基于巨磁致電阻電流檢測機理的電流驅(qū)動同步整流器

1、基于巨磁致電阻電流檢測機理的電流驅(qū)動同步整流器黃志剛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)動同步整流器中電流檢測器件損耗較大、不能測直流、漏感大不能工作于高頻等缺點。本文的研究內(nèi)容包括GMR電流檢測技術(shù)原理和性能分析，GMR電流檢測電流驅(qū)動同步整流正激變換器的設(shè)計和實驗研究。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，說明GMR是一種

2、可以實際應(yīng)用的電流檢測技術(shù)。關(guān)鍵詞：GMR，同步整流，電流驅(qū)動，空載效率，電流檢測中圖分類號： TM46 文獻標識碼： A 文章編號：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. 前言隨著計算機、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關(guān)電源的一個研究熱點，而如何減小整流損耗、提高整流效率的成為核心問題。目前應(yīng)用最廣泛的電壓自驅(qū)動型同步整流技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟高效，但同時也存在著三個方面的局限性3,4：第一，不同的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)需要不同的電壓驅(qū)動同步整流

6、管；第二，同步整流管的柵極驅(qū)動電壓隨輸入電壓的變化而變化；第三，采用電壓驅(qū)動同步整流器的變換器不適合并聯(lián)運行5,6。因此，電流型驅(qū)動技術(shù)是解決上述問題的有效方法。傳統(tǒng)的電流驅(qū)動同步整流器結(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，檢測電流Isr，當(dāng)電流降低為0或反向時，同步整流管關(guān)斷。電流驅(qū)動同步整流管就象一個普通二極管，能夠自動的開通和關(guān)斷。圖1同步整流管的電流驅(qū)動電路基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（60474066），國家教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金（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.對于圖1所示的傳統(tǒng)電流驅(qū)動方式，電流檢測電路實際上存在損耗，為了減小該損耗，電流檢測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），那么電流檢測器件的電壓降

8、應(yīng)該遠遠小于0.1V（比如0.01V，為同步整流管導(dǎo)通壓降的十分之一）。由此帶來以下問題：（1）若采用電阻為電流檢測器件，為將該極小的電壓信號放大到最小驅(qū)動電壓（5V），必須采用一個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（對于上述假設(shè)，變比達到500:1），而繞制變比如此之大的互感器一般非常困難，電氣特性勢必很差。其次，低電流比和大的漏感在開關(guān)動作時驅(qū)動延時明顯，惡化了同步整流器的工作性能。此外，電流互感器（CT）還存在不能測量直流和有飽和危險等因素。從而使得傳統(tǒng)的電流驅(qū)動同步整流器不適合高頻工作和實際應(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）電流檢測技術(shù)，并應(yīng)用于電流驅(qū)動同步整流技術(shù)中。文中介紹了該技術(shù)的電流檢測原理，設(shè)計出相應(yīng)的GMR電流檢測電路，研究結(jié)果證實，它克服傳統(tǒng)電流驅(qū)動同步整流器中電流檢測器件損耗較大、不能測直流、漏感大不能工作于高頻等缺點，使電流驅(qū)動同步整流技術(shù)能夠廣泛地得到應(yīng)用。2. GMR電流無損耗檢測原理2.1GMR特性上世紀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)，稱為AMR（Anisotropic Magneto Resistance），在外磁場改變時，磁性材料的電阻會發(fā)生改變，因此得到廣泛應(yīng)用10。1988年，科學(xué)家們在納米級磁性多層膜中

10、發(fā)現(xiàn)了巨磁致電阻（GMRGiant Magneto Resistive）效應(yīng)11。其特點是當(dāng)外界沒有磁場時，GMR材料呈現(xiàn)很大的電阻。但當(dāng)外界有磁場時，GMR材料的電阻比無外加磁場時減少，所產(chǎn)生的磁阻效應(yīng)一般比傳統(tǒng)磁電阻效應(yīng)大一個數(shù)量級以上（這也是巨磁阻名字的由來），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。目前，巨磁致電阻材料已經(jīng)成功應(yīng)用于計算機硬盤、隨機存儲器及測量磁場、角度、角速度、位移等物理量，具有重大應(yīng)用價值。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)電子穿過鐵磁性層

11、時，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，電子受到的自旋散射較強，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)中才能觀測出來。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則為外加磁場的方向。在不加外磁場的情況下且非磁層厚度合適時,兩個相鄰的鐵磁層會產(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。那么在一個鐵磁層中受散射較弱的電子進入另一鐵磁層后必定遭受較強的散射，故從整體而言，所有

12、電子都遭受較強的散射，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的電阻總和，RY是受到反方向磁矩散射時的電阻總和，且。若把巨磁致電阻看作由兩類不同自旋方向的電子產(chǎn)生的阻抗并聯(lián)而成，那么此時巨磁致電阻的總阻抗為(1)當(dāng)加入外磁場H后，與外磁場反向的磁矩將趨向外磁場方向。如果外加磁場達到一定值，所有鐵磁層中的磁矩方向會變得基本一致，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的散射，電阻很大（RY），此時巨磁致電阻的總阻抗表示為(2)

13、對比式（1）可見，有外加磁場時的總電阻比上述H=0時的要小得多，即，故巨磁致電阻呈現(xiàn)出低阻態(tài)的導(dǎo)電特性12。(a) 無外加磁場(b) 有外加磁場圖2 GMR材料工作特性示意圖Fig 2 GMR Characteristic with/without magnetic field.2.2 GMR檢測電流方法由電工學(xué)原理知，當(dāng)電流流過無限長導(dǎo)線時，在導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生磁場，并且在導(dǎo)線周圍某點的磁場強度大小與該點和導(dǎo)線的垂直距離成反比、與導(dǎo)線中流過的電流大小成正比。依照GMR的特性制成的電流檢測芯片是一種直接測量磁場強度的元件，為隔離型測量器件。與很多其他器件不同的是它測量的是磁場強度而非磁場的變化速率

14、，因此，GMR傳感器適用于測量直流。由于是外磁場改變了磁性層的磁矩方向，因此GMR電流檢測芯片的放置將影響磁性層的電阻大小，進而直接對輸出電壓產(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。在實際應(yīng)用中通常將其緊貼并橫跨導(dǎo)電銅箔表面，以測量由電流產(chǎn)生的磁場。GMR電流檢測芯片內(nèi)部由四個巨磁致電阻構(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)線流過電流時，電流所產(chǎn)生磁場使巨磁致電阻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，輸出端的電壓差為：(3)因此芯片輸出電壓的大

15、小可以反映被測電流的大小。圖3 GMR電流檢測芯片的結(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比如表1所示13，可見GMR電流檢測芯片擁有突出的優(yōu)點，將有廣闊的應(yīng)用前景。表1 幾種電流傳感器的性能對比Tab.1 Comparison between different current sensors名稱CTHallGMR價格中高中體積大中小靈敏度低中高測量范圍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)動同步

16、整流技術(shù)圖4為采用了GMR電流檢測技術(shù)的電流驅(qū)動同步整流器。圖中，GMR芯片檢測續(xù)流管支路電流，檢測信號經(jīng)放大后通過比較器產(chǎn)生PWM方波，再經(jīng)推挽放大電路以驅(qū)動功率MOSFET，實現(xiàn)控制功能。電路的典型工作波形如圖4(b)所示，該電路工作過程如下：t0時刻，主開關(guān)管Q1關(guān)斷，變壓器副邊電壓Vs為負，電路進入續(xù)流階段，Q2被關(guān)斷。此時電流開始流過Q3的體二極管，電流I1從零迅速上升，此時GMR檢測到電流，輸出電壓增大至開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Q3開通，直至t1時刻，電流上升到穩(wěn)定值。此過程時間極短，電流流過體二極管的時間很有限，不會引起效率的下降。t2時刻，主

17、開關(guān)管Q1導(dǎo)通，變壓器副邊電壓Vs為正，此時Q2被導(dǎo)通，而Q3也仍然導(dǎo)通，出現(xiàn)了一個很短暫的直通過程。在此過程中，Q3會流過一個與I1反方向的電流，此電流值很大，可以在很短的時間內(nèi)把I1抵消到0。在I1降為0的過程中，在t3時刻，GMR檢測到電流的減小，輸出亦變小，當(dāng)輸出值減小到關(guān)斷值時，比較器輸出低電平，Q3的寄生電容通過推挽驅(qū)動電路放電，續(xù)流管被關(guān)斷。電路工作過程完成了從續(xù)流到整流階段的變化。t3時刻，續(xù)流管關(guān)斷后，I1減小到0，Q2開通，變換器工作在整流階段。直至t4時刻變壓器副邊電壓重新變負，開始一個新的周期。(a) 電路原理圖(b) 典型工作波形圖4 采用GMR電流檢測的電流驅(qū)動同步

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. 實驗驗證4.1 GMR芯片穩(wěn)定特性驗證實驗中采用深圳華夏公司的SS501A型GMR芯片，導(dǎo)線中通過電流在測量芯片處產(chǎn)生的磁場強度（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為所測量電流的大小，單位為A。那么芯片輸出電壓信號大小為(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芯片測量直流電流時所得的實驗數(shù)據(jù)（實驗中V

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

20、a) 測試電路原理圖(b) 動態(tài)響應(yīng)波形圖6 動態(tài)響應(yīng)測試電路及波形Fig.6 Dynamic response testing circuit and its waveforms4.3 實驗結(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進行測試，以驗證GMR電流檢測技術(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電流檢測技術(shù)時，將模塊副邊續(xù)流管的原驅(qū)動去除，將GMR芯片貼于MOSFET漏極或者源極的銅線上以檢測所流過的電流，實驗電路參見圖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)定值時比較器輸出高電平，而當(dāng)電流下降到另一設(shè)定值時輸出低電平。MOSFET驅(qū)動芯片采用TC4424。比較器的輸出電壓波形VC和MOSFET的驅(qū)動電壓波形Vg如圖7所示。圖7 驅(qū)動波形圖Fig.7 Waveforms of driven voltage.由于采用電流型驅(qū)動，輕載時通過MOSFET電流很小，相應(yīng)地，GMR傳感器輸出很小，無法使比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平。因此在輕載階段驅(qū)動電路不工作，減少了MOSFET的開關(guān)損耗，從而使模塊的輕載效率得到大幅度提高，表2對比了GMR電流驅(qū)動法與原來的電壓驅(qū)動法在空載時的實驗結(jié)

22、果，可見采用基于GMR的電流驅(qū)動法時，模塊的空載效率得到較大幅度提高。表2 不同驅(qū)動方法的空載效率對比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GMR電流驅(qū)動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電流檢測技術(shù)，應(yīng)用到電流驅(qū)動同步整流電路中。GMR電流檢測技術(shù)克服傳統(tǒng)電流驅(qū)動同步整流

23、器中電流檢測器件損耗較大、不能測直流、漏感大不能工作于高頻等缺點，從而使傳統(tǒng)的電流驅(qū)動同步整流技術(shù)性能得以發(fā)揮，進一步可以推廣應(yīng)用到其它類型的電力電子變換器14。參考文獻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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