利用电流互感器检测交流电流算法步骤解析 - 全文

　　常用的电流互感器检测电路分析

　　在高频开关电源中，需要检测出开关管、电感等元器件的电流提供给控制、保护电路使用。电流检测方法有电流互感器、霍尔元件和直接电阻取样。采用霍尔元件取样，控制和主功率电路有隔离，可以检出直流信号，信号还原性好，但有μs级的延迟，并且价格比较贵；采用电阻取样价格非常便宜，信号还原性好，但是控制电路和主功率电路不隔离，功耗比较大。

　　电流互感器具有能耗小、频带宽、信号还原性好、价格便宜、控制和主功率电路隔离等诸多优点。在Push-Pull、Bridge等双端变换器中，功率变压器原边流过正负对称的双极性电流脉冲，没有直流分量，电流互感器可以得到很好的应用。但在Buck、Boost等单端应用场合，开关器件中流过单极性电流脉冲；原边包含的直流分量不能在副边检出信号中反映出来，还有可能造成电流互感器磁芯单向饱和；为此需要对电流互感器构成的检测电路进行一些改进。

　　2 电流互感器检测单极性电流脉冲的应用电路分析根据电流互感器磁芯复位方法的不同，可有两种电路形式：自复位与强迫复位。自复位在电流互感器原边电流脉冲消失后，利用激磁电流通过电流互感器副边的开路阻抗产生的负向电压实现复位，复位电压大小与激磁电流和电流互感器开路阻抗有关。强迫复位电路在原边直流脉冲消失期间，外加一个大的复位电压，实现磁芯短时间内快速复位。

　　2.1 电流互感器检测电路

　　常用的电流互感器检测电路如图1（a）所示。 图1（b）表示原边有电流脉冲时的等效电路，电流互感器简化为理想变压器与励磁电感m模型，s为取样电阻。

　　当占空比《0.5时，在电流互感器原边电流脉冲消失后，磁芯依靠励磁电流流过采样电阻s产生负的伏秒值，实现自复位〔如图1（d1）～（i1）所示〕，由于采样电阻s很小，所以负向复位电压较小；当电流脉冲占空比很大时（》0.5），复位时间很短，没有足够的复位伏秒值，使得磁芯中直流分量d增大，有可能造成磁芯逐渐正向偏磁饱和〔如图1（d2）～（i2）所示〕，失去检测的作用，所以自复位只能应用于电流脉冲占空比《0.5的场合。

　　（a）检测电路 （b）原边有脉冲时等效电路 （c）磁芯复位时等效电路

　　图1 常用的电流互感器检测电路分析

　　可以看出，此电路对于检测单极性直流脉冲存在诸多缺点。励磁电感电流m中存在直流分量d，容易导致磁芯饱和。输出电压信号R为双极性，不便于后级电路处理。

　　2.2 改进的自复位电流互感器

　　为了实现输出电压R的单极性输出，在电流互感器端加上一个二极管，根据原边输入电流1与输出电压R的相位的不同、信号地位置的不同，可有4种电路结构，如图2所示。

　　图2 改进的电流互感器检测电路

　　对图2（c）的电路工作过程进行分析，电路在一个脉冲周期内的工作波形如图3所示。

　　（a）检测电路 （b）原边有脉冲时等效电路

　　磁芯复位时等效电路 图3 改进的电流互感器检测电路分析

　　图3（c）表示电流互感器磁芯复位时的等效电路，T为电流互感器副边分布电容，D为二极管结电容。图3（d）～（i）绘出了占空比小时，磁芯充分复位的各参数波形。

　　在电流互感器原边电流脉冲消失后，磁芯的复位依靠励磁电流在m、T、D中谐振产生负的复位电压值，实现自复位，如图3（g）所示。m、T构成的谐振电路特征阻抗远大于s，所以复位效果好于图1电路。但是，谐振产生的复位电压并不是很大，当脉冲占空比很大时，复位时间很短，仍有可能造成磁芯逐渐正向偏磁饱和，所以也只能应用于电流脉冲占空比《0.5的场合。

　　由于互感器副边线圈匝数很多，分布电容大，谐振电流主要从电流互感器流过；流经s、D支路的电流很小，并且s很小，所以复位电流经D支路的谐振电流在s上产生的负向电压可以忽略，取样输出电压R波形如图3（h）所示。因为二极管的作用，输出电压信号R为单极性，其幅值与原边电流信号脉动量成正比，便于后级电路处理。

　　电流互感器用于检测智能电表中的交流电流解析方案

　　兼容直流的电流互感器一直用于检测智能电表中的交流电流，但它有一些缺点，而且很昂贵。对于某些应用，分流电阻是更好的电流传感器选择，因为它价格低廉、具有高线性度并且抗磁场干扰。遗憾的是，分流电阻不具有电流互感器所固有的电气隔离特性。在要求隔离的智能电表等应用中，采用隔离电源技术的数字隔离器与分流电阻结合可提供一种良好的解决方案。

　　单相防窃电智能电表

　　模拟前端（AFE） IC利用分流电阻测量相位电流，并利用一个简单的分压器测量相位电压，从而计算电能并监控负载的质量。在这种应用中，电力线相位电压用作AFE的接地参考。零线电流测量必须隔离，从而保护AFE免受高压影响。AFE利用标准SPI或I2C通信将计算得到的电气量传输给微控制器（MCU）。然后，MCU将数据发送到通信模块，通常使用UART接口，必须确保安全隔离并避免接地环路。因此，MCU必须与AFE隔离，与通信模块共地，或者与通信模块隔离，与AFE共地。

　　电表电源从电力线获得，但安全隔离栅会产生两个电源域。图1中的PS1与相电源是同一电源域，可以直接使用而无需隔离AFE。然而，安全隔离栅1或2则需要使用隔离电源PS2来为MCU和通信模块提供电源，或者仅为通信模块供电。

　　总而言之，单相防窃电电表中有多个点需要隔离：

　　●零线电流检测

　　●AFE与MCU（隔离1）之间或MCU与通信模块之间

　　必须通过隔离栅1和2的信号是数字信号。为了隔离数字信号，已经开发出许多技术。传统方法使用带LED和光电二极管的光耦合器，较新的技术则是使用芯片级变压器的数字隔离器。例如，与光耦合器相比，iCoupler数字隔离器具有许多优势，包括：更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、时序精度更佳、易于使用。芯片级隔离技术也可以与其他半导体电路结合，实现小尺寸、高集成度解决方案。在数据速率较高的应用中，这些优势尤其显著。智能电能计量就是这样一种应用，目前新式电表需要更高的实时信息流量。

　　芯片级变压器也可以用在隔离式DC-DC转换器中，从而将数据和电源隔离集成到单个封装中。iCoupler产品就有这种能力，isoPower隔离式 DC-DC转换器可集成到隔离式数据通道所在的同一薄型表贴封装中。考虑上例中的零线电流检测。传统上使用电流互感器，因为它本身能够提供隔离，但电流互感器必须为直流兼容型以免饱和，这会提高其成本。此外，它还会引入相位延迟，相位延迟随频率成分不同而异，因此难以在整个频谱范围内进行补偿。分流电阻具 有明显的优势。不仅价格低廉，不受外部交流或直流磁场的影响，而且与用于检测相电流的分流电阻具有相同的特性。然而，分流电阻本身不具隔离性。使用集成 DC-DC转换器和隔离数据通道的数字隔离器可以解决这一问题。这样就产生一种新的单相防窃电智能电表结构。

　　新结构利用AFE1测量从线路电流获得的电气量，利用AFE2测量从零线电流获得的电气量。两个电流均利用不受外部磁场影响的分流电阻测量，从而消除窃电之忧。AFE2利用一个IC接收功率，该IC包含一个基于数字隔离器的隔离电源。它利用嵌入同一IC并采用相同技术的隔离数据通道与MCU通信。

　　可以将同样的方法（IC同时包含隔离电源和隔离数据通道）应用于通信模块，因为它也需要一个隔离电源并通过隔离栅进行数据通信。

　　与大型、昂贵、难以通过认证的隔离电源相比，这种方法的优势显而易见。数字隔离技术造就了业界最小的UL认证DC-DC转换器，这些IC具有很高的热稳定性和机械稳定性、出色的耐化学腐蚀性以及良好的ESD性能。设计工程师现在可以集中精力改善系统设计，而无需担心隔离问题。

　　三相智能电表

　　对于三相智能电表，可以采用同样的方法。在传统的四线系统中，零线被选作电表AFE的接地参考。相电流利用电流互感器测量。电源利用所有三相创建两个电源域：一个为AFE供电，一个为通信模块供电，电源必须进行隔离以保证安全。MCU可以置于任一电源域中，因此AFE与MCU之间（隔离1）或MCU与通 信模块之间都存在一个隔离栅。

　　类似于单相防窃电电表所采用的方法，利用数字隔离技术，可以将电流传感器替换为使用分流电阻的隔离模块，通信模块可以利用包含隔离电源和数据通道（可通过隔离栅通信）的IC供电并与MCU通信。

　　结束语

　　分流电阻和芯片级数字隔离器完全可以取代直流兼容型电流互感器，同时实现数据隔离和电源隔离。数字隔离器优于传统的光耦合器，并且支持多种串行通信：SPI、I2C或UART。数字隔离器性能更高、更易使用、更加可靠，堪称光耦合器的真正替代产品。

　　数字隔离器使智能电表的系统架构发生如下变化：

　　●相电流和零线电流可以利用分流电阻检测，从而消除通过磁场干扰窃电的风险，以及处理电流互感器相位延迟的难题。

　　●使用UL认证的IC，单相和三相电表均可以使用单一主电源。特别是在三相电表中，这可以显著缩小电源尺寸，使电表外壳尺寸更小。