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LLC谐振回路电流 (tank current) 分析与测量之二

时间:02-17 来源:互联网 点击:

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3谐振回路电流测量方法

要求电流波形时,可使用三种方法来测量电流。

小容限功率电阻电流变换器(CT)

直接通过电流探针来测量谐振回路电流

第一种方法是小容限功率电阻,其与谐振回路中的其它组件串联。这种电阻必须拥有高分辨率和良好的温度性能。正常情况下,谐振回路通过一个端子连接接地,这样可以减少测量的共模噪声。另外,它还是一种测量谐振回路电流的简单方法。但是,它会增加功耗,特别是在强电流条件下。另一方面,它改变了谐振参数,并使其偏离初始设计。同时,由于要求高性能,因此它的成本价格也很高。

图4电流变换器等效模型

第二种方法是电流变换器(CT),其一次侧与谐振回路串联。相比功率电阻(第一种方法),这种方法的电阻较低,并且其功耗也低于功率电阻方法。另外,相比谐振回路的Lr和Lm,CT的磁电感小到可以忽略不计。但是,由于许多寄生参数原因,CT并非是一种最佳解决方案。图4显示了CT的等效模型。由于二次漏电感远大于一次漏电感,因此漏电感设置在二次侧。

图4中:Cps为一次线圈和二次线圈之间的寄生电容。

Cp为一次侧的寄生电容。

Cs为二次侧的寄生电容。

Lm为CT的磁电感。

R为采样电阻。

当使用硬开关开启或者关闭MOSFET时,电路状态立刻剧烈变化。这时,产生大量的开关噪声。这种噪声通过Cps耦合到CT的二次侧。另外,噪声还流经Cp和Cs.Lm和Lleak也受到影响。如果使用通用电压探针来测量R的电压,则通常会出现一个高电压峰值;但是,如果使用差分电压探针,则Cps耦合的共模噪声被消除,并且仅剩下差模噪声。电压峰值得到了有效降低。然而,差模电压探针测量的波形仍非真正的电流波形。

第三种方法是直接使用电流探针测量谐振回路电流。正常情况下,电流探针拥有较高的带宽,足以进行电源系统检测。例如,Tektronix设计的TCP202便是一种DC耦合电流探针,其拥有高达50MHz的DC带宽。LLC谐振回路电流频率为100kHz.电流探针具有较高的性能,可以显示近似真实的电流波形。只需要一条短线,把它与回路中的其它组件串联在一起,这样便组成了一个最低成本的电流波形观察方法。但是,电流探针测量的电流信号不能用于其它目的,例如:回路控制、保护电路等。

UCC25600 300W EVM演示了前面的分析。图5中,使用不同方法对谐振回路电流进行测量。CH2和CH3均由CT测量,差别是,差分电压探针用于对CH2中CT输出端的电压信号进行采样,而共模电压探针则用于对CH3中CT输出端的电压信号进行采样。CH4通过电流探针直接测量。图5(b)和5(c)中,单独测量CH2和CH3,但在图5(d)中,同时对它们进行测量。在图5(a)中,相比CH4,可在CH3中看到大电流脉冲,其为严重噪声。在图5(b)和图5(c)中,相比CH3,CH2的电流脉冲得到极大降低,因为消除了共模噪声;但是,差模噪声仍然存在,因此CH2的电流脉冲大于CH4.在图5(d)中,CH2和CH3同时被测量,因为在内部示波器,所有示波器探针接地均连接。CH3的共模噪声会影响CH2.图5(d)中CH2和CH3的波形相同,其表明在图5(b)和图5(c)中,CH3和CH2的共模噪声结果相同。


图5使用不同方法对谐振回路电流进行测量

根据实验结果,前述分析得到了证实。在低电流条件下使用功率电阻方法,而采样电流信号可用于实现其它功能。在高电流条件下使用CT,采样电流信号可用于实现其它功能。如果给CT添加补偿和滤波器,则效果更好。在所有情况下都可以使用电流探针,但其采样电流信号不可以用于其它功能。

请注意:推荐使用小范围电流探针来测量低电流。同样,推荐使用大范围电流探针来测量高电流。

4实验

为了验证第2小节的分析结果,我们使用TI的LLC谐振半桥转换器300W评估模件来获得7组数据。所有参数均经过设计和优化,Lr = 55 ?H、Lm = 280 ?H、Cr = 24 nF、Cs1 = 340 pF,并且必须测量出Vin, VCr和ILr.

图6显示了谐振回路电流、DS电压和VCr(ZVS期间波形),其中,CH2为谐振回路电流波形。在图6(a)中,CH1为DS电压波形。在图6(b)中,CH1为Cr波形的电压。通过电流探针测量谐振回路电流,并使用差分电压探针来测量DS电压和Cr电压。

表1列出了所有数据:ILr1为ZVS之初ILr的值,ILr2为ZVS结束时ILr的值,而ΔIcal则为通过方程式13到方程20计算的结果。由于这些方程式都太复杂,因此我们使用Mathcad来简化计算。对比ΔI和ΔIcal我们可以知道,ΔIcal接近于ΔI,这表明第2小节中参考文献「3」的分析是正确和合理的。ΔIcal和ΔI的差值由寄生参数和测量误差所造成。


图6谐振回路电流、DS电压及ZVS期间VCr波形

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