无损耗DC过流检测器

为了检测高DC电流，设计人员通常用并联电阻器或霍尔基电流感测器。但是，并联电阻器受I2R损耗影响并且需要在插入的地方开路。而霍尔基电流感测器成本高。然而，饱和电抗器基(或磁放大器基)电流感测器可以克服上述限制。因此，对于不可能开路的应用，这是一种有吸引力的低成本、高效DC电流监控方案。

如图1所示，电路的关键元件是单向饱和电抗器：当DC电流(IDC)流经其控制线圈，在磁心中心引线上的NDC=1时，所产生的磁通在外引线中分为两个相同的磁通。因此，两个外引线以相同的大小被磁化。次级绕组称之为“AC负载绕组”(NAC=2×30圈)，它也分成两个相同的串联连接半绕组，放置在两上外引线上。

用这样的配置，使“AC负载绕组”的自电感范围从最大值(当IDC=0时)到最小值(当IDC变换磁路中饱和区域的工作点时)。因此，饱和电抗器或磁放大器相当于1个DC电流一自电感转换器。

两个AC负载绕组串联连接，所以，磁通是在磁芯的圈线的同方向和在中心引线的相反方向流。因此，这两个磁通量在中心引线中抵消。抑制反向变压器作用。所以饱和电抗器是单向的。

假定对于典型铁氧体材料，达到饱和(HMAX)所需的磁动力是200A/m，则可以确定E磁芯的大小。若最大所感测的DC电流是IDCMAX，根据安培定理可得到磁芯有效长度：

　Le=(nDC×IDCMAX)/HMAX           (1)

我们的目的是检测1~10ADC电流。对于IDCMAX=10A，从方程(1)可得Le=50mm。

“饱和电抗器”只实现DC电流到自电感转换，其他数字处理需要数字变换所希望的DC电流。用两步处理做此工作：

·自电感变量变换为频率偏移。

·用数字相位/频率比较器对频率偏移和参考频率进行比较产生所希望的数字形式的“过流”信息。

为了实现第1步处理，饱和电抗器的AC负载绕组构成Colpitts振荡器的自电感。在图1中，Colpitts振荡器是由1个非缓冲CMOS反向器(IC11)和有关振荡回路(2个22nF反馈电容器，AC负载绕组线圈)组成。用这种配置，输出频率由下式给出：

对于0~10ADC电流，AC负载绕组的自电感变化为2.3~0.75mH，所产生的振荡频率范围为31~55KHz。

为了实现处理的第2步，用CMOS PLL(IC2)数字相位/频率比较器对Colpitts振荡器频率与参考频率进行比较。参考频率是由CD4046B的内部VCO产生的。用电位器T(4.7KΩ)可以调节参考频率在31和56KHz之间。根据调节器设置，当所监控的DC电流(IDC)超过限制1~10A时，数字相位/频率比较器输出(过流输出)变高态。■(峰)