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1、谐振回路电流 ( ) 分析与测量作者： 和 ， 德州仪器 () 电源管理场应用摘要在许多应用中，都要求前端转换器具备宽输入电压范围和高效率。由于在宽输入电压范围时效率较低，因此大多数 转换器都不能满足这些要求。因其电压增益特性和小开关损耗特点，人们提出使用来实现高效率和宽输入电压范围要求【】。这篇应用报告为您介绍对谐振回路电流的分析。文章讨论和比较了功率电阻、电流变换器和电流探针三种电流测量方法，并介绍了这些电流测量方法的优点、缺点和应用情况。实验结果与理论分析相一致。1 引言是前端转换器的最佳备选项，它可以满足宽输入电压范围和高效率要求。专为使用谐振拓扑结构的应用而设计，特别是半桥谐振转换器
2、。这种高度集成的控制器只有支引脚，并使用小尺寸封装，它可以极大简化系统设计和布局，同时还可以缩短产品上市时间【】。因此，我们把半桥谐振转换器作为一个例子，来分析谐振回路电流。2 谐振回路电流分析图为一个谐振半桥转换器电路。l 和为一次。l 和为漏极和源极之间的寄生电容器。l 和为的体二极管。l 和为谐振电感器和谐振电容器。l 为变压器的磁电感器。l 为一次和二次线圈的匝数比l 二次整流器包含和。l 为输出电容器。l 为负载。l 为输入电压，而则为输出电压。图 谐振半桥转换器谐振转换器共有个谐振频率：一个由和产生，如方程式所示；另一个由、和产生，如方程式所示。一般而言，按照设计，正常输入电压时工
3、作在频率下，从而实现最佳效率。开关频率大于。一次的可以实现，但是二次二极管的无法实现；它被称作串联谐振。当开关频率低于但高于时，可以同时实现和。由于某个时间内会出现、和谐振，因此它被称作串联谐振。在参考文献【】中，大部分负载范围的开关频率均低于，因此本应用报告会对频率低于的工作情况进行分析。图为的波形，半周期被划分为四部分。考虑到至的电压峰值，该周期情况如下图所示。所有方程式表明了功率参数的关系。图 ，因此在该周期内，几乎不变；可以把它看作是一个电压源。图显示了一个简化版电路。图 的简化版电路所有参数如方程式和所示，谐振频率等于方程式。由于，远远大于和。其中，我们对该周期内谐振回路电流值的变化
4、进行研究，因此要求一个方程式来描述时域谐振回路电流。该周期的实际开始时间为，结束时间为。为了简化计算过程，假设周期开始时间为，则结束时间为。时间为时，的电压为，谐振回路电流为，因此。时间时，的电压为，因此。根据方程式，（）为：其中，和为常量。我们定义，因此方程式可以得到简化。（）表示为方程式。分别代入方程式和中，常量系数和推导得：放入方程式。根据方程式，可推导出（ ） 和（ ）。（）如方程式所示。由于推导得到所有参数，因此可得到（）的确切值。本周期内谐振回路电流的变化被称作，其如下所示：一般而言，谐振回路电流分析常常会忽略，因为它的值小于谐振回路电流的峰值，并且这种过渡周期远短于开关周期。但是
5、，这种短过渡周期会给测量电路带来噪声。前述方程式可以验证测量结果是否为真。当为假时，应改进测量电路。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。l 小容限功率电阻l 电流变换器（）l 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 电流变
6、换器等效模型第二种方法是电流变换器（），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，相比谐振回路的和，的磁电感小到可以忽略不计。但是，由于许多寄生参数原因，并非是一种最佳解决方案。图显示了的等效模型。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。图中：l 为一次线圈和二次线圈之间的寄生电容。l 为一次侧的寄生电容。l 为二次侧的寄生电容。l 为的磁电感。l 为采样电阻。当使用硬开关开启或者关闭时，电路状态立刻剧烈变化。这时，产生大量的开关噪声。这种噪声通过耦合到的二次侧。另外，噪声还流经和。和也受到影响。如果使用通用电压
7、探针来测量的电压，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，设计的便是一种耦合电流探针，其拥有高达的带宽。谐振回路电流频率为。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。 演示了前面的
8、分析。图中，使用不同方法对谐振回路电流进行测量。和均由测量，差别是，“差分”电压探针用于对中输出端的电压信号进行采样，而“共模”电压探针则用于对中输出端的电压信号进行采样。通过电流探针直接测量。图（）和（）中，单独测量和，但在图（）中，同时对它们进行测量。在图（）中，相比，可在中看到大电流脉冲，其为严重噪声。在图（）和图（）中，相比，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，因此的电流脉冲大于。在图（）中，和同时被测量，因为在内部示波器，所有示波器探针接地均连接。的共模噪声会影响。图（）中和的波形相同，其表明在图（）和图（）中，和的共模噪声结果相同。图 使用不同方法对
9、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，采样电流信号可用于实现其它功能。如果给添加补偿和滤波器，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 实验为了验证第小节的分析结果，我们使用的谐振半桥转换器评估模件来获得组数据。所有参数均经过设计和优化， 、 、 、 ，并且必须测量出, 和。图显示了谐振回路电流、电压和（期间波形），其中，为谐振回路电流波形。在图（）中，为电压波形。在
10、图（）中，为波形的电压。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电压和电压。表列出了所有数据：为之初的值，为结束时的值，而则为通过方程式到方程计算的结果。由于这些方程式都太复杂，因此我们使用来简化计算。对比和我们可以知道，接近于，这表明第小节中参考文献【】的分析是正确和合理的。和的差值由寄生参数和测量误差所造成。图 谐振回路电流、电压及期间波形表 参数值5 结论可以提供宽输入电压范围的高效率。我们分析了的谐振回路电流，并通过大量方程式说明了所有电能参数的关系。文章讨论了三种电流测量方法及其应用、优点和缺点。实验结果证明了分析的正确性。参考文献【】宽负载范围谐振转换器的高效率优化，作者： 。美国弗吉尼亚州布莱克斯堡：年弗吉尼亚理工学院及州立大学硕士学位论文。【】引脚高性能谐振模式控制器。年月 产品说明书（），年月修订。【】谐振半桥转换器评估模块。年月 用户指南（）。
