【導(dǎo)讀】隨著電力電子開關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，精確測(cè)量電流以用于反饋控制和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的需求越來越高。精確測(cè)量電流的方法有多種，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。本文重點(diǎn)介紹需要較高精度與帶寬的電流測(cè)量方法，這些方法可用于測(cè)量諸如計(jì)算機(jī)/電信板輸入電流、逆變器相電流和其他承載電流從幾安培到100A的電路電流。
另外，對(duì)于如何使用霍爾效應(yīng)電流傳感器測(cè)量電流，以及如何使用集成電流鏡的負(fù)載開關(guān)或電熔絲電路，本文也將給出具體細(xì)節(jié)。同時(shí)，我們將比較這些方法與使用分流電阻的電流采樣架構(gòu)。
背景知識(shí)
分流器和電流互感器一直被認(rèn)為是在電氣和電子電路中進(jìn)行電流采樣的最佳方法，但這些方法卻有著明顯的缺點(diǎn)。分流器需要在信噪比和采樣元件的功率損耗之間進(jìn)行權(quán)衡，這種權(quán)衡讓它很難在寬電流范圍內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量；而電流互感器則通常導(dǎo)致昂貴的大型解決方案，并且僅適用于測(cè)量交流電流。
電流測(cè)量方法
半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步將霍爾效應(yīng)傳感器和電流鏡引入了電子電路的設(shè)計(jì)。這兩種器件幾乎就是無損電流采樣設(shè)備，其輸出易于縮放，可以獲得最佳信噪比。本文將重點(diǎn)介紹采用這兩種器件的電流測(cè)量解決方案。
電流鏡采樣方法
電流鏡電流采樣通常用于具有內(nèi)部功率MOSFET的設(shè)備，例如智能功率級(jí)、負(fù)載開關(guān)和電熔絲。它采用幾個(gè)功率FET單元作為電流鏡，并產(chǎn)生與流過主開關(guān)的電流成正比的電流輸出。
當(dāng)這些電流流經(jīng)外部電阻器時(shí)，很容易產(chǎn)生與流經(jīng)主FET的電流成正比的電壓。這種測(cè)量方法非常適合半橋功率級(jí)設(shè)備，因?yàn)樗鼈兲峁?0A至90A的寬電流能力，并提供具有5μA/A至10μA/A增益的電流鏡輸出。這種功率級(jí)對(duì)采用單相或多相配置的同步降壓穩(wěn)壓器應(yīng)用尤其有用。
對(duì)于其他應(yīng)用，采用負(fù)載開關(guān)或電熔絲（e-fuse）電路可以保護(hù)下游電子設(shè)備免受浪涌電流或過載情況的影響。這類電路通常采用功率MOSFET作為開關(guān)元件，而監(jiān)測(cè)流過這些設(shè)備的電流，電流鏡是一種高性價(jià)比方式。例如，MPS的MP5921即為一款尖端的熱插拔電熔絲器件，它可以提供多個(gè)級(jí)別的保護(hù)功能，以及電流和溫度監(jiān)測(cè)功能（見圖 1）。
圖1: MP5921功能框圖
MP5921在獨(dú)立工作模式下可以支持高達(dá)50A的持續(xù)電流，在多個(gè)器件并聯(lián)配置時(shí)可以支持更高的電流（見圖 2）。
圖2：MP5921并聯(lián)工作模式
MP5921器件可以與MP5920配合使用（見圖 3）。通過MP5920，電流信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并通過I2C進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖3:與MP5920配合的MP5921并聯(lián)工作模式
這些解決方案非常適合在計(jì)算和服務(wù)器主板上采用DC/DC變換器的應(yīng)用。而諸如具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和AC/DC電路的其他應(yīng)用，則得益于電流采樣器件，用以生成與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或電源逆變器上的交流電流一致的雙向信號(hào)。
霍爾效應(yīng)電流采樣方法
這些應(yīng)用中存在的高電壓可能會(huì)對(duì)周圍的邏輯電平電路造成威脅。而霍爾電流傳感器則可以在高電壓、大電流電路和用于控制器件的邏輯電平電路之間提供電流隔離。它感應(yīng)每個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，然后輸出與電流成正比的電壓。
MPS的MCS180x系列電流傳感器提供高精度霍爾效應(yīng)電流采樣，并提供高達(dá)2200V的隔離電壓，其工作電壓也高達(dá)280V，可用于電流高達(dá)50A的應(yīng)用。逆變器是霍爾效應(yīng)電流傳感器的一種常見應(yīng)用。本文側(cè)重于介紹三相逆變器，因?yàn)樗鼈冊(cè)陔娏﹄娮釉O(shè)備（例如 UPS、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和太陽(yáng)能應(yīng)用）中無處不在，而且，通過移除三相逆變器中其中的一相，可以將它輕松推廣到離線應(yīng)用中。通常，傳感器用于將相電流反饋給控制器（見圖 4）。在圖4中，高壓側(cè)標(biāo)記為紅色，而邏輯電壓標(biāo)為綠色。隔離是通過原邊（載流引線）與副邊（輸出引線）之間的電流分離來實(shí)現(xiàn)的。
圖4: 具備隔離相電流采樣功能的典型三相逆變器系統(tǒng)
圖5顯示了MCS180x 系列電流傳感器的引線框架及芯片。圖中，原邊表示為銅色，電流則由紅色箭頭線表示。注意，在實(shí)際應(yīng)用中，電流可以向任一方向流動(dòng)。根據(jù)安培定律，電流的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)（藍(lán)色區(qū)域），而場(chǎng)強(qiáng)與電流密度成正比。
另外還需注意，原邊并沒有接觸硅芯片（黑色區(qū)域），而是通過氣隙和氧化硅絕緣層分隔開來。磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度由硅芯片中的霍爾傳感器檢測(cè)，然后該信號(hào)被放大并輸出到副邊的其中一個(gè)引腳（銀色區(qū)域）。其他副邊引腳包括VCC、GND和濾波器引腳。濾波器引腳用于在帶寬和信號(hào)噪聲之間進(jìn)行權(quán)衡。
圖5: MCS180x霍爾效應(yīng)電流傳感器的引線框架及芯片
MCS180x 系列傳感器具有比率輸出。這意味著它以VCC/2為中心，當(dāng)流過正電流時(shí)，輸出電壓與電流成正比，從VCC / 2升至VCC；當(dāng)負(fù)電流流過時(shí)，輸出從VCC / 2降至0V（見圖 6）。在該產(chǎn)品系列中，IPMAX 由器件編號(hào)的后綴表示（例如 MCS1802-10的IPMAX 為10A）。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)該信息為其應(yīng)用選擇合適的電流范圍。目前可用的IPMAX選擇有5A、10A、20A、30A、40A和50A。
圖 6：霍爾效應(yīng)電流傳感器的比率輸出
結(jié)論
本文重點(diǎn)介紹了精確測(cè)量電流的可用方法，并闡明了如何為應(yīng)用選擇最佳的電流采樣方案。在設(shè)計(jì)早期考慮選擇合適的技術(shù)十分重要，而且，還需要注意每種解決方案的細(xì)節(jié)，例如電源要求以及可實(shí)現(xiàn)的輸出信號(hào)范圍，從而創(chuàng)建盡可能高效的解決方案。MPS的MCS180x 提供了一種小體積、精確的隔離型電流檢測(cè)方案，可以助力設(shè)計(jì)人員提高系統(tǒng)級(jí)性能，同時(shí)幫助降低系統(tǒng)功耗與復(fù)雜性。
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