分析極端條件下的六種電流測量方法

電流檢測被用來執(zhí)行兩個基本的電路功能。首先，是測量“多大”電流在電路中流動，第二個功能是當電流“過大”或出現(xiàn)故障時，做出判斷。如果電流超過了安全限值，滿足軟件或硬件互鎖條件，就會發(fā)出一個信號，把設(shè)備關(guān)掉。因此有必要選擇一種能承受故障過程中極端條件的魯棒性設(shè)計的技術(shù)。

電流檢測被用來執(zhí)行兩個基本的電路功能。首先，是測量“多大”電流在電路中流動，這個信息可以用于DC/DC電源中的電源管理，來判定基本的外圍負載，來實現(xiàn)節(jié)能。第二個功能是當電流“過大”或出現(xiàn)故障時，做出判斷。如果電流超過了安全限值，滿足軟件或硬件互鎖條件，就會發(fā)出一個信號，把設(shè)備關(guān)掉，比如電機堵轉(zhuǎn)或電池中發(fā)生短路的情況。因此有必要選擇一種能承受故障過程中極端條件的魯棒性設(shè)計的技術(shù)。采用適當?shù)脑骷韴?zhí)行測量功能，不但能獲得準確的電壓信號，還能防止損壞印制電路板。 測量方法 有各種不同的測量方法能產(chǎn)生提示“多大”或“過大”的信號，如下： 電阻式（直接）：檢流電阻 磁（間接）：電流互感器、羅氏線圈、霍爾效應(yīng)器件 晶體管（直接）：RDS(ON)、比率式 每種方法都有其優(yōu)點，是有效的或可接受的電流測量方法，但也各有利弊，這一點對應(yīng)用的可靠性至關(guān)重要。這些測量方法可分為兩類：直接的，或間接的。直接方法的意思是直接連到被測電路里，測量元件會受到線電壓的影響，間接方法的測量元件與線電壓是隔離的，在產(chǎn)品的安全性有要求時有必要采用間接方法。 電阻式 檢流電阻 用電阻測量電流是一種直接方法，優(yōu)點是簡單，線性度好。檢流電阻與被測電流放在一個電路里，流經(jīng)電阻的電流會使一小部分電能轉(zhuǎn)化為熱。這個能量轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生了電壓信號。除了簡單易用和線性度好的特點，檢流電阻的性價比也很好，溫度系數(shù)(TCR)穩(wěn)定，可以達到100 ppm/℃以下或0.01%/℃，不會受潛在的雪崩倍增或熱失控的影響。還有，低阻(小于1mΩ)的金屬合金檢流電阻的抗浪涌能力非常好，在出現(xiàn)短路和過流情況時，能實現(xiàn)可靠的保護。 磁 電流互感器電流互感器（圖1）有三個突出優(yōu)點：與線電壓隔離，無損測量電流，大信號電壓能很好地抵御噪聲。這種間接測量電流的方法要求用到變化的電流，例如交流電，瞬變電流或開關(guān)式直流電，來產(chǎn)生一個磁耦合到次級繞組里的變化磁場。次級測量電壓可以根據(jù)在初級和次級繞組間的匝數(shù)比實現(xiàn)縮放。這種測量方法被認為是“無損的”，因為電路電流通過銅繞組時的電阻損耗非常小。但是，如圖2所示，由于負載電阻、芯損，以及初級和次級直流電阻的存在，互感器的損耗會導(dǎo)致失去一小部分能量。羅氏線圈 羅氏線圈（圖3）類似于電流互感器，會在次級線圈內(nèi)會感應(yīng)產(chǎn)生一個電壓，電壓大小與流經(jīng)隔離電感器的電流程正比。特殊之處在于，羅氏線圈采用的是氣芯設(shè)計，這一點與依賴層壓鋼等高磁導(dǎo)率鐵芯和次級繞組磁耦合的電流互感器完全不同。氣芯設(shè)計的電感較小，有更快的信號響應(yīng)和非常線性的信號電壓。由于采用了這種設(shè)計，羅氏線圈經(jīng)常被用在像手持電表這樣的已有接線上，臨時性地測量電流，可以認為是電流互感器的低成本替代方案。霍爾效應(yīng) 當一個帶電流的導(dǎo)體被放進磁場里時（圖4），在垂直于磁場和電流流動方向上會產(chǎn)生電位差。這個電位與電流大小成正比。在沒有磁場和電流流過時，就沒有電位差。但如圖5所示，當有磁場和電流流過時，電荷與磁場相互作用，引起電流分布發(fā)生變化，這樣就產(chǎn)生了霍爾電壓。 霍爾效應(yīng)元件的優(yōu)點是能測量大電流，而且功率耗散小。然而，這種方法也有不少缺點，限制其使用，例如要對非線性的溫度漂移進行補償；帶寬有限；對小量程的電流進行測量時，要求使用大偏置電壓，這會引起誤差；易受外部磁場的影響；對ESD敏感；成本高。晶體管 RDS(ON) -漏極到源極的導(dǎo)通電阻 由于晶體管對電路設(shè)計來說是標準的控制器件，不需要電阻或消耗能量的器件來提供控制信號，因此晶體管被認為是沒有能量損失的過流探測方法。晶體管數(shù)據(jù)表給出了漏極到源極的導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，功率MOSFET的典型電阻一般在毫歐范圍內(nèi)。這個電阻由幾部分組成，首先是連到半導(dǎo)體裸晶的引線(圖6)，這部分電阻影響了很多溝道特性。基于這個資料，流經(jīng)MOSFET的電流可以用公式 ILoad = VRDS(ON) / RDS(ON)計算得出。 由于界面區(qū)域電阻的微小變化和TCR效應(yīng)，RDS(ON)的每個組成部分都會造成測量誤差。通過測量溫度，及用由溫度引起的電阻預(yù)期變化來修正被測電壓，可以對TCR效應(yīng)部分地加以補償。很多時候，MOSFET的TCR會高達4000ppm/℃，相當于溫度上升100℃，電阻的變化達到40%。通常來說，這種測量方法的信號精度大約為10%～20%。從應(yīng)用對精度的要求來看，對于提供過壓保護來說，這個精度范圍是可以接受的。比率式 - 電流檢測MOSFET MOSFET由成千上萬個能降低導(dǎo)通電阻的并聯(lián)的晶體管元胞構(gòu)成。檢流MOSFET使用一少部分并聯(lián)元胞，連到共柵極和漏極，但源極是分開的（圖7）。這樣就產(chǎn)生了第2個隔離的晶體管，即“檢測”晶體管。當晶體管導(dǎo)通時，流經(jīng)檢測晶體管的電流與流經(jīng)其他元胞的主電流成一定比例。 精度公差的范圍取決于具體的晶體管產(chǎn)品，低的達到5%，高的可以達到15%到20%。這種方法通常不適合一般要求測量精度達到1%的電流控制應(yīng)用，但適合過流和短路保護。從上面的總結(jié)表可以看出，探測電路中電流的方法有很多種，要根據(jù)應(yīng)用特定的需求來選擇合適的方法。每種方法均有其優(yōu)點和短板，這些因素都要在設(shè)計中加以仔細考量。