基于分流電阻的無橋圖騰柱PFC電流感應(yīng)方案

　　數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器電源單元（PSU）設(shè)計(jì)中的兩個(gè)首要考慮因素是功率密度和效率。滿足最嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn) — 80 Plus Titanium — 現(xiàn)在是下一代數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器 PSU 的最低要求。

　　80 Plus Titanium 需要超過 96% 的端到端峰值效率，這意味著功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)效率必須高于 98.6%。挑戰(zhàn)在于傳統(tǒng)的 PFC 拓?fù)溆捎?a target="_blank">橋式整流器功率損耗而無法滿足這一效率要求。假設(shè)二極管壓降為 1V ，交流輸入為 230V，則 4kW 橋式 PFC 拓?fù)鋵⒃跇蚴秸髌魃袭a(chǎn)生 33W 的功率耗散以及隨后 0.825% 的效率損失。因此，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員必須采用半無橋 PFC 或圖騰柱 PFC 等拓?fù)洌詫?shí)現(xiàn) PFC 級(jí)的》98.6% 效率目標(biāo)。

　　半無橋 PFC 功率級(jí)需要兩個(gè) PFC 電感，每個(gè)電感僅在半個(gè) AC 周期內(nèi)執(zhí)行升壓操作。無橋圖騰柱 PFC 級(jí)僅需要一個(gè) PFC 電感器，該電感器在整個(gè)交流周期內(nèi)執(zhí)行升壓操作。半無橋 PFC 需要更大的占位面積，而無橋圖騰柱 PFC 可實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率 PSU 設(shè)計(jì)。這就是無橋圖騰柱 PFC 在符合 80 Plus Titanium 要求的電源中受歡迎的原因。

　　圖 1頂部顯示半無橋 PFC 拓?fù)?，底部顯示無橋圖騰柱 PFC。資料來源：德州儀器

　　無論拓?fù)淙绾?，平?a href="http://www.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流模式控制是連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM） PFC 最常用的控制方法。平均電流模式控制使用電感電流而不是瞬時(shí)電流（例如峰值電流）。在傳統(tǒng)的橋式 PFC 中，PFC 控制器的基準(zhǔn)使用地作為 MOSFET 的源極和輸出大容量電容器的負(fù)端，在整流橋的陽(yáng)極和地之間有一個(gè)電流感應(yīng)電阻器，如圖 2所示?？刂破鳈z測(cè)感應(yīng)電阻上的電壓；內(nèi)部運(yùn)算放大器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為正值，然后將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送到電流回路。

　　圖 2這是在傳統(tǒng) PFC 電路中執(zhí)行電流檢測(cè)的方式。資料來源：德州儀器

　　在傳統(tǒng) PFC 中實(shí)現(xiàn)平均電流模式控制很簡(jiǎn)單，因?yàn)殡娏髟陔娏鳈z測(cè)電阻器和 PFC 電感器上是單向的。但由于無橋圖騰柱 PFC 中 PFC 電感器上的電流是雙向的，因此您必須采用不同的電流檢測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)平均電流模式控制。本文將討論平均電流模式控制無橋圖騰柱 PFC 的三種電流檢測(cè)方法，以及它們的權(quán)衡取舍。

　　使用分流電阻器進(jìn)行電流檢測(cè)

　　圖 3是使用分流電阻器進(jìn)行電流檢測(cè)的簡(jiǎn)化示意圖。在該電路中，運(yùn)算放大器將分流電阻上的電壓轉(zhuǎn)換為信號(hào)，其峰峰值電壓低于其偏置電源電壓（V CC ）。添加一個(gè)二分之一 V CC的直流偏置使模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）能夠讀取雙向電流信號(hào)。控制電路的接地參考一般置于中性點(diǎn)。

　　圖 3簡(jiǎn)化原理圖顯示了使用非隔離式分流電阻器方法的電流檢測(cè)。資料來源：德州儀器

　　電流感測(cè)通常是準(zhǔn)確的，沒有明顯的傳播延遲。您可以增加電流環(huán)路的帶寬，使功率級(jí)能夠快速響應(yīng)過流故障?；诜至麟娮杵鞯碾娏鳈z測(cè)方法可提供最高的檢測(cè)精度，因此您可以將檢測(cè)結(jié)果用于控制和保護(hù)，以及準(zhǔn)確的輸入功率監(jiān)控。

　　然而，基于分流電阻的無橋圖騰柱 PFC 需要復(fù)雜的電路來檢測(cè)輸出電壓，因?yàn)檩敵鼋拥貐⒖己涂刂破鳎▓D 3 中所示的 MCU）接地參考不在同一節(jié)點(diǎn)。基于分流電阻器的電流檢測(cè)還需要來自輔助電源的更多隔離軌和更多隔離驅(qū)動(dòng)器。

　　啟用電流感應(yīng)并將其轉(zhuǎn)換為控制電路的另一種方法是使用隔離放大器，如圖 4所示。使用隔離放大器可使控制器的接地參考輸出到接地，這將簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)中的感應(yīng)和驅(qū)動(dòng)器電路。

　　圖 4使用分流電阻器和隔離放大器執(zhí)行電流檢測(cè)。資料來源：德州儀器

　　基于隔離放大器的電流檢測(cè)的一些最重要的考慮因素包括：

　　輸入側(cè)采樣電路需要一個(gè)隔離的 V CC電源軌。需要窄輸入電壓范圍以實(shí)現(xiàn)分流電阻器的低功耗。

　　需要輸出信號(hào)增益的低非線性度和隨溫度變化的低誤差漂移，以實(shí)現(xiàn)傳感精度。

　　需要對(duì)輸入信號(hào)瞬態(tài)做出快速響應(yīng)。

　　例如，AMC3302隔離放大器的輸入電壓范圍為 ±50 mV，可以選擇阻值較小的分流電阻，以幫助降低分流電阻的功耗并提高系統(tǒng)效率。AMC3302 放大器的 340 kHz 輸出帶寬確保對(duì)輸入瞬態(tài)的快速響應(yīng)，而隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的集成消除了對(duì)外部隔離式電源軌的需求。

　　使用電流互感器進(jìn)行電流檢測(cè)

　　電流互感器是一種鐵氧體元件，需要在每個(gè)開關(guān)電路中進(jìn)行磁復(fù)位。將其與主場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）串聯(lián)可以對(duì)電流脈沖進(jìn)行采樣，如圖 5所示。理論上，如果控制器采樣點(diǎn)設(shè)置為導(dǎo)通時(shí)間（Ton）的二分之一，則采樣值等于 PFC 扼流圈在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均電流。

　　圖 5示意圖顯示了使用電流互感器執(zhí)行的電流檢測(cè)。資料來源：德州儀器

　　在無橋圖騰柱 PFC 中，在交流周期的正半部分，Q2 用作主 FET，Q1 是同步 FET。在交流周期的負(fù)半部分，Q1 用作主 FET，Q2 是同步 FET。因此，在一個(gè)完整的交流周期上檢測(cè) Ton 處的電流需要放置兩個(gè)與 Q1 和 Q2 串聯(lián)的電流互感器?？刂破鲝妮斎腚妷旱臉O性中選擇一個(gè) CT1 和 CT2 的采樣值。

　　電流互感器為控制電路提供隔離的電流信號(hào)。如果控制器接地參考位于輸出大容量電容器的負(fù)端，則低頻 FET（Q3 和 Q4）只需要一個(gè)非隔離驅(qū)動(dòng)器，與基于分流電阻器的感應(yīng)方法相比，簡(jiǎn)化了感應(yīng)電路。不幸的是，鐵氧體材料的非線性BH曲線和磁滯回線使樣本值不準(zhǔn)確。電流失真可能更嚴(yán)重，尤其是在輕負(fù)載或過零期間。除了感測(cè)精度問題外，將電流互感器與主 FET 串聯(lián)會(huì)增加功率回路電感，從而增加開關(guān)事件期間的電壓應(yīng)力。您可能需要一個(gè)額外的緩沖器來鉗位 FET 的電壓應(yīng)力。

　　使用霍爾效應(yīng)電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)

　　圖 6顯示了一個(gè)使用霍爾效應(yīng)電流傳感器的簡(jiǎn)化電流檢測(cè)電路?；魻栃?yīng)電流傳感器輸出與來自隔離電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換的輸入電流成比例的霍爾電位。該電位的極性與電流方向相同，因此霍爾效應(yīng)電流傳感器適用于雙向電流感應(yīng)。

　　圖 6示意圖顯示了使用霍爾效應(yīng)電流傳感器執(zhí)行的電流檢測(cè)。資料來源：德州儀器

　　與隔離放大器方法相比，霍爾效應(yīng)電流傳感器通過芯片內(nèi)部的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，從而消除了應(yīng)用對(duì)隔離電源軌的需求。您可以將輸入導(dǎo)體電阻設(shè)計(jì)為低于 1 mΩ 以實(shí)現(xiàn)大電流感應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更低的功率損耗。

　　霍爾效應(yīng)電流傳感器的帶寬在 10 kHz 至 1 MHz 范圍內(nèi)，因此對(duì)于具有平均電流控制的 PFC，選擇帶寬高于電流環(huán)路 10 倍的傳感器就足夠了。換言之，霍爾效應(yīng)電流傳感器需要超過 50 kHz 的帶寬才能實(shí)現(xiàn) 2 至 5 kHz 的電流環(huán)路 PFC。

　　霍爾效應(yīng)電流傳感器的優(yōu)勢(shì)使其成為無橋圖騰柱 PFC 中電流檢測(cè)的理想選擇。當(dāng)今常見霍爾效應(yīng)電流傳感器的一個(gè)顯著特征是其靈敏電流范圍與其 V CC電壓電平有關(guān)。一個(gè)例子是TMCS1100A1霍爾效應(yīng)電流傳感器，它在 V CC = 5V 時(shí)允許 46 A 線性測(cè)量電流范圍，而在 V CC = 3.3V時(shí)僅允許 29 A。因此，在將傳感器輸出信號(hào)發(fā)送到具有較低 V CC的控制器時(shí)，很難使用具有較高 V CC的霍爾效應(yīng)電流傳感器的完整感應(yīng)范圍。要理解這個(gè)技巧，讓我們從霍爾效應(yīng)電流傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)開始。公式 1 表示霍爾效應(yīng)電流傳感器的輸出：

　　V o = S × I IN + V偏移（1）

　　其中 S 是霍爾效應(yīng)電流傳感器的靈敏度，單位為毫伏/安培，I IN是輸入電流，V Offset是零電流輸入時(shí)的偏移電壓。

　　在大多數(shù)雙向傳感器中，V Offset通常設(shè)置為 V CC的二分之一，因此輸入電流的最大允許范圍為 V CC /2×S。更高的 V CC將允許更寬的敏感電流范圍。例如，具有 3.3 V V CC的霍爾效應(yīng)電流傳感器將允許 1.65-V/S 的顯電流范圍，而具有 5 V V CC的霍爾效應(yīng)電流傳感器將允許 2.5-V/S 的顯電流范圍。

　　圖 7電路配置適應(yīng)霍爾效應(yīng)電流傳感器和控制器之間的不同 V CC值。資料來源：德州儀器

　　為了在輸出到最大 3.3V 的 ADC 時(shí)具有更寬的靈敏電流范圍，運(yùn)算放大器可以設(shè)置感測(cè)電路的增益并調(diào)整 ADC 的最大輸入電壓。圖 7顯示了應(yīng)用電路。首先，霍爾效應(yīng)電流傳感器感應(yīng)到更寬的輸入電流范圍，5 V 的 V CC和 2.5 V 代表 0 A 的電流。公式 2 說明了如何根據(jù) V CC電平（或電壓參考電平）降低霍爾效應(yīng)電流傳感器的輸出信號(hào)范圍：

　　1.65 V/2.5 V = R 3 /R 1 +R 3 （2）

　　您可以使用公式 3 設(shè)置放大器增益，以使最大感測(cè)電流電平仍在控制器的允許輸入電壓范圍內(nèi)：

　　I最大值= 1.65 V/S × R 1 /R 2 （3）

　　只要您確定要檢測(cè)的最大電流水平，您只需確定一個(gè)電阻值（例如 R1），即可使用公式 2 和 3 確定其余的電阻值（R2 和 R3）。

　　優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　表 1總結(jié)了每種電流檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。每個(gè)系統(tǒng)的規(guī)格和要求將幫助您確定選擇哪種傳感方法。