电流传感器

JCE电流传感器在开关电源 电流检测及保护中的应用

1 引言

开关电源具有效率高、重量轻、体积小等优点,正逐渐取代传统的线性电源，在家用电器、自动化仪表等电子设备中得到了广泛的应用。开关电源的核心部分是变换电路，它通过DC-AC-DC变换，高效率地产生一路或多路稳定直流电压或电流。开关电源中还必须设置电流检测与过流保护电路，并要求其动作灵敏、快速、可靠。开关电源中被检测的电流既有直流又有交流，若用电阻直接取样检测功率损耗大，且输入输出没有隔离，而用电流互感器一般只能检测交流。JCE电流传感器可以克服上述不足，很适合用做开关电源的电流检测和过流保护。

2 JCE电流传感器工作原理及特性

2.1 JCE电流传感器的工作原理

电流传感器是霍尔效应闭环电流传感器，它是一种模块化的有源电子传感器，由J.P.Etter在1972年首先在日内瓦研制成功，它的突出优点在于把普通互感器与霍尔器件、电子电路有机地结合起来，既发挥了普通互感器测量范围宽的优势，又利用了电子电路反应速度快的长处，可以对直流、交流、脉动电流进行测量。图1是LEM电流传感器的原理图。

              

图1 JCE电流传感器原理图

JCE模块的工作原理是磁场平衡式的，即主电流回路所产生的磁场，通过一个次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。其具体工作过程为：当主回路有一大电流IP流过时，在导体周围产生一个强磁场，这一磁场被聚磁环聚集，并作用于霍尔器件，使其有一个信号输出，这一信号经放大器A放大，输入到功率放大器中，这时相应的功率管的导通压降改变，从而获得一个补偿电流IS，由于IS流过多匝绕组，使多匝导线产生一磁场H2，而H2与主电流IP所产生的磁场HP相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件输出的信号逐渐减小，最后当IS与匝数相乘所产生的磁场与IP所产生的磁场相等时，IS不再增加，这时霍尔器件就达到了零磁通检测作用。上述平衡过程是在非常短的时间完成的，所需时间在1us之内，这是一个动态平衡过程，即主电路电流IP任何变化都会破坏这一平衡磁场，而一旦磁场失去平衡，霍尔器件就会有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过次级线圈进行补偿，因此，从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时间都与主电流的安匝数一样，即NPIP+NSIS=0。在实际应用JCE模块时，通过测量电阻Rm（外接）上的电压Vm来间接求出IS，从而得到电流IP。

2.2  JCE电流传感器主要特性

（1）JCE 电流传感器可以测量任意波形的电流，如交流直流脉动电流等；

（2）JCE 电流传感器的线性度好，优于0.1%；

（3）JCE 电流传感器测量精度高，优于1%原级额定电流；

（4）JCE 电流传感器响应速度快，小于1us

（5）JCE 电流传感器原级电路与次级电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2~12kV。

3 实际应用

开关电源DC-AC-DC 变换电路的核心部分是DC-AC 逆变电路，但其经常受到各种干扰或负载故障造成过流或短路，为了防止过流或短路造成损坏，必须配备过流保护电路，当发生过流或短路时，及时检出并通过过流保护电路封锁开关电源中DC-AC 逆变电路中的功率开关管的驱动信号，关断功率开关管，从而使逆变电路停止工作，以切断故障。当用JCE 电流传感器检测电流时，其安放位置由发生故障时电流的流过路径决定，对于由单个开关管构成的逆变电路来说情况比较简单。图2是全桥逆变电路，从图中可以看出，逆变桥直通或负载短路有4条放电途径：C-T1-T3，C-T1-T4，C-T2-T4和C-T2-T3，必须保证每个放电途径上都有JCE电流传感器监视（检测）。

图2 全桥逆变电路

由图可知只要监视C上的电流是否异常就可以判断逆变桥是否有故障，因为短路能量主要来自电容C的放电，也可以用2个JCE 电流传感器监视, 只桥臂2当发生过流或短路时，检测电路输出电平高于门限电平，如图3所示，于是比较器输出高电平加到逆变电路中功率开关管的PWM 控制器的过流保护点（如TL494的4脚），封锁PWM 脉冲输出，使全桥变换器停止工作。图3中两路传感器S1，S2的输出信号送到由二极管组成的或门，即过流保护电路设计为或门输入方式，设可变电阻为RH，输出端电阻为Rm，当桥臂上功率开关管的过流保护电流设为Io时，则检测电路在过流保护点输出电压Uo为（1/n）IoR（n为JCE 电流传感器的次级原级匝数比，R为取样电阻），设比较器的门限电压为Um，要求Uo’>Um，则（Rm > RH）Uo>Um，即（Rm/RH）（1/n）IoR >Um，所以，Rm>nRHUm/（IoR）。由上面的推导知：当Rm=Rmo=nRHUm/（IoR）时，过流保护点为Io，当Rm>Rmo时，过流保护点降低，当Rm＜Rmo时，过流保护点提高。

                      

4 结束语

以上介绍了JCE 电流传感器的工作原理和主要特性，并介绍了它在开关电源电流检测及过流保护中的应用。实际上，凡是需要检测直流、交流、脉动电流及其用这些测量值进行控制的系统，均可采用JCE 电流传感器，因此，JCE 电流传感器在开关电源、变频器、电机控制系统等电气设备中有广泛的用途，是一种很有应用前景的新型器件。