引言

　　開關(guān)電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。

　　過載保護(hù)功能是指在負(fù)載過載情況下，能有效保護(hù)DC-DC轉(zhuǎn)換器不會因過熱而損壞。由于用電負(fù)載不同，對過載保護(hù)功能要求也不同。控制系統(tǒng)要求過載后DC-DC轉(zhuǎn)換器不能斷電，其采取限流保護(hù)；有效載荷系統(tǒng)要求可以在過載后DC-DC轉(zhuǎn)換器斷電，其采取截流保護(hù)。

　　設(shè)計過載保護(hù)就需要檢測電路中的電流，DC-DC轉(zhuǎn)換器的電流取樣可以直接檢測輸出回路的電流，例如次級整流回路的電流；也可以檢測初級回路的電流，例如流過功率MOSFET管的電流。

　　電流檢測的一般方式

　　電流檢測常用的方式為電阻直接取樣、利用霍爾元件（LEM）取樣和利用電流互感器取樣。

　　用電阻取樣易于實現(xiàn)，電路設(shè)計簡單，但損耗大，檢測信號易受干擾，適用于小功率轉(zhuǎn)換電路，電路如圖1所示，其中R1為電流檢測電阻。這樣需要的電阻為1Ω，功耗為1W，按照航天器元器件降額要求（GJB／Z 35-93《元器件降額準(zhǔn)則》），至少選用2W的電阻。而一個2W電阻的封裝對于模塊電源來說體積較大。

　　用霍爾元件雖然檢測較高，但成本、體積常常對于模塊電源來說還是無法接受。

　　一般電流互感器的特性介于電阻和霍爾元件之間，是用得多的一種電流檢測方法。DC-DC轉(zhuǎn)換器中常用的是脈沖直流互感器，其原理如圖2所示，工作方式為單向磁化，類似正激轉(zhuǎn)換器。當(dāng)初級電流流通時，磁芯中磁場逐漸增大；當(dāng)初級電流不再增加時，次級感應(yīng)電勢將二極管擊穿，使磁芯復(fù)位到剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。

　　通常初級線圈為1匝，次級匝數(shù)很多，這樣可以減小次級反射到初級的阻抗，以減小對初級的影響。

　　如果不考慮線圈電阻，則次級感應(yīng)電壓可以近似為電壓源，脈沖直流互感器的設(shè)計依據(jù)公式(1)：

　　式中：e2為次級感應(yīng)電壓，Ton為導(dǎo)通時間，N2為次級線圈匝數(shù)，Ae為磁芯有效截面積，△B為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特斯拉(T)。
　　互感器勵磁電流im有如下關(guān)系式：

　　一般電流互感器初級匝數(shù)為1，即N1=1，則(3)式可以表示為：

　　式中：AL為磁芯電感系數(shù)，表達(dá)式為：

　　如果定義電流檢測誤差為：

　　即電流互感器設(shè)計公式為：

　　由于電磁兼容性的需要，DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入端都要加EMC濾波器，通常的濾波器由共模濾波電感、差模濾波電感、濾波電容組成，如圖3所示。

　　電磁干擾（Electromagnetic Interference），簡稱EMI，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾；輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。為了防止一些電子產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾影響或破壞其它電子設(shè)備的正常工作，各國政府或一些國際組織都相繼提出或制定了一些對電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾有關(guān)規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)，符合這些規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品就可稱為具有電磁兼容性。

　　由于輸入回路串接了工作于開關(guān)狀態(tài)的功率開關(guān)管，因此輸入端有兩個電流回路，一個是輸入電容通過輸入電感充電回路，另一個是輸入電容通過變壓器初級向功率開關(guān)管放電回路。

　　用輸入差模電感作電流互感器，檢測輸入電流的應(yīng)用電路如圖4所示。

　　下面推導(dǎo)互感器次級感應(yīng)電壓與輸入電流的關(guān)系。

　　如果忽略T1次級反射阻抗的影響，可以將T1初級等效成電流值為輸入電流Iin的恒流源，主變壓器初級及開關(guān)管V1可以等效成受占空比控制的脈動電流源。

　　不考慮V1的導(dǎo)通與截止時間，且整個轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)模式，主變壓器初級導(dǎo)通時的電流可以近似為常值，這樣整個工作周期內(nèi)主要各點(diǎn)電壓、電流波形如圖5所示。

　　電路工作于穩(wěn)態(tài)后，t0～t1時間段V1關(guān)斷，輸入通過Iin給輸入電容Cin充電；t1～t2時間段V1導(dǎo)通，輸入電容Cin通過主變壓器和V1放電，如此循環(huán)。

　　可以推導(dǎo)輸入電流與電容紋波電壓的關(guān)系為：

　　因此可以把輸入電容上的紋波電壓等效為T1初級的交流信號源，如圖6所示。

　　互感器初級按照一般差模電感進(jìn)行設(shè)計，本文再不贅述了。設(shè)計次級時，此時不能按照一般電流互感器次級設(shè)計，而是把電流互感器次級作為正激變壓器次級去設(shè)計，次級匝數(shù)為：

　　電路仿真

　　作者用Saber-2005仿真軟件對這一應(yīng)用電路進(jìn)行了仿真分析，仿真電路如圖7所示。輸出電壓為28.5V，輸出電流步長為0.1A，從0A變化到4A。

　　測試數(shù)據(jù)

　　作者設(shè)計了一個開關(guān)電源，輸入互感器用MPP磁芯55045A2，初級而數(shù)22匝，次級匝數(shù)220匝，輸出電壓28V，輸出電流步長為0.1 A，從0A變化到4A，輸出電流與互感器次級感應(yīng)電壓Vout的實測曲線如圖8所示。

　　結(jié)語

　　本文探討了一種利用輸入濾波差模電感，做DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入電流互感器的原理與設(shè)計方法，在電路應(yīng)用中可以省略單獨(dú)的電流互感器。DC-DC轉(zhuǎn)換器（開關(guān)調(diào)整器）通過開關(guān)動作進(jìn)行升壓或降壓，特別是晶體管或場效應(yīng)管處于快速開關(guān)時，會產(chǎn)生尖峰噪音，以及電磁干擾，DC-DC轉(zhuǎn)換器操作簡單，功能強(qiáng)大。