis)的电容小于振荡电容(Cres)的电容。

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