介紹

電流檢測用于執(zhí)行兩個基本的電路功能。首先，它測量電路中流動的“多少”電流;可用于 DC/DC 電源中的電源管理的信息，以確定必要的外圍負載以節(jié)省電力。第二個功能是確定何時存在“過多”電流或故障情況。如果電流超過安全限值，則會滿足軟件或硬件互鎖條件，并發(fā)送信號來關閉應用程序，就像電機停轉(zhuǎn)或電池短路情況一樣。選擇一種設計穩(wěn)健、能夠承受故障期間存在的極端條件的技術至關重要。執(zhí)行測量功能的適當組件將維持準確的電壓信號并防止損壞印刷電路板。

測量方法

指示“多少”狀況和“太多”狀況的信號可通過多種不同的測量方法獲得，每種方法都有其優(yōu)點，使其成為有效或可接受的電流測量方法，但也有對應用可靠性至關重要的權衡。它們還可以分為兩大類測量方法：直接或間接。直接方法意味著它直接連接在被測量的電路中，并且測量組件暴露于線路電壓，而間接方法提供設計安全可能必需的隔離。

電阻式

電流檢測電阻

電阻器是一種直接測量電流的方法，具有簡單和線性的優(yōu)點。電流檢測電阻器與被測量的電流串聯(lián)放置，產(chǎn)生的電流導致少量功率轉(zhuǎn)化為熱量。這種功率轉(zhuǎn)換提供了電壓信號。除了簡單性和線性度等有利特性外，電流檢測電阻器還是一種經(jīng)濟高效的解決方案，電阻溫度系數(shù) (TCR) 穩(wěn)定為 o C 或 0.01 %/ o C，并且不會遭受雪崩倍增的可能性或熱失控。

電流互感器

電流互感器具有三個主要優(yōu)點：它提供與線路電壓的隔離、無損電流測量以及可提供抗噪性的大信號電壓。這種間接電流測量方法需要變化的電流(例如交流電流、瞬態(tài)電流或開關直流電流)來提供變化的磁場，該磁場磁耦合到次級繞組中。次級測量電壓可以根據(jù)初級和次級繞組之間的匝數(shù)比進行縮放。這種測量方法被認為是“無損”的，因為電路電流通過銅繞組時電阻損耗非常小。然而，由于負載電阻、磁芯損耗以及初級和次級直流電阻造成的變壓器損耗，會損失少量功率。

羅氏線圈

羅氏線圈與電流互感器類似，次級線圈中感應出的電壓與流經(jīng)隔離導體的電流成正比。例外之處在于，羅氏線圈是空心設計，與電流互感器不同，電流互感器依賴于高磁導率磁芯(例如層壓鋼)來磁耦合到次級繞組?？招驹O計具有較低的電感，提供更快的信號響應和非常線性的信號電壓。由于其設計，它通常用作現(xiàn)有接線(例如手持式儀表)的臨時電流測量方法。這可以被認為是電流互感器的低成本替代方案。

霍爾效應

當載流導體置于磁場中時，垂直于磁場和電流方向會產(chǎn)生電勢差。該電勢與電流的大小成正比。當沒有磁場并且存在電流時，就不存在電勢差。然而，如圖 5 所示，當存在磁場和電流時，電荷與磁場相互作用，導致電流分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生霍爾電壓。

霍爾效應器件的優(yōu)點是能夠以低功耗測量大電流。然而，有許多缺點限制了它們的使用，例如需要補償?shù)姆蔷€性溫度漂移;帶寬有限;低量程電流檢測需要較大的失調(diào)電壓，這可能會導致誤差;對外部磁場的敏感性;靜電放電敏感性;且成本高。

晶體管

R DS(ON) – 漏源導通電阻

晶體管被認為是一種無損過流檢測方法，因為它們是電路設計的標準控制元件，并且不需要其他電阻或功耗器件來提供控制信號。晶體管數(shù)據(jù)表提供了功率 MOSFET 的漏極至源極導通電阻 (RDS(ON))，典型電阻在 mΩ 范圍內(nèi)。該電阻由多個組件組成，首先是通過電阻連接到半導體芯片的引線，從而構(gòu)成了眾多通道特性。根據(jù)該信息，通過 MOSFET 的電流可由 ILoad = VRDS (ON) / R DS(ON)確定。

R DS(ON)的每個組成部分 都會因界面區(qū)域電阻的微小變化和 TCR 效應而產(chǎn)生測量誤差。 TCR 效應可以通過測量溫度并利用溫度引起的預期電阻變化來校正測量電壓來部分補償。通常，MOSFET 的 TCR 可高達 4000 ppm/ ° C，相當于溫度升高 100 ° C 時電阻變化 40%。一般來說，這種測量方法提供的信號精度約為 10% 至 20%。根據(jù)精度要求，這可能是提供過流保護的可接受范圍。

比率指標 – 電流檢測 MOSFET

MOSFET 由數(shù)千個并聯(lián)晶體管單元組成，可降低導通電阻。電流檢測 MOSFET 使用一小部分并聯(lián)單元，并連接到公共柵極和漏極，但連接到單獨的源極(圖 7)。這創(chuàng)建了第二個隔離晶體管; “感應”晶體管。當晶體管導通時，通過感測晶體管的電流將與通過其他單元的主電流相當。

根據(jù)晶體管產(chǎn)品的不同，精度容差范圍可以低至 5% 或?qū)捴?15% 至 20%。這通常不適用于通常需要 1% 測量精度的電流控制應用，但適用于過流和短路保護。