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使用非比例式磁性电流传感器进行精密电流感应设计

发布时间:2020-07-13 来源:Steven Loveless 责任编辑:wenwei

【导读】电子控制系统使用本地或远程传感器元件监控工作参数,从而进行环路控制、诊断和系统反馈。这种信息的质量和准确性是系统性能和控制功能的关键限制因素。在过去,许多电子产品都无法很好地控制传感器电源电压和电压基准,因此使用比例式方法来减少由于参数波动导致的误差。随着现代系统对模数转换器 (ADC) 等信号链元件电压基准的严格控制,TMCS1100 磁性电流传感器等非比例式传感器提高了噪声抗扰度、精度和设计灵活性。
 
电流传感器的线性传递函数如公式 1 所示,其中灵敏度(S) 和零电流输出电压分别表示增益和失调电压。
 
使用非比例式磁性电流传感器进行精密电流感应设计
 
在完全比例式器件中,灵敏度和失调电压都随电源电压的变化而变化,因此,满量程输入电流总会产生零电压输出或电源电压输出,如图 1 所示。
 
使用非比例式磁性电流传感器进行精密电流感应设计
图 1. 完全比例式电流传感器响应
 
对于非比例式电流传感器,给定输入电流变化导致的电压输出变化与电源电压无关,而且零电流输出电压始终是固定电压,如图 2 所示。
 
使用非比例式磁性电流传感器进行精密电流感应设计
图 2. 非比例式电流传感器响应
 
如果常见传感器的电源与 ADC 基准在运行过程中与预期差异较大,则该系统为比例系统,如图 3 所示。比例式结构通过调整传感器输出范围,减少了由变化的 ADC满量程基准导致的一些误差。然而,按比例调整并不是万全之策,它会向系统中引入一些其他误差。必须在有限电源电压范围内进行微调才能实现高精度,由于传感器输出范围必须完全匹配 ADC 输入范围,设计灵活性会有所降低。另外,电源噪声会直接注入到输出信号,进而导致不良的电源抑制 (PSR)。
 
使用非比例式磁性电流传感器进行精密电流感应设计
图 3. 适用于不易调节电源的比例传感器架构
 
对于具有稳定 ADC 基准的系统,无论是专用的内部电源还是外部基准,比例式方法都只会引入其他误差和噪声。在这种情况下,例如在图 4 所示的架构中,具有固定灵敏度的电流传感器提供了出色的解决方案。凭借固定的灵敏度,该器件具有显著的 PSR 作用,甚至电源电压与 ADC 满量程电压不同。集成式微控制器 ADC 通常就是这种情况。它还能优化灵敏度固定的内部电路,进而提高总精度并降低漂移。
 
使用非比例式磁性电流传感器进行精密电流感应设计
图 4. 适用于精密信号链的非比例式架构
 
TMCS1100 和 TMCS1101 是具有固定灵敏度的精密、隔离式磁性电流传感器。TMCS1100 具有由外部供电、设置零电流输出电压的基准引脚,既能自定义动态测量范围,又能向 ADC 传输全差分信号链,如图 5 所示。此架构连同灵敏度固定的精密信号链实现了业界领先的温度稳定性,而且在 –40°C 至 125°C 范围内的精度大于 1%。
 
电流传感器常用于电力系统中,其中,传感器通常靠近电源开关元件,远离 ADC 和控制器。这导致开关噪声和瞬态事件与模拟电源和信号直接耦合。具有外部基准的固定灵敏度传感器能使系统抑制上述两种噪声路径。改进的 PSR 通过模拟电源和外部基准抑制噪声注入,从而实现伪差分或全差分感应并抑制噪声与输出信号耦合。由于差分测量可防止零电流输出电压产生任何漂移,因此,降低了系统级噪声并提高了动态范围。
 
使用非比例式磁性电流传感器进行精密电流感应设计
图 5. TMCS1100 经优化的信号链
 
由于可根据任何用例情况定制零电流输出,此架构显著提高了设计灵活性。通过选择适当的基准电压,可实现双向、单向和自定义动态感应范围。由于传感器电源、基准和 ADC 基准之间无约束,传感器输出在无需调节的情况下即可跨越电压电源范围。
 
TMCS1101 具有提供基准的内部电阻分压器,具有50%/10% 电源电压两种型号,分别适用于双向和单向电流感应。该器件 具有 固定的灵敏度,而且在整个温度范围内的精度大于 1.5%。
 
 
使用非比例式磁性电流传感器进行精密电流感应设计
表 1. 相关技术手册
 
 
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