1、基于巨磁致電阻電流檢測機(jī)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2518057)(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，深圳摘要：本文提出了一種利用新型巨磁致電阻( GMR Giant 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是一種可以

2、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(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：Current-driven Synchronous Rectifier Based on GMR Current Sensing TechnologyHuang Zhigang , Zhang Bo , Qiu Dongyuan , Tang Zhi(1. College of Electric Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510641;2. Emerson Network P

3、ower 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 paper,

4、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.KEYWORDS: GM

5、R, synchronous rectifier, current-driven, no-load efficiency, current sensing.61. 前言隨著計算機(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(jì)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?fù)浣Y(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)運行叵6。因此，電流型驅(qū)動技術(shù)是解決基金項目：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 Foundation of China (NSFC) (50507004) and the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, Ministry

7、of Education of China (2004)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

8、流檢測器件的電壓降應(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(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

9、，本文基于現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展，提出了 一種新型巨磁致電阻（GMR Giant 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2.1 GMR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),稱為 AMR （Anisotropic Magneto Resistance）,在外磁場改變時，磁性材料的電阻會

10、 發(fā)生改變，因此得到廣泛應(yīng)用劃。1988年，科學(xué)家 們在納米級磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁致電阻（GMR一Giant 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(jī)硬盤、隨機(jī)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

11、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

12、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(jìn)入另一鐵磁層后必定遭 受較強的散射，故從整體而言，所有電子都遭受較 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 Rx <Ry。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Rx RyRo =七 Y（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(dá)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

13、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 的電阻很小（為 Rx）,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RhRxRyRxRy(2)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 Rh <Ro ,故巨磁致電 阻呈現(xiàn)出低阻態(tài)的導(dǎo)電特性12 o（a）無外加磁場Magnafk： Field(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

14、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。 依口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，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(jìn)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

15、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 Ri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：Vout - -Vout _ = ' -Vcc(3)Ri R2因此芯片輸出電壓的大小可以反映被測電流 的大小。Vcc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

16、能比如表 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

17、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(fù)，電路進(jìn)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

18、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(fù)，開始一個新的周期。(b)典型工作波形圖4采用GMR電流檢測的電流驅(qū)動同步整流電路及其典型波形Fig.4 Current-driven synchronous rectifier with GMR current sensing and its typical wave

19、forms.4.實驗驗證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Vout = k Vcc T（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 Vcc=5V, Do= 0.15mm）。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5GMR電流檢測芯片的測量結(jié)果Fig.5 Measurement results of GMR current sensing IC.GMR芯片動態(tài)響應(yīng)驗證開關(guān)電源頻率一

20、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(yán)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，2IT 二D0 1.153(4)式中Do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滿足實際要求。(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

21、its waveforms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(jìn)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

22、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)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 iWj。表2不同驅(qū)動方法的空載效率對比T

23、ab.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)

24、性能得以發(fā)揮，進(jìn)一步可以推廣 應(yīng)用到其它類型的電力電子變換器14 o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 1182.2陳盧，石秉學(xué)，盧純，代鐵軍，栗國星，高效率同步整 流式開關(guān)電源脈寬調(diào)制芯片的實現(xiàn)J

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