測量功率正在成為智能家居中越來越重要的元素。推出智能電網(wǎng)和智能電表的成本應(yīng)該通過節(jié)省電力成本來彌補(bǔ)，但目前還沒有簡單的方法來進(jìn)行測量。智能網(wǎng)絡(luò)還希望識別作為主要功率的設(shè)備，以便最小化電流消耗，減少賬單并在公用電網(wǎng)上分散負(fù)載。

測量功率的一個(gè)關(guān)鍵因素是傳感器，霍爾效應(yīng)磁傳感器的位置理想，可提供用戶和公用設(shè)施所需的信息。這些傳感器在過去幾年中一直在悄然發(fā)展，轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)并集成鐵磁元件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在，智能網(wǎng)絡(luò)的前進(jìn)步驟將這些傳感器連接到無線收發(fā)器和可選的微控制器，以將數(shù)據(jù)發(fā)送回中央集線器。然后，可以在家中本地檢查數(shù)據(jù)以識別電力使用，或匿名匯總以提供關(guān)于區(qū)域中的電力使用的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。

霍爾效應(yīng)傳感器

Melexis MLX91205電流傳感器是基于霍爾效應(yīng)的單軸磁場傳感器。它是CMOS霍爾電路和薄鐵磁集中器的集成組合。 CMOS電路包含兩對霍爾元件，其靈敏度方向與芯片表面平行。鐵磁集中器放大外部磁場并將其集中在霍爾元件上，以便為功率測量提供更大的規(guī)模。這使得它適用于交流和直流電流，產(chǎn)生與施加的磁場平行于芯片表面成比例的模擬，線性，比率輸出電壓。

圖1 ：Melexis MLX91205電流傳感器顯示霍爾電路和鐵磁集中器。

該電路采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，鐵磁層采用簡單的后處理步驟。該單片器件集成了霍爾元件，偏移消除電路，電流源，斬波穩(wěn)定放大電路和參數(shù)編程功能。

通過使用動(dòng)態(tài)偏移消除，可以降低由溫度變化，封裝應(yīng)力等引起的任何偏移電壓。因此，該器件具有極其穩(wěn)定的信號輸出，不受機(jī)械應(yīng)力的影響，幾乎不受溫度循環(huán)的影響。這提供了廣泛的應(yīng)用范圍和非常高的精度。與其他線性霍爾傳感器不同，MLX91205可測量與芯片表面平行的磁場，非常適用于PCB上的開環(huán)電流檢測以及電表或設(shè)備。它具有小尺寸應(yīng)用設(shè)計(jì)和適用于各種電流范圍的簡單結(jié)構(gòu)。

快速響應(yīng)時(shí)間和高帶寬意味著該傳感器適用于非接觸式，高電流，高電壓設(shè)置中的高速電流測量。有兩種不同的產(chǎn)品版本可供選擇。 91205HB的線性磁場范圍為±25 mT，91205LB的線性范圍為±10 mT。 HB指的是高磁場，而LB指的是低磁場范圍。

圖2：使用MLX91205電流傳感器測量低(頂部)，中(中)和高(底部)電流。

低電流測量，最高±2 A

MLX91205可以通過傳感器周圍的線圈增加磁場來測量低電流。測量的靈敏度(輸出電壓與線圈中的電流)將取決于線圈的大小和匝數(shù)，但是通過在線圈周圍添加屏蔽可以獲得額外的靈敏度和對外部場的增強(qiáng)的抗擾度。線軸提供非常高的介電隔離，使其成為具有相對低電流的高壓電源的合適解決方案。應(yīng)對輸出進(jìn)行縮放，以獲得要測量的最高電流的最大電壓，以獲得最佳精度和分辨率。

中等電流高達(dá)±30 A

如果PCB上有單根導(dǎo)線，則可以測量高達(dá)30安培的電流。 PCB走線的尺寸需要考慮電流處理能力和總功耗。 PCB走線需要足夠厚且足夠?qū)?，以便連續(xù)處理RMS電流。

此配置的差分輸出電壓可近似為VOUT = typ。 35 - 40 mV/A * I.這表明，對于30 A的電流水平，輸出約為1050 mV。

高達(dá)±600 A的高電流測量

另一種測量PCB上高電流的方法是使用大而厚的銅線，能夠在PCB的另一側(cè)傳輸電流。 MLX91205應(yīng)位于跡線中心附近;但是，由于跡線很寬，輸出對PCB上的位置不太敏感。由于導(dǎo)體的距離和寬度，該配置也具有較低的靈敏度。

在許多應(yīng)用中，91205的輸出電壓是通過微控制器測量的。在應(yīng)用中組裝91205之后，通過校準(zhǔn)系統(tǒng)可以顯著提高電流傳感器系統(tǒng)的精度。通過施加已知電流，例如在100A時(shí)，微控制器的輸出電壓可以校準(zhǔn)到精確值，即100A時(shí)的2.000V。這樣可以在一定溫度下簡單地校準(zhǔn)偏移和靈敏度。

圖3：MLX91205電流傳感器的單端輸出。[!--empirenews.page--]

傳感器可以在單端模式下使用，如圖3所示，A_out兩端的電壓決定了電流。然后，它連接到集成到低成本微控制器和RF收發(fā)器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，例如Silicon Labs的Si1013。 12位ADC捕獲電壓并將電壓值傳送到MCU寄存器，收發(fā)器可以訪問它。該收發(fā)器工作在240-960 MHz ISM頻段，使其具有較長的家庭范圍和較低的功耗。然后可以遠(yuǎn)程輪詢該值，或者通過無線收發(fā)器作為智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一部分發(fā)送該值。

使用圖4中的差分輸出，電流值是A_out和CO_out上的電壓之差。同樣，這兩條線可以鏈接到微控制器中的ADC，以便為網(wǎng)絡(luò)提供價(jià)值。使用差分輸出消除了可能使單端輸出波動(dòng)的噪聲影響。如果電源電壓受到EMI噪聲干擾，則將第二個(gè)電容(100 pF陶瓷)與100 nF電容并聯(lián)可能很有用。

圖4：MLX91205電流傳感器的差分輸出。

其他集成收發(fā)器工作在2.4 GHz頻段，使用ZigBee等協(xié)議在家中提供智能網(wǎng)絡(luò)。德州儀器(TI)的CC2531等器件集成了一個(gè)8通道，12位Σ-Δ型ADC，以及一個(gè)8位微控制器和2.4 GHz前端。這針對ZigBee協(xié)議以及低功耗的智能照明和其他智能家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化。

使用IPv4的當(dāng)前ZigBee實(shí)現(xiàn)允許網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接家庭中的設(shè)備，將它們鏈接回中央集線器。然后可以通過因特網(wǎng)訪問該集線器以顯示這些設(shè)備的能量使用，突出顯示由集成電流傳感器實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)省的使用模式和機(jī)會。下一代ZigBee無線設(shè)備將支持IPv6協(xié)議。這將允許直接從因特網(wǎng)訪問設(shè)備，但仍然需要集線器，因?yàn)閆igBee節(jié)點(diǎn)的范圍是有限的。這可以簡化中央集線器的設(shè)計(jì)，并降低智能家居系統(tǒng)的推出成本。

家用消費(fèi)類設(shè)備

對于消費(fèi)類設(shè)備，Allegro ACS711為《100 V音頻，通信系統(tǒng)和白色家電中的交流或直流電流感應(yīng)提供經(jīng)濟(jì)，精確的解決方案。器件封裝允許輕松實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)和電流監(jiān)控。

該器件由線性霍爾傳感器電路組成，銅導(dǎo)電路徑位于芯片表面附近。流過該銅導(dǎo)電路徑的施加電流產(chǎn)生磁場，該磁場由集成霍爾IC感測并轉(zhuǎn)換成比例電壓。通過磁信號與霍爾傳感器的緊密接近，優(yōu)化了器件精度。

圖5：ACS711霍爾效應(yīng)電流傳感器，顯示溫度補(bǔ)償和信號恢復(fù)。

器件的輸出具有與從IP +到IP-(引腳1和2，圖6中的引腳3和4)的電流成正比的正斜率。該封裝的內(nèi)部電阻對于EX封裝為0.6mΩ，對于LC封裝為1.2mΩ，提供非侵入式測量接口，可在需要高能效的智能家居應(yīng)用中節(jié)省功耗。這在LC封裝上提供±12.5 A和±25 A滿量程感應(yīng)范圍，在EX封裝上提供±15.5 A和±31 A滿量程感應(yīng)范圍。

圖6：ACS711輸出模擬信號VIOUT，該信號在指定范圍內(nèi)與雙向AC或DC初級電流IP線性變化。當(dāng)IP達(dá)到其滿量程電流的±100%時(shí)，F(xiàn)AULT引腳跳閘。

ACS711針對低端電流檢測應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，但導(dǎo)電路徑的端子與傳感器IC引線電氣隔離，為低交流或直流工作電壓應(yīng)用提供足夠的內(nèi)部爬電距離和間隙尺寸。銅導(dǎo)體的厚度允許器件在高達(dá)5倍的過流條件下存活，從而在浪涌情況下得到保護(hù)。 ACS711采用小型表貼封裝SOIC8和QFN12封裝，可輕松安裝在消費(fèi)類設(shè)備中，無需外部檢測電阻，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

比例電流測量

某些器件采用不同的架構(gòu)，更適合將模數(shù)轉(zhuǎn)換添加到器件中，允許數(shù)字輸出直接由片上系統(tǒng)收發(fā)器使用有一個(gè)集成的微控制器，如Silicon Labs的Si1013。這使得ADC可以自由地從設(shè)備中的其他傳感器獲取數(shù)據(jù)，并增強(qiáng)智能網(wǎng)絡(luò)在家庭中的作用。

英飛凌的TLE4997霍爾效應(yīng)IC專為電流測量應(yīng)用而設(shè)計(jì)。傳感器提供比例模擬輸出電壓，非常適合以電源電壓為參考的模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用16位DSP架構(gòu)和數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號處理可確保長時(shí)間的穩(wěn)定性，最小總體分辨率為12位，盡管某些內(nèi)部級的分辨率最高可達(dá)20位。

該IC采用BiCMOS技術(shù)制造，具有高電壓能力，并提供反極性保護(hù)。在該器件中，磁通量由霍爾效應(yīng)單元測量，輸出由DSP從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。短路霍爾效應(yīng)單元和連續(xù)時(shí)間A至D轉(zhuǎn)換提供非常低且穩(wěn)定的磁偏移，而可編程低通濾波器可降低噪聲。使用ADC方法，可以測量溫度并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，以便使用二階函數(shù)以數(shù)字方式處理溫度補(bǔ)償。

圖7：內(nèi)置DSP和數(shù)字轉(zhuǎn)換的TLE4997霍爾效應(yīng)傳感器

這種方法的優(yōu)點(diǎn)意味著輸出電壓范圍可以是由數(shù)字限幅器鉗位并與電源電壓成比例(比率DAC)。板載診斷(OBD)電路在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)將輸出連接到VDD或GND。然后，收發(fā)器可以通過數(shù)字通用I/O引腳直接使用輸出，作為家庭智能網(wǎng)絡(luò)的一部分。

結(jié)論

將電流傳感器放置在智能家居中潛在的功耗源附近，可以在功率測量中提供更高的粒度。通過帶有IPv4的集線器或直接使用IPv6將這些傳感器連接到網(wǎng)絡(luò)，可以訪問更多有關(guān)實(shí)際情況的數(shù)據(jù)。分析該數(shù)據(jù)為公用事業(yè)公司及其客戶提供了關(guān)于使用多少電力，何時(shí)以及在何處使用的關(guān)鍵信息。這提高了使用意識，并使消費(fèi)者能夠降低功耗和費(fèi)用。它還允許公用事業(yè)公司更有效地安排發(fā)電和交付，以降低成本。