开关电源电流互感器怎么选:匝比、采样电阻与复位的计算笔记

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开关电源里用电流互感器做逐周期限流,选型顺序是倒着走的:先拿控制器 CS 脚的门限和目标峰值电流,算出匝比和采样电阻,再挑尺寸。以 VOOHU沃虎 的 WHPT-EE050-009 为例,它是 EE5 尺寸、1:100、额定 20 A、次级电感 2000 µH、隔离 1000 VAC,一次侧 20 A 峰值时次级约 0.2 A,想在 CS 脚看到 1 V,采样电阻第一版取 5 Ω。

这个 5 Ω 只是起点。CS 脚上的真实电压还要扣掉整流二极管压降,叠上励磁电流误差、电阻公差、RC 滤波和走线寄生;关断以后磁芯能不能复位,决定下一个周期的波形还准不准。下面按「换算 → 复位 → 字段怎么读 → 布局 → 验证」走一遍。

匝比和采样电阻要一起倒推

一次侧导体穿过磁芯算一匝时,产品标的 1:N 可以直接当换算关系:

I s ≈ I p N , V b ≈ I p × R b N , R b ≈ V t a r g e t × N I p k I_s \approx \frac{I_p}{N},\qquad V_b \approx \frac{I_p \times R_b}{N},\qquad R_b \approx \frac{V_{target} \times N}{I_{pk}} Is≈NIp,Vb≈NIp×Rb,Rb≈IpkVtarget×N

用同一组条件比两个匝比:Ipk = 20 A,目标 1 V。

  • 1:100:Is ≈ 0.2 A,Rb ≈ 5 Ω
  • 1:200:Is ≈ 0.1 A,Rb ≈ 10 Ω

匝比翻倍,次级电流减半,采样电阻要翻倍才能拿回同样的电压。匝比高不等于测得更准:信号幅度不变,次级绕组变长,寄生和复位条件都跟着变。采样电阻的功耗也别拿峰值乘占空比去凑,按实际二次电流波形的有效值算: P = I s , r m s 2 × R b P = I_{s,rms}^2 \times R_b P=Is,rms2×Rb。

计算表至少留两列:互感器二次端电压、控制器引脚电压。

次级直流电阻别跟采样电阻一个量级

同一个尺寸里,匝比越高,次级绕得越多,次级 DCR 越大。EE5 这一档:

  • WHPT-EE050-009(1:100):次级 DCR 最大 5500 mΩ
  • WHPT-EE050-011(1:200):次级 DCR 最大 33240 mΩ

套到上面的算例里,1:200 的采样电阻是 10 Ω,次级绕组自己就有最大 33.24 Ω,比采样电阻还大。次级回路要撑的电压是采样电阻、绕组电阻、二极管压降三者之和,绕组这一项一旦占了大头,磁芯每个周期要承受的伏秒就跟着涨,脉冲一宽更容易出现平顶下垂。

所以挑匝比时顺手比一下「次级 DCR / Rb」,伏秒能不能撑住,以规格书限值和实测波形为准。同为 1:100,五个尺寸的次级 DCR 最大值差得不少:

尺寸 1:100 料号 次级电感 L(µH) 额定电流 次级 DCR 最大 一次侧 DCR 最大 隔离
EE5 WHPT-EE050-009 2000 20 A 5500 mΩ 0.75 mΩ 1000 VAC
EP7 WHPT-EP070-022 7000 20 A 5000 mΩ 1.9 mΩ 3000 VAC
EP10 WHPT-EP100-018 7000 40 A 3100 mΩ 0.5 mΩ 3750 VAC
ER11.5 WHPT-ER115-006 4500 50 A 2600 mΩ 0.56 mΩ 3300 VAC
EF12.6 WHPT-EF126-004 5600 40 A 1000 mΩ 0.28 mΩ 1500 VAC

表里的电感值是各料号的标称字段,测试频率、电压和接法以各自规格书为准,不同系列之间不能直接横比出「谁更好」。

用一小段脚本把候选过一遍

把上表和算例写成脚本,改 Ipk、目标电压就能重算。脚本只算理想关系,不含二极管压降和励磁误差:

python 复制代码
"""一次侧一匝穿心,理想换算;输入是举例"""
I_PK = 20.0      # 目标峰值电流 A
V_TARGET = 1.0   # CS 脚希望看到的电压 V

cands = [
    # 料号, 匝比N, 次级DCR最大(Ω), 额定A, 隔离VAC
    ("WHPT-EE050-009", 100, 5.5,   20, 1000),
    ("WHPT-EE050-011", 200, 33.24, 20, 1000),
    ("WHPT-EP070-022", 100, 5.0,   20, 3000),
    ("WHPT-EP100-018", 100, 3.1,   40, 3750),
    ("WHPT-ER115-006", 100, 2.6,   50, 3300),
    ("WHPT-EF126-004", 100, 1.0,   40, 1500),
]

for pn, n, dcr2, ir, iso in cands:
    i_s = I_PK / n                 # 次级峰值电流
    r_b = V_TARGET * n / I_PK      # 第一版采样电阻
    v_loop = i_s * (r_b + dcr2)    # 次级回路电压(不含二极管)
    print(f"{pn}: Is={i_s:.2f}A Rb={r_b:.1f}Ω "
          f"DCR2/Rb={dcr2 / r_b:.2f} Vloop={v_loop:.2f}V "
          f"额定{ir}A 隔离{iso}VAC")

跑出来,1:100 这几颗的采样电阻都是 5 Ω,次级回路电压从 WHPT-EF126-004 的 1.20 V 到 WHPT-EE050-009 的 2.10 V;WHPT-EE050-011 的 DCR2/Rb 是 3.32。这些数只用来排顺序,伏秒能不能撑住,要拿规格书的限值和实际最长脉宽去对。

电流互感器不传直流,复位要写进选型表

电流互感器靠变化的磁通耦合电流,只适合交流或每个周期回到零附近的脉冲,直流分量它保持不住。开关导通时,次级把一次电流脉冲映射到采样电阻上;关断后,磁芯要通过复位电阻、二极管、齐纳或控制器参考电路规定的路径把励磁能量放掉,下一个周期才从可控的磁通状态开始。

最大占空比一升高、关断时间一缩短,复位就可能不够,磁通逐周期累积,表现为波形下垂、门限漂移,严重时饱和。复位网络没有一个通吃所有拓扑的阻值,按所用控制器的数据手册或参考设计核伏秒平衡、二极管反向耐压和最大占空比。示波器上除了看采样脉冲幅度,还要看关断后的复位电压、下一个周期前基线有没有回稳。

另外一条安全规矩:一次侧有电流时,次级不能开路。开路后次级会感应出很高的电压,既可能打坏器件,也有人身风险;改接线先断电。

额定电流、隔离、尺寸各管一件事

规格表上的 IR(A) Max 适合用来分档:EE5、EP7 是 20 A,EP10、EF12.6 是 40 A,ER11.5 是 50 A。它不能直接写成控制器的 OCP 阈值,也推不出长期承载能力------项目里的 Ipk 可能是单周期峰值、短路峰值或连续重复脉冲,三种情况对铜损、磁芯和焊端温升的影响都不一样。

隔离耐压决定一次侧能放在哪一边:EE5 1000 VAC,EF12.6 1500 VAC,EP7 3000 VAC,ER11.5 3300 VAC,EP10 3750 VAC。它是耐压测试的等级,不等于整机工作电压、爬电距离,也不等于某项安规认证。一次侧串在整流后的高压母线、次级接低压控制侧的,先按整机绝缘要求定隔离档,尺寸基本跟着定下来,再在这个尺寸里挑匝比。

一次侧 DCR 关系到大电流下那一匝的发热:EF12.6 最大 0.28 mΩ,EP10 0.5 mΩ,ER11.5 0.56 mΩ,EE5 0.75 mΩ,EP7 1.9 mΩ。电流贴着额定值跑、散热又紧的板子,把它和焊盘铜箔一起放进温升评估。

布局:二次回路越短越好

典型的采样链是:极性定义 → 整流或钳位 → 采样电阻 → 复位网络 → RC 滤波 → CS 脚。几个容易出问题的点:

  • 极性接反,导通区间拿不到正向信号;先按规格书确认初次级引脚和极性标记,不同系列的引脚定义可能完全不同。
  • 二极管压降随温度变,小信号时会移动检测点。
  • RC 太重,削掉真实峰值、拖慢保护;太轻,开通尖峰误触发。

互感器二次回路、采样电阻和 CS 回路要短而紧凑,远离 MOSFET 漏极、栅极回路、主变压器的高 dv/dt 节点和大电流换流环;滤波和钳位器件靠近控制器引脚。调试时一次电流、互感器二次电压、CS 脚电压三路同时测,才分得清尖峰来自功率回路、互感器漏感、整流恢复,还是控制器附近的地弹。

过流保护按四步验证

  1. 门限和误差预算:取控制器 CS 门限的最小、典型、最大值,定义正常峰值、限流目标和最坏短路电流;把二极管、绕组、电阻公差、温度和门限偏差都算进上下限。正常满载不能误触发。
  2. 最大占空比下的复位和应力:按最低输入、最大负载、启动和瞬态这些推高占空比的工况核复位伏秒,确认次级、二极管、齐纳、采样电阻和控制器输入的峰值电压与功耗。基线逐周期漂移的,先解决复位,别用更重的滤波把现象盖住。
  3. 冷热和输入范围内的波形相关性:用校准过的电流探头测一次电流,同时采二次侧和 CS 脚;覆盖高低输入、轻载到满载、高低温、启动、负载阶跃,记录峰值比例、下垂、前沿尖峰、复位电压和噪声裕量。探头接地方式固定下来。
  4. 受控限能的故障测试:做过载、输出短路,记录触发电流、响应周期、器件峰值应力和恢复行为,之后复查互感器、采样电阻、整流管、开关管和主变压器温升。重复几次结果一致,才把这组互感器和阻值放进量产 BOM。

候选要拿样时,苏州沃虎电子科技有限公司(VOOHU沃虎)的 WHPT 五个尺寸都有标准匝比档,例如 40 A、3750 VAC 的 WHPT-EP100-018 和 50 A、3300 VAC 的 WHPT-ER115-006 同为 1:100,自有料号可在官网申请样品,1 个工作日内回复。

常见问题

Q1:电流互感器能测直流或稳态平均电流吗?

A:不能直接测。它只传变化的磁通,适合有复位区间的交流或脉冲;要测直流或双向平均值,改评估分流电阻、霍尔这类方案,并重新定义隔离和带宽要求。

Q2:1:100 的互感器配多大采样电阻?

A:没有通用值。Rb ≈ 目标电压 × N ÷ 峰值电流只是第一版,还要扣二极管压降、算上次级 DCR 和励磁误差,再在完整电路里看波形定下来。

Q3:额定 40 A 的料能测 50 A 峰值吗?

A:不能只比数字。先按规格书确认额定电流的定义,再算实际波形:无直流偏置的连续正弦,50 A 峰值约合 35.4 A 有效值;其他波形按占空比重算有效值,再核复位、散热和饱和余量。40 A 系列和 50 A 的 ER11.5 可以并行评估。

参考资料

  • WHPT-EE050-009、WHPT-EE050-011、WHPT-EP070-022、WHPT-EP100-018、WHPT-ER115-006、WHPT-EF126-004 规格书
  • 所用 PWM 控制器数据手册(CS 门限、前沿消隐、参考设计)
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