常用的電流互感器檢測電路分析

　　在高頻開關電源中，需要檢測出開關管、電感等元器件的電流提供給控制、保護電路使用。電流檢測方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻取樣。采用霍爾元件取樣，控制和主功率電路有隔離，可以檢出直流信號，信號還原性好，但有μs級的延遲，并且價格比較貴；采用電阻取樣價格非常便宜，信號還原性好，但是控制電路和主功率電路不隔離，功耗比較大。

　　電流互感器具有能耗小、頻帶寬、信號還原性好、價格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優點。在Push-Pull、Bridge等雙端變換器中，功率變壓器原邊流過正負對稱的雙極性電流脈沖，沒有直流分量，電流互感器可以得到很好的應用。但在Buck、Boost等單端應用場合，開關器件中流過單極性電流脈沖；原邊包含的直流分量不能在副邊檢出信號中反映出來，還有可能造成電流互感器磁芯單向飽和；為此需要對電流互感器構成的檢測電路進行一些改進。

　　2 電流互感器檢測單極性電流脈沖的應用電路分析根據電流互感器磁芯復位方法的不同，可有兩種電路形式：自復位與強迫復位。自復位在電流互感器原邊電流脈沖消失后，利用激磁電流通過電流互感器副邊的開路阻抗產生的負向電壓實現復位，復位電壓大小與激磁電流和電流互感器開路阻抗有關。強迫復位電路在原邊直流脈沖消失期間，外加一個大的復位電壓，實現磁芯短時間內快速復位。

　　2.1 電流互感器檢測電路

　　常用的電流互感器檢測電路如圖1（a）所示。 圖1（b）表示原邊有電流脈沖時的等效電路，電流互感器簡化為理想變壓器與勵磁電感m模型，s為取樣電阻。

　　當占空比《0.5時，在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯依靠勵磁電流流過采樣電阻s產生負的伏秒值，實現自復位〔如圖1（d1）～（i1）所示〕，由于采樣電阻s很小，所以負向復位電壓較小；當電流脈沖占空比很大時（》0.5），復位時間很短，沒有足夠的復位伏秒值，使得磁芯中直流分量d增大，有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和〔如圖1（d2）～（i2）所示〕，失去檢測的作用，所以自復位只能應用于電流脈沖占空比《0.5的場合。

　?。╝）檢測電路 （b）原邊有脈沖時等效電路 （c）磁芯復位時等效電路

　　圖1 常用的電流互感器檢測電路分析

　　可以看出，此電路對于檢測單極性直流脈沖存在諸多缺點。勵磁電感電流m中存在直流分量d，容易導致磁芯飽和。輸出電壓信號R為雙極性，不便于后級電路處理。

　　2.2 改進的自復位電流互感器

　　為了實現輸出電壓R的單極性輸出，在電流互感器端加上一個二極管，根據原邊輸入電流1與輸出電壓R的相位的不同、信號地位置的不同，可有4種電路結構，如圖2所示。

　　圖2 改進的電流互感器檢測電路

　　對圖2（c）的電路工作過程進行分析，電路在一個脈沖周期內的工作波形如圖3所示。

　　（a）檢測電路 （b）原邊有脈沖時等效電路

　　磁芯復位時等效電路 圖3 改進的電流互感器檢測電路分析

　　圖3（c）表示電流互感器磁芯復位時的等效電路，T為電流互感器副邊分布電容，D為二極管結電容。圖3（d）～（i）繪出了占空比小時，磁芯充分復位的各參數波形。

　　在電流互感器原邊電流脈沖消失后，磁芯的復位依靠勵磁電流在m、T、D中諧振產生負的復位電壓值，實現自復位，如圖3（g）所示。m、T構成的諧振電路特征阻抗遠大于s，所以復位效果好于圖1電路。但是，諧振產生的復位電壓并不是很大，當脈沖占空比很大時，復位時間很短，仍有可能造成磁芯逐漸正向偏磁飽和，所以也只能應用于電流脈沖占空比《0.5的場合。

　　由于互感器副邊線圈匝數很多，分布電容大，諧振電流主要從電流互感器流過；流經s、D支路的電流很小，并且s很小，所以復位電流經D支路的諧振電流在s上產生的負向電壓可以忽略，取樣輸出電壓R波形如圖3（h）所示。因為二極管的作用，輸出電壓信號R為單極性，其幅值與原邊電流信號脈動量成正比，便于后級電路處理。

　　電流互感器用于檢測智能電表中的交流電流解析方案

　　兼容直流的電流互感器一直用于檢測智能電表中的交流電流，但它有一些缺點，而且很昂貴。對于某些應用，分流電阻是更好的電流傳感器選擇，因為它價格低廉、具有高線性度并且抗磁場干擾。遺憾的是，分流電阻不具有電流互感器所固有的電氣隔離特性。在要求隔離的智能電表等應用中，采用隔離電源技術的數字隔離器與分流電阻結合可提供一種良好的解決方案。

　　單相防竊電智能電表

　　模擬前端（AFE） IC利用分流電阻測量相位電流，并利用一個簡單的分壓器測量相位電壓，從而計算電能并監控負載的質量。在這種應用中，電力線相位電壓用作AFE的接地參考。零線電流測量必須隔離，從而保護AFE免受高壓影響。AFE利用標準SPI或I2C通信將計算得到的電氣量傳輸給微控制器（MCU）。然后，MCU將數據發送到通信模塊，通常使用UART接口，必須確保安全隔離并避免接地環路。因此，MCU必須與AFE隔離，與通信模塊共地，或者與通信模塊隔離，與AFE共地。

　　電表電源從電力線獲得，但安全隔離柵會產生兩個電源域。圖1中的PS1與相電源是同一電源域，可以直接使用而無需隔離AFE。然而，安全隔離柵1或2則需要使用隔離電源PS2來為MCU和通信模塊提供電源，或者僅為通信模塊供電。

　　總而言之，單相防竊電電表中有多個點需要隔離：

　　●零線電流檢測

　　●AFE與MCU（隔離1）之間或MCU與通信模塊之間

　　必須通過隔離柵1和2的信號是數字信號。為了隔離數字信號，已經開發出許多技術。傳統方法使用帶LED和光電二極管的光耦合器，較新的技術則是使用芯片級變壓器的數字隔離器。例如，與光耦合器相比，iCoupler數字隔離器具有許多優勢，包括：更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時序精度更佳、易于使用。芯片級隔離技術也可以與其他半導體電路結合，實現小尺寸、高集成度解決方案。在數據速率較高的應用中，這些優勢尤其顯著。智能電能計量就是這樣一種應用，目前新式電表需要更高的實時信息流量。

　　芯片級變壓器也可以用在隔離式DC-DC轉換器中，從而將數據和電源隔離集成到單個封裝中。iCoupler產品就有這種能力，isoPower隔離式 DC-DC轉換器可集成到隔離式數據通道所在的同一薄型表貼封裝中?？紤]上例中的零線電流檢測。傳統上使用電流互感器，因為它本身能夠提供隔離，但電流互感器必須為直流兼容型以免飽和，這會提高其成本。此外，它還會引入相位延遲，相位延遲隨頻率成分不同而異，因此難以在整個頻譜范圍內進行補償。分流電阻具 有明顯的優勢。不僅價格低廉，不受外部交流或直流磁場的影響，而且與用于檢測相電流的分流電阻具有相同的特性。然而，分流電阻本身不具隔離性。使用集成 DC-DC轉換器和隔離數據通道的數字隔離器可以解決這一問題。這樣就產生一種新的單相防竊電智能電表結構。

　　新結構利用AFE1測量從線路電流獲得的電氣量，利用AFE2測量從零線電流獲得的電氣量。兩個電流均利用不受外部磁場影響的分流電阻測量，從而消除竊電之憂。AFE2利用一個IC接收功率，該IC包含一個基于數字隔離器的隔離電源。它利用嵌入同一IC并采用相同技術的隔離數據通道與MCU通信。

　　可以將同樣的方法（IC同時包含隔離電源和隔離數據通道）應用于通信模塊，因為它也需要一個隔離電源并通過隔離柵進行數據通信。

　　與大型、昂貴、難以通過認證的隔離電源相比，這種方法的優勢顯而易見。數字隔離技術造就了業界最小的UL認證DC-DC轉換器，這些IC具有很高的熱穩定性和機械穩定性、出色的耐化學腐蝕性以及良好的ESD性能。設計工程師現在可以集中精力改善系統設計，而無需擔心隔離問題。

　　三相智能電表

　　對于三相智能電表，可以采用同樣的方法。在傳統的四線系統中，零線被選作電表AFE的接地參考。相電流利用電流互感器測量。電源利用所有三相創建兩個電源域：一個為AFE供電，一個為通信模塊供電，電源必須進行隔離以保證安全。MCU可以置于任一電源域中，因此AFE與MCU之間（隔離1）或MCU與通 信模塊之間都存在一個隔離柵。

　　類似于單相防竊電電表所采用的方法，利用數字隔離技術，可以將電流傳感器替換為使用分流電阻的隔離模塊，通信模塊可以利用包含隔離電源和數據通道（可通過隔離柵通信）的IC供電并與MCU通信。

　　結束語

　　分流電阻和芯片級數字隔離器完全可以取代直流兼容型電流互感器，同時實現數據隔離和電源隔離。數字隔離器優于傳統的光耦合器，并且支持多種串行通信：SPI、I2C或UART。數字隔離器性能更高、更易使用、更加可靠，堪稱光耦合器的真正替代產品。

　　數字隔離器使智能電表的系統架構發生如下變化：

　　●相電流和零線電流可以利用分流電阻檢測，從而消除通過磁場干擾竊電的風險，以及處理電流互感器相位延遲的難題。

　　●使用UL認證的IC，單相和三相電表均可以使用單一主電源。特別是在三相電表中，這可以顯著縮小電源尺寸，使電表外殼尺寸更小。