電流測(cè)量技術(shù)的方案與設(shè)備介紹

電流測(cè)量和控制是任何功率敏感系統(tǒng)的組成部分。雖然我們大多數(shù)人都使用電流表來(lái)測(cè)量電流，但預(yù)算，空間和其他實(shí)際限制條件不太可能讓設(shè)計(jì)工程師將電流表指定為成品的一部分;更有可能的是，我們將在給定的設(shè)計(jì)中嵌入一些電流測(cè)量技術(shù)。

電流測(cè)量具有廣泛的用途。其中一些是：

確保接收過(guò)多電流不會(huì)損壞電源。

估算電機(jī)的轉(zhuǎn)速（電機(jī)的速度與施加電流的速度成正比）。

檢查LED是否具有正確的照明。

確定充電過(guò)程中對(duì)電池組施加的電流量（以防止電池過(guò)度充電或過(guò)熱）。

要測(cè)量從電池組施加到電路的電流量，可以估算電池壽命。

本文討論了在測(cè)量電流時(shí)可以使用的技術(shù)和設(shè)備。這里解決了微觀（納安）和宏觀（數(shù)百安培）需求，可以作為滿足您特定設(shè)計(jì)需求的起點(diǎn)。

簡(jiǎn)單明了

測(cè)量電流的最簡(jiǎn)單，最直接的方法是使用歐姆定律。如果已知值電阻與負(fù)載串聯(lián)，則其兩端的電壓將與電流成正比。這意味著高精度電阻應(yīng)能產(chǎn)生高精度的電流測(cè)量。

這種方法的缺點(diǎn)是，與負(fù)載串聯(lián)的任何電阻都會(huì)限制到負(fù)載的電流，而且本身就是電壓降。更重要的是，它將消耗力量。這可能是也可能不是問(wèn)題，具體取決于您的約束以及您如何設(shè)計(jì)測(cè)量階段。

低功耗和電池供電的設(shè)計(jì)不希望浪費(fèi)任何能量，因此電阻值必須非常低。此外，空間通常是這些類(lèi)型設(shè)計(jì)的約束，因此在這種情況下，緊湊且精確的基于電阻的測(cè)量技術(shù)是一個(gè)很好的簡(jiǎn)單解決方案，特別是如果它可以在地面參考。

然后，電流傳感器是通過(guò)測(cè)量放置在電流路徑中的電阻器上的電壓降來(lái)監(jiān)控電流的電子電路（當(dāng)存在其他技術(shù)時(shí)，例如磁性，這里討論的所有內(nèi)容僅限于分流電阻器電流測(cè)量）。電流傳感器輸出的電壓或電流與通過(guò)測(cè)量路徑的電流成正比。

由于電阻測(cè)量是串聯(lián)測(cè)量，因此傳感器設(shè)備可以到達(dá)電流流過(guò)的串聯(lián)環(huán)路中的任何位置。這意味著它們通常可以應(yīng)用于電源的正極端子或負(fù)極端子（圖1）。

圖1：兩者可以使用高側(cè)和低側(cè)測(cè)量技術(shù)，但在使用以地為參考的高側(cè)測(cè)量時(shí)，請(qǐng)注意反向電流/電壓波形。

由于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員底盤(pán)接地到負(fù)電源端子，因此不希望以與電流消耗相關(guān)的可變電壓電平升高底層。這對(duì)于大電壓擺幅可能是正確的，但如果電壓水平非常低則不成問(wèn)題。

例如，低功耗嵌入式微控制器在睡眠模式下可以消耗10微安，并且可以吸收5毫安時(shí)在活動(dòng)模式下。緊湊而精確的表面貼裝電阻，例如Panasonic ERJ-6BWFR010V（百分之一，0.25 W，0805封裝的0.01Ω電阻），在滿量程5 mA負(fù)載下僅將底層升高50μV。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于任何會(huì)影響邏輯信號(hào)的電平。

需要將50μV滿量程電壓電平放大到A/D的滿量程范圍，以獲得最佳分辨率。此外，可能需要零偏移調(diào)整或軟件校準(zhǔn)技術(shù)。

高端電流測(cè)量的好處是，從噪聲的角度來(lái)看，它通常更安靜。通常，高壓側(cè)，尤其是原始電池側(cè)，在施加到負(fù)載之前被調(diào)節(jié)和過(guò)濾。它沒(méi)有看到地線可以看到的累積時(shí)鐘和高頻噪聲。

另外，因?yàn)榭梢栽诜€(wěn)壓器之前施加電流檢測(cè)，由于檢測(cè)電阻的存在會(huì)引起輕微的電壓變化不會(huì)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中的任何電壓降。但是，由于高端檢測(cè)電阻的反向電流/電壓曲線，應(yīng)使用反相差分放大器將檢測(cè)波形帶回到所產(chǎn)生的電壓與電流直接成正比的位置（圖2）。 p>

圖2：差分反相放大器設(shè)計(jì)可以將高端波形轉(zhuǎn)換為更熟悉的A/D轉(zhuǎn)換器電壓。

注意，如果在調(diào)節(jié)器之前使用高側(cè)傳感器，請(qǐng)確保測(cè)量點(diǎn)不高于運(yùn)算放大器的電源電壓。此外，當(dāng)產(chǎn)生電感反激尖峰時(shí)，使用緩沖器和保護(hù)電路，因?yàn)樗鼈儠?huì)損壞敏感運(yùn)算放大器和儀表放大器輸入。

在穩(wěn)壓器之前使用檢測(cè)電阻時(shí)，您需要使用電源計(jì)算，以準(zhǔn)確確定在特定電壓下通過(guò)負(fù)載的電流。

例如，假設(shè)您通過(guò)串聯(lián)電阻連接到電壓調(diào)節(jié)器的12 V電池（圖3）。在5 V電平下，我們測(cè)得的負(fù)載在1到100 mA之間變化。

圖3：在穩(wěn)壓器之前使用高端電流檢測(cè)時(shí)，根據(jù)功率計(jì)算調(diào)整電流讀數(shù)。

從12 V電源流向0~100 mA電源的電流實(shí)際為0至41.6毫安。以這種方式進(jìn)行高側(cè)測(cè)量時(shí)，請(qǐng)計(jì)劃調(diào)整后的電流。此外，還有失去監(jiān)管機(jī)構(gòu)的因素。調(diào)節(jié)器的類(lèi)型及其效率會(huì)影響性能。

檢測(cè)電阻可以很好地適用于低電流應(yīng)用，但需要將測(cè)量電路電氣連接到電源和負(fù)載。有時(shí)候法規(guī)和客戶需要或要求電氣隔離。

可用于低電流測(cè)量并提供電流隔離的技術(shù)是使用像IL300這樣的線性光隔離器來(lái)自Vishay。該部件類(lèi)似于具有線性電流傳遞曲線的數(shù)字光隔離器。通過(guò)使用隔離反饋檢測(cè)器和主檢測(cè)器，IL300將交流和直流信號(hào)與0.01％伺服線性度耦合（圖4）。

圖4：線性光隔離器可用于小電流或甚至大電流測(cè)量，并提供電流隔離。驅(qū)動(dòng)電路來(lái)自非隔離側(cè)，但測(cè)量應(yīng)用于隔離側(cè)。

由于它使用紅外光作為耦合介質(zhì)，IL300可實(shí)現(xiàn)超過(guò)5,000 V的隔離。偏置電路將連接在非隔離側(cè)，但測(cè)量可以完全隔離。

類(lèi)似的部件來(lái)自CP Clare及其光伏LOC111PTR光耦合器和Avago及其HCNR200器件。來(lái)自Vishay，Avago和Clare的其他線性光隔離器設(shè)備和系列可隨時(shí)從Digi-Key Corporation發(fā)貨。

更多當(dāng)前

并非所有當(dāng)前感應(yīng)應(yīng)用都是低功率。電流也是一個(gè)非常有用的工具，可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)故障檢測(cè)和故障保護(hù)電路。例如，電動(dòng)機(jī)控制器可以使用電流傳感器來(lái)檢測(cè)故障，例如卡住的電動(dòng)機(jī)。這可以保護(hù)電路不會(huì)試圖將過(guò)多的電流強(qiáng)制進(jìn)入無(wú)法啟動(dòng)的電機(jī)。也可以通過(guò)這種方式檢測(cè)運(yùn)行過(guò)載。

電機(jī)有各種尺寸，例如，我們將使用中等大小的電機(jī)，可以吸收10到25 A.這里，電流傳感器可以使用電阻技術(shù)以及霍爾效應(yīng)技術(shù)，它具有感應(yīng)電路和測(cè)量電路之間電流隔離的優(yōu)勢(shì)，可以增加另一層保護(hù)。

此范圍的典型電流傳感器可以是，例如，Allegro ACS711ELCTR-25AB-T（圖5）。這部分可以感應(yīng)±25 A，這對(duì)于雙向電機(jī)應(yīng)用非常有用，在這種應(yīng)用中，電流可以以任何方式流動(dòng)。該部件還使用內(nèi)部霍爾效應(yīng)，銅傳導(dǎo)路徑靠近傳感器。它提供固有的100 V隔離柵，可用于交流和直流傳感應(yīng)用。

圖5：使用嵌入式霍爾效應(yīng)靠近極低電阻電流路徑的傳感器提供固有隔離，同時(shí)提供包括溫度補(bǔ)償和故障檢測(cè)在內(nèi)的集成功能。

您應(yīng)該注意到1.2mΩ的極低電阻允許小尺寸SOIC 8 -pin封裝，通過(guò)25 A，所需功耗僅為0.75 W.放大器與感應(yīng)元件的緊密接近有助于降低噪音（特別是集成靜電屏蔽）。還內(nèi)置了過(guò)流故障檢測(cè)功能，該器件經(jīng)過(guò)工廠調(diào)整，精度更高（±5％）。

設(shè)計(jì)用于3.3或5 V系統(tǒng)，55 mV/A的步進(jìn)分辨率可輕松連接到大多數(shù)A/D和僅在有效時(shí)吸收4 mA電流。 Melexis MLX91206LDC-CAHB三軸傳感器具有更高精度的類(lèi)似部件（以更多的功率消耗為代價(jià)）。

請(qǐng)記住，Melexis部件被指定為milliTesla范圍并具有輸出以毫伏/毫米為單位。但是，采用類(lèi)似的SOIC 8引腳封裝，Melexis器件基于該公司稱之為T(mén)riaxis的技術(shù)，使用9 mA的5 V系統(tǒng)提供±0.75％的精度（圖6）。這在CMOS芯片上使用嵌入式磁電集中器，需要在工廠進(jìn)行額外的步驟。與Allegro部件一樣，Triaxis傳感器集成了許多有用的功能，如可編程偏移，增益，鉗位電平和診斷。

圖6： Triaxis方法在芯片上使用沉積磁聚光器，有助于精確測(cè)量流過(guò)近程電流路徑的電流。

功耗

某些應(yīng)用使用如此大的電流，即功率檢測(cè)電阻的耗散可能是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。例如，考慮一個(gè)可再生能源電池充電器，需要測(cè)量來(lái)自太陽(yáng)能或風(fēng)能陣列的高達(dá)250 A的電流。

如果我們將使用帶A的微控制器測(cè)量電流/D在3.3 V下運(yùn)行，我們可能希望設(shè)計(jì)我們的電路以產(chǎn)生0到2.56 V的電壓擺幅，對(duì)應(yīng)于0到256 A電流測(cè)量。這使得軟件變得簡(jiǎn)單，因?yàn)槊亢练x數(shù)為1 A.10位A/D將產(chǎn)生0.25 A的分辨率。

如果我們使用像TE Connectivity 7-1625971-5這樣的0.01Ω電阻與充電電流串聯(lián)，我們應(yīng)該會(huì)看到電阻上的電壓為0到2.56 V，對(duì)應(yīng)于電流擺幅。 2.56 V輸出無(wú)需放大，是一個(gè)很好的值，可以饋入大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器（如果是低側(cè)偏置）。

即使在0.01Ω，250 A，該電阻器的功耗為625 W，足以使其成為小型咖啡壺中的熱水加熱元件。該部分可用于測(cè)量較低的電流，例如高達(dá)50A，其中仍然會(huì)消耗25W的功率。這仍然是一個(gè)很大的功能。

這個(gè)應(yīng)用的更好的方法可能是Vishay WSBS8518L1000JK，它只有0.0001Ω，可以處理高達(dá)36 W（圖7）。請(qǐng)注意，您只能看到0到25.6 mV的電壓擺幅，這意味著您需要一個(gè)運(yùn)算放大器，儀表放大器或具有增益級(jí)的微控制器才能實(shí)現(xiàn)最高分辨率。另請(qǐng)注意，即使在0.0001Ω，滿載時(shí)仍然會(huì)耗散6.5 W。

圖7：非常小的0.0001Ω電阻允許分流處理功率高達(dá)36 W，容差為5％。

上述示例的公差部分為5％，公差的增加將提高精度。像Ohmite TGHGCR0010FE這樣的部件是一種理想的電流傳感器，可承受高達(dá)100 W的1％容差。厚膜技術(shù)的低溫系數(shù)僅為±60 ppm，設(shè)計(jì)具有無(wú)感特性。

請(qǐng)注意，TGHG系列設(shè)計(jì)用于適當(dāng)?shù)纳?。必須監(jiān)控電阻器的最大底板溫度并將其保持在規(guī)定的限制范圍內(nèi)，以確定額定功率。 Ohmite建議您將熱電偶連接到電阻器底板的側(cè)面。 Ohmite還在Digi-Key的網(wǎng)站上為其電流感應(yīng)電阻器提供了一個(gè)培訓(xùn)模塊。

其他問(wèn)題和技術(shù)

你現(xiàn)在可能已經(jīng)意識(shí)到即使是1/100的歐姆電阻在這些電流水平下，可以耗散大量功率并引入誤差電壓。提高精度的關(guān)鍵是在與電流環(huán)的其余部分接觸之前直接測(cè)量分流器或傳感器電阻兩端的電壓（圖8）。這可能看起來(lái)像冗余布線，但它可以保持準(zhǔn)確性，因?yàn)閭鞲衅魃系碾妷簩⒈粶y(cè)量而沒(méi)有任何接觸損失，即使是非常小的電阻。

圖8：看似冗余，但電流檢測(cè)電阻上的直接連接線有助于確保精度，因?yàn)楦唠娏髀窂街杏捎诮佑|電阻引起的電壓降不會(huì)引入誤差電壓。

這意味著即使電流回路中的任何地方都存在電壓降，傳感器兩端的測(cè)量電壓仍可準(zhǔn)確表示流過(guò)電路的真實(shí)電流。

總結(jié)

電流是重要的物理量，在工業(yè)，汽車(chē)或家庭領(lǐng)域的許多應(yīng)用中都需要測(cè)量電流。如歐姆定律所述，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)，任何電阻都會(huì)出現(xiàn)電壓降。在電流檢測(cè)電阻中，校準(zhǔn)電阻以電壓降的形式檢測(cè)流過(guò)它的電流，該電壓由控制電路檢測(cè)和監(jiān)控。