開環(huán)磁通門能否在電源設(shè)計(jì)中走向主流

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）隨著電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于電流檢測(cè)的需求也在日益提升。不過(guò)針對(duì)這些場(chǎng)景，更多使用的是通過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器、分流電阻、電流互感器（CTs）和羅氏線圈（Rogowski coils）等傳感器來(lái)完成的。

而在某些需要極端精度的電流測(cè)量場(chǎng)合，或者當(dāng)電源系統(tǒng)處于高干擾磁場(chǎng)環(huán)境中時(shí)，磁通門傳感器的高精度和抗干擾能力可能使其成為一個(gè)有價(jià)值的選擇。并且隨著開環(huán)磁通門傳感器的普及，成本下降之后，有望讓其在電源設(shè)計(jì)中占有一席之地。

昂貴的磁通門傳感器

在如今的電氣設(shè)備中，電流傳感器非常重要，這種傳感器能夠感受到被測(cè)電流的信息，并將這些信息按一定規(guī)律變換成符合一定標(biāo)準(zhǔn)需要的電信號(hào)或其他形式的信息輸出。電流傳感器根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)需求，發(fā)展出了多種類型，包括霍爾傳感器、分流電阻、電流互感器以及磁通門等。

通常而言，在電源設(shè)計(jì)中，霍爾效應(yīng)傳感器因其簡(jiǎn)單性、成本效益和適應(yīng)性而更常被用作電流傳感器?；魻杺鞲衅髂軌蛑苯訙y(cè)量電流引起的磁場(chǎng)，無(wú)需復(fù)雜的信號(hào)處理，同時(shí)提供良好的隔離和安全性能。此外，霍爾傳感器的響應(yīng)速度快，適用于高頻開關(guān)電源中的電流監(jiān)控。

而磁通門傳感器在某些需要極端精度和靈敏度的電流測(cè)量應(yīng)用中可能會(huì)被使用，例如在需要高精度電流檢測(cè)的高端電源管理系統(tǒng)中，但在電源設(shè)計(jì)中甚少用到，原因在于其昂貴的成本。

比如根據(jù)近期市場(chǎng)中的一些公開數(shù)據(jù)，一個(gè)交直流零磁通門互感器的價(jià)格大約為680元人民幣，而一個(gè)閉環(huán)磁通門互感器的價(jià)格約為75元人民幣。而普通的霍爾傳感器價(jià)格大概在幾毛錢到數(shù)百元不等，這意味著即使是低端的磁通門傳感器，其成本也可能比霍爾傳感器高很多倍。

高昂的成本一方面在于磁通門傳感器的核心部件為高導(dǎo)磁率的磁芯，通常由特殊的磁性材料制成，如超磁致伸縮合金（如Metglas、Permalloy等）。這些材料具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力，但成本也相對(duì)較高。

同時(shí)磁通門傳感器需要精確的磁路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理電路，尤其是閉環(huán)磁通門傳感器，它們包含了一個(gè)反饋控制回路，用以保持磁芯在未飽和狀態(tài)。閉環(huán)系統(tǒng)需要額外的硬件和復(fù)雜的信號(hào)處理算法，增加了設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜度和成本。

當(dāng)然，如果使用開環(huán)磁通門傳感器設(shè)計(jì)的話，由于沒(méi)有閉環(huán)控制系統(tǒng)，它們直接檢測(cè)磁芯的磁化狀態(tài)變化，然后將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)減少了所需組件的數(shù)量，降低了信號(hào)處理的復(fù)雜性，因此通常具有較低的生產(chǎn)成本。

不過(guò)即便是開環(huán)的磁通門傳感器，成本上仍然不會(huì)太低，例如一個(gè)低成本的開環(huán)磁通門電流傳感器可能在人民幣50元至200元之間，而高性能的開環(huán)磁通門傳感器，具備更高的精度和更寬的動(dòng)態(tài)范圍，可能達(dá)到人民幣500元至2000元或更多。

開環(huán)磁通門傳感器存在發(fā)展?jié)摿?/strong>

從技術(shù)上來(lái)看，開環(huán)磁通門傳感器具有低零漂和偏溫漂的特點(diǎn)，因?yàn)榇判咎幱诮蛔兊腂-H磁場(chǎng)中，避免了磁通門在磁路中的磁偏移。這使得它們?cè)谛‰娏鳒y(cè)量中具有很高的精度，尤其是在動(dòng)態(tài)特性和高分辨率方面表現(xiàn)優(yōu)異。

通過(guò)Comsol仿真分析，開環(huán)磁通門電流傳感器的集磁環(huán)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，磁環(huán)可將電流測(cè)量靈敏度提高15.4倍，頻率可達(dá)6.7 kHz，可滿足交直流復(fù)雜漏電流檢測(cè)。

這意味著開環(huán)磁通門傳感器可以用于測(cè)量各種交流、直流、脈沖和復(fù)雜信號(hào)。它們?cè)?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)領(lǐng)域，如驅(qū)動(dòng)器、電源、電源故障檢測(cè)、新能源、光伏陣列側(cè)的人體接觸保護(hù)等方面有廣泛應(yīng)用。

比如，可以使用開環(huán)磁通門傳感器的±100A匯流條電流傳感器參考設(shè)計(jì)，提供了高達(dá)±100A的非侵入式（隔離式和無(wú)損耗）電流測(cè)量解決方案，適用于BMS、交流驅(qū)動(dòng)器控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器控制模塊等應(yīng)用。

目前市場(chǎng)中也有不少企業(yè)推出了相應(yīng)的磁通門傳感器產(chǎn)品。如TI的TIPD205參考設(shè)計(jì)就使用開環(huán)磁通門傳感器來(lái)精確測(cè)量高達(dá)100A的直流、交流和脈沖電流。而DRV425是一款專為單軸磁場(chǎng)感測(cè)設(shè)計(jì)的磁通門磁場(chǎng)傳感器，適用于電氣隔離式高靈敏度精密直流和交流磁場(chǎng)測(cè)量。該傳感器具有低偏移、低漂移、低噪聲特性，廣泛應(yīng)用于母線電流感測(cè)、走線電流感測(cè)、太陽(yáng)能逆變器等領(lǐng)域。

還有如LEM的CAB系列磁通門電流傳感器專為電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電池包電流測(cè)量設(shè)計(jì)。例如，CAB-SF 1500-001型號(hào)，額定值為1500A，測(cè)量范圍為1500A，適用于開環(huán)磁通門應(yīng)用，具有高精度和寬溫度范圍的特點(diǎn)。

而國(guó)內(nèi)的開環(huán)磁通門產(chǎn)品則仍處于發(fā)展階段，好消息是福州物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室在2023年底發(fā)布了自主研發(fā)的C01/C02/C03三個(gè)系列共12種型號(hào)的磁通門電流傳感器，這標(biāo)志著中國(guó)在磁通門傳感器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化替代，擺脫了對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴，構(gòu)建了自主可控、安全可靠的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)供應(yīng)體系。

此外，芯進(jìn)電子在2024年推出了國(guó)內(nèi)首顆研發(fā)并量產(chǎn)的磁通門高精度閉環(huán)電流傳感器IC CC6836，雖然這是閉環(huán)版本，但它也反映了國(guó)內(nèi)企業(yè)在磁通門傳感器技術(shù)上的進(jìn)步和成熟。

開環(huán)磁通門傳感器在精度、溫度漂移、帶寬和響應(yīng)時(shí)間等方面的表現(xiàn)越來(lái)越受到重視。其高精度和低漂移特性使其在高精度測(cè)量領(lǐng)域具有很大的潛力，并隨著電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)高精度、高可靠性的電流測(cè)量需求確實(shí)在增加，這為開環(huán)磁通門傳感器提供了一個(gè)潛在的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。不過(guò)想要真正成為市場(chǎng)中的主流，還需要在實(shí)際應(yīng)用中持續(xù)證明其價(jià)值，并且在與傳統(tǒng)傳感器的競(jìng)爭(zhēng)中顯示出明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

小結(jié)

依靠更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，以及相對(duì)閉環(huán)磁通門更低的成本，加上其高精度、低漂移和高靈敏度的特性。如果能夠再滿足電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可再生能源和自動(dòng)化領(lǐng)域，對(duì)高精度、高穩(wěn)定性和高效率的電流傳感器有著巨大的需求，那么開環(huán)磁通門傳感器未來(lái)可期。