電流測量6種不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)

電流檢測用于執(zhí)行兩個基本電路功能。首先，是測量電路中流過的電流“有多大”。這些信息可用于DC/DC供電公司的電源管理，以確定基本外圍負(fù)載并實現(xiàn)節(jié)能。第二個作用是在電流“過大”或失效時做出判斷。如果電流超過安全限值，滿足軟件或硬件的聯(lián)鎖條件，就會發(fā)出關(guān)閉設(shè)備的信號，比如電機(jī)停轉(zhuǎn)或電池短路。因此，需要選擇一種能夠承受故障過程中極端條件的穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)。使用合適的元件執(zhí)行測量功能不僅可以獲得準(zhǔn)確的電壓信號，還可以防止印刷電路板被損壞。測量方法有多種測量方法可以產(chǎn)生提示“多大”或“太大”的信號，如下所示:

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。

每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)，這是一種有效或可接受的電流測量方法，但它也有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，這對應(yīng)用的可靠性至關(guān)重要。這些測量方法可以分為兩類:直接或間接。直接法是指測量元件直接接在被測電路上，間接法的測量元件與線電壓隔離，所以當(dāng)產(chǎn)品安全有要求時，必須采用間接法。

電阻式(直接)檢流電阻

用電阻測量電流是一種直接的方法，具有簡單、線性好的優(yōu)點(diǎn)。電流感測電阻放在有被測電流的電路中，流過電阻的電流會將少量的電能轉(zhuǎn)化為熱量。這個能量轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生一個電壓信號。電流感測電阻除了簡單、線性度好之外，性價比也很高，溫度系數(shù)(TCR)穩(wěn)定，可以達(dá)到100 ppm/℃此外，低電阻(小于1mω)金屬合金電流檢測器具有優(yōu)異的抗浪涌能力，在短路和過流情況下能實現(xiàn)可靠的保護(hù)。

磁(間接)電流互感器

電流互感器(圖1)有三個突出優(yōu)點(diǎn):與線電壓隔離、無損測量電流、大信號電壓能很好地抗噪聲。這種間接電流測量方法需要使用變化的電流，例如交流電流、瞬態(tài)電流或開關(guān)模式直流電流，以產(chǎn)生磁耦合到次級繞組的變化磁場。測量的次級電壓可以根據(jù)初級和次級繞組之間的匝數(shù)比進(jìn)行縮放。這種測量方法被認(rèn)為是“非破壞性的”，因為通過銅繞組的電路電流的電阻損耗非常小。但如圖2所示，由于負(fù)載電阻、鐵芯損耗、一次和二次DC電阻的存在，變壓器的損耗會導(dǎo)致少量能量的損失。

圖1，理想的電流互感器電路

圖2，電流互感器損耗的組成

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，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，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。

圖3

霍爾效應(yīng)

當(dāng)一個帶電流的導(dǎo)體被放進(jìn)磁場里時(圖4)，在垂直于磁場和電流流動方向上會產(chǎn)生電位差。這個電位與電流大小成正比。在沒有磁場和電流流過時，就沒有電位差。但如圖5所示，當(dāng)有磁場和電流流過時，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，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。

圖4，霍爾效應(yīng)原理，無磁場

圖5，霍爾效應(yīng)原理，有磁場

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@個資料，流經(jīng)MOSFET的電流可以用公式 ILoad = VRDS(ON) / RDS(ON)計算得出。

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，這個精度范圍是可以接受的。

圖6 ，N溝道增強(qiáng)型MOSFET的簡化模型

比率式 - 電流檢測MOSFET

MOSFET由成千上萬個能降低導(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個隔離的晶體管，即“檢測”晶體管。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，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)。

圖 7

從上面的匯總表可以看出，檢測電路中電流的方法有很多種，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的具體要求選擇合適的方法。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在設(shè)計時應(yīng)仔細(xì)考慮這些因素。

以上就是關(guān)于電流測量的6種不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，如您使用中還有其他問題，歡迎登陸西安普科電子科技。

審核編輯：湯梓紅