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作者：德州儀器 在所有描述世界日益電氣化的流行語中，有一個詞十分亮眼：電流檢測。如果電流檢測技術不可靠、不準確且難以用于設計，那么在太陽能電池陣列、電動汽車 (EV) 充電站或機器人領域令人耳熟能詳的創新幾乎都不可能實現。 本文將介紹隨著電氣化應用發展而出現的四大設計趨勢，以及用于提高系統電壓、增強系統保護、實現遙測監測和縮減外形尺寸的電流檢測技術。總的來說，電流傳感器監測電氣系統中的一項重要參數，即電流，這能夠使系統在安全范圍內盡可能高效地運行。 通過電流檢測支持更高的系統電壓 隨著對效率的要求愈加嚴格，系統電壓也隨之增加，從而有助于提高效率。根據歐姆定律，在較高的系統電壓下，可通過降低負載的電流來得到等量的功率，這有助于減少系統中的 I2R 損耗。電壓愈高，系統可以愈發高效地傳輸大功率，原因是電流范圍更小，交流/直流或直流/直流功率變換器等級產生的熱量更少。 圖 1 所示的電動汽車充電器正在將電源從電網中斷開，其電壓電平可能為 120VAC、240VAC、230VAC（單相）或 400VAC（三相）。典型的電動汽車充電器將電網的交流電輸送到電動汽車車載充電器，后者將交流電轉換為直流電，并為電池充電。 在直流快速充電器中，交流電從電網傳輸至電動汽車充電器，在充電器內從交流轉換為直流，并向電池提供高達 920VDC 電壓，從而加快充電速度。提升到更高的電壓電平，并保持相似的電流電平，可以向電池直接傳輸更多功率，從而更快、更高效地充電。 
圖 1：電動汽車充電器 電流傳感器有助于提高電動汽車充電器的系統效率，并可在整個系統的多個位置使用。這些傳感器可用于交流線路輸入來監測電流，從而調節進入系統前端的無功功率。另一方面，在系統功率因數控制環路和第二直流/直流級后的正節點或負節點上，此配置可用于監測故障。 還可以在第一直流/直流級和第二直流/直流級之間的某個位置，使用差分放大器的電流檢測實現磁通平衡。此外，有必要使用 AMCS1100 或 TMCS1100 等隔離式電流傳感器，為系統和操作電動汽車充電器的人員提供保護。 增強系統保護 電氣化還提高了對系統保護的需求，從而確保系統對安全工作區外的事件做出迅速響應，避免損壞半導體和其他敏感器件。在大多數系統中，某種形式的系統保護可確保系統按預期運行。例如，如果圖 2 所示的機器人拾取了一個異常沉重的物品，則電機會出現明顯的電流尖峰。 
圖 2：工業機器人 電流尖峰可能意味著負載超出機器人的能力范圍，可能會損壞系統或物理機械臂內的器件。具有集成式比較器的電流檢測器件會檢測到可能超出系統安全工作區的峰值電流涌入電機。具有集成式過流比較器的 INA301 可做出快速響應（低于 1µS）并設置警報，這可能導致系統停機。這與負載點測量類似，其中基于分流器的傳感器（如 INA228 和 INA226 超精密雙向電流檢測放大器）可以監測通過特定節點的電流和電壓電平，從而確保節點保持在其安全工作區內。 實現遙測監測 隨著應用的電氣化程度提高，對監控的要求也更為嚴格，以便跟蹤能耗等級和改善預測性維護。 為預測性維護進行監測或遙測監測的一個示例是，對機架式服務器系統中冷卻風扇的電流和電壓電平進行數據記錄。INA232 等器件用于對風扇的功耗進行數據記錄。通過數據記錄，系統能夠向技術人員發出警報，指示風扇可能運行不穩定或使用壽命即將結束。 數字功率監測器是適合此類用例的一種器件，因為它同時接收總線電壓和電流信息。數字功率監測器 IC 通過板載運算來計算功率、電荷和能量，并通過 I2C 或串行外設接口傳輸這些信息（以及總線電壓和電流數據）。片上運算可以減少 CPU 或微控制器上的進程，因此處理資源可用于更有效地處理其他任務。這點對于具有任務密集型 CPU 或微處理器的系統尤為重要。 縮減外形尺寸 隨著越來越多的應用包括的電子元件越來越多，或需要安裝在更小的空間中，人們更需要縮減元件的尺寸或增加每個單元的功能數量，從而幫助減小整個電路板的面積。許多系統（如智能手機和機器人系統）都受到尺寸限制，需要不斷縮小尺寸和增加功能數量。 較小的電流檢測器件可讓設計人員加強對整個系統的監測，或減小系統的整體尺寸。這兩種情況都具有一定優勢，具體取決于整體系統參數。減小集成電路 (IC) 的尺寸或增加每個單元的功能數量都會增加功能密度，從而實現強大的個人電子產品、車載充電器和小型協作機器人電機驅動系統。 利用超小型 IC 或功能豐富的芯片可為實現更小的系統奠定基礎。例如，Wafer-Chip Scale Package (WCSP) 等芯片封裝選項或具有集成式分流器的 INA253 支持設計人員在不影響性能或功能的情況下縮減其系統的尺寸。 結語 通過更好地了解上述趨勢以及有助于實現這些趨勢的 IC，您可以應對特定的高壓設計挑戰，并通過監測電流測量值來確保系統在安全工作區內運行，從而實現可靠性和安全性。 其他資源 · 閱讀應用手冊“直流電動汽車充電應用中的電流檢測設計注意事項”，了解有關電流檢測設計的更多信息。 · 閱讀應用簡報“協作式和工業機械臂中的電流檢測”。 |
