电流测量元件和方法

介绍

电流检测用于执行两个基本的电路功能。首先，它测量电路中流动的“多少”电流;可用于 DC/DC 电源中的电源管理的信息，以确定必要的外围负载以节省电力。第二个功能是确定何时存在“过多”电流或故障情况。如果电流超过安全限值，则会满足软件或硬件互锁条件，并发送信号来关闭应用程序，就像电机停转或电池短路情况一样。选择一种设计稳健、能够承受故障期间存在的极端条件的技术至关重要。执行测量功能的适当组件将维持准确的电压信号并防止损坏印刷电路板。

测量方法

指示“多少”状况和“太多”状况的信号可通过多种不同的测量方法获得，每种方法都有其优点，使其成为有效或可接受的电流测量方法，但也有对应用可靠性至关重要的权衡。它们还可以分为两大类测量方法：直接或间接。直接方法意味着它直接连接在被测量的电路中，并且测量组件暴露于线路电压，而间接方法提供设计安全可能必需的隔离。

电阻式

电流检测电阻

电阻器是一种直接测量电流的方法，具有简单和线性的优点。电流检测电阻器与被测量的电流串联放置，产生的电流导致少量功率转化为热量。这种功率转换提供了电压信号。除了简单性和线性度等有利特性外，电流检测电阻器还是一种经济高效的解决方案，电阻温度系数 (TCR) 稳定为 o C 或 0.01 %/ o C，并且不会遭受雪崩倍增的可能性或热失控。

电流互感器

电流互感器具有三个主要优点：它提供与线路电压的隔离、无损电流测量以及可提供抗噪性的大信号电压。这种间接电流测量方法需要变化的电流(例如交流电流、瞬态电流或开关直流电流)来提供变化的磁场，该磁场磁耦合到次级绕组中。次级测量电压可以根据初级和次级绕组之间的匝数比进行缩放。这种测量方法被认为是“无损”的，因为电路电流通过铜绕组时电阻损耗非常小。然而，由于负载电阻、磁芯损耗以及初级和次级直流电阻造成的变压器损耗，会损失少量功率。

罗氏线圈

罗氏线圈与电流互感器类似，次级线圈中感应出的电压与流经隔离导体的电流成正比。例外之处在于，罗氏线圈是空心设计，与电流互感器不同，电流互感器依赖于高磁导率磁芯(例如层压钢)来磁耦合到次级绕组。空芯设计具有较低的电感，提供更快的信号响应和非常线性的信号电压。由于其设计，它通常用作现有接线(例如手持式仪表)的临时电流测量方法。这可以被认为是电流互感器的低成本替代方案。

霍尔效应

当载流导体置于磁场中时，垂直于磁场和电流方向会产生电势差。该电势与电流的大小成正比。当没有磁场并且存在电流时，就不存在电势差。然而，如图 5 所示，当存在磁场和电流时，电荷与磁场相互作用，导致电流分布发生变化，从而产生霍尔电压。

霍尔效应器件的优点是能够以低功耗测量大电流。然而，有许多缺点限制了它们的使用，例如需要补偿的非线性温度漂移;带宽有限;低量程电流检测需要较大的失调电压，这可能会导致误差;对外部磁场的敏感性;静电放电敏感性;且成本高。

晶体管

R DS(ON) – 漏源导通电阻

晶体管被认为是一种无损过流检测方法，因为它们是电路设计的标准控制元件，并且不需要其他电阻或功耗器件来提供控制信号。晶体管数据表提供了功率 MOSFET 的漏极至源极导通电阻 (RDS(ON))，典型电阻在 mΩ 范围内。该电阻由多个组件组成，首先是通过电阻连接到半导体芯片的引线，从而构成了众多通道特性。根据该信息，通过 MOSFET 的电流可由 ILoad = VRDS (ON) / R DS(ON)确定。

R DS(ON)的每个组成部分 都会因界面区域电阻的微小变化和 TCR 效应而产生测量误差。 TCR 效应可以通过测量温度并利用温度引起的预期电阻变化来校正测量电压来部分补偿。通常，MOSFET 的 TCR 可高达 4000 ppm/ ° C，相当于温度升高 100 ° C 时电阻变化 40%。一般来说，这种测量方法提供的信号精度约为 10% 至 20%。根据精度要求，这可能是提供过流保护的可接受范围。

比率指标 – 电流检测 MOSFET

MOSFET 由数千个并联晶体管单元组成，可降低导通电阻。电流检测 MOSFET 使用一小部分并联单元，并连接到公共栅极和漏极，但连接到单独的源极(图 7)。这创建了第二个隔离晶体管; “感应”晶体管。当晶体管导通时，通过感测晶体管的电流将与通过其他单元的主电流相当。

根据晶体管产品的不同，精度容差范围可以低至 5% 或宽至 15% 至 20%。这通常不适用于通常需要 1% 测量精度的电流控制应用，但适用于过流和短路保护。