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引言 電流測(cè)量可用于監(jiān)測(cè)許多不同的參數(shù)，輸入功率就是其中之一。有許多采樣元件都可用來測(cè)量負(fù)載電流，但沒有一種元件能夠覆蓋所有應(yīng)用。每種采樣元件都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。比如，分流電阻器的功耗會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降，而且電流流過分流電阻器產(chǎn)生的壓降太大不適合低輸出壓的應(yīng)用。DCR（電感直流阻抗）電流檢測(cè)電路的優(yōu)點(diǎn)是可以無損的遙測(cè)開關(guān)電源中的電流，但DCR采樣電路的采樣精度取決于外圍參數(shù)（R，C）與電感器的匹配精度。霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是能夠無損的遠(yuǎn)程測(cè)量較大的電流，缺點(diǎn)是易受環(huán)境噪聲的影響不容易設(shè)計(jì)。 總之，對(duì)于具體的應(yīng)用，只有了解每種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，才可以充分利用電流檢測(cè)領(lǐng)域的最新技術(shù)來改進(jìn)測(cè)量精度。 分流電阻器 只要在布局和選擇檢測(cè)電阻器時(shí)多加注意，即可使用分流電阻器來簡(jiǎn)單直接地測(cè)量電流。檢測(cè)電阻器的額定功率和溫度系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)高精度的電流測(cè)量系統(tǒng)非常關(guān)鍵。由歐姆定律可知，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用檢測(cè)電阻器并非難事。其缺點(diǎn)是檢測(cè)電阻器會(huì)產(chǎn)生壓降，消耗功率，降低了應(yīng)用的效率。 在選擇感測(cè)電阻器阻值時(shí)，必須要知道檢測(cè)電阻器上的最大壓降和最大電流測(cè)量值。 首先，檢測(cè)電阻器上的壓降要盡量小，以降低檢測(cè)元件的功耗，減少發(fā)熱，檢測(cè)電阻發(fā)熱越少，溫度變化也越小，阻值隨溫度的變化也越小，其全范圍電流檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性也會(huì)越好。 由于大多數(shù)電流檢測(cè)應(yīng)用中，最小和最大電流都是已知的，設(shè)計(jì)工程師需要選定分流電阻器的最大壓降。比如，假設(shè)被測(cè)電流是雙向的，最大分流器壓降定為±80mV，最大測(cè)量電流為±100A。分流電阻器的阻值可以使用公式1來計(jì)算。 公式1，使用歐姆定律來計(jì)算分流電阻器阻值 對(duì)這個(gè)例子來說，分流電阻器阻值Rsense的計(jì)算結(jié)果為0.8mΩ。表1是其他滿量程電流情況下分流電阻器阻值的列表。 表1，對(duì)應(yīng)滿量程電流值和分流電阻器阻值以及最小額定功率 檢測(cè)電阻器的最小額定功率用公式2來計(jì)算。 公式2，計(jì)算感測(cè)電阻器的最小額定功率 如果檢測(cè)電阻器的最小額定功率計(jì)算結(jié)果為8W。一般經(jīng)驗(yàn)是選取公式2計(jì)算的額定功率的2倍。這樣一來，即使流過分流電阻器的電流偶爾大于其最大電流，感測(cè)電阻器也不至于發(fā)生故障。實(shí)際上，所選擇的檢測(cè)電阻器的額定功率與計(jì)算結(jié)果的比率越大，電阻器在大電流應(yīng)用中的溫升就越小。 檢測(cè)電阻器的溫度系數(shù)（TC）會(huì)直接影響電流測(cè)量的精度。檢測(cè)電阻器的環(huán)境溫度變化及電阻器的功耗引起的溫度變化都會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)電阻器阻值的變化。不同電流下電阻器溫度變化與電阻器的額定功率成反比。檢測(cè)電阻器溫度變化導(dǎo)致的阻值的變化，又會(huì)影響系統(tǒng)測(cè)量精度的變化。由于溫度升高而造成的電阻器的阻值變化可用公式3來計(jì)算。 公式3，計(jì)算溫度變化時(shí)阻值的變化 ΔTemperature是溫度變化值（單位：攝氏度）。RsenseTC是檢測(cè)電阻器的溫度系數(shù)。Rsense是感測(cè)電阻器在初始溫度下的阻值。 檢測(cè)元件阻值的變化與流過電阻器的電流成正比。檢測(cè)電阻器的封裝尺寸也可以影響了其溫升。選擇檢測(cè)電阻器時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮感測(cè)元件封裝重要參數(shù)的熱阻Θja。Θja是指電阻器與電阻器外部環(huán)境之間的熱阻。表2列出了常見表貼封裝的熱阻。 表2，表貼電阻器熱阻，引自Vishay應(yīng)用說明書28844和60122 由表2可以看出，封裝越小，熱阻越大。 例如，阻值為0.8mΩ的檢測(cè)電阻器在流過它的電流為50A時(shí)會(huì)產(chǎn)生2W功耗，其溫度變化可用公式4來計(jì)算。 公式4，流過感測(cè)電阻器的電流與電阻器的溫度變化之間的關(guān)系式 在公式4中，I2*Rsense是分流電阻器耗散的功率。Θja是所選感測(cè)電阻器的熱阻。假設(shè)檢測(cè)電阻器的封裝尺寸是2512，則電阻器的溫度變化計(jì)算值為50℃。假設(shè)RsenseTC為100ppm/℃，使用公式3計(jì)算的阻值變化為4μΩ，4μΩ似乎不是一個(gè)很大的變化，但可比較阻值變化與總阻值的比例，流過電阻器的50A電流時(shí)，額定阻值變化0.5%，從而導(dǎo)致0.5%電流測(cè)量誤差。 由圖1可知，電阻器發(fā)熱而導(dǎo)致的電流測(cè)量誤差。越小的封裝越容易發(fā)熱，而且，越小的封裝能容許發(fā)熱功率也越低。在保持較小封裝的情況下，想要增加電阻的額定功率，可以選用較寬封裝。例如，0406封裝的熱阻大約等于1206封裝的熱阻。 圖1。由電阻器自熱造成的電流測(cè)量誤差曲線 實(shí)際應(yīng)用中，我們常常難以買到參數(shù)合適的分流電阻器，往往要么是分流電阻器的阻值不存在，要么是分流電阻器的額定功率太低，為了解決該問題，可以使用并聯(lián)兩個(gè)或更多分流電阻器的方法來測(cè)量電流。 電感直流電阻（DCR） DCR電流采樣電路是一種無損的采樣電路，其電路板空間也較小。但這種電路需要調(diào)試才能準(zhǔn)確的采樣，其需要在生產(chǎn)時(shí)采取額外的步驟來保證電路的準(zhǔn)確工作。另外無源元件的容差也會(huì)造成電路間測(cè)試精度的不同，如電感的溫度系數(shù)及電容的容差都會(huì)增加電流采樣的不準(zhǔn)確性。總體看來，DCR采樣電路適合于粗略的測(cè)量電流，其可以滿足開關(guān)電源中無損電流采樣的目的。DCR采樣電路常用于低輸出電壓的應(yīng)用（在此類應(yīng)用中，若用電阻器采樣，其壓降會(huì)占輸出電壓很大的百分比）。低輸出電壓通常指低于1.5V的輸出電壓。 圖2。DCR電路的簡(jiǎn)單原理圖 DCR電流檢測(cè)電路也可以達(dá)到電阻器檢測(cè)電流的目的。DCR電流檢測(cè)電路是利用電感器寄生電阻來測(cè)量負(fù)載電流的。其可以遠(yuǎn)程測(cè)量流過開關(guān)穩(wěn)壓器電路中電感的電流。因?yàn)闆]有使用額外的元件與負(fù)載串聯(lián)，故稱之為無損電流采樣電路。 使用合適的DCR匹配電路可以使其對(duì)與ADC來講，采樣電阻的值就等于電感的內(nèi)阻。圖2是一個(gè)DCR采樣電路的簡(jiǎn)單原理圖。在推導(dǎo)電感電流與ADC輸入電壓間的傳遞函數(shù)之前，我們先來回顧一下在拉普拉斯域內(nèi)電感和電容的電抗定義。 公式5，電容的容抗公式和電感的感抗公式 Xc是與頻率有關(guān)的電容阻抗，XL是與頻率有關(guān)的電感阻抗。ω等于2πf。f是穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。由歐姆定律可知，流過電感的電壓（DCR采樣電路中），由公式6定義。 公式6，DCR電路中電感的電壓公式 在公式6中，Rdcr是電感的寄生電阻。電感（L）和寄生電阻（Rdcr）的電壓降與電阻（Rsen）和電容（Csen）的壓降相同（并聯(lián)關(guān)系）。公式7是根據(jù)電感電流（IL）定義的電容器（Vcsen）的電壓。 公式7，表示電容（Csen）的電壓 如果公式8成立，則電感負(fù)載電流（IL）與電容（Csen）電壓之間的關(guān)系可得到簡(jiǎn)化。 公式8，使DCR采樣電路能夠準(zhǔn)確工作的數(shù)學(xué)關(guān)系 如果公式8的條件成立，則公式7中分?jǐn)?shù)的分子和分母可以抵消，從而使檢測(cè)電容器（Csen）的電壓簡(jiǎn)化為公式9的等式。 公式9，公式8的條件成立時(shí)，電容器（Csen）上的電壓 大多數(shù)電感規(guī)格書都會(huì)給出電感內(nèi)阻Rdcr的平均值。Rdcr值通常小于1mΩ，平均容差為10%。普通瓷片電容的平均容差也為10%。 另外電感是用金屬線繞制的，由于金屬的溫度系數(shù)較高，電感寄生電阻（Rdcr）的值會(huì)隨著溫度漂移，從而導(dǎo)致DCR匹配電路（公式8）失去平衡。電感寄生電阻值的變化可能是由于流過電感的電流發(fā)熱引起的溫度上升或環(huán)境溫度上升造成的。銅的電阻變化率為3.9mΩ/C。電感導(dǎo)線溫度的變化直接影響Rdcr的值。要消除溫度變化的影響，可以使用溫度傳感器來監(jiān)測(cè)電感的溫度。從而可以對(duì)電感阻值的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 在圖3中，有一個(gè)電阻與16位ADC負(fù)端（如：ISL28023，數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器）串聯(lián)，阻值為Rsen + Rdcr，該電阻的用途是用來抵消失調(diào)偏置電流在ADC的輸入端產(chǎn)生的偏置電壓的。 如果圖4中的電路是一個(gè)開關(guān)頻率為900kHz的ISL85415降壓變換器，電感值為22μH，容差為±20%。電感和輸出電容是保證降壓變換器正常工作的，壓穩(wěn)定。Rdcr是電感的寄生電阻。在本例中，Rdcr的典型值為0.185Ω（最大值為0.213Ω）。寄生電阻值因電感的不同有±13%左右的差異。DCR電路Rsen的選擇值為11.8kΩ。使用公式8可計(jì)算出DCR電路的匹配電容值Csen等于10nF。假設(shè)電容器的容差為±10%。 電感值和電容值都是不能嚴(yán)格控制的。如果系統(tǒng)中的DCR電流采樣電路沒有附加的調(diào)整電路，那么檢測(cè)電容和電感的容差會(huì)對(duì)電流測(cè)量誤差產(chǎn)生什么影響呢？ 圖3。圖中曲線顯示了電容容差對(duì)電流測(cè)量的影響 設(shè)計(jì)沒有調(diào)整功能的DCR采樣電路會(huì)導(dǎo)致最高可達(dá)35%電流測(cè)量誤差，這是由于DCR采樣電路中的電感和電容值的容差造成的。圖3的曲線顯示了不同的電容器容差值產(chǎn)生的測(cè)量誤差。如果將Rdcr變化考慮在內(nèi)，測(cè)量誤差會(huì)增加到約50%。 采用非易失性數(shù)字電位計(jì)（DCP）的簡(jiǎn)單微調(diào)電路可顯著改善電流測(cè)量精度。 圖4。通過使用DCP來調(diào)整電路可顯著改進(jìn)電流測(cè)量精度 霍爾效應(yīng)傳感器 霍爾效應(yīng)傳感器技術(shù)最近取得顯著進(jìn)步，準(zhǔn)確性和抗噪性顯著提高，從而使設(shè)計(jì)更容易。雖然有了這些進(jìn)步，但該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還是僅限于大電流應(yīng)用，在大電流應(yīng)用中，霍爾效應(yīng)傳感器的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分流電阻器的功耗。 霍爾效應(yīng)傳感器通過導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度來計(jì)算其電流大小。可實(shí)現(xiàn)無損測(cè)量電流的目的，霍爾效應(yīng)傳感器通過測(cè)量由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度來測(cè)量流過電感的電流。非常適合用于電流高于200A的情況下，因?yàn)閷?duì)于大電流應(yīng)用，檢測(cè)電阻的功耗是非常大的。圖5顯示了霍爾效應(yīng)電流測(cè)量的基本概念。 圖5。霍爾效應(yīng)傳感器示例 公式10表示了導(dǎo)線的電流大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系。帶狀走線的表示式會(huì)略有不同。為簡(jiǎn)單起見，我們使用該公式來討論電流與磁場(chǎng)之間的關(guān)系。 公式10，導(dǎo)線的電流與磁場(chǎng)之間的關(guān)系 μ0是磁場(chǎng)的磁導(dǎo)率。自由空間的磁導(dǎo)率值μo等于4π*10-7 H/m。值r是電感與線性霍爾效應(yīng)傳感器之間的距離（米）。變量I是導(dǎo)體的電流。B是磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：高斯）。 圖6。 圖5中電路的側(cè)面輪廓圖 從公式10可以看出，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨導(dǎo)體與傳感器之間的距離增加而減小。線性霍爾效應(yīng)傳感器將測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電流或電壓輸出。傳感器的增益以mV/G或mA/G表示。有些測(cè)量以特斯拉來表示該增益。1特斯拉等于10，000高斯。 假設(shè)流過一條走線（線中心與霍爾效應(yīng)芯片的中心距離為0.03m）的電流為200A。那么霍爾效應(yīng)芯片測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度是多少？如果傳感器的增益為5mV/G，那么傳感器的輸出電壓是多少？ 使用式中的關(guān)系可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度為13.33G。電感器輸出的計(jì)算結(jié)果等于66.67mV。 線性霍爾效應(yīng)傳感器是有源器件，工作電流為3mA-10mA。傳感器的平均噪聲級(jí)約為25mV或5G。因此在低電流或走線與傳感器間距較大時(shí)，線性霍爾效應(yīng)傳感器并不是個(gè)好選擇。 電流走線和傳感器所在的環(huán)境對(duì)測(cè)量弱磁場(chǎng)具有重要影響。線性霍爾傳感器測(cè)量的是測(cè)試位置的總的磁場(chǎng)強(qiáng)度。傳感器附近的其他的電流走線會(huì)改變傳感器所在位置的磁場(chǎng)，并最終影響測(cè)量的精度。另外傳感器還會(huì)測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)的變化，開關(guān)型電動(dòng)機(jī)或輻射能量的任何設(shè)備都可能引起環(huán)境磁場(chǎng)的變化。 減小環(huán)境對(duì)傳感器測(cè)量影響的方法之一是用磁屏蔽，將電流走線和霍爾效應(yīng)傳感器封起來。如圖7，顯示了將走線和磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器包起來的金屬外殼。這個(gè)金屬外殼稱為“法拉第籠”。 圖7。通過屏蔽導(dǎo)體和傳感器可改進(jìn)弱磁場(chǎng)測(cè)量效果 圖7中的屏蔽應(yīng)當(dāng)以盡可能小的阻抗接地，因?yàn)榇蟮厥亲罘�(wěn)定的參照基準(zhǔn)，這樣接可以改善屏蔽的效果。 最近，新出了一種集成了電流通路，溫度補(bǔ)償，和屏蔽外殼的霍爾效應(yīng)傳感器。其電流通路的集成，可以使電流走線與傳感器芯片的距離固定下來，簡(jiǎn)化了流過導(dǎo)體的電流與傳感器輸出電壓之間的增益計(jì)算。集成化的解決方案可簡(jiǎn)化霍爾效應(yīng)傳感器在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中的布局和設(shè)計(jì)，因?yàn)橛脩魺o需擔(dān)心導(dǎo)體與傳感器的間距以及傳感器所在的環(huán)境。圖8是這種集成解決方案的簡(jiǎn)化電路圖。 圖8。集成電流通路的霍爾效應(yīng)傳感器簡(jiǎn)化電路圖 結(jié)束語 雖然每種采樣電流的方案都不是完美的，但知道各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，將有助于設(shè)計(jì)工程師選擇最適合其系統(tǒng)的解決方案。 |
