20170428-开关电源中的电流互感器设计步骤

开关电源中的电流互感器设计步骤

普高（杭州）科技开发有限公司张兴柱博士

开关电源中电流互感器的设计步骤：

c

(a) 取样电路等效 (b) 典型波形

图1：电流互感器取样电路的及其典型波形

尽管也可以与变压器类似的去推导电流互感器的铁芯面积积设计公式，但由于电流互感器的功率很小，而且又有具体的一些限制，所以可将其设计作一些简化，下面给出图1这种去磁方式电流互感器的设计步骤：

第一步：给出具体变换器中电流互感器取样电路的波形

如该例子中的图1(b)。

第二步：根据电流互感器的特点选择：

（1）：高导磁率材料的铁芯，以便其副边的激磁电感尽可能大；

（2）：为加工方便，要尽量减少原副边的匝数，所以可取原边的匝数为一匝。

第三步：计算副边的匝数：

按下列原则选择一个合适的副边匝数s N

（1）：s N越大，其副边的激磁电感就越大，激磁电流的平均值就越小，电流互感器的精度就越高；

（2）：s N越大，电流互感器的制作就越困难，电流互感器的成本就越高。

所以s N的选取原则是在满足电流的取样精度要求下，尽可能少。

第四步：计算原副边绕组的线径：

原边绕组的直径：J I d prms

p π4=

副边绕组的直径：J

I d srms

s π4=

其中原副边的有效值电流：原边电流有效值电流按开关S 中的最大值计算，副边电

流的有效值prms s

srms I N I 1

≈

，一般副边电流的有效值很小，其线径应以绕制方便来选 择，而原边电流的有效值可能很大，但只有一匝，所以有时也可用单根线。 第五步：决定取样电阻和稳压管参数 取样电阻：s ppeak

c c N i V R max

=

其中：max c V 为由PWM 控制IC 决定的电压， ppeak i 为S 中开关电流的最大峰值。 稳压管：max

max max 1)

7.0(D V D V c z −+≥

其中： max D 为S 的最大占空比。 第六步：选择铁芯的参数：

根据法拉第定律：s

r m c s

c s c DT B B A N t B A N V )

(7.0max −×=∆∆×=+ 所以有：max max 7

.0)(D f N V B B A s

s c r m c ×+=

−×

当磁密单位采用（Gass ），电压单位采用（V ），频率单位采用（Hz ），截面积单位采

用（2

cm ）时，上式要加一个系数，如下： 8max max 107

.0)(××+=

−×D f N V B B A s

s c r m c （1）

如果铁芯材料已经选定，则可从其手册中获得r B ，再选sat m B B <，就可由下式计算： 28max max )(10)(7

.0cm D f B B N V A s

r m s c c ××−×+=

（2）

根据计算的截面积c A ，选择一个环形铁芯，并按第七步进行检验。 第七步：检验设计： （1）：检查窗口系数：

4.0<×+=

a

ws

s wp W A N A K （3）

其中：wp A 、ws A 分别为原副边绕组的面积，a W 为铁芯的窗口面积。

如上式成立，则再检查电流互感器的精度是否满足，如上式不成立，则选择一个大 一点的铁芯，使上式成立。

（2）：检查电流误差：

计算副边的激磁电感：)(2H l A N L m

c s o r ms ×=µµ

计算激磁电流的平均值：)(2)7.0(max max A L T D V i ms

s

c ms +≈

计算电流误差：%100×=

s

ms

i i α 如满足精度要求，则设计成功；否则需选择更大的铁芯或选择更多的副边匝数，

使其满足为止。

在设计完电流互感器后，可以按设计的参数制作一个电流互感器，再在实际电路中去观察取样电流信号的波形，只有在所有工作状态下，所取样的电流信号均不失真，而且满足精度要求时，电流互感器的设计才是成功的，否则的话就要继续修正其参数，直到满足要求为止。目前在开关电源中所用的多数电流互感器已有标准件，可直接从生产厂家购买。但开发人员还是应该掌握它的设计方法，以便设计一些非标准的电流互感器。