孰優(yōu)孰劣,分析極端條件下的六種電流測量方法
發(fā)布時(shí)間:2016-06-13 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】電流檢測被用來執(zhí)行兩個(gè)基本的電路功能。首先,是測量“多大”電流在電路中流動(dòng),第二個(gè)功能是當(dāng)電流“過大”或出現(xiàn)故障時(shí),做出判斷。如果電流超過了安全限值,滿足軟件或硬件互鎖條件,就會發(fā)出一個(gè)信號,把設(shè)備關(guān)掉。因此有必要選擇一種能承受故障過程中極端條件的魯棒性設(shè)計(jì)的技術(shù)。
電流檢測被用來執(zhí)行兩個(gè)基本的電路功能。首先,是測量“多大”電流在電路中流動(dòng),這個(gè)信息可以用于DC/DC電源中的電源管理,來判定基本的外圍負(fù)載,來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。第二個(gè)功能是當(dāng)電流“過大”或出現(xiàn)故障時(shí),做出判斷。如果電流超過了安全限值,滿足軟件或硬件互鎖條件,就會發(fā)出一個(gè)信號,把設(shè)備關(guān)掉,比如電機(jī)堵轉(zhuǎn)或電池中發(fā)生短路的情況。因此有必要選擇一種能承受故障過程中極端條件的魯棒性設(shè)計(jì)的技術(shù)。采用適當(dāng)?shù)脑骷韴?zhí)行測量功能,不但能獲得準(zhǔn)確的電壓信號,還能防止損壞印制電路板。
測量方法
有各種不同的測量方法能產(chǎn)生提示“多大”或“過大”的信號,如下:
電阻式(直接):檢流電阻
磁(間接):電流互感器、羅氏線圈、霍爾效應(yīng)器件
晶體管(直接):RDS(ON)、比率式
每種方法都有其優(yōu)點(diǎn),是有效的或可接受的電流測量方法,但也各有利弊,這一點(diǎn)對應(yīng)用的可靠性至關(guān)重要。這些測量方法可分為兩類:直接的,或間接的。直接方法的意思是直接連到被測電路里,測量元件會受到線電壓的影響,間接方法的測量元件與線電壓是隔離的,在產(chǎn)品的安全性有要求時(shí)有必要采用間接方法。
電阻式
檢流電阻
用電阻測量電流是一種直接方法,優(yōu)點(diǎn)是簡單,線性度好。檢流電阻與被測電流放在一個(gè)電路里,流經(jīng)電阻的電流會使一小部分電能轉(zhuǎn)化為熱。這個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生了電壓信號。除了簡單易用和線性度好的特點(diǎn),檢流電阻的性價(jià)比也很好,溫度系數(shù)(TCR)穩(wěn)定,可以達(dá)到100 ppm/℃以下或0.01%/℃,不會受潛在的雪崩倍增或熱失控的影響。還有,低阻(小于1mΩ)的金屬合金檢流電阻的抗浪涌能力非常好,在出現(xiàn)短路和過流情況時(shí),能實(shí)現(xiàn)可靠的保護(hù)。
磁
電流互感器
電流互感器(圖1)有三個(gè)突出優(yōu)點(diǎn):與線電壓隔離,無損測量電流,大信號電壓能很好地抵御噪聲。這種間接測量電流的方法要求用到變化的電流,例如交流電,瞬變電流或開關(guān)式直流電,來產(chǎn)生一個(gè)磁耦合到次級繞組里的變化磁場。次級測量電壓可以根據(jù)在初級和次級繞組間的匝數(shù)比實(shí)現(xiàn)縮放。這種測量方法被認(rèn)為是“無損的”,因?yàn)殡娐冯娏魍ㄟ^銅繞組時(shí)的電阻損耗非常小。但是,如圖2所示,由于負(fù)載電阻、芯損,以及初級和次級直流電阻的存在,互感器的損耗會導(dǎo)致失去一小部分能量。
羅氏線圈
羅氏線圈(圖3)類似于電流互感器,會在次級線圈內(nèi)會感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)電壓,電壓大小與流經(jīng)隔離電感器的電流程正比。特殊之處在于,羅氏線圈采用的是氣芯設(shè)計(jì),這一點(diǎn)與依賴層壓鋼等高磁導(dǎo)率鐵芯和次級繞組磁耦合的電流互感器完全不同。氣芯設(shè)計(jì)的電感較小,有更快的信號響應(yīng)和非常線性的信號電壓。由于采用了這種設(shè)計(jì),羅氏線圈經(jīng)常被用在像手持電表這樣的已有接線上,臨時(shí)性地測量電流,可以認(rèn)為是電流互感器的低成本替代方案。
霍爾效應(yīng)
當(dāng)一個(gè)帶電流的導(dǎo)體被放進(jìn)磁場里時(shí)(圖4),在垂直于磁場和電流流動(dòng)方向上會產(chǎn)生電位差。這個(gè)電位與電流大小成正比。在沒有磁場和電流流過時(shí),就沒有電位差。但如圖5所示,當(dāng)有磁場和電流流過時(shí),電荷與磁場相互作用,引起電流分布發(fā)生變化,這樣就產(chǎn)生了霍爾電壓。
霍爾效應(yīng)元件的優(yōu)點(diǎn)是能測量大電流,而且功率耗散小。然而,這種方法也有不少缺點(diǎn),限制其使用,例如要對非線性的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償;帶寬有限;對小量程的電流進(jìn)行測量時(shí),要求使用大偏置電壓,這會引起誤差;易受外部磁場的影響;對ESD敏感;成本高。
晶體管
RDS(ON) -漏極到源極的導(dǎo)通電阻
由于晶體管對電路設(shè)計(jì)來說是標(biāo)準(zhǔn)的控制器件,不需要電阻或消耗能量的器件來提供控制信號,因此晶體管被認(rèn)為是沒有能量損失的過流探測方法。晶體管數(shù)據(jù)表給出了漏極到源極的導(dǎo)通電阻(RDS(ON)),功率MOSFET的典型電阻一般在毫歐范圍內(nèi)。這個(gè)電阻由幾部分組成,首先是連到半導(dǎo)體裸晶的引線(圖6),這部分電阻影響了很多溝道特性?;谶@個(gè)資料,流經(jīng)MOSFET的電流可以用公式 ILoad = VRDS(ON) / RDS(ON)計(jì)算得出。
由于界面區(qū)域電阻的微小變化和TCR效應(yīng),RDS(ON)的每個(gè)組成部分都會造成測量誤差。通過測量溫度,及用由溫度引起的電阻預(yù)期變化來修正被測電壓,可以對TCR效應(yīng)部分地加以補(bǔ)償。很多時(shí)候,MOSFET的TCR會高達(dá)4000ppm/℃,相當(dāng)于溫度上升100℃,電阻的變化達(dá)到40%。通常來說,這種測量方法的信號精度大約為10%~20%。從應(yīng)用對精度的要求來看,對于提供過壓保護(hù)來說,這個(gè)精度范圍是可以接受的。
比率式 - 電流檢測MOSFET
MOSFET由成千上萬個(gè)能降低導(dǎo)通電阻的并聯(lián)的晶體管元胞構(gòu)成。檢流MOSFET使用一少部分并聯(lián)元胞,連到共柵極和漏極,但源極是分開的(圖7)。這樣就產(chǎn)生了第2個(gè)隔離的晶體管,即“檢測”晶體管。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí),流經(jīng)檢測晶體管的電流與流經(jīng)其他元胞的主電流成一定比例。
精度公差的范圍取決于具體的晶體管產(chǎn)品,低的達(dá)到5%,高的可以達(dá)到15%到20%。這種方法通常不適合一般要求測量精度達(dá)到1%的電流控制應(yīng)用,但適合過流和短路保護(hù)。
從上面的總結(jié)表可以看出,探測電路中電流的方法有很多種,要根據(jù)應(yīng)用特定的需求來選擇合適的方法。每種方法均有其優(yōu)點(diǎn)和短板,這些因素都要在設(shè)計(jì)中加以仔細(xì)考量。
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