介紹

電流檢測(cè)用于執(zhí)行兩個(gè)基本的電路功能。首先，它測(cè)量電路中流動(dòng)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(fù)載以節(jié)省電力。第二個(gè)功能是確定何時(shí)存在“過(guò)多”電流或故障情況。如果電流超過(guò)安全限值，則會(huì)滿(mǎn)足軟件或硬件互鎖條件，并發(fā)送信號(hào)來(lái)關(guān)閉應(yīng)用程序，就像電機(jī)停轉(zhuǎn)或電池短路情況一樣。選擇一種設(shè)計(jì)穩(wěn)健、能夠承受故障期間存在的極端條件的技術(shù)至關(guān)重要。執(zhí)行測(cè)量功能的適當(dāng)組件將維持準(zhǔn)確的電壓信號(hào)并防止損壞印刷電路板。

測(cè)量方法

指示“多少”狀況和“太多”狀況的信號(hào)可通過(guò)多種不同的測(cè)量方法獲得，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)，使其成為有效或可接受的電流測(cè)量方法，但也有對(duì)應(yīng)用可靠性至關(guān)重要的權(quán)衡。它們還可以分為兩大類(lèi)測(cè)量方法：直接或間接。直接方法意味著它直接連接在被測(cè)量的電路中，并且測(cè)量組件暴露于線(xiàn)路電壓，而間接方法提供設(shè)計(jì)安全可能必需的隔離。

電阻式

電流檢測(cè)電阻

電阻器是一種直接測(cè)量電流的方法，具有簡(jiǎn)單和線(xiàn)性的優(yōu)點(diǎn)。電流檢測(cè)電阻器與被測(cè)量的電流串聯(lián)放置，產(chǎn)生的電流導(dǎo)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(hào)。除了簡(jiǎn)單性和線(xiàn)性度等有利特性外，電流檢測(cè)電阻器還是一種經(jīng)濟(jì)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(huì)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：它提供與線(xiàn)路電壓的隔離、無(wú)損電流測(cè)量以及可提供抗噪性的大信號(hào)電壓。這種間接電流測(cè)量方法需要變化的電流(例如交流電流、瞬態(tài)電流或開(kāi)關(guān)直流電流)來(lái)提供變化的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)磁耦合到次級(jí)繞組中。次級(jí)測(cè)量電壓可以根據(jù)初級(jí)和次級(jí)繞組之間的匝數(shù)比進(jìn)行縮放。這種測(cè)量方法被認(rèn)為是“無(wú)損”的，因?yàn)殡娐冯娏魍ㄟ^(guò)銅繞組時(shí)電阻損耗非常小。然而，由于負(fù)載電阻、磁芯損耗以及初級(jí)和次級(jí)直流電阻造成的變壓器損耗，會(huì)損失少量功率。

羅氏線(xiàn)圈

羅氏線(xiàn)圈與電流互感器類(lèi)似，次級(jí)線(xiàn)圈中感應(yīng)出的電壓與流經(jīng)隔離導(dǎo)體的電流成正比。例外之處在于，羅氏線(xiàn)圈是空心設(shè)計(jì)，與電流互感器不同，電流互感器依賴(lài)于高磁導(dǎo)率磁芯(例如層壓鋼)來(lái)磁耦合到次級(jí)繞組。空芯設(shè)計(jì)具有較低的電感，提供更快的信號(hào)響應(yīng)和非常線(xiàn)性的信號(hào)電壓。由于其設(shè)計(jì)，它通常用作現(xiàn)有接線(xiàn)(例如手持式儀表)的臨時(shí)電流測(cè)量方法。這可以被認(rèn)為是電流互感器的低成本替代方案。

霍爾效應(yīng)

當(dāng)載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，垂直于磁場(chǎng)和電流方向會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。該電勢(shì)與電流的大小成正比。當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)并且存在電流時(shí)，就不存在電勢(shì)差。然而，如圖 5 所示，當(dāng)存在磁場(chǎng)和電流時(shí)，電荷與磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致電流分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生霍爾電壓。

霍爾效應(yīng)器件的優(yōu)點(diǎn)是能夠以低功耗測(cè)量大電流。然而，有許多缺點(diǎn)限制了它們的使用，例如需要補(bǔ)償?shù)姆蔷€(xiàn)性溫度漂移;帶寬有限;低量程電流檢測(cè)需要較大的失調(diào)電壓，這可能會(huì)導(dǎo)致誤差;對(duì)外部磁場(chǎng)的敏感性;靜電放電敏感性;且成本高。

晶體管

R DS(ON) – 漏源導(dǎo)通電阻

晶體管被認(rèn)為是一種無(wú)損過(guò)流檢測(cè)方法，因?yàn)樗鼈兪请娐吩O(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)控制元件，并且不需要其他電阻或功耗器件來(lái)提供控制信號(hào)。晶體管數(shù)據(jù)表提供了功率 MOSFET 的漏極至源極導(dǎo)通電阻 (RDS(ON))，典型電阻在 mΩ 范圍內(nèi)。該電阻由多個(gè)組件組成，首先是通過(guò)電阻連接到半導(dǎo)體芯片的引線(xiàn)，從而構(gòu)成了眾多通道特性。根據(jù)該信息，通過(guò) MOSFET 的電流可由 ILoad = VRDS (ON) / R DS(ON)確定。

R DS(ON)的每個(gè)組成部分 都會(huì)因界面區(qū)域電阻的微小變化和 TCR 效應(yīng)而產(chǎn)生測(cè)量誤差。 TCR 效應(yīng)可以通過(guò)測(cè)量溫度并利用溫度引起的預(yù)期電阻變化來(lái)校正測(cè)量電壓來(lái)部分補(bǔ)償。通常，MOSFET 的 TCR 可高達(dá) 4000 ppm/ ° C，相當(dāng)于溫度升高 100 ° C 時(shí)電阻變化 40%。一般來(lái)說(shuō)，這種測(cè)量方法提供的信號(hào)精度約為 10% 至 20%。根據(jù)精度要求，這可能是提供過(guò)流保護(hù)的可接受范圍。

比率指標(biāo) – 電流檢測(cè) MOSFET

MOSFET 由數(shù)千個(gè)并聯(lián)晶體管單元組成，可降低導(dǎo)通電阻。電流檢測(cè) 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(dú)的源極(圖 7)。這創(chuàng)建了第二個(gè)隔離晶體管; “感應(yīng)”晶體管。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)感測(cè)晶體管的電流將與通過(guò)其他單元的主電流相當(dāng)。

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(cè)量精度的電流控制應(yīng)用，但適用于過(guò)流和短路保護(hù)。