以霍爾電流傳感器提高開關電源的效率

林欣，王建民，余道杰

（解放軍信息工程大學 河南 鄭州 450001）

開關電源是目前使用最為普遍的直流穩壓電源[1]，廣泛用做各種電子裝置的直流供電電源和蓄電池充電電源。許多開關電源中需要使用電流傳感器進行電流檢測，將電流大小以電壓信號形式反饋至開關電源控制器，實現電路的脈沖占空比調節或電路保護，以保證開關電源穩定、可靠地工作。

一般開關電源往往使用一個串入主電流通道的電阻作為電流傳感器，利用電阻上的壓降以電壓信號的形式向開關電源控制器反饋電流的大小。由于電阻是耗能元件，其將產生功耗。盡管通常電流傳感電阻的阻值較小，產生的反饋電壓也比較低，但其功耗仍不可忽略，尤其是在輸入電流或輸出電流比較大時，電流傳感電阻上的功耗可達幾瓦至十幾瓦，直接降低了開關電源的轉換效率。同時，功耗還導致電流傳感電阻的發熱，增加了開關電源的散熱難度。

為克服電流傳感電阻的產生的耗能，本文采用霍爾傳感器作為開關電源的電流傳感器，可以有效地抑制因電流檢測而產生的功耗，提高了開關電源的轉換效率。

1 電流傳感器在開關電源中的應用

開關電源從控制方式上可分為電壓控制型和電流控制型，從隔離變壓器的驅動方式上可分為單端型和雙端型。在這些電路形式中，許多形式的開關電源需要使用電流傳感器檢測電流，或者用于脈沖占空比的控制，或者用于電路的保護。

1）電流控制型開關電源直接對輸入的脈沖電流進行檢測，能同時根據輸入電壓和輸出電壓的變化綜合調節脈沖占空比，具有動態響應速度快，輸入電壓的波動對輸出電壓影響小等特點。電流控制型開關電源中需要電流傳感器檢測輸入的脈沖電流，以作為開關電源調節脈沖占空比、穩定輸出電壓的反饋信號。圖1所示為一個電流控制型的反激式開關電源的輸入通道原理圖。圖中電阻RS在電路中的作用即是電流傳感器，在功率開關T1導通時，流過隔離變壓器原邊繞組W1的電流Ii將使RS上產生電壓降US，US即為向開關電源控制器反饋的輸入電流值信號。根據輸出電壓反饋信號和輸入電流值反饋信號US，開關電源控制器將綜合調節電路的脈沖占空比，保證輸出電壓的穩定。

圖1 反激式開關電源輸入通道原理圖Fig.1 Flyback type switch power supply input channel principle diagram

2）雙端型開關電源雙向驅動隔離變壓器，可以有效地提高隔離變壓器的使用效率，減小隔離變壓器的體積。為了防止隔離變壓器偏磁飽和，雙端型開關電源常常需要電流傳感器檢測輸入隔離變壓器的雙向脈沖電流，以進行電流的平衡控制和電路保護。圖2為一個推挽式開關電源的防偏磁原理圖，電路以電阻RS作為電流傳感器，當功率開關T1、T2依次導通時，分別流過隔離變壓器原邊繞組W1和W2的電流I1和I2將被電阻RS以電壓US的形式向偏磁控制電路反饋。一旦兩路電流差值過大或某一路電流值過大，即說明隔離變壓器出現了偏磁飽和現象，由偏磁控制電路調節功率開關T1或T2的導通占空比，使隔離變壓器的雙向磁感應強度趨于平衡[2]。

圖2 推挽式開關電源防偏磁原理圖Fig.2 Push-pull type switch power supply’s anti-single directional magnetic biasprinciple diagram

3）為了提高開關電源工作的可靠性，防止輸出電流過流等情況發生，許多開關電源在輸出端接入電流傳感器，檢測輸出電流的大小，一旦輸出電流超過設計標準，保護電路即采取必要措施保護開關電源的安全[3]。此外，當開關電源作為蓄電池充電器時，也需要檢測輸出電流的大小，以此了解蓄電池的充電情況，適時切換充電方式，達到提高充電效率，延長蓄電池的使用壽命的效果。圖3為一個蓄電池充電器的輸出電流檢測原理圖，電流檢測電阻RS將蓄電池的充電電流轉化為電壓US，反饋給充電方式控制電路，由控制電路根據充電電流的大小適時切換充電方式[4]。

2 采用霍爾電流傳感器作為開關電源的電流反饋傳感器

圖3 開關電源充電器輸出電流檢測原理圖Fig.3 Switching power supply charger output current detection principle diagram

為了克服以電阻作為電流傳感器所產生的功耗，本文采用霍爾電流傳感器作為開關電源的電流傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅饔纱判?、磁芯繞組、霍爾電極以及電壓放大器等組成，當被檢測電流流過磁芯繞組時，將在磁芯中產生磁場，磁場的磁感應強度將通過霍爾電極轉換為電壓，經過內部電壓放大器的放大和處理，以與被檢測電流成一定比例關系的電壓形式輸出?；魻栯娏鱾鞲衅鞯臉嫵捎虚_環和閉環兩種形式，開環霍爾電流傳感器將霍爾電極的轉換電壓放大后的直接輸出，其電流容量大，但測量精度稍低[5]；閉環霍爾電流傳感器采用磁平衡方式測量電流，測量精度高，線性度好，非常適合在開關電源中使用。閉環霍爾電流傳感器的結構如圖4所示，被測電流通過繞組后在磁芯中產生磁場，磁場使霍爾電極上產生電壓，此電壓經放大器放大后輸出，同時經補償繞組使磁芯中磁場得到平衡補償，保證輸出電壓UOUT與被測電流成嚴格的線性關系。

圖4 閉環霍爾電流傳感器的結構Fig.4 Closed-loop Hall current sensor structure

常用的TBC-DS系列閉環霍爾電流傳感器的引線框圖和傳輸特性如圖5所示[6]。圖5（a）所示的霍爾電流傳感器引線中，I+1～3和 I-1～3是被測電流的串入繞組引腳， 其中，I+1和 I-1是一個被測電流繞組的引腳，I+2和I-2、I+3和I-3也分別各是一個被測電流繞組的引腳。當3個被測電流繞組并聯時，霍爾電流傳感器的額定測量電流為IPN1；若將兩個繞組并聯再與一個繞組串聯時，霍爾電流傳感器的額定測量電流為IPN2；若將3個繞組相互串聯時，霍爾電流傳感器的額定測量電流為IPN3。3個額定測量電流間的關系為：IPN1=2 IPN2=3 IPN3?？梢?，通過3組被測電流繞組的不同接法，可以改變霍爾電流傳感器的額定測量電流值，擴展測量區間。VCC為電源引腳，電源電壓通常為5 V；GND是電源和傳感器輸出電壓的地；OUT是傳感器電壓輸出引腳。由5（b）所示的霍爾電流傳感器傳輸特性可見，當被測電流為0時，其輸出電壓UOUT=2.5 V；當被測電流不為0且方向為從I+至I-時，輸出電壓UOUT＞2.5 V，當被測電流不為0且方向為從I-至I+時，輸出電壓UOUT＜2.5 V。IPN和-IPN是霍爾傳感器的正負額定電流，當被檢測電流達到額定電流時，根據電流方向的不同，輸出電壓UOUT的值分別為3.125 V或1.875 V，即相對于2.5 V的中心值有±0.625 V的偏移。當被檢測電流值絕對值大于IPN時，霍爾傳感器仍可輸出與被檢測電流成線性關系的電壓值，直至被檢測電流達到霍爾傳感器的最大檢測電流IPmax。通常，IPmax＞3 IPN。

圖5 閉環霍爾電流傳感器的引線和傳輸特性Fig.5 Closed-loop Hall current sensor pin and transmission characteristics

霍爾電流傳感器被測電流繞組的阻抗通常小于1 mΩ，串入被檢測電流回路后產生的功耗極小，可以忽略不計。以霍爾傳感器作為開關電源電流傳感器時，只需將霍爾電流傳感器的兩個被檢測電流接入端I+和I-串入電流回路中，取代原來的電流檢測電阻即可。但霍爾電流傳感器需要一個5 V的電壓供電，此電壓需要由開關電源提供。一般的開關電源控制器芯片均會提供一個5 V左右的參考電壓Vref輸出，如果電流容量允許，也可將此參考電壓作為霍爾電流傳感器的供電電壓。

需要重點考慮的是霍爾電流傳感器的輸出電壓UOUT的轉換，涉及輸出電壓基值和輸出電壓與被檢測電流的比例關系兩個方面。其一，電流檢測電阻以0 V作為基值，即被測電流為0時，其兩端電壓為0 V；而霍爾電流傳感器的UOUT是以2.5 V為基值，即被測電流為0時，UOUT=2.5 V。其二，電流檢測電阻兩端電壓與被檢測電流的比例關系是由電阻阻值決定的，電阻兩端電壓US=Ii·RS；而霍爾傳感器的輸出電壓與被測電流的比例關系通常取決于霍爾電流傳感器的額定電流IPN，當被檢測電流等于霍爾電流傳感器的額定電流時，UOUT的偏移量為±0.625 V。設，則霍爾電流傳感器被檢測電流I1與輸出電壓的傳輸關系為：

實現霍爾電流傳感器的輸出電壓UOUT的轉換，替換電流檢測電阻可采用如下方式：

1）選擇適當額定電流的霍爾電流傳感器，根據開關電源電路中的電流最大值I1max，依式（1）即可計算出反饋至開關電源控制器的電壓最大值U′OUTmax，則霍爾傳感器產生的反饋電壓的變化區間即為0～。如果開關電源控制器要求的反饋電壓最大值USmax大于且與相近，則可直接采用2.5 V的穩壓二極管將霍爾電流傳感器的輸出電壓基值嵌位至0 V，其電路如圖6所示。也可使用精密可調基準源TL431代替穩壓二極管，將TL431的K端和R端并聯，亦可實現2.5 V的壓降，其電路如圖7所示?；魻栯娏鱾鞲衅鞯妮敵鲭妷篣OUT經嵌位后，加至開關電源控制器[7]的反饋電壓就為。但應注意，霍爾電流傳感器被測電流繞組的電流方向應為I+至I-，不可接反，否則輸出電壓將為0。

圖6 使用穩壓二極管嵌位霍爾傳感器Fig.6 Use zener diodes to calmp Hall sensor

圖7 使用TL431嵌位霍爾傳感器Fig.7 Use TL431 to clamp Hall sensor

2）如果開關電源控制器要求的反饋電壓最大值USmax小于或遠大于，則可依圖8所示電路，將UOUT經運放構成的比例放大器處理后，再用2.5 V穩壓二極管嵌位，反饋至開關電源控制器。由于比例放大器通常采用反相放大方式，故霍爾電流傳感器被測電流繞組的電流方向應為I-至I+。

圖8 使用比例放大器對傳感器輸出電壓進行處理Fig.8 Use proportion amplifier to processing sensor

3 采用霍爾電流傳感器與電流傳感電阻的比較

1）霍爾電流傳感器的被測電流繞組阻抗通常小于1 mΩ，串入被檢測電流回路后產生的功耗極小，可以忽略不計。而電流傳感電阻是耗能元件，在輸入電流或輸出電流比較大時，電流傳感電阻上的功耗可達幾瓦至十幾瓦。同時，功耗還導致電流傳感電阻的發熱，增加了開關電源的散熱難度。因此，采用霍爾電流傳感器比電流傳感電阻在提高開關電源的轉換效率上存在較大優勢。

2）霍爾電流傳感器能夠比較準確的檢測電流，輸出電壓與被測電流成嚴格的線性關系，線性度誤差小于0.1%。而電流傳感電阻在環境溫度變化或自身發熱后，其阻值將變化，影響電流檢測精度。因此，將霍爾電流傳感器用于開關電源過流保護、蓄電池充電器的充電電流檢測時，會比電流傳感電阻的精度高得多。如果開關電源采用恒流模式輸出，則使用霍爾電流傳感器檢測輸出電流會極大提高開關電源的輸出電流精度。

3）目前，霍爾電流傳感器的應用剛處于開始階段，霍爾電流傳感器的價格遠高于電流傳感電阻，因此，霍爾電流傳感器還只能用于大輸入電流開關電源的輸入電流反饋和大輸出電流開關電源的輸出電流檢測。在這樣的開關電源中，霍爾電流傳感器所帶來的轉換效率優勢高于價格劣勢。隨著霍爾電流傳感器的應用普及，霍爾電流傳感器的價格會越來越低，應用也會越來越廣泛。

4 結 論

綜上所述，采用霍爾電流傳感器作為開關電源中的電流傳感器，替代以往的電流傳感電阻，可以大大降低開關電源的功耗，減少電路的發熱，從而提高開關電源的整體轉換效率，延長開關電源的壽命。雖然使用霍爾電流傳感器較使用電流傳感電阻使開關電源的成本會有所提高，但綜合考慮，使用霍爾電流傳感器的性價比會更高，故此方法具有很好的應用價值。

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