對(duì)比6種電流測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)

電流檢測(cè)被用來執(zhí)行兩個(gè)基本的電路功能。首先，是測(cè)量“多大”電流在電路中流動(dòng)，這個(gè)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(gè)功能是當(dāng)電流“過大”或出現(xiàn)故障時(shí)，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(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，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(jì)的技術(shù)。采用適當(dāng)?shù)脑骷韴?zhí)行測(cè)量功能，不但能獲得準(zhǔn)確的電壓信號(hào)，還能防止損壞印制電路板。

測(cè)量方法

有各種不同的測(cè)量方法能產(chǎn)生提示“多大”或“過大”的信號(hào)，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(cè)量方法，但也各有利弊，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)用的可靠性至關(guān)重要。這些測(cè)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(cè)電路里，測(cè)量元件會(huì)受到線電壓的影響，間接方法的測(cè)量元件與線電壓是隔離的，在產(chǎn)品的安全性有要求時(shí)有必要采用間接方法。

電阻式

檢流電阻

用電阻測(cè)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(cè)電流放在一個(gè)電路里，流經(jīng)電阻的電流會(huì)使一小部分電能轉(zhuǎn)化為熱。這個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生了電壓信號(hào)。除了簡單易用和線性度好的特點(diǎn)，檢流電阻的性價(jià)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(huì)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(shí)，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(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：與線電壓隔離，無損測(cè)量電流，大信號(hào)電壓能很好地抵御噪聲。這種間接測(cè)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(gè)磁耦合到次級(jí)繞組里的變化磁場(chǎng)。次級(jí)測(cè)量電壓可以根據(jù)在初級(jí)和次級(jí)繞組間的匝數(shù)比實(shí)現(xiàn)縮放。這種測(cè)量方法被認(rèn)為是“無損的”，因?yàn)殡娐冯娏魍ㄟ^銅繞組時(shí)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(jí)和次級(jí)直流電阻的存在，互感器的損耗會(huì)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(huì)在次級(jí)線圈內(nèi)會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)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(jì)，這一點(diǎn)與依賴層壓鋼等高磁導(dǎo)率鐵芯和次級(jí)繞組磁耦合的電流互感器完全不同。氣芯設(shè)計(jì)的電感較小，有更快的信號(hào)響應(yīng)和非常線性的信號(hào)電壓。由于采用了這種設(shè)計(jì)，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(shí)性地測(cè)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(gè)帶電流的導(dǎo)體被放進(jìn)磁場(chǎng)里時(shí)(圖4)，在垂直于磁場(chǎng)和電流流動(dòng)方向上會(huì)產(chǎn)生電位差。這個(gè)電位與電流大小成正比。在沒有磁場(chǎng)和電流流過時(shí)，就沒有電位差。但如圖5所示，當(dāng)有磁場(chǎng)和電流流過時(shí)，電荷與磁場(chǎng)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(cè)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(duì)非線性的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償;帶寬有限;對(duì)小量程的電流進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要求使用大偏置電壓，這會(huì)引起誤差;易受外部磁場(chǎng)的影響;對(duì)ESD敏感;成本高。

圖4，霍爾效應(yīng)原理，無磁場(chǎng)

圖5，霍爾效應(yīng)原理，有磁場(chǎng)

晶體管

RDS(ON) -漏極到源極的導(dǎo)通電阻

由于晶體管對(duì)電路設(shè)計(jì)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(hào)，因此晶體管被認(rèn)為是沒有能量損失的過流探測(cè)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(gè)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(gè)資料，流經(jīng)MOSFET的電流可以用公式 ILoad = VRDS(ON) / RDS(ON)計(jì)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(gè)組成部分都會(huì)造成測(cè)量誤差。通過測(cè)量溫度，及用由溫度引起的電阻預(yù)期變化來修正被測(cè)電壓，可以對(duì)TCR效應(yīng)部分地加以補(bǔ)償。很多時(shí)候，MOSFET的TCR會(huì)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(cè)量方法的信號(hào)精度大約為10%～20%。從應(yīng)用對(duì)精度的要求來看，對(duì)于提供過壓保護(hù)來說，這個(gè)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(cè)MOSFET

MOSFET由成千上萬個(gè)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(gè)隔離的晶體管，即“檢測(cè)”晶體管。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)檢測(cè)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(cè)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(cè)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(jì)中加以仔細(xì)考量。