基于巨磁阻傳感器的電源逆變器過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

廖 萍，孔翠香，楊建平

（井岡山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江西，吉安343009)

0 引言

開關(guān)電源作為電子產(chǎn)品的供電設(shè)備，不但其技術(shù)指標(biāo)要滿足供電設(shè)備正常工作的要求，其自身的過流保護(hù)措施也非常重要。為了提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，使其能在突發(fā)狀況下穩(wěn)定可靠地工作，需要設(shè)計(jì)合理的過流保護(hù)電路[1-2]。要實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，首要的問題是實(shí)時(shí)檢測(cè)電流并可靠保護(hù)。目前開關(guān)電源的電流檢測(cè)和過流保護(hù)電路還停留在電阻取樣[3]方式，通過電阻器取樣分流，在電阻取樣過程中產(chǎn)生較大的功率損耗，并且有輸入和輸出非隔離[4]等缺點(diǎn)。開關(guān)電源中被檢測(cè)的電流既有直流電，也有交流信號(hào)[5]，電流互感器實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)和過流保護(hù)存在只能檢測(cè)交流電流信號(hào)、體積大、價(jià)格昂貴、測(cè)量頻率比較低、電路反應(yīng)時(shí)間長等缺點(diǎn)。磁性傳感器廣泛地應(yīng)用于電流測(cè)量和保護(hù)電路，因?yàn)樗麄兪欠乔秩胄訹6-8]的，并提供電流隔離。當(dāng)前用于直流穩(wěn)壓電源電流檢測(cè)和過流保護(hù)的磁性傳感器主要是霍爾傳感器[9]。文獻(xiàn)[10]用LEM電流傳感器實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的電流檢測(cè)和保護(hù)?；魻杺鞲衅骺梢詫?shí)現(xiàn)大量程的電流檢測(cè)，測(cè)量精度較高，但由于受溫度和外界磁場(chǎng)影響比較大，進(jìn)而限制了其應(yīng)用。隨著磁電子學(xué)的發(fā)展，一種基于各向異性磁電阻( AMR) 效應(yīng)材料制成的磁阻式傳感器已經(jīng)被應(yīng)用于電流檢測(cè)，由于AMR 電磁阻率變化低，在檢測(cè)微弱磁場(chǎng)時(shí)受到限制。最近納米級(jí)的薄層膜被實(shí)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了一種新的巨磁阻[11]（GMR）效應(yīng)。因?yàn)榫薮抛栊?yīng)跟傳統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)相比具有很大的優(yōu)點(diǎn)，具有溫度漂移低，信號(hào)動(dòng)態(tài)性能好，靈敏度高，頻率響應(yīng)快等特性。巨磁阻傳感器同樣又是巨磁阻效應(yīng)一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，因此巨磁阻傳感器應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。巨磁阻傳感器可以應(yīng)用在電流檢測(cè)、位移檢測(cè)[12]以及漏磁檢測(cè)[13]。巨磁阻傳感器與AMR傳感器及霍爾傳感器的比較]14[如表1所示。文獻(xiàn)[15]采用巨磁阻傳感器完成電流檢測(cè)和保護(hù)。

表1 GMR、AMR以及HALL傳感器比較表Table 1 The comparison tables of GMR,AMR and HALL sensor

本文給出了一種改進(jìn)的巨磁阻傳感器實(shí)現(xiàn)過流電流保護(hù)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，巨磁阻傳感器實(shí)時(shí)采集電源電流，由DSP計(jì)算實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

1 開關(guān)電源過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

1.1 過流保護(hù)電路的總體設(shè)計(jì)

開關(guān)電源過流保護(hù)電路系統(tǒng)主要包括巨磁阻傳感器、電源監(jiān)控電路（放大電路、電壓比較器電路、穩(wěn)壓濾波電路）和DSP電源開通與關(guān)斷控制電路。過流保護(hù)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The design diagram of over-current protection circuit for switching power supply

1.2 各功能模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 巨磁阻傳感器

巨磁阻用于對(duì)供電電路的電流進(jìn)行檢測(cè)，選用NVE公司的AA005-02巨磁阻傳感器。AA005-02巨磁阻傳感器封裝圖如圖1所示，采用SOIC8封裝，主要性能參數(shù)：靈敏度為0.45～0.65 mV/v/Guas，工作溫度-50～125 ℃，最大非線性值2%，最大遲滯4%。

巨磁阻傳感器芯片主要利用具有巨磁阻效應(yīng)的磁性納米金屬多層薄膜材料通過半導(dǎo)體集成工藝相兼容的元器件。巨磁阻傳感器由4個(gè)巨磁電阻構(gòu)成電橋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。因?yàn)檫@4個(gè)巨磁電阻是由相同的材料制作的，因此溫度系數(shù)等性能相同，溫度漂移小。圖2中R1和R2通過高導(dǎo)磁率的材料密封，使其與外部磁場(chǎng)隔離，阻值不隨外部磁場(chǎng)的變化而變化，而電阻R3和R4的阻值隨著外磁場(chǎng)的變化而變化，導(dǎo)致電橋失去平衡，將磁場(chǎng)大小轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。GMR能夠感知平行方向的磁場(chǎng)，不能用來檢測(cè)垂直方向的磁場(chǎng)，這樣的結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對(duì)傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，從而增加傳感器的靈敏度。

圖2 NVEAA005-02封裝圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The diagram of package and structure

圖3 幾種GMR傳感器的輸出特性曲線圖Fig.3 The output characteristic diagram of GMR

圖4 巨磁阻傳感器感應(yīng)交變電流Fig.4 GMR sensor induced alternating current

巨磁阻芯片(黑色芯片)作為磁場(chǎng)敏感元件，在圖4中來自銅片的交變電流周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度與交變電流的大小成正比，將磁場(chǎng)變化平行傳遞到巨磁阻傳感器芯片，巨磁阻芯片（黑色芯片）感知并輸出與被測(cè)電流大小成正比的電壓信號(hào)。圖4中巨磁阻傳感器通過非接觸式感應(yīng)交變電流，響應(yīng)所需時(shí)間短，測(cè)量精度高，非常適合交流電路的檢測(cè)。

1.2.2 電源監(jiān)控電路

圖5 電源監(jiān)控電路Fig.5 The diagram of power supply monitoring

如圖5所示，巨磁阻傳感器輸出的電壓信號(hào)需要放大，采用運(yùn)算放大器放大電壓信號(hào)。通過調(diào)節(jié)電阻的大小可以改變放大器的電壓增益，后送入比較器的反相輸入端, 與同相端的參考電壓進(jìn)行比較。比較器的同相端的參考電壓來自電源（V）的電壓經(jīng)過上的分壓。由上的電壓為保護(hù)的閾值電壓；當(dāng)?shù)妮敵鲭妷盒∮谏?的電壓時(shí)，輸出高電平，否則當(dāng)?shù)妮敵鲭妷捍笥谏系碾妷簳r(shí)，輸出跳變?yōu)榈碗娖?。的輸出送入穩(wěn)壓濾波電路，圖中穩(wěn)壓器的作用是穩(wěn)定電壓，進(jìn)而輸入DSP主控IC。DSP處理器根據(jù)控制邏輯，輸出開通或關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)。正常工作時(shí)，出高電平，DSP主控IC輸出開通信號(hào)PWMA，驅(qū)動(dòng)電路處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)電源發(fā)生過電流或者短路的情況下，巨磁阻芯片的輸出電壓升高，大于比較器的門限電壓，輸出低電平，輸入DSP主控IC，輸出關(guān)閉信號(hào)Disable關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路。

1.2.3 電源開通與關(guān)斷控制電路

圖6 電路的開通與關(guān)斷電路Fig.6 The diagram of circuit opening and shutdown

圖6的作用是利用DSP的數(shù)字輸出來控制模擬電路的接通與關(guān)斷。當(dāng)DSP輸出給PWMA端高電平的話，左側(cè)豎向2塊LM339分別輸出12 V的高電平和低電平（0 V）；接下來右側(cè)2塊LM339進(jìn)一步比較，仍舊輸出一個(gè)高電平(12 V)和一個(gè)低電平(0 V)，送給放大電路，然后再驅(qū)動(dòng)CEP76139，這里采用兩組并列的，提高驅(qū)動(dòng)能力而已，驅(qū)動(dòng)反向，控制一臂的上下半橋。反之，當(dāng)DSP輸出給Disable端低電平，Q1導(dǎo)通，整個(gè)電路停止工作了，用硬件強(qiáng)制保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路，類似于緊急停車，對(duì)電路起保護(hù)作用。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 過流保護(hù)測(cè)試Fig.7 The diagram of over-current protection test

該閉環(huán)控制電路用于檢測(cè)輸出端的電流，將其轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，信號(hào)送給DSP，DSP根據(jù)計(jì)算，要打出多大占空比的脈沖，以達(dá)到限制電流到150 A。從圖7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)輸出電壓在230 V左右時(shí)突然短路，也就是電壓為0 V，會(huì)導(dǎo)致電流激增（過流），超過200 A 左右時(shí)，PMWA將脈寬先減半，使電流限制在150 A 左右，當(dāng)在0.6 s以后，就要使PMWA 為0 V關(guān)閉脈寬，這時(shí)電流也應(yīng)為0 A，起到過流保護(hù)的作用。從圖7可以看出，在突發(fā)過電流情況下，該電路可以起到快速并有效的過流保護(hù)作用。該系統(tǒng)采用的巨磁阻傳感器偵測(cè)母線電流的變化，可以做到提前感知電流變化，快速響應(yīng)處理，其它方法都是在逆變后做偵測(cè)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于巨磁阻傳感器的開關(guān)電源過流保護(hù)系統(tǒng)電路，給出了基于巨磁阻傳感器的開關(guān)電源過流保護(hù)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)圖。該系統(tǒng)采用巨磁阻傳感器實(shí)時(shí)采集電源電流，通過監(jiān)控電路實(shí)現(xiàn)電壓的放大比較，由DSP計(jì)算實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)電路的開通與關(guān)斷。實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)方案具有可靠性和高效性。在未來的應(yīng)用中，如果要檢測(cè)交流、直流或?qū)@些電流值進(jìn)行控制或保護(hù)的系統(tǒng)，都可以使用巨磁阻傳感器來實(shí)現(xiàn)。在未來的研究中，開關(guān)電源將致力于與軟件結(jié)合，用巨磁阻檢測(cè)電流，由DSP計(jì)算實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在算法上預(yù)先估計(jì)。

[1]王暑.基于FA5515開關(guān)電源過流保護(hù)的研究[J].電子技術(shù),2016( 7) : 33－35.

[2]鄭元.船用開關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)[J].船舶科學(xué)與技術(shù),2015 (6) :172－175.

[3]解存福. 光伏逆變器及其電流檢測(cè)與保護(hù)技術(shù)的研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué), 2013.

[4]馬亞霞,李洛東,王鳳娟,等. 一種新型的過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2017(5) : 17－21.

[5]文永年.開關(guān)電源過流保護(hù)方法的分析和比較[J].磁性元件與電源,2016(3) : 156－159.

[6]文玉梅,孫登峰,李平,等. 自全式無線霍爾電流傳感器[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35( 8) : 1700－1706.

[7]陳占鋒,吳俊勇,郝亮亮,等. 一種基于空心線圈的電流測(cè)量新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(4) : 89－96.

[8]劉昊,彭光正,郭海蓉.靈巧手中霍爾傳感器測(cè)角精度的仿真研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2010,31(10) : 2254－2259.

[9]周越文,鄧俊,文瑩,等. 基于霍爾電流傳感器的電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2015, 34(10): 54-56.

[10]俞啊龍.LEM電流傳感器在開關(guān)電源電流檢測(cè)和保護(hù)中的應(yīng)用[J]..電視技術(shù),2002(9)：82-83

[11]Kloster A, Kroning M, Yashan A, et al. A linear magnetic stray flux array based on GMR –gradiometers [C].NDE2002,National seminar of the indian society for non-destructive testing.Chennai. Dec , 2002:92

[12]Poon T Y, Tse N C F, Lau R W H. Extending the GMR current measurement range with a counteracting magnetic field[J]. Sensors, 2013, 13(6): 8042-8059.

[13]Daughton J M. GMR and SDT sensor applications[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2000, 36(5):2773-2778.

[14]陳亮,闕沛文,李亮.管道缺陷漏磁檢測(cè)中巨磁阻傳感器應(yīng)用研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2004(12):279-283.

[15]賀桂芳. 巨磁阻在開關(guān)電源電流檢測(cè)及保護(hù)中的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2006(5):33-35.