六種電流測量方法優(yōu)劣分析

　　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(fù)載，來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。第二個功能是當(dāng)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(jī)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(dāng)?shù)脑骷韴?zhí)行測量功能，不但能獲得準(zhǔn)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(diǎn)，是有效的或可接受的電流測量方法，但也各有利弊，這一點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，檢流電阻的性價比也很好，溫度系數(shù)(TCR)穩(wěn)定，可以達(dá)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(shí)現(xiàn)可靠的保護(hù)。

　　磁

　　電流互感器

　　電流互感器(圖1)有三個突出優(yōu)點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)縮放。這種測量方法被認(rèn)為是“無損的”，因?yàn)殡娐冯娏魍ㄟ^銅繞組時的電阻損耗非常小。但是，如圖2所示，由于負(fù)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。

　　圖1，理想的電流互感器電路

　　圖2，電流互感器損耗的組成

　　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(diǎn)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(rèn)為是電流互感器的低成本替代方案。

　　圖3

　　霍爾效應(yīng)

　　當(dāng)一個帶電流的導(dǎo)體被放進(jìn)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(dāng)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(diǎn)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(diǎn)，限制其使用，例如要對非線性的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償;帶寬有限;對小量程的電流進(jìn)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。

　　圖4，霍爾效應(yīng)原理，無磁場

　　圖5，霍爾效應(yīng)原理，有磁場

　　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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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?；谶@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(bǔ)償。很多時候，MOSFET的TCR會高達(dá)4000ppm/℃，相當(dāng)于溫度上升100℃，電阻的變化達(dá)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(hù)來說，這個精度范圍是可以接受的。

　　圖6 ，N溝道增強(qiáng)型MOSFET的簡化模型

　　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(dāng)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(dá)到5%，高的可以達(dá)到15%到20%。這種方法通常不適合一般要求測量精度達(dá)到1%的電流控制應(yīng)用，但適合過流和短路保護(hù)。

　　圖 7

　　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(diǎn)和短板，這些因素都要在設(shè)計中加以仔細(xì)考量。

　　作者：Bryan Yarborough

　　Bryan Yarborough現(xiàn)任Vishay Intertechnology公司Vishay Dale品牌的產(chǎn)品營銷工程師，擅長于SMD Power Metal Strip Strip?和繞線式產(chǎn)品。此前他曾在TT Electronics IRC、Saft Batteries和Corning Cable Systems公司任職。Yarborough先生擁有計算機(jī)科學(xué)理學(xué)士學(xué)位和工商管理碩士學(xué)位。