推動電氣化發(fā)展的 4 大電流檢測設(shè)計趨勢

在所有描述世界日益電氣化的流行語中，有一個詞十分亮眼：電流檢測。如果電流檢測技術(shù)不可靠、不準(zhǔn)確且難以用于設(shè)計，那么在太陽能電池陣列、電動汽車 (EV) 充電站或機器人領(lǐng)域令人耳熟能詳?shù)膭?chuàng)新幾乎都不可能實現(xiàn)。

本文將介紹隨著電氣化應(yīng)用發(fā)展而出現(xiàn)的四大設(shè)計趨勢，以及用于提高系統(tǒng)電壓、增強系統(tǒng)保護(hù)、實現(xiàn)遙測監(jiān)測和縮減外形尺寸的電流檢測技術(shù)?？偟膩碚f，電流傳感器監(jiān)測電氣系統(tǒng)中的一項重要參數(shù)，即電流，這能夠使系統(tǒng)在安全范圍內(nèi)盡可能高效地運行。

通過電流檢測支持更高的系統(tǒng)電壓

隨著對效率的要求愈加嚴(yán)格，系統(tǒng)電壓也隨之增加，從而有助于提高效率。根據(jù)歐姆定律，在較高的系統(tǒng)電壓下，可通過降低負(fù)載的電流來得到等量的功率，這有助于減少系統(tǒng)中的 I2R 損耗。電壓愈高，系統(tǒng)可以愈發(fā)高效地傳輸大功率，原因是電流范圍更小，交流/直流或直流/直流功率變換器等級產(chǎn)生的熱量更少。

圖 1 所示的電動汽車充電器正在將電源從電網(wǎng)中斷開，其電壓電平可能為 120VAC、240VAC、230VAC（單相）或 400VAC（三相）。典型的電動汽車充電器將電網(wǎng)的交流電輸送到電動汽車車載充電器，后者將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并為電池充電。

在直流快速充電器中，交流電從電網(wǎng)傳輸至電動汽車充電器，在充電器內(nèi)從交流轉(zhuǎn)換為直流，并向電池提供高達(dá) 920VDC 電壓，從而加快充電速度。提升到更高的電壓電平，并保持相似的電流電平，可以向電池直接傳輸更多功率，從而更快、更高效地充電。

圖 1：電動汽車充電器

電流傳感器有助于提高電動汽車充電器的系統(tǒng)效率，并可在整個系統(tǒng)的多個位置使用。這些傳感器可用于交流線路輸入來監(jiān)測電流，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)前端的無功功率。另一方面，在系統(tǒng)功率因數(shù)控制環(huán)路和第二直流/直流級后的正節(jié)點或負(fù)節(jié)點上，此配置可用于監(jiān)測故障。

還可以在第一直流/直流級和第二直流/直流級之間的某個位置，使用差分放大器的電流檢測實現(xiàn)磁通平衡。此外，有必要使用 AMCS1100 或 TMCS1100 等隔離式電流傳感器，為系統(tǒng)和操作電動汽車充電器的人員提供保護(hù)。

增強系統(tǒng)保護(hù)

電氣化還提高了對系統(tǒng)保護(hù)的需求，從而確保系統(tǒng)對安全工作區(qū)外的事件做出迅速響應(yīng)，避免損壞半導(dǎo)體和其他敏感器件。在大多數(shù)系統(tǒng)中，某種形式的系統(tǒng)保護(hù)可確保系統(tǒng)按預(yù)期運行。例如，如果圖 2 所示的機器人拾取了一個異常沉重的物品，則電機會出現(xiàn)明顯的電流尖峰。

圖 2：工業(yè)機器人

電流尖峰可能意味著負(fù)載超出機器人的能力范圍，可能會損壞系統(tǒng)或物理機械臂內(nèi)的器件。具有集成式比較器的電流檢測器件會檢測到可能超出系統(tǒng)安全工作區(qū)的峰值電流涌入電機。具有集成式過流比較器的 INA301 可做出快速響應(yīng)（低于 1μS）并設(shè)置警報，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機。這與負(fù)載點測量類似，其中基于分流器的傳感器（如 INA228 和 INA226 超精密雙向電流檢測放大器）可以監(jiān)測通過特定節(jié)點的電流和電壓電平，從而確保節(jié)點保持在其安全工作區(qū)內(nèi)。

實現(xiàn)遙測監(jiān)測

隨著應(yīng)用的電氣化程度提高，對監(jiān)控的要求也更為嚴(yán)格，以便跟蹤能耗等級和改善預(yù)測性維護(hù)。

為預(yù)測性維護(hù)進(jìn)行監(jiān)測或遙測監(jiān)測的一個示例是，對機架式服務(wù)器系統(tǒng)中冷卻風(fēng)扇的電流和電壓電平進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。INA232 等器件用于對風(fēng)扇的功耗進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。通過數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)能夠向技術(shù)人員發(fā)出警報，指示風(fēng)扇可能運行不穩(wěn)定或使用壽命即將結(jié)束。

數(shù)字功率監(jiān)測器是適合此類用例的一種器件，因為它同時接收總線電壓和電流信息。數(shù)字功率監(jiān)測器 IC 通過板載運算來計算功率、電荷和能量，并通過 I2C 或串行外設(shè)接口傳輸這些信息（以及總線電壓和電流數(shù)據(jù)）。片上運算可以減少 CPU 或微控制器上的進(jìn)程，因此處理資源可用于更有效地處理其他任務(wù)。這點對于具有任務(wù)密集型 CPU 或微處理器的系統(tǒng)尤為重要。

縮減外形尺寸

隨著越來越多的應(yīng)用包括的電子元件越來越多，或需要安裝在更小的空間中，人們更需要縮減元件的尺寸或增加每個單元的功能數(shù)量，從而幫助減小整個電路板的面積。許多系統(tǒng)（如智能手機和機器人系統(tǒng)）都受到尺寸限制，需要不斷縮小尺寸和增加功能數(shù)量。

較小的電流檢測器件可讓設(shè)計人員加強對整個系統(tǒng)的監(jiān)測，或減小系統(tǒng)的整體尺寸。這兩種情況都具有一定優(yōu)勢，具體取決于整體系統(tǒng)參數(shù)。減小集成電路 (IC) 的尺寸或增加每個單元的功能數(shù)量都會增加功能密度，從而實現(xiàn)強大的個人電子產(chǎn)品、車載充電器和小型協(xié)作機器人電機驅(qū)動系統(tǒng)。

利用超小型 IC 或功能豐富的芯片可為實現(xiàn)更小的系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。例如，Wafer-Chip Scale Package (WCSP) 等芯片封裝選項或具有集成式分流器的 INA253 支持設(shè)計人員在不影響性能或功能的情況下縮減其系統(tǒng)的尺寸。

結(jié)語

通過更好地了解上述趨勢以及有助于實現(xiàn)這些趨勢的 IC，您可以應(yīng)對特定的高壓設(shè)計挑戰(zhàn)，并通過監(jiān)測電流測量值來確保系統(tǒng)在安全工作區(qū)內(nèi)運行，從而實現(xiàn)可靠性和安全性。