負載電流的測量方法分析

圖2。DCR電路的簡單原理圖

DCR電流檢測電路也可以達到電阻器檢測電流的目的。DCR電流檢測電路是利用電感器寄生電阻來測量負載電流的。其可以遠程測量流過開關(guān)穩(wěn)壓器電路中電感的電流。因為沒有使用額外的元件與負載串聯(lián)，故稱之為無損電流采樣電路。

使用合適的DCR匹配電路可以使其對與ADC來講，采樣電阻的值就等于電感的內(nèi)阻。圖2是一個DCR采樣電路的簡單原理圖。在推導(dǎo)電感電流與ADC輸入電壓間的傳遞函數(shù)之前，我們先來回顧一下在拉普拉斯域內(nèi)電感和電容的電抗定義。

公式5，電容的容抗公式和電感的感抗公式

Xc是與頻率有關(guān)的電容阻抗，XL是與頻率有關(guān)的電感阻抗。ω等于2πf。f是穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。由歐姆定律可知，流過電感的電壓（DCR采樣電路中），由公式6定義。

公式6，DCR電路中電感的電壓公式

在公式6中，Rdcr是電感的寄生電阻。電感（L）和寄生電阻（Rdcr）的電壓降與電阻（Rsen）和電容（Csen）的壓降相同（并聯(lián)關(guān)系）。公式7是根據(jù)電感電流（IL）定義的電容器（Vcsen）的電壓。

公式7，表示電容（Csen）的電壓

如果公式8成立，則電感負載電流（IL）與電容（Csen）電壓之間的關(guān)系可得到簡化。

公式8，使DCR采樣電路能夠準確工作的數(shù)學(xué)關(guān)系

如果公式8的條件成立，則公式7中分數(shù)的分子和分母可以抵消，從而使檢測電容器（Csen）的電壓簡化為公式9的等式。

公式9，公式8的條件成立時，電容器（Csen）上的電壓

大多數(shù)電感規(guī)格書都會給出電感內(nèi)阻Rdcr的平均值。Rdcr值通常小于1mΩ，平均容差為10%。普通瓷片電容的平均容差也為10%。

另外電感是用金屬線繞制的，由于金屬的溫度系數(shù)較高，電感寄生電阻（Rdcr）的值會隨著溫度漂移，從而導(dǎo)致DCR匹配電路（公式8）失去平衡。電感寄生電阻值的變化可能是由于流過電感的電流發(fā)熱引起的溫度上升或環(huán)境溫度上升造成的。銅的電阻變化率為3.9mΩ/C。電感導(dǎo)線溫度的變化直接影響Rdcr的值。要消除溫度變化的影響，可以使用溫度傳感器來監(jiān)測電感的溫度。從而可以對電感阻值的變化進行溫度補償。

在圖3中，有一個電阻與16位ADC負端（如：ISL28023，數(shù)字電源監(jiān)測器）串聯(lián)，阻值為Rsen + Rdcr，該電阻的用途是用來抵消失調(diào)偏置電流在ADC的輸入端產(chǎn)生的偏置電壓的。

如果圖4中的電路是一個開關(guān)頻率為900kHz的ISL85415降壓變換器，電感值為22μH，容差為±20%。電感和輸出電容是保證降壓變換器正常工作的，壓穩(wěn)定。Rdcr是電感的寄生電阻。在本例中，Rdcr的典型值為0.185Ω（最大值為0.213Ω）。寄生電阻值因電感的不同有±13%左右的差異。DCR電路Rsen的選擇值為11.8kΩ。使用公式8可計算出DCR電路的匹配電容值Csen等于10nF。假設(shè)電容器的容差為±10%。

電感值和電容值都是不能嚴格控制的。如果系統(tǒng)中的DCR電流采樣電路沒有附加的調(diào)整電路，那么檢測電容和電感的容差會對電流測量誤差產(chǎn)生什么影響呢？

圖3。圖中曲線顯示了電容容差對電流測量的影響

設(shè)計沒有調(diào)整功能的DCR采樣電路會導(dǎo)致最高可達35%電流測量誤差，這是由于DCR采樣電路中的電感和電容值的容差造成的。圖3的曲線顯示了不同的電容器容差值產(chǎn)生的測量誤差。如果將Rdcr變化考慮在內(nèi)，測量誤差會增加到約50%。

采用非易失性數(shù)字電位計（DCP）的簡單微調(diào)電路可顯著改善電流測量精度。

圖4。通過使用DCP來調(diào)整電路可顯著改進電流測量精度

霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)傳感器技術(shù)最近取得顯著進步，準確性和抗噪性顯著提高，從而使設(shè)計更容易。雖然有了這些進步，但該技術(shù)的優(yōu)勢還是僅限于大電流應(yīng)用，在大電流應(yīng)用中，霍爾效應(yīng)傳感器的功耗遠遠低于分流電阻器的功耗。

霍爾效應(yīng)傳感器通過導(dǎo)體周圍的磁場強度來計算其電流大小?？蓪崿F(xiàn)無損測量電流的目的，霍爾效應(yīng)傳感器通過測量由電流產(chǎn)生的磁場強度來測量流過電感的電流。非常適合用于電流高于200A的情況下，因為對于大電流應(yīng)用，檢測電阻的功耗是非常大的。圖5顯示了霍爾效應(yīng)電流測量的基本概念。

圖5?；魻栃?yīng)傳感器示例

公式10表示了導(dǎo)線的電流大小與磁場強度間的關(guān)系。帶狀走線的表示式會略有不同。為簡單起見，我們使用該公式來討論電流與磁場之間的關(guān)系。

公式10，導(dǎo)線的電流與磁場之間的關(guān)系

μ0是磁場的磁導(dǎo)率。自由空間的磁導(dǎo)率值μo等于4π*10-7 H/m。值r是電感與線性霍爾效應(yīng)傳感器之間的距離（米）。變量I是導(dǎo)體的電流。B是磁感應(yīng)強度（單位：高斯）。