基于巨磁致電阻電流檢測(cè)機(jī)理的電流驅(qū)動(dòng)同步整流器

1、基于巨磁致電阻電流檢測(cè)機(jī)理的電流驅(qū)動(dòng)同步整流器黃志剛1 張波1 丘東元1 唐志2(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 540640；2. 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，深圳 518057)摘要：本文提出了一種利用新型巨磁致電阻（GMRGiant Magneto Resistive）的電流檢測(cè)技術(shù)，并應(yīng)用于同步整流技術(shù)中。該新技術(shù)可以克服傳統(tǒng)電流驅(qū)動(dòng)同步整流器中電流檢測(cè)器件損耗較大、不能測(cè)直流、漏感大不能工作于高頻等缺點(diǎn)。本文的研究?jī)?nèi)容包括GMR電流檢測(cè)技術(shù)原理和性能分析，GMR電流檢測(cè)電流驅(qū)動(dòng)同步整流正激變換器的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，該變換器工作性能理想，效率有較大幅度的提高，說(shuō)明GMR是一種

2、可以實(shí)際應(yīng)用的電流檢測(cè)技術(shù)。關(guān)鍵詞：GMR，同步整流，電流驅(qū)動(dòng)，空載效率，電流檢測(cè)中圖分類(lèi)號(hào)： TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：Current-driven Synchronous Rectifier Based on GMR Current Sensing TechnologyHuang Zhigang1, Zhang Bo1, Qiu Dongyuan1, Tang Zhi2(1. College of Electric Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510641;2. Emerson Ne

3、twork Power Co., Shenzhen, 518057)ABSTRACT: This paper proposed a current-driven synchronous rectifier with GMR current sensor. It can overcome the drawbacks of large loss, no DC capability, large leakage inductance and low switching frequency in the conventional current sensing techniques. In this

4、paper, the current sensing theory of GMR current sensor is discussed and the design of a current-driven synchronous Forward converter with GMR current sensor is provided. The experimental results show that the performance of the Forward converter is good and its no-load performance is improved.KEYWO

5、RDS: GMR, synchronous rectifier, current-driven, no-load efficiency, current sensing.11. 前言隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，為了大幅度地提高數(shù)字電路計(jì)算和數(shù)據(jù)處理速度，大幅度減小電能損耗，降低數(shù)字電路高電平參考電壓成為趨勢(shì)1,2。因此采用同步整流技術(shù)的低壓大電流功率變換器成為高頻開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)研究熱點(diǎn)，而如何減小整流損耗、提高整流效率的成為核心問(wèn)題。目前應(yīng)用最廣泛的電壓自驅(qū)動(dòng)型同步整流技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效，但同時(shí)也存在著三個(gè)方面的局限性3,4：第一，不同的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要不同的電壓驅(qū)動(dòng)同步整流

6、管；第二，同步整流管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓隨輸入電壓的變化而變化；第三，采用電壓驅(qū)動(dòng)同步整流器的變換器不適合并聯(lián)運(yùn)行5,6。因此，電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效方法。傳統(tǒng)的電流驅(qū)動(dòng)同步整流器結(jié)構(gòu)模塊和原理電路如圖1所示79。當(dāng)同步整流管SR導(dǎo)通且電流從源極流向漏極時(shí)，檢測(cè)電流Isr，當(dāng)電流降低為0或反向時(shí)，同步整流管關(guān)斷。電流驅(qū)動(dòng)同步整流管就象一個(gè)普通二極管，能夠自動(dòng)的開(kāi)通和關(guān)斷。圖1同步整流管的電流驅(qū)動(dòng)電路基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60474066），國(guó)家教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金（2004）Project Supported by National Natural Science

7、 Foundation of China (NSFC) (50507004) and the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, Ministry of Education of China (2004) Fig.1 Current driven circuit of synchronous switch.對(duì)于圖1所示的傳統(tǒng)電流驅(qū)動(dòng)方式，電流檢測(cè)電路實(shí)際上存在損耗，為了減小該損耗，電流檢測(cè)器件的電壓降必須盡可能小。如果同步整流管的導(dǎo)通壓降0.1V（典型值），那么電流檢測(cè)器件的電壓降

8、應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1V（比如0.01V，為同步整流管導(dǎo)通壓降的十分之一）。由此帶來(lái)以下問(wèn)題：（1）若采用電阻為電流檢測(cè)器件，為將該極小的電壓信號(hào)放大到最小驅(qū)動(dòng)電壓（5V），必須采用一個(gè)高增益帶寬的電壓放大器；（2）若采用電流互感器CT，互感器的變比非常之高（對(duì)于上述假設(shè)，變比達(dá)到500:1），而繞制變比如此之大的互感器一般非常困難，電氣特性勢(shì)必很差。其次，低電流比和大的漏感在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)驅(qū)動(dòng)延時(shí)明顯，惡化了同步整流器的工作性能。此外，電流互感器（CT）還存在不能測(cè)量直流和有飽和危險(xiǎn)等因素。從而使得傳統(tǒng)的電流驅(qū)動(dòng)同步整流器不適合高頻工作和實(shí)際應(yīng)用。為此，本文基于現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展，提出了一種新型巨磁

9、致電阻（GMRGiant Magneto Resistive）電流檢測(cè)技術(shù)，并應(yīng)用于電流驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)中。文中介紹了該技術(shù)的電流檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的GMR電流檢測(cè)電路，研究結(jié)果證實(shí)，它克服傳統(tǒng)電流驅(qū)動(dòng)同步整流器中電流檢測(cè)器件損耗較大、不能測(cè)直流、漏感大不能工作于高頻等缺點(diǎn)，使電流驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)能夠廣泛地得到應(yīng)用。2. GMR電流無(wú)損耗檢測(cè)原理2.1GMR特性上世紀(jì)70年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種材料的磁致電阻效應(yīng)，稱(chēng)為AMR（Anisotropic Magneto Resistance），在外磁場(chǎng)改變時(shí)，磁性材料的電阻會(huì)發(fā)生改變，因此得到廣泛應(yīng)用10。1988年，科學(xué)家們?cè)诩{米級(jí)磁性多層膜中

10、發(fā)現(xiàn)了巨磁致電阻（GMRGiant Magneto Resistive）效應(yīng)11。其特點(diǎn)是當(dāng)外界沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，GMR材料呈現(xiàn)很大的電阻。但當(dāng)外界有磁場(chǎng)時(shí)，GMR材料的電阻比無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)減少，所產(chǎn)生的磁阻效應(yīng)一般比傳統(tǒng)磁電阻效應(yīng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上（這也是巨磁阻名字的由來(lái)），且具有靈敏度高、熱穩(wěn)定性好、體積小、輸出線性度好、可靠性高等特點(diǎn)。目前，巨磁致電阻材料已經(jīng)成功應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)、隨機(jī)存儲(chǔ)器及測(cè)量磁場(chǎng)、角度、角速度、位移等物理量，具有重大應(yīng)用價(jià)值。巨磁阻效應(yīng)是由于磁性多層膜中電子自旋相關(guān)散射造成的。不同自旋狀態(tài)的載流電子與磁場(chǎng)的作用不相同，因而導(dǎo)致電阻值的變化。根據(jù)磁電子學(xué)原理，當(dāng)電子穿過(guò)鐵磁性層

11、時(shí)，如果電子自旋方向與鐵磁性層的磁矩方向相同，電子受到的自旋散射較弱，磁性多層膜呈現(xiàn)低阻態(tài)；如果電子自旋方向與鐵磁性層的磁矩方向相反時(shí)，電子受到的自旋散射較強(qiáng)，磁性多層膜呈現(xiàn)高阻態(tài)。這種效應(yīng)只有在納米尺度的薄膜結(jié)構(gòu)中才能觀測(cè)出來(lái)。圖2為巨磁致電阻的結(jié)構(gòu)，它由多層鐵磁性層與非鐵磁性層交替疊置而成，每層厚為納米級(jí)別。其中A層是非磁性導(dǎo)體材料，B層為磁性材料，C表示電流方向，D則為外加磁場(chǎng)的方向。在不加外磁場(chǎng)的情況下且非磁層厚度合適時(shí),兩個(gè)相鄰的鐵磁層會(huì)產(chǎn)生反鐵磁耦合，即相鄰層的磁矩反平行排列，如圖2(a)所示。那么在一個(gè)鐵磁層中受散射較弱的電子進(jìn)入另一鐵磁層后必定遭受較強(qiáng)的散射，故從整體而言，所有

12、電子都遭受較強(qiáng)的散射，使巨磁致電阻處于高阻態(tài)。設(shè)RX是自旋方向電子在受到相同方向磁矩散射時(shí)的電阻總和，RY是受到反方向磁矩散射時(shí)的電阻總和，且。若把巨磁致電阻看作由兩類(lèi)不同自旋方向的電子產(chǎn)生的阻抗并聯(lián)而成，那么此時(shí)巨磁致電阻的總阻抗為(1)當(dāng)加入外磁場(chǎng)H后，與外磁場(chǎng)反向的磁矩將趨向外磁場(chǎng)方向。如果外加磁場(chǎng)達(dá)到一定值，所有鐵磁層中的磁矩方向會(huì)變得基本一致，相鄰磁性層磁矩平行分布如圖2(b)所示。此時(shí)自旋方向與磁矩方向相同的電子在所有鐵磁層中受到的散射較弱，受到的電阻很?。镽X），相當(dāng)于短路狀態(tài)。而自旋方向與磁矩方向不同的電子則受到很強(qiáng)的散射，電阻很大（RY），此時(shí)巨磁致電阻的總阻抗表示為(2)

13、對(duì)比式（1）可見(jiàn)，有外加磁場(chǎng)時(shí)的總電阻比上述H=0時(shí)的要小得多，即，故巨磁致電阻呈現(xiàn)出低阻態(tài)的導(dǎo)電特性12。(a) 無(wú)外加磁場(chǎng)(b) 有外加磁場(chǎng)圖2 GMR材料工作特性示意圖Fig 2 GMR Characteristic with/without magnetic field.2.2 GMR檢測(cè)電流方法由電工學(xué)原理知，當(dāng)電流流過(guò)無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線的周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，并且在導(dǎo)線周?chē)滁c(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小與該點(diǎn)和導(dǎo)線的垂直距離成反比、與導(dǎo)線中流過(guò)的電流大小成正比。依照GMR的特性制成的電流檢測(cè)芯片是一種直接測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的元件，為隔離型測(cè)量器件。與很多其他器件不同的是它測(cè)量的是磁場(chǎng)強(qiáng)度而非磁場(chǎng)的變化速率

14、，因此，GMR傳感器適用于測(cè)量直流。由于是外磁場(chǎng)改變了磁性層的磁矩方向，因此GMR電流檢測(cè)芯片的放置將影響磁性層的電阻大小，進(jìn)而直接對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響。為了獲得最大的輸出，磁矩方向應(yīng)該和電流的方向垂直。在實(shí)際應(yīng)用中通常將其緊貼并橫跨導(dǎo)電銅箔表面，以測(cè)量由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。GMR電流檢測(cè)芯片內(nèi)部由四個(gè)巨磁致電阻構(gòu)成惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對(duì)傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。當(dāng)芯片下面的導(dǎo)線流過(guò)電流時(shí)，電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)使巨磁致電阻R2的阻值下降，由于巨磁致電阻R1被屏蔽，故其阻值不變。從而在電橋兩端產(chǎn)生電壓差，形成輸出信號(hào)，輸出端的電壓差為：(3)因此芯片輸出電壓的大

15、小可以反映被測(cè)電流的大小。圖3 GMR電流檢測(cè)芯片的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic of GMR current sensing IC2.3 幾種電流傳感器的比較幾種由不同材料制作而成的非接觸式電流傳感器的性能對(duì)比如表1所示13，可見(jiàn)GMR電流檢測(cè)芯片擁有突出的優(yōu)點(diǎn)，將有廣闊的應(yīng)用前景。表1 幾種電流傳感器的性能對(duì)比Tab.1 Comparison between different current sensors名稱(chēng)CTHallGMR價(jià)格中高中體積大中小靈敏度低中高測(cè)量范圍0.1Hz 100MHzDC 1MHzDC 5MHz線性度好差好集成度一般一般好3. 基于GMR的電流驅(qū)動(dòng)同步

16、整流技術(shù)圖4為采用了GMR電流檢測(cè)技術(shù)的電流驅(qū)動(dòng)同步整流器。圖中，GMR芯片檢測(cè)續(xù)流管支路電流，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大后通過(guò)比較器產(chǎn)生PWM方波，再經(jīng)推挽放大電路以驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)控制功能。電路的典型工作波形如圖4(b)所示，該電路工作過(guò)程如下：t0時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷，變壓器副邊電壓Vs為負(fù)，電路進(jìn)入續(xù)流階段，Q2被關(guān)斷。此時(shí)電流開(kāi)始流過(guò)Q3的體二極管，電流I1從零迅速上升，此時(shí)GMR檢測(cè)到電流，輸出電壓增大至開(kāi)通值使比較器輸出高電平，推挽電路放大比較器的輸出電流，驅(qū)動(dòng)Q3開(kāi)通，直至t1時(shí)刻，電流上升到穩(wěn)定值。此過(guò)程時(shí)間極短，電流流過(guò)體二極管的時(shí)間很有限，不會(huì)引起效率的下降。t2時(shí)刻，主

17、開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通，變壓器副邊電壓Vs為正，此時(shí)Q2被導(dǎo)通，而Q3也仍然導(dǎo)通，出現(xiàn)了一個(gè)很短暫的直通過(guò)程。在此過(guò)程中，Q3會(huì)流過(guò)一個(gè)與I1反方向的電流，此電流值很大，可以在很短的時(shí)間內(nèi)把I1抵消到0。在I1降為0的過(guò)程中，在t3時(shí)刻，GMR檢測(cè)到電流的減小，輸出亦變小，當(dāng)輸出值減小到關(guān)斷值時(shí)，比較器輸出低電平，Q3的寄生電容通過(guò)推挽驅(qū)動(dòng)電路放電，續(xù)流管被關(guān)斷。電路工作過(guò)程完成了從續(xù)流到整流階段的變化。t3時(shí)刻，續(xù)流管關(guān)斷后，I1減小到0，Q2開(kāi)通，變換器工作在整流階段。直至t4時(shí)刻變壓器副邊電壓重新變負(fù)，開(kāi)始一個(gè)新的周期。(a) 電路原理圖(b) 典型工作波形圖4 采用GMR電流檢測(cè)的電流驅(qū)動(dòng)同步

18、整流電路及其典型波形Fig.4 Current-driven synchronous rectifier with GMR current sensing and its typical waveforms.4. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4.1 GMR芯片穩(wěn)定特性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中采用深圳華夏公司的SS501A型GMR芯片，導(dǎo)線中通過(guò)電流在測(cè)量芯片處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位為Oe）為(4)式中D0為導(dǎo)線銅箔表面到芯片距離，單位為mm；I為所測(cè)量電流的大小，單位為A。那么芯片輸出電壓信號(hào)大小為(5)其中Vcc為芯片的電源電壓（單位為V），校正系數(shù)k取0.0036。圖5為所用的GMR芯片測(cè)量直流電流時(shí)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)中V

19、cc5V，D00.15mm）。從圖中可見(jiàn)，芯片實(shí)際輸出電壓與計(jì)算值基本吻合，且線性度良好。圖5 GMR電流檢測(cè)芯片的測(cè)量結(jié)果Fig.5 Measurement results of GMR current sensing IC.4.2 GMR芯片動(dòng)態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證開(kāi)關(guān)電源頻率一般在數(shù)百kHz，因而要求GMR電流檢測(cè)芯片響應(yīng)速度能夠滿(mǎn)足該頻率要求。GMR電流檢測(cè)芯片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試電路及其波形如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中的交流源AC是頻率為220kHz的方波，放大電路采用嚴(yán)格的幾乎無(wú)延時(shí)的放大芯片以消除誤差的引入。圖6(b)為測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)，該GMR電流檢測(cè)芯片的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性很好，基本無(wú)延時(shí)，滿(mǎn)足實(shí)際要求。(

20、a) 測(cè)試電路原理圖(b) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形圖6 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試電路及波形Fig.6 Dynamic response testing circuit and its waveforms4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文選用艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司的BMP電源模塊AVE100-24S03進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證GMR電流檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)越性。該模塊為一正激變換器，采用電壓自驅(qū)動(dòng)技術(shù)，輸入電壓為48V，輸出電壓為3.3V，工作頻率為220kHz。采用GMR電流檢測(cè)技術(shù)時(shí)，將模塊副邊續(xù)流管的原驅(qū)動(dòng)去除，將GMR芯片貼于MOSFET漏極或者源極的銅線上以檢測(cè)所流過(guò)的電流，實(shí)驗(yàn)電路參見(jiàn)圖4。其中GMR芯片的輸出經(jīng)放大器LT1364放大電路

21、放大后送至高速比較器AD790輸入端，恰當(dāng)設(shè)定比較器的參考電壓值，當(dāng)電流上升到一設(shè)定值時(shí)比較器輸出高電平，而當(dāng)電流下降到另一設(shè)定值時(shí)輸出低電平。MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片采用TC4424。比較器的輸出電壓波形VC和MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓波形Vg如圖7所示。圖7 驅(qū)動(dòng)波形圖Fig.7 Waveforms of driven voltage.由于采用電流型驅(qū)動(dòng)，輕載時(shí)通過(guò)MOSFET電流很小，相應(yīng)地，GMR傳感器輸出很小，無(wú)法使比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平。因此在輕載階段驅(qū)動(dòng)電路不工作，減少了MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，從而使模塊的輕載效率得到大幅度提高，表2對(duì)比了GMR電流驅(qū)動(dòng)法與原來(lái)的電壓驅(qū)動(dòng)法在空載時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)

22、果，可見(jiàn)采用基于GMR的電流驅(qū)動(dòng)法時(shí)，模塊的空載效率得到較大幅度提高。表2 不同驅(qū)動(dòng)方法的空載效率對(duì)比Tab.2 No-load efficiency comparison between different driven techniques模塊輸出模塊輸入效率提高率電壓驅(qū)動(dòng)GMR電流驅(qū)動(dòng)3.3V/0.1A48V/0.132A48V/0.022A83.3%3.3V/0.5A48V/0.167A48V/0.11A34.1%3.3V/1A48V/0.201A48V/0.17A15.4%5. 結(jié)論本文將新型GMR電流檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用到電流驅(qū)動(dòng)同步整流電路中。GMR電流檢測(cè)技術(shù)克服傳統(tǒng)電流驅(qū)動(dòng)同步整流

23、器中電流檢測(cè)器件損耗較大、不能測(cè)直流、漏感大不能工作于高頻等缺點(diǎn)，從而使傳統(tǒng)的電流驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)性能得以發(fā)揮，進(jìn)一步可以推廣應(yīng)用到其它類(lèi)型的電力電子變換器14。參考文獻(xiàn)1 Zhou Xunwei, Pit-Leong Wong, Peng Xu, Lee, F.C. and Huang A.Q. Investigation of candidate VRM topologies for future microprocessors J, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 15 Issue: 6, 2000. Page(s): 1172

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