使用非比例式磁性電流傳感器進(jìn)行精密電流感應設計

電子控制系統使用本地或遠程傳感器元件監控工作參數,從而進(jìn)行環(huán)路控制、診斷和系統反饋。這種信息的質(zhì)量和準確性是系統性能和控制功能的關(guān)鍵限制因素。 在過(guò)去,許多電子產(chǎn)品都無(wú)法很好地控制傳感器電源電壓和電壓基準,因此使用比例式方法來(lái)減少由于參數波動(dòng)導致的誤差。隨著(zhù)現代系統對模數轉換器 (ADC) 等信號鏈元件電壓基準的嚴格控制,TMCS1100 磁性電流傳感器等非比例式傳感器提高了噪聲抗擾度、精度和設計 靈活性。

電流傳感器的線(xiàn)性傳遞函數如 公式 1 所示,其中靈敏度 (S) 和零電流輸出電壓分別表示增益和失調電壓。

在完全比例式器件中,靈敏度和失調電壓都隨電源電壓 的變化而變化,因此,滿(mǎn)量程輸入電流總會(huì )產(chǎn)生零電壓 輸出或電源電壓輸出,如 圖 1 所示。

圖 1. 完全比例式電流傳感器響應

對于非比例式電流傳感器,給定輸入電流變化導致的電壓輸出變化與電源電壓無(wú)關(guān),而且零電流輸出電壓始終是固定電壓,如圖 2 所示。

圖 2. 非比例式電流傳感器響應

如果常見(jiàn)傳感器的電源與 ADC 基準在運行過(guò)程中與預期差異較大,則該系統為比例系統,如圖 3 所示。比例 式結構通過(guò)調整傳感器輸出范圍,減少了由變化的 ADC 滿(mǎn)量程基準導致的一些誤差。然而,按比例調整并不是萬(wàn)全之策,它會(huì )向系統中引入一些其他誤差。必須在有限電源電壓范圍內進(jìn)行微調才能實(shí)現高精度,由于傳感 器輸出范圍必須完全匹配 ADC 輸入范圍,設計靈活性 會(huì )有所降低。另外,電源噪聲會(huì )直接注入到輸出信號, 進(jìn)而導致不良的電源抑制 (PSR)。

圖 3. 適用于不易調節電源的比例傳感器架構

對于具有穩定 ADC 基準的系統,無(wú)論是專(zhuān)用的內部電源還是外部基準,比例式方法都只會(huì )引入其他誤差和噪聲。在這種情況下,例如在圖 4 所示的架構中,具有固定靈敏度的電流傳感器提供了出色的解決方案。憑借固定的靈敏度,該器件具有顯著(zhù)的 PSR 作用,甚至電源電壓與 ADC 滿(mǎn)量程電壓不同。集成式微控制器 ADC 通常就是這種情況。它還能優(yōu)化靈敏度固定的內部電路, 進(jìn)而提高總精度并降低漂移。

圖 4. 適用于精密信號鏈的非比例式架構

TMCS1100 和 TMCS1101 是具有固定靈敏度的精密、 隔離式磁性電流傳感器。TMCS1100 具有由外部供電、設置零電流輸出電壓的基準引腳，既能自定義動(dòng)態(tài)測量范圍，又能向 ADC 傳輸全差分信號鏈，如圖 5 所示。 此架構連同靈敏度固定的精密信號鏈實(shí)現了業(yè)界領(lǐng)先的溫度穩定性，而且在 –40°C 至 125°C 范圍內的精度大于 1%。

電流傳感器常用于電力系統中，其中，傳感器通?？拷娫撮_(kāi)關(guān)元件，遠離 ADC 和控制器。這導致開(kāi)關(guān)噪聲和瞬態(tài)事件與模擬電源和信號直接耦合。具有外部基準的固定靈敏度傳感器能使系統抑制上述兩種噪聲路徑。 改進(jìn)的 PSR 通過(guò)模擬電源和外部基準抑制噪聲注入， 從而實(shí)現偽差分或全差分感應并抑制噪聲與輸出信號耦合。由于差分測量可防止零電流輸出電壓產(chǎn)生任何漂移，因此，降低了系統級噪聲并提高了動(dòng)態(tài)范圍。

圖 5. TMCS1100 經(jīng)優(yōu)化的信號鏈

由于可根據任何用例情況定制零電流輸出，此架構顯著(zhù)提高了設計靈活性。通過(guò)選擇適當的基準電壓，可實(shí)現雙向、單向和自定義動(dòng)態(tài)感應范圍。由于傳感器電源、 基準和 ADC 基準之間無(wú)約束，傳感器輸出在無(wú)需調節 的情況下即可跨越電壓電源范圍。

TMCS1101 具有提供基準的內部電阻分壓器，具有 50%/10% 電源電壓兩種型號，分別適用于雙向和單向電流感應。該器件 具有 固定的靈敏度，而且在整個(gè)溫度范圍內的精度大于 1.5%。

表 1. 相關(guān)技術(shù)手冊