CN101593618B - 具电流感测功能的电感器及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电流感测功能的电感器，包括有一电感线圈以及一检测线圈。其中该检测线圈电磁性地耦接于该电感线圈，藉由检测线圈上的感应电压以抵销电感线圈上的感应电压，来提供一个电阻性的电压降；该检测线圈并包含一具有较高直流电阻的无感部分，该直流电阻与该电感线圈的电阻成一定比例。

Description

具电流感测功能的电感器及其电路

技术领域

本发明是关于一种电感器及其电路的设计架构，尤指一种具有电流感测功能的电感器及其电路。

背景技术

电感器普遍应用于切换式功率转换电路(Switched Mode Power conversionCircuit)上，用以储存能量以及过滤电路上的电压和电流。以目前的应用来看，流经电感器的瞬间电流是一个重要参数，其对一般的控制电路操作方面有很大的影响，因此业界纷纷提出测量电感器上电流的方法，期望能精确获知电感器电流以使电路能正常操作。

请参考图1，该图为现有电流感测电路的一具体实施例电路图，其中该电路显示了降压或顺向式转换器(Buck or Forward Converter)的输出部分。如图1所示，电流感测电路1包括有一电感器11、一电流感测电阻12以及一放大器15。所述的电感器11包括一感应式线圈111及表示其线圈上的电阻113。电感器11上的电流会传送到一电容13，而该电流感测电阻12即设置于电流传送的路径上。当电流流经电流感测电阻12的同时，会造成电流感测电阻12两端的电压有少部分的落差，之后藉由放大器15耦接于电流感测电阻12的两端以感测出上述电压的微量落差，并将电压差放大以提供给其它控制电路(图中未示)使用。

虽然电流感测电阻12两端的电压差值极小，但当电感器11上的电流很大的时候，电路上功率的损失亦会随之增大。例如，在电流感测电阻12两端的电压差值为50mV，且电感器11上的电流为20A的情况下，将会产生1W的功率损失值。

接着，请参阅图2，该图为现有电流感测电路的另一具体实施例电路图，其中该电路显示了降压或顺向式转换器(Buck or Forward Converter)的输出部分。如图2所示，电流感测电路2包括有一电感器21、一电流感测变压器22、一放大器25、一整流二极管27以及一电流感测电阻29。所述的电感器21包括一感应式线圈211及其线圈上的电阻213。电感器21上的电流会传送到一电容23，而该电流感测变压器22即设置于电流传送的路径上。当电流流经电流感测变压器22的同时，电流会经由整流二极管27而流至电流感测电阻29，如此于电流感测电阻29的两端会产生较大的电压差，之后藉由放大器25感测出上述电压的落差后，并将其放大以提供给其它控制电路(图中未示)使用。

相较于图1，图2藉由电流感测变压器22的圈数比(turn-ratio)，放大电流感测电阻29两端的电压落差，使得电流感测变压器22的初级绕组221的电压落差值减少许多，进而解决电路上功率损失的问题。然而，图2的设计架构不适用于连续电感电流模式(Continuous-Inductor-Current-Mode)操作，因为连续的直流电感电流会引致电流感测变压器22磁饱和而使得电路无法运作。而使用不连续电感电流模式时，当电感电流中断时，整流二极管27会允许电流感测变压器22电磁性地重置。

再来，请参考图3，该图为现有电流感测电路的又一具体实施例电路图，其中该电路显示了降压或顺向式转换器(Buck or Forward Converter)的输出部分。如图3所示，电流感测电路3包括有一电感器31、一低通滤波器(Low-passFilter)32以及一放大器35。所述的电感器31包括一感应式线圈311及其线圈上的电阻313，其中电阻313可视为一电流感测电阻，流经其上的电流会传送到一电容33；而低通滤波器32包括一串联电阻321以及一并联电容323，用来感测电阻313两端微量的电压差。电感器31上的电压经由低通滤波器32而提供给放大器35，由放大器35耦接于电感器31以及低通滤波器32之间，以将所接收到的电压差放大后输出给其它控制电路(图中未示)使用。

因为低通滤波器32把存在于感应式线圈311两端的强大交流电压滤除，因而使得电阻313两端的微小直流电压差较易检测，可以免除了一个外加电阻，进而解决电路上功率损失的问题。但由于低通滤波器32会严重延迟电路的响应时间，且电阻313的大小容易随着铜线温度而改变，如此亦增加电流感测的误差。

承上所述，目前提出的电流感测电路皆有其各自的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种具有电流感测功能的电感器，该电感器中增加一额外的线圈来抵消电感电压，进而利用其余下的电阻性电压降作为电流检测，免除了外加的感测电阻器或低通滤波电路，以避免现有技术存在的，如额外功率损耗及响应时间延迟等缺失。

本发明的又一目的在于提供一种具有电流感测功能的电感器及其应用电路，俾能完善以上所述的电阻性电压降的温度特性。本发明是揭示一种具有电流感测功能的电感器，该电感器于原电感线圈之外加设一检测线圈，该检测线圈与该电感线圈串联成一串行并电磁性地耦接于该电感线圈，使得电感线圈的电磁感应电压被检测线圈的感应电压相抵销，而不在该串行的两端显现，该串行的两端因而只显现在电感线圈上的电阻性电压降，可用作电流检测，免除了外加的感测电阻器或低通滤波电路。

本发明又揭示一种如以上所述的电感器，该电感器的检测线圈由一互感部分以及一无感部分组成，其中互感部分电磁性地耦接于电感线圈，无感部分串接于互感部分，可藉由线材及匝数的选择使其具有较高直流电阻值，该无感部分与电感线圈之间没有电磁互感。该检测线圈与该电感线圈串联成一串行，使得电感线圈的电磁感应电压被检测线圈的互感部分的感应电压相抵销，而不在该串行的两端显现，该串行的两端因而只显现在该电感线圈及该检测线圈(主要是其无感部分)上的电阻性电压降，当一参考电流流过检测线圈时，在检测线圈的无感部分会展开一个参考电压，可用以抵销因一电感电流流经电感线圈所产生的电压降，因此当该串行两端的电压为零时，可知该电感电流与该参考电流成一已知比例，而该比例由该电感线圈与该检测线圈的无感部分的绕组电阻所决定，在一致的工作温度之下，不因整体温度的变化而漂移，因此可藉该串行两端的电位差进行电流检测，免除了外加的感测电阻器或低通滤波电路。

本发明更揭示一种如以上所述的电感器，该等电感器并包括有一励磁线圈，电磁性地耦接于该电感线圈，以便配合实际电路需要、作为耦合电感器或变压器之用。

本发明另揭示以上电感器的一种应用电路，利用一参考电流、流经所述检测线圈，以产生一电压降，用于抵销一因电感器电流流经电感线圈所产生的电压降。当该等电压降完全相互抵销时，所述的串行两端电位差为零，可藉由一放大器检知，以检定该电感器电流与该参考电流成该所述的已知比例。

以上的概述与接下来的详细说明及附图，皆是为了能进一步说明本发明为达成预定目的所采取的方式、手段及功效。而有关本发明的其它目的及优点，将在后续的说明及图式中加以阐述。

附图说明

图1为现有技术电流感测电路的一具体实施例电路图；

图2为现有技术电流感测电路的另一具体实施例电路图；

图3为现有技术电流感测电路的又一具体实施例电路图；

图4为本发明所揭示的电流感测电路的一具体实施例电路图；以及

图5为本发明所揭示的电流感测电路的另一具体实施电路图。

【主要组件符号说明】

现有技术：

电流感测电路1

电感器11

感应式线圈111                    电阻113

电流感测电阻12

电容13

放大器15

电流感测电路2

电感器21

感应式线圈211                    电阻213

电流感测变压器22

电流感测变压器初级绕组221

电容23

放大器25

整流二极管27

电流感测电阻29

电流感测电路3

电感器31

感应式线圈311                    电阻313

低通滤波器32

串联电阻321                      并联电容323

电容33

放大器35

本发明：

电流感测电路4

电感器41

第一互感部分411

第一绕组电阻413

第二互感部分415

无感部分417

第二绕组电阻419电容43

放大器45

参考电流47

电流感测电路5

电感器51

励磁线圈521

第一互感部分511

第一绕组电阻513

第二互感部分515

无感部分517

第二绕组电阻519

放大器55                         参考电流57

具体实施方式

本发明所提出的电感器及电流感测电路，是在电感器中增加一检测线圈并以其感应电压来抵销原本电感线圈中的感应电压，以便提供一个纯净的电阻性电压降，用作电流检测，免除了外加的感测电阻器或低通滤波电路，以避免现有技术存在的、如额外功率损耗或响应时间延迟等缺失。

本发明主要技术特征在于电感器的设计及其应用于电流感测电路的态样，以下就仅提出必要的电路架构部分，然而，熟悉该项技术的人员应当知道，除了以下所提及的构件，电流感测电路中当然包括其它的必要组件，因此，不应以本实施例揭露者为限。

首先，请参阅图4，该图为本发明所揭示的电流感测电路的一具体实施例电路图。如图4所示，电流检测电路4特别具有一电感器41以及一放大器45。所述的电感器41包括一由一第一互感部分411及一第一绕组电阻413组成的电感线圈、一由一第二绕组电阻419、一第二互感部分415及一无感部分417组成的检测线圈，其中所述的第二互感部分415电磁性地耦接于第一互感部分411，而无感部分417串接于第二互感部分415，但与第一互感部分411没有电磁互感。具体来说，第一绕组电阻413的功能类似于一般的电流感测电阻，流经其上的电流会传送到一电容43。放大器45耦接于电感线圈411、413以及上述检测线圈415、417、419所串联而成的一串行两端，横跨第一互感部分411以及第一绕组电阻413的电压会经由第二互感部分415、无感部分417以及第二绕组电阻419耦合到上述的放大器45，并经其放大后供给其它控制电路(图中未示)使用。

于本实施例中，第二互感部分415用来感应出一等同于第一互感部分411的电压，因此第一互感部分411两端的电压值会被第二互感部分415的电压值相抵销，而不会在放大器45的输入端出现。

电流感测电路4上存在一稳定的参考电流47，因此第二绕组电阻419两端的电压亦是固定的，藉由适当调整参考电流47的大小，使得第二绕组电阻419的电压可用来削减第一绕组电阻413上的电压，因此放大器45可以精确地感测出在适当调整参考电流47的情况下流经电感线圈411、413上的电流大小。在本实施例中，无感部分417可藉由使用较细的线材及较多的匝数，使第二绕组电阻419远高于第一绕组电阻413，进而使参考电流47远小于电感线圈411、413的电流值，如此可减少能量损失的情况。

接着，请参考图5，该图为本发明所揭示的电流感测电路的另一具体实施电路图。如图5所示，电流感测电路5特别具有一电感器51以及一放大器55。所述的电感器51包括一励磁线圈521、一由一第一互感部分511及一第一绕组电阻513组成的电感线圈、一由一第二绕组电阻519、一由一第二互感部分515及一无感部分517组成的检测线圈，其中所述的第二互感部分515电磁性地耦接于第一互感部分511，而无感部分517串接于第二互感部分515，但与第一互感部分511没有电磁互感。具体来说，第一绕组电阻513的功能类似于一般的电流感测电阻。于本实施例中，励磁线圈521与第一互感部分511相互电磁性地耦接，可用作一返驰式转换器电路(Flyback Converter Circuit)中的一耦合电感器(Coupled Inductor)，或一顺向式转换器电路(Forward ConverterCircuit)中的一顺向变压器(Forward Transform)。其中，电流会藉由整流及滤波电路(图中未示)经电感线圈511、513流到输出电路(图中未示)。

放大器55耦接于电感线圈511、513以及上述检测线圈515、517、519串联而成的一串行两端，横跨第一互感部分511以及第一绕组电阻513的电压会经由第二互感部分515、无感部分517以及第二绕组电阻519耦合到上述的放大器55，并经其放大后供给其它控制电路(图中未示)使用。

于本实施例中，第二互感部分515用来感应出一等同于第一互感部分511的电压，因此第一互感部分511两端的电压值会被第二互感部分515的电压值相抵销，而不会在放大器55的输入端出现。

电流感测电路5上存在一稳定的参考电流57，因此第二绕组电阻519两端的电压亦是固定的，藉由适当调整参考电流57的大小，第二绕组电阻519的电压可用来削减第一绕组电阻513上的电压，因此放大器55可以精确地感测出在适当调整参考电流57的情况下流经电感线圈511、513的电流大小。

于本实施例中，无感部分517可藉由使用较细的线材及较多匝数，使第二绕组电阻519远高于第一绕组电阻513，进而使参考电流57远小于电感线圈511、513的电流值，如此可减少能量损失的情况。藉由以上实例详述，当可知悉本发明的电感器及电流感测电路，是在电感器中增设一检测线圈来取代现有电路中的电流感测电阻或低通滤波器，如此可准确感测出电感器电流，并兼顾减少能量损失以及避免电路响应时间延迟的功效。而其中所述的如检测线圈的无感部分、检测线圈的绕组电阻、及参考电流等，均为本发明的结构改良，并非不能减省的必要部分。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种电感器，其特征在于，包括有：

一电感线圈；以及

一检测线圈，该检测线圈由一互感部分以及一无感部分组成，其中该互感部分电磁性地耦接于该电感线圈，而该无感部分串接于该互感部分；

其中，该检测线圈与该电感线圈串联连接成一串行，使得该电感线圈的电磁感应电压被该检测线圈的感应电压相抵销，而不在该串行的两端显现。

2.如权利要求1所述的电感器，其特征在于，更包括有：

一励磁线圈，电磁性地耦接于该电感线圈。

3.一种电流感测电路，其特征在于，包括有：

一如权利要求1或2所述的电感器；

一参考电流，流经该检测线圈；以及

一放大器，其输入端耦接于该串行两端，用于检测其间的电位差，以作电流感测之用。

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