电信整流器和服务器电源单元(PSU)中的功率因数校正(PFC)电路和逆变电路都需要将高压侧的电流信号检测到位于低压侧的控制器,因此要用到隔离式电流传感器。隔离式电流检测有多种实现方式,例如电流互感器(CT)、隔离放大器和霍尔效应电流传感器。其中,霍尔效应电流传感器因其简便易用、准确、体积小且具有直流检测能力,成为比较理想的选择。

 

电流互感器是基于变压器的原理对电流进行采样,使用 CT 可以检测 MOSFET 或者 IGBT 的开通电流。CT 的快速响应速度使其非常适合于用做峰值电流控制和过流保护控制。但是基于变压器耦合原理的 CT 无法感测直流或非常低频的电流,从而导致其不能直接检测工频 AC 电流,或因为只检测开通电流的间接方法而损失测量精度(没有关断电流)。另外,由于 CT 需要使用铁氧体磁芯,体积很难做小,而体积较大的 CT 又会增大电源开关环路,产生更高的电压尖峰和噪声干扰。

 

而霍尔效应电流传感器则是一种精度更高、体积更小的选择,它可以在直流条件下工作,而且能够以良好的线性度和精度测量包含了开通和关断的 AC 总电流。同时,霍尔效应电流传感器的体积可以做到 SOIC-8 的封装,同一颗集成 IC 一样大小,使 PCB 的布局更加容易,有助于实现更高的功率密度。

 

表 1 对霍尔效应电流传感器与电流互感器进行了比较。

 

表 1:霍尔效应电流传感器与电流互感器的比较

 

在将霍尔效应电流传感器应用于电信电源或服务器 PSU 时,需要评估电流的检测范围、连续电流耐受能力、响应速度(/ 带宽)和电压隔离等级。在某些情况下,电信电源或服务器电源可能还需要向上位机汇报当前的运行功率,此时高精度的霍尔电流传感器(如 TI 的 TMCS1100)可帮助系统实现≥1%的电流检测精度。

 

图 1 展示了,在分别使用 3.3 V 和 5 V 供电情况下,霍尔效应电流传感器的典型应用电路。与使用 3.3 V 电源供电相比,使用 5 V 供电可用拓宽霍尔传感器的电流检测范围。以 TMCS1100A1 为例,霍尔传感器的灵敏度为 50 mV/A:如果使用 3.3V 电源,则电流检测范围为 -33 A〜+ 33 A(双向);而使用 5.0V 电源时,电流检测范围可以扩展到 -50 A〜+ 50A。另外,在设计中应当注意,除了电流检测范围之外,还需要考虑传感器的连续电流耐受能力,当电流耐受力不足时,可以通过改善传感器的散热来优化。

 

(a)

 

(b)

图 1:霍尔效应电流传感器的常见应用:采用 3.3 V 电源的霍尔效应电流传感器(a);采用 5 V 电源的霍尔效应电流传感器(b)

 

在使用霍尔效应电流传感器的电路板布局中,要注意以下因素:

 

  • 散热:尽量增大一次侧电流导线的覆铜面积,可以提高霍尔电流传感器的散热能力,从而增加传感器的最大平均电流耐受能力。另外,还可以使用更厚铜箔的 PCB,或者在初级走线上放置一些散热过孔,或者把霍尔电流传感器和 PCB 走线放置在风道内,都可以改善霍尔电流传感器的平均电流耐受能力。

 

  • 一次侧电流磁场:布局时,应尽量避免大电流的走线靠近霍尔电流传感器。

 

  • 隔离要求:从系统整体考虑爬电距离和电气间隙,当霍尔电流传感器无法满足所需的 PCB 爬电距离时,可以在电路板上挖槽以达到系统级的隔离要求。

 

总结,在电信整流器和服务器 PSU 中,CT 更适合于峰值电流控制和过流保护,但它体积较大且精度不高。霍尔效应电流传感器体积小,精度高,使用简单方便,并且更适合检测交流线路电流。希望本文介绍的关于霍尔电流传感器的一些用法对大家有所帮助。