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電源適配器電流互感器設計

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電源適配器電流互感器設計

我們將設計一個電源適配器電流互感器。電源適配器使用電流互感器可以減小測量變換器原邊電流時的損耗,比如大功率電源適配器，由于電源適配器電流過大所以需要使用電流互感線圈來監測電流以減少損耗。
電源適配器電流互感器與一般的電壓變壓器的區別在什么地方呢?這個問題即使是資深的磁性元件設計人員也很難回答。基本的區別在于：變壓器試圖把電壓從原邊變換到副邊，而電流互感器試圖把電流從原邊變換到副邊。電流互感器的電壓大小由負載決定。
我們通過一個實際的設計例子，可以更好地理解電源適配器電流互感器的工作原理。
假設用電源適配器電流互感器測量變換器的原邊電流，原邊10A電流對應1V電壓。當然，我們可以用一個1V/10A=100mΩ的電阻來測量，但是電阻將造成的損耗為1V×10A=10W，這么大的損耗對幾乎所有的設計來說都是不能接受的。所以，要選用電流互感器，如圖1所示。
電源適配器電流互感器設計
圖1 電源適配器用電流檢測互感器減小損耗
當然，為了減少繞組電阻，我們把原邊的匝數取為1匝，同時為了使電流降到一個比較低的水平，副邊匝數應該比較多。如果副邊匝數為N，由歐姆定律可得(10/N)R=1V，在電阻中消耗的功率為P=(1V)^2/R。我們假設消耗的功率為50mW(也就是說，我們可以使用100mW規格的電阻)，這就要求R不得小于20Ω，如果采用20Ω的電阻，由歐姆定律可得副邊匝數N=200。
現在我們來看磁芯，假設二極管是普通的一般的二極管，通態電壓大約為1V，電流為10A/200=50mA。互感器輸出電壓為1V，加上二極管的通態電壓1V，總電壓大約2V。250kHz頻率工作時，磁芯上的磁感應強度不會超過
電流互感器的工作原理
其中4us為一個周期的時間，實際肯定是不到一個周期的。
由于原邊流過電流的時間不可能超過開關周期(否則，磁芯無法復位)。因此Ae可以很小，而B也不會很大。這個例子里電源適配器磁芯的尺寸不能通過損耗要求或磁通飽和要求來確定，更大的可能是由原副邊之間的隔離電壓來確定。如果隔離電壓沒有要求，磁芯的大小一般由200匝的繞組所占體積來確定。你可以用40號的導線流過500mA的峰值電流，但是這種導線實在太細，一般的變壓器廠家不會為你繞制。
實用提示 除非一定要用，一般情況下不要使用規格小于36號線的導線。
現在我們來分析為什么不能用電壓變壓器來替代電流互感器?已經知道副邊電壓只有2V，因此原邊電壓為2V/200=100mV。如果輸入直流電壓為48V，那么電源適配器電流互感器原邊10mV電壓對48V電壓來說是微不足道的——那樣你可以在副邊得到50mA的電流，而對原邊幾乎沒有什么影響。假設另一種情況(不現實的)，原邊的輸入直流電壓只有5mV，那么電源適配器互感器的原邊不可能有10mV的電壓，同時由于原邊阻抗(如反射副邊阻抗)也比較大，決定了副邊根本不可能產生50mA的電流。即使整個5mV電壓全部加在原邊，副邊也只能產生200×5mV=1V的電壓：不能在轉換電阻上產生足夠的電壓。因此，電壓變壓器只能用作變壓器，不能用來檢測電流。
從另外一個角度來看：雖然輸入電源的電壓為48V時，但是流過電流互感器電流的大小不是由原邊的這個48V電壓決定的，而是其他因素決定的。
電流互感器是有阻抗限制的電壓變壓器。
最后，我們來看一下電源適配器電流互感器的誤差情況怎么樣?答案在于電流互感器的基本定義上：感應的是電流。
實用提示 電流互感中的二極管和副邊繞組的電阻不會影響電流的測量，因為(只要阻抗不是無窮大)串聯電路中電流處處相等，與串聯的元件無關。
實際工作中，是不是使用肖特基二極管作為整流二極管是沒有關系的：二極管的低通態電壓只影響變壓器，不會影響電流互感器。
如果互感器副邊的電感太小，測量誤差將會增大。也就是激磁電感太小，假設我們要求測量電流的最大誤差為1%，原邊電流為10A，那么副邊電流就是50mA，這就意味著要求激磁電流(副邊)應該小于50mA×1%=500μA。激磁電流沒有流過轉換電阻，我們也無法檢測到這個電流，這樣誤差就增大了。我們可以算出副邊電感的最小值
電流互感器的工作原理
電源適配器現在的匝數為200，我們需要AL=16mH/200=400nH的磁環，用普通的小鐵氧體磁環就可以了，這種鐵氧體磁環是很容易找到的。

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| 發布時間：2018.07.13    來源：
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