【经验】电流测量经验之谈,可解决纳安和成百上千微安数百安培需求

2018-11-09 Melexis

对于功率传感系统而言,电流测量和控制都是不可或缺的的重要组成部分。虽然大多数人都习惯使用电流表测量电流,但基于预算、占用空间以及一些其他限制条件,工程师在设计的时候不太可能直接将电流表作为成品组合的一部分,而是在现有的设计中嵌入一些当前的技术以便于电流测量。电流测量具有广泛的用途,如下所示:


•确保大量电流经过后不会对电流表造成损坏。

•对电机的转速进行估算(电机的转速与施加的电流量成正比)。

•检查LED是否正常照明。

•检测在充电期间电池组通过的电流量是否合理(防止电池过度充电或过热)。

•对电池组到电路的电流量进行测量,估算电池寿命。


本文主要讨论了测量电流时可以使用的技术和设备,解决了微观(纳安)和宏观(成百上千微安数百安培)的需求,可以为设计者的特定需求提供建议。

 

欧姆定律

测量电流最简单、最直接的方法即是用欧姆定律进行测量。如果已知电阻与负载串联,电压将会与电流成正比。这意味着高精度的电阻需要高精度的电流测量,其缺点在于任何带有负载的串联电阻都会一定程度上限制负载电流,因为负载本身就意味着压降,并且会消耗能量,这个问题取决于设计者的度量和取舍。电流传感器本质上属于电子电路,通过测量放置在电流路径上的电阻压降来检测电流情况 (也存在着其他技术,如磁性探测等等,但本文主要探究对电阻的测量)。电流传感器输出的电压或电流与测量路径的电流成正比。

  

电流传感器的其他应用

不是所有的电流传感器都是基于低功率的应用,电流作为有效的工具,能够帮助我们进行故障检测和安全电路排查。例如,电机控制器可以使用电流传感器来检测电机卡死等一系列的故障。这可以防止电路将过多电流无意义的损耗在坏死电机上,除此之外也可以通过这种方式进行运行过载检测。以ALLEGROACS711ELCTR-25AB-T典型电流传感器为例,它可以感知±25A的电流,这对电流通过的双向马达应用程序有一定的帮助。除此之外在接近传感器的位置,还使用了内部霍尔效应与铜传导路径,其提供固有100v隔离屏障,用于交流和直流传感应用。其设计用于3.3v或5v系统,55 mV/A的阶跃分辨率能够与大多数A/D接口轻松对接,并且在运作时仅仅消耗4mA的电流。除此之外,另一个精度更高的器件是MelexisMLX91206LDC-CAHB三轴传感器。Melexis被指定为milliTesla范围,输出为毫伏/特斯拉。但是,对于相似的 SOIC-8封装包,Melexis仍然能够提供±0.75%的精确度,采用Triaxis(图1)技术公司的9mA或5V系统,使得它在CMOS端额外添加使用嵌入式磁集中器。同Allegro一样,三轴传感器集成了许多有用的功能,如可编程偏移量,增益,夹紧程度和诊断等等。


    

图1 利用Triaxis方法在芯片上使用沉积磁性聚光器

 

功耗因素

有些应用程序使用的电流比较大,因此在某种意义上,电阻器的功耗成为了关键因素。例如,在考虑可再生能源电池充电器的时候,需要测量来自太阳能或风能阵列的电流,而这电流大小可能高至250A。如果我们采用3.3 V的A/D微控制器对电流进行测量,在设计电路的时候得使其电压摆幅在0~2.56 V之间,而其对应的测量电流在0~ 256 A之间。这样一来,软件将更容易对此进行测量,因为每毫伏读数为1A,而10位的A/D转换分辨率为0.25A。如果我们使用0.01Ω电阻,如TE的7-1625971-5系列充电电流电池,我们更希望电压压降在0~2.56V之间以及其对应的电流摆幅在0~256A之间。相对而言,2.56 V的输出不需放大,其可作为一个良好的输出值回馈到大多数A/D转换器(在低端偏置时)。甚至在0.01Ω,250 A的情况下,该电阻也能消耗625 w的功率,这个值足够用于小咖啡壶的加热元件。而这一部分完全可以用来对更小的电流进行测量,例如50A的电流,它可能会消耗25 w的功率,这个功率值显然不小。


其他问题和技术

即使电阻为1Ω的1/100的电量,仍然可能消耗大量的功率并引入错误电压。提高精度的关键是与闭合电流其余部分接触前就能直接测量分流电压或传感器电阻电压。这种操作看似是冗余连接,实际在很大程度上保留了精度,因为该操作使得电压通过传感器时产生较小的损耗,阻抗也相对较低。这意味着,即使电流回路中的任何地方存在电压压降,传感器上的测量电压仍能准确表示出电路的实际电流。

 

总结

电流是一个重要的物理量,在工业、汽车或家庭领域等诸多应用中都需要电流测量。根据欧姆定律,当电流流动时,任何电阻上都会产生压降。在电流传感电阻中,经过校准的电阻以电压降的形式感知流过电阻的电流,并控制电路对其进行检测和监控。



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本文由sky翻译自Melexis,如若转载请注明出处。

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  • XH750507 Lv5 . 技术专家 2018-11-09
    学习了
  • 小乐 Lv5 . 技术专家 2018-11-09
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