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现代电子电路的精确电流测量:板级监测的不同测量方法比较

发布时间:2022-02-21 来源:芯源系统 责任编辑:wenwei

【导读】随着电力电子开关技术的不断进步,精确测量电流以用于反馈控制和系统监测的需求越来越高。精确测量电流的方法有多种,每种方法都有其优点和局限性。本文重点介绍需要较高精度与带宽的电流测量方法,这些方法可用于测量诸如计算机/电信板输入电流、逆变器相电流和其他承载电流从几安培到100A的电路电流。

 

另外,对于如何使用霍尔效应电流传感器测量电流,以及如何使用集成电流镜的负载开关或电熔丝电路,本文也将给出具体细节。同时,我们将比较这些方法与使用分流电阻的电流采样架构。

 

背景知识

 

分流器和电流互感器一直被认为是在电气和电子电路中进行电流采样的最佳方法,但这些方法却有着明显的缺点。分流器需要在信噪比和采样元件的功率损耗之间进行权衡,这种权衡让它很难在宽电流范围内进行精确测量;而电流互感器则通常导致昂贵的大型解决方案,并且仅适用于测量交流电流。

 

电流测量方法

 

半导体技术的进步将霍尔效应传感器和电流镜引入了电子电路的设计。这两种器件几乎就是无损电流采样设备,其输出易于缩放,可以获得最佳信噪比。本文将重点介绍采用这两种器件的电流测量解决方案。

 

电流镜采样方法

 

电流镜电流采样通常用于具有内部功率MOSFET的设备,例如智能功率级、负载开关和电熔丝。它采用几个功率FET单元作为电流镜,并产生与流过主开关的电流成正比的电流输出。

 

当这些电流流经外部电阻器时,很容易产生与流经主FET的电流成正比的电压。这种测量方法非常适合半桥功率级设备,因为它们提供10A至90A的宽电流能力,并提供具有5μA/A至10μA/A增益的电流镜输出。这种功率级对采用单相或多相配置的同步降压稳压器应用尤其有用。

 

对于其他应用,采用负载开关或电熔丝(e-fuse)电路可以保护下游电子设备免受浪涌电流或过载情况的影响。这类电路通常采用功率MOSFET作为开关元件,而监测流过这些设备的电流,电流镜是一种高性价比方式。例如,MPS的MP5921即为一款尖端的热插拔电熔丝器件,它可以提供多个级别的保护功能,以及电流和温度监测功能(见图 1)。

 

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图1: MP5921功能框图


MP5921在独立工作模式下可以支持高达50A的持续电流,在多个器件并联配置时可以支持更高的电流(见图 2)。

 

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图2:MP5921并联工作模式


MP5921器件可以与MP5920配合使用(见图 3)。通过MP5920,电流信号可以转换为数字形式,并通过I2C进行监测。

 

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图3:与MP5920配合的MP5921并联工作模式


这些解决方案非常适合在计算和服务器主板上采用DC/DC变换器的应用。而诸如具有电机驱动器和AC/DC电路的其他应用,则得益于电流采样器件,用以生成与电机驱动器或电源逆变器上的交流电流一致的双向信号。

 

霍尔效应电流采样方法

 

这些应用中存在的高电压可能会对周围的逻辑电平电路造成威胁。而霍尔电流传感器则可以在高电压、大电流电路和用于控制器件的逻辑电平电路之间提供电流隔离。它感应每个电流产生的磁场,然后输出与电流成正比的电压。

 

MPS的MCS180x系列电流传感器提供高精度霍尔效应电流采样,并提供高达2200V的隔离电压,其工作电压也高达280V,可用于电流高达50A的应用。逆变器是霍尔效应电流传感器的一种常见应用。本文侧重于介绍三相逆变器,因为它们在电力电子设备(例如 UPS、电机驱动器和太阳能应用)中无处不在,而且,通过移除三相逆变器中其中的一相,可以将它轻松推广到离线应用中。通常,传感器用于将相电流反馈给控制器(见图 4)。在图4中,高压侧标记为红色,而逻辑电压标为绿色。隔离是通过原边(载流引线)与副边(输出引线)之间的电流分离来实现的。

 

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图4: 具备隔离相电流采样功能的典型三相逆变器系统


图5显示了MCS180x 系列电流传感器的引线框架及芯片。图中,原边表示为铜色,电流则由红色箭头线表示。注意,在实际应用中,电流可以向任一方向流动。根据安培定律,电流的流动会产生磁场(蓝色区域),而场强与电流密度成正比。

 

另外还需注意,原边并没有接触硅芯片(黑色区域),而是通过气隙和氧化硅绝缘层分隔开来。磁场的方向和强度由硅芯片中的霍尔传感器检测,然后该信号被放大并输出到副边的其中一个引脚(银色区域)。其他副边引脚包括VCC、GND和滤波器引脚。滤波器引脚用于在带宽和信号噪声之间进行权衡。

 

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图5: MCS180x霍尔效应电流传感器的引线框架及芯片


MCS180x 系列传感器具有比率输出。这意味着它以VCC/2为中心,当流过正电流时,输出电压与电流成正比,从VCC / 2升至VCC;当负电流流过时,输出从VCC / 2降至0V(见图 6)。在该产品系列中,IPMAX 由器件编号的后缀表示(例如 MCS1802-10的IPMAX 为10A)。设计人员可以根据该信息为其应用选择合适的电流范围。目前可用的IPMAX选择有5A、10A、20A、30A、40A和50A。

 

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图 6:霍尔效应电流传感器的比率输出


结论

 

本文重点介绍了精确测量电流的可用方法,并阐明了如何为应用选择最佳的电流采样方案。在设计早期考虑选择合适的技术十分重要,而且,还需要注意每种解决方案的细节,例如电源要求以及可实现的输出信号范围,从而创建尽可能高效的解决方案。MPS的MCS180x 提供了一种小体积、精确的隔离型电流检测方案,可以助力设计人员提高系统级性能,同时帮助降低系统功耗与复杂性。



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