电源系统设计中的基本电流感应考虑因素

将电源设计作为整个系统架构的后续考虑这一历史思维模式正在发生改变。在电子设计的重点转向电源效率之前，通常的做法是在系统设计完成后简单地添加电源电路。这种做法在今天根本不适用，因为电源处理必须是电路控制和监控的固有部分。

电源处理故障可能会导致间歇性性能问题，这些问题极难重现，尤其是在开发期间。一旦系统部署到现场，这个问题就会加剧;初始性能问题可能会导致连锁问题，需要昂贵的故障排除。

近年来，宽带隙材料已面世，其电子迁移率、温度和开关速度性能远高于硅。这些材料包括氮化镓 (GaN)，一种非常适合低功耗高速开关应用的压电半导体，以及碳化硅，其残余物作为莫桑石“人造钻石”出售给珠宝行业，可处理的功率和热量水平远高于硅基电路的实际水平。硅仍然是微控制器和其他逻辑设备的首选材料，但它作为功率半导体的日子已经屈指可数了。

能够以更高的效率处理更高的功率水平已经改变了游戏规则。然而，高速切换的能力也使整个电路缩小，因为您可以使用更小的无源元件(如电容器和电感器)，从而减少使用的电路板空间和重量。这不仅仅是节省空间，因为 GaN 的更高开关速度使高频系统(如激光雷达)能够得到最佳驱动。

掌握控制权

现代电力电子技术的另一个重要方面是能够控制电路直至负载点，这一功能是近十年左右出现的。这一趋势源于最初采用分布式电源架构，其中电路板上的总线转换器将电力发送到位于要驱动的设备附近的各个负载点 (PoL) 转换器。这种分体式架构可以通过数字方式控制。

这种数字控制最初是在 PMBus 协议下标准化的，尽管还有其他专有控制方法可用。关键在于电路板上的每个电源设备都可以远程寻址、轮询和控制。这种设置可以实现精细、优化和高效的电路板电源管理。轮询功能提供了一种获取重要方面数据的方法，例如整个电路的热图。

数字电源管理是物联网的核心;控制任何电子系统也需要控制电源。在这种情况下，电流传感器在电源转换器应用中变得越来越重要。例如，DC/DC 开关应用通过快速开关电流实现高效率。许多控制算法也依赖于实时电流测量。

宽带隙半导体性能的提高促使电路板上的其他元件也提高性能以匹配性能，而最新的拓扑结构需要最新的保护和控制方法。例如，智能电源技术需要监控设备，如先进的电流传感器。这些传感器双向测量电流，以保护电路和电池免受滥用并优化性能。

现代电子产品具有高能量密度和更快的电池充电/放电时间，这为电流感应带来了更严格的要求。磷酸铁锂 (LFP) 或钛酸锂氧化物 (LTO，有时简称为钛酸锂) 等高能量密度电池需要库仑计数来确定电池的充电状态 (SoC)、健康状态 (SoH) 和功能状态 (SoF)。

传统保险丝越来越不能满足采用宽带隙半导体的电力系统的高级过流和欠流保护要求。使用保险丝进行电路保护也无法提供电力电子设备实时性能的任何反馈。为了防止过流并提高安全性，ACEINNA 等 IC 器件响应迅速，可处理大电流测量范围。隔离器件可以在电源电路的高端和低端工作，与分流加放大器方法相比，它们的集成结构简化了保护方案。在高端使用 ACEINNA 电流传感器，还可以检测到相电流的接地故障(可能是由于接线错误、老化等造成的)。

这是典型的图腾柱 PFC 示意图，显示了基于霍尔效应或 AMR 感应的磁传感器模块的位置。

在图腾柱功率因数校正 (PFC) 电路的具体示例中，隔离电流传感器(例如 ACEINNA 的传感器)的优势显而易见。其中一种设计使用 Wolfspeed 的 SiC-MOSFET C3M0065090K 作为高频开关，使用 IXYS 的 IXFH80N65X2 作为低频开关。SiC-MOSFET 提供所需的击穿电压，并可显著降低反向恢复损耗，因此图腾柱 PFC 可以在 CCM(连续导通模式)下工作以支持更高的功率。

基于 ARM 的电流传感器与其他常见电流传感器技术的比较。

对于传统的 PFC 设计，通常将分流电阻连接到放置在接地线中的运算放大器的输入端以感测电流。但在图腾柱 PFC 设计中，没有接地线，因此无法像在传统 PFC 中那样添加电流感测分流电阻。这让设计人员只能使用其他三种方法来感测电流：电流变压器 (CT)、带有运算放大器和隔离器的分流电阻以及磁性电流传感器模块或 IC。

CT 可以对通过主电感的电流进行采样。但是，它只能在交流电下工作。要感测开关电流，需要三个 CT 来对通过 MOSFET 和整流器的正负周期中的电感电流进行采样和积分。不幸的是，CT 还存在非线性和温度滞后问题。

测量电流的另一种方法是将分流器与主电感串联。这种方法需要运算放大器、隔离器和独立电源，隔离器和运算放大器周围有多个无源元件。复杂的电路设计增加了容纳 PFC 所需的空间。此外，使用更高电流的应用必须使用精确的低值电阻器来最大限度地降低功耗，而这些电阻器可能很昂贵。此外，由于信号路径中有一个光隔离器和运算放大器，因此输出响应时间很慢。组合输出阶跃响应时间很容易超过 1 µs。

另一种广泛使用的电流感应方法是隔离磁电流传感器模块或包含霍尔效应或 AMR(各向异性磁阻)磁场传感器的 IC。这些磁电流传感器提供所需的隔离，不需要单独的隔离电源。然而，磁电流传感器面临两大挑战。

首先，传统的霍尔效应传感器模块或 IC 通常最多具有约 120 kHz 的带宽。这对于 60 Hz PFC 电流来说已经足够了，但较慢的输出响应(与带宽有关)无法支持快速开关电流的峰值和过流保护所需的时间范围。

其次，霍尔效应磁电流传感器模块相对较大，因为它们包含铁氧体磁芯。电流传感器模块的尺寸增加了所需的空间，从而降低了 PFC 的功率密度。此外，具有足够带宽和精度的图腾柱设计的电流传感器模块相对昂贵。

ACEINNA 的 ±65-A MCx1101 是业界最精确、带宽最高的电流传感器。这款高精度、基于 AMR 的电流传感器专为宽带隙应用而设计，提供 3.3 和 5-V 版本，是各种下一代电源系统和应用的候选产品。

现在考虑采用 ACEINNA 的高精度 4.8 kV 隔离 AMR 电流传感器 IC (MCA1101-50-5) 来采样电感电流的图腾柱设计。这款 ±50-A 传感器 IC 的典型精度为 0.6%，带宽为 1.5 MHz，输出响应时间为 300 纳秒。它提供增强隔离，无需额外的隔离电源即可满足 UL60950 标准。它包括一个可在 IC 上设置的过流检测 (OCD) 阈值和一个故障标志引脚排列，用于与 MCU 接口，以在过流时触发中断。

MCA1101 为图腾柱 PFC 应用提供了许多优势。这些优势包括高温度精度、高带宽、快速响应、使用单电源、增强隔离、可编程 OCD 电压和故障引脚，用于向 MCU 提供电流信息。