電流傳感器的電流檢測技術(shù)介紹

電流傳感器是一種檢測電流（交流或直流）流量并產(chǎn)生與其成比例的信號(hào)的設(shè)備。利用傳感器測量低電流和高電流，以檢測過電流或欠電流狀況，使這些設(shè)備成為提供電氣設(shè)備狀態(tài)信息或保護(hù)的理想選擇，例如，在混合動(dòng)力汽車和燃料電池中，高精度測量電流和功率至關(guān)重要和精度。電流傳感器IC的其他汽車用途包括HEV逆變器和電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)。

為了在-40°C至125°C的汽車應(yīng)用中固有的溫度范圍內(nèi)保持精度，存在許多挑戰(zhàn)，其中包括漂移。此外，在高電流和高溫下，由于傳感器可能無法承受更高的電流浪涌，故障率更容易發(fā)生。

高電流測量尤其成問題。許多電路中使用的電阻器通常無法處理高壓。因此，在此級(jí)別進(jìn)行測量需要專用電流互感器或傳感器，以將電路中的電流幅度降低到可管理的水平。

涉及的兩種電流互感器是分芯和實(shí)芯。分芯式電流（開路）變壓器可放置在現(xiàn)有電線附近，不會(huì)造成電路中斷。因此，雖然它們通常很昂貴，但它們可以降低整體系統(tǒng)成本。相比之下，實(shí)芯電流（閉合）變壓器要求電路重新連接以通過磁芯，但與開放式變壓器相比，它們可以提供極其精確和準(zhǔn)確的電流測量。

使用電流傳感器的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是整個(gè)系統(tǒng)中使用的多個(gè)傳感器的輸出通常非常不同。因此，如果連接了錯(cuò)誤的傳感器，或者連接不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或?qū)θ藛T造成安全隱患。

工程師可以從三種主要的電流測量技術(shù)中進(jìn)行選擇。這些是具有和不具有電流隔離的分流器，以及開環(huán)和閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器。

分流器在高電流時(shí)自發(fā)熱，當(dāng)分流電阻高時(shí)，提供良好的信號(hào)幅度，導(dǎo)致電阻隨電流變化。在這種情況下的建議是必須仔細(xì)選擇材料并使溫度梯度最小化，否則熱電電壓將扭曲低電流讀數(shù)。

開環(huán)傳感器在高溫或溫度變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題。鑒于它們的性能可以隨溫度變化，它們可以表現(xiàn)出偏移和增益的漂移。但是，它們不能提供閉環(huán)傳感器的增益穩(wěn)定性。破壞性過載能力有利于開環(huán)電流傳感器。額定值表示通過設(shè)備的導(dǎo)體的額定值。

相比之下，閉環(huán)傳感器在初級(jí)電流較高時(shí)會(huì)吸收顯著的靜態(tài)電流，從而導(dǎo)致自熱。它們可以很好地處理短時(shí)高電流瞬變。高電流通常會(huì)損壞分流器，因?yàn)樗鼈兙拖?a target="_blank">保險(xiǎn)絲一樣。熱瞬態(tài)也會(huì)改變其校準(zhǔn)。

CR Magnetics的CR5200系列直流電流傳感器（圖1）提供與直流檢測電流成比例的直流信號(hào)。僅適用于直流電，2至10 A范圍采用先進(jìn)的磁調(diào)制器技術(shù)，而20 A及以上的設(shè)備范圍采用霍爾效應(yīng)技術(shù)。

圖1：C5210，CR5211和CR5220是單元件，0.79英寸窗口，2至300個(gè)ADC輸入范圍傳感器。

該系列產(chǎn)品為閉環(huán)精度，采用35 mm DIN導(dǎo)軌或面板安裝，非接觸式直流電流檢測。應(yīng)用包括電源管理，移動(dòng)應(yīng)用，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及電池充電器和系統(tǒng)。傳感器采用分芯設(shè)計(jì)。

Allegro ACS710（圖2）是一款120 kHz帶寬，高壓隔離電流傳感器，集成了過流檢測功能。它為工業(yè)，商業(yè)和通信系統(tǒng)應(yīng)用中的電流感應(yīng)提供了經(jīng)濟(jì)而精確的方法。

圖2：ACS710的電流傳導(dǎo)路徑與低壓傳感器輸入和輸出電氣隔離，允許傳感器用于需要電氣隔離的應(yīng)用，無需使用光隔離器或其他昂貴的隔離技術(shù)。

ACS710由精密線性霍爾傳感器IC組成，銅傳導(dǎo)路徑位于硅片表面附近。施加的電流流過傳導(dǎo)路徑，來自霍爾傳感器的模擬輸出電壓線性跟蹤由施加的電流產(chǎn)生的磁場。

過流輸入（VOC引腳）上的電壓允許客戶為器件定義過流故障閾值。當(dāng)流過銅導(dǎo)電通路（IP +和IP-引腳之間）的電流超過閾值時(shí)，漏極開路過流故障引腳將轉(zhuǎn)換為邏輯低電平狀態(tài)。

根據(jù)Allegro的說法，通過專有集成屏蔽技術(shù)提供的對(duì)電流導(dǎo)體dV/dt和雜散電場的高級(jí)抗擾度，可以在高端，高壓應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低輸出紋波和低失調(diào)漂移。

其他功能包括：

適用于空間受限應(yīng)用的小尺寸封裝。

1mΩ初級(jí)導(dǎo)體電阻，可實(shí)現(xiàn)低功耗。

高隔離電壓，適用于線路供電應(yīng)用。

用戶可調(diào)節(jié)的過流故障水平。

過流故障信號(hào)通常會(huì)在《2μs內(nèi)響應(yīng)過流情況。

據(jù)稱，由于高dV/dt電壓瞬變，集成屏蔽幾乎消除了從電流導(dǎo)體到芯片的電容耦合。

濾波器引腳電容可提高低帶寬應(yīng)用中的分辨率。

該器件提供3至5.5 V單電源供電。

具有工廠調(diào)整的靈敏度和靜態(tài)輸出電壓。

LEM HY 5至25-P電流傳感器（圖3）用于電子電流測量（DC，AC，脈沖，混合），在初級(jí)電路（高功率）和電子電路之間具有電流隔離。其特性包括霍爾效應(yīng)測量，2，500 V隔離電壓，低功耗和擴(kuò)展測量范圍（3 x IPN）。

圖3：來自LEM USA的HY系列霍爾效應(yīng)傳感器。

HY系列霍爾效應(yīng)傳感器專為PCB安裝而設(shè)計(jì)。該封裝適用于5 A至50 A的電流范圍。它是一種雙極器件，在初級(jí)和次級(jí)電路之間具有電流隔離。它具有電壓輸出，每個(gè)電流范圍設(shè)備的測量范圍是額定電流的三倍。

應(yīng)用包括開關(guān)電源，通用逆變器，交流變速驅(qū)動(dòng)器，不間斷電源和電池供電應(yīng)用。

LEM USA的HMS xx-P系列開環(huán)表面貼裝電流傳感器（圖4）專為低電流應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它們具有較低的漂移，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有更高的精度，ASIC技術(shù)帶來的高可靠性，更高的制造工藝效率，據(jù)稱可滿足關(guān)鍵的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用包括太陽能系統(tǒng)，風(fēng)力渦輪機(jī)，船用能源，電機(jī)控制，小型UPS，轉(zhuǎn)換器，焊接電源，激光切割等設(shè)備，以及縫紉機(jī)，吸塵器，白色家電和空調(diào)等設(shè)備。

圖4：LEM HMS系列設(shè)計(jì)用于低電流應(yīng)用（來源：數(shù)據(jù)表）。

功能包括霍爾效應(yīng)測量原理，4，300 V隔離測試電壓，極低（12 mm）曲線，單電源（+5 V）以及固定偏移和增益。

該系列的優(yōu)點(diǎn)包括節(jié)省空間的小型設(shè)計(jì)，只有一種設(shè)計(jì)用于寬的初級(jí)電流范圍，并且具有很高的抗外部干擾能力。

電流傳感是最終用途中的基本功能，從安全關(guān)鍵的汽車和工業(yè)應(yīng)用到手持設(shè)備，其中確定功率和效率至關(guān)重要。精確的電流監(jiān)控使設(shè)計(jì)人員能夠獲得關(guān)鍵信息（例如電機(jī)轉(zhuǎn)矩，基于電機(jī)電流）或診斷信息。即使可以檢測到電流的微小變化，也可以在發(fā)生之前避免昂貴的維修和機(jī)械問題。本文研究了幾種類型的電流檢測技術(shù)，并研究了一些示例器件。