电流传感器和工业 4.0：工程师需要知道什么，第二部分

电子学的基础之一是电源管理是热管理。功率效率和热性能齐头并进，因为系统浪费的能量始终表示为热量。如果你能提高效率，你就可以降低温度，你的电子设备工作得更好、更可靠。

相反，如果您的电子设备运行不佳，就会产生更多的废热，从而产生更多的热管理、可靠性和安全问题。优化功率和热管理将显着提高生产力、成本效益、安全性和可靠性。

逆变器、电机驱动器、电源、UPS 和外部充电站必须能够在 -40°C 至 85°C(通常高达 105°C)的环境工作温度范围内运行。

即使在内部最高温度保持相对较低的逆变器应用中，此类电源系统通常指定为 85°C 运行，至少要确保适当的运行裕量而不会降额。汽车车载充电器的环境工作温度要求最高可达 125°C，而电机驱动的温度最高可达 105°C 至 150°C，具体取决于位置。

尽管许多系统使用风扇和其他温度调节机制来管理系统热性能，但对于温度和性能动态变化迅速的系统来说，这可能很困难。此外，外部冷却机制占用了额外的空间，可用于设计的其他方面，消耗额外的能量，并提出其自身的高效运行问题。

对于温度可能快速变化的系统，测量系统电流可能是预测和管理系统热性能的更快方法。监控实际电流水平的管理控制器可以确定电流水平是否迅速增加，指示潜在的灾难性事件。

在系统运行时实时监控电流是潜在超出范围事件和故障条件的领先指标，使系统能够在潜在灾难性事件发生之前预测它们，从而保护系统和关键组件。无论是什么问题，系统性能、系统可靠性或基本安全的故障识别都是必须尽早解决的问题。电流感应可以检测潜在问题，最大限度地减少系统停机时间和/或防止灾难性故障。

时间和性能

同步和调节是高级电力系统中需要考虑的重要因素，因为功率因数校正 (PFC) 级也是面向时间的系统。必须对电路的输出纹波进行滤波以避免电流失真，并且环路频率与系统带宽有关。

将 PFC 级视为从输入电压提供功率的系统，由控制信号管理，因此即使系统控制环路带宽较低，也会在每个电源开关周期期间测量电流，以逐周期地测量电流。在理想条件下，开关频率应该是高倍数才能获得平坦的增益响应，并且开关频率的相位裕度应该低。低频可以工作，但在开关频率的增益和相位延迟上会有一些折衷。

尽管整体控制环路带宽可能远低于开关频率，但电流测量应在开关频率下进行，以进行逐周期控制。大多数图腾柱 PFC 的切换频率约为 65 kHz 至 150 kHz，这将需要理想的 650 kHz(至少 >300 kHz)至 1.5 MHz 的带宽。在某些情况下，在预先设计的情况下，该开关频率被推至 300 kHz，并且需要约 3 MHz 的带宽(至少 1.5 MHz 的带宽)。

高达 1,000 A 的大电流的功率转换通常会在低于 1 kHz 到 20 kHz 的水平上切换，通常使用 IGBT 和硅 MOSFET。其他电路可以使用宽带碳化硅 (SiC)/氮化镓 (GaN) 功率开关切换高达 40-50 kHz 左右，而 SiC/GaN 功率级的进一步发展最终可能会将这种高电流切换提高到 100 kHz，需要带宽从 500 kHz 到 1 MHz。

没有反馈就没有精度

为了达到这些性能水平，您必须使用准确和精确的电流监测来进行准确的测量，并且最新的电流传感系统与传统解决方案相比具有显着的性能优势。这些新解决方案的一个例子是 Aceinna 最新的基于各向异性磁阻 (AMR) 的隔离式电流传感器，它可以提供高精度、宽带宽感测，在带宽、输出阶跃响应和精度方面提供一流的性能。 -芯片解决方案。

图 2基于 AMR 的隔离式电流传感器可以提供高精度、宽带宽传感。资料来源：艾辛纳

与传统和现有解决方案相比，这些完全集成、基于 AMR 的隔离式双向电流传感器可提供更高的直流精度和动态范围。例如，±20-A 版本的典型精度为 ±0.6%，在 85°C 时将达到 ±2.0%(最大值)的精度。该系列产品包括 ±5-A、±20-A 和 ±50-A 部件，采用 SOIC-16 封装，具有低阻抗(±50 A 时为 0.9 毫欧)电流路径，通过 UL/IEC 认证/EN 用于隔离应用。

这种先进的电流传感器可以保证在整个温度范围内的偏移为 ±60 mA，或 FSR(最大值)的 ±0.3%，因此可以在大约 10:1 的电流范围内实现高精度，从而显着改善动态范围与领先基于霍尔传感器的设备。特性包括 1.5MHz 信号带宽、低相位延迟与频率、300ns 的快速输出阶跃响应和 4.8kV 隔离，使其成为快速电流控制环路中的电流检测和高性能电源保护的理想选择，逆变器和电机控制应用。

开发和部署最佳电源和运动控制自动化解决方案的任务可能令人生畏，除非做得好，否则系统设置将导致性能欠佳。指定和选择适当的组件、设备和方法来解决电源、性能和热管理问题将大大有助于确保您的最终电源解决方案具有成本效益、生产效率并以最佳方式提供所需的性能。