推動(dòng)電氣化發(fā)展的 4 大電流檢測設計趨勢

在所有描述世界日益電氣化的流行語(yǔ)中，有一個(gè)詞十分亮眼：電流檢測。如果電流檢測技術(shù)不可靠、不準確且難以用于設計，那么在太陽(yáng)能電池陣列、電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電站或機器人領(lǐng)域令人耳熟能詳的創(chuàng )新幾乎都不可能實(shí)現。

本文將介紹隨著(zhù)電氣化應用發(fā)展而出現的四大設計趨勢，以及用于提高系統電壓、增強系統保護、實(shí)現遙測監測和縮減外形尺寸的電流檢測技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，電流傳感器監測電氣系統中的一項重要參數，即電流，這能夠使系統在安全范圍內盡可能高效地運行。

通過(guò)電流檢測支持更高的系統電壓

隨著(zhù)對效率的要求愈加嚴格，系統電壓也隨之增加，從而有助于提高效率。根據歐姆定律，在較高的系統電壓下，可通過(guò)降低負載的電流來(lái)得到等量的功率，這有助于減少系統中的 I2R 損耗。電壓愈高，系統可以愈發(fā)高效地傳輸大功率，原因是電流范圍更小，交流/直流或直流/直流功率變換器等級產(chǎn)生的熱量更少。

圖 1 所示的電動(dòng)汽車(chē)充電器正在將電源從電網(wǎng)中斷開(kāi)，其電壓電平可能為 120VAC、240VAC、230VAC（單相）或 400VAC（三相）。典型的電動(dòng)汽車(chē)充電器將電網(wǎng)的交流電輸送到電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器，后者將交流電轉換為直流電，并為電池充電。

在直流快速充電器中，交流電從電網(wǎng)傳輸至電動(dòng)汽車(chē)充電器，在充電器內從交流轉換為直流，并向電池提供高達 920VDC 電壓，從而加快充電速度。提升到更高的電壓電平，并保持相似的電流電平，可以向電池直接傳輸更多功率，從而更快、更高效地充電。

圖 1：電動(dòng)汽車(chē)充電器

電流傳感器有助于提高電動(dòng)汽車(chē)充電器的系統效率，并可在整個(gè)系統的多個(gè)位置使用。這些傳感器可用于交流線(xiàn)路輸入來(lái)監測電流，從而調節進(jìn)入系統前端的無(wú)功功率。另一方面，在系統功率因數控制環(huán)路和第二直流/直流級后的正節點(diǎn)或負節點(diǎn)上，此配置可用于監測故障。

還可以在第一直流/直流級和第二直流/直流級之間的某個(gè)位置，使用差分放大器的電流檢測實(shí)現磁通平衡。此外，有必要使用 AMCS1100 或 TMCS1100 等隔離式電流傳感器，為系統和操作電動(dòng)汽車(chē)充電器的人員提供保護。

增強系統保護

電氣化還提高了對系統保護的需求，從而確保系統對安全工作區外的事件做出迅速響應，避免損壞半導體和其他敏感器件。在大多數系統中，某種形式的系統保護可確保系統按預期運行。例如，如果圖 2 所示的機器人拾取了一個(gè)異常沉重的物品，則電機會(huì )出現明顯的電流尖峰。

圖 2：工業(yè)機器人

電流尖峰可能意味著(zhù)負載超出機器人的能力范圍，可能會(huì )損壞系統或物理機械臂內的器件。具有集成式比較器的電流檢測器件會(huì )檢測到可能超出系統安全工作區的峰值電流涌入電機。具有集成式過(guò)流比較器的 INA301 可做出快速響應（低于 1μS）并設置警報，這可能導致系統停機。這與負載點(diǎn)測量類(lèi)似，其中基于分流器的傳感器（如 INA228 和 INA226 超精密雙向電流檢測放大器）可以監測通過(guò)特定節點(diǎn)的電流和電壓電平，從而確保節點(diǎn)保持在其安全工作區內。

實(shí)現遙測監測

隨著(zhù)應用的電氣化程度提高，對監控的要求也更為嚴格，以便跟蹤能耗等級和改善預測性維護。

為預測性維護進(jìn)行監測或遙測監測的一個(gè)示例是，對機架式服務(wù)器系統中冷卻風(fēng)扇的電流和電壓電平進(jìn)行數據記錄。INA232 等器件用于對風(fēng)扇的功耗進(jìn)行數據記錄。通過(guò)數據記錄，系統能夠向技術(shù)人員發(fā)出警報，指示風(fēng)扇可能運行不穩定或使用壽命即將結束。

數字功率監測器是適合此類(lèi)用例的一種器件，因為它同時(shí)接收總線(xiàn)電壓和電流信息。數字功率監測器 IC 通過(guò)板載運算來(lái)計算功率、電荷和能量，并通過(guò) I2C 或串行外設接口傳輸這些信息（以及總線(xiàn)電壓和電流數據）。片上運算可以減少 CPU 或微控制器上的進(jìn)程，因此處理資源可用于更有效地處理其他任務(wù)。這點(diǎn)對于具有任務(wù)密集型 CPU 或微處理器的系統尤為重要。

縮減外形尺寸

隨著(zhù)越來(lái)越多的應用包括的電子元件越來(lái)越多，或需要安裝在更小的空間中，人們更需要縮減元件的尺寸或增加每個(gè)單元的功能數量，從而幫助減小整個(gè)電路板的面積。許多系統（如智能手機和機器人系統）都受到尺寸限制，需要不斷縮小尺寸和增加功能數量。

較小的電流檢測器件可讓設計人員加強對整個(gè)系統的監測，或減小系統的整體尺寸。這兩種情況都具有一定優(yōu)勢，具體取決于整體系統參數。減小集成電路 (IC) 的尺寸或增加每個(gè)單元的功能數量都會(huì )增加功能密度，從而實(shí)現強大的個(gè)人電子產(chǎn)品、車(chē)載充電器和小型協(xié)作機器人電機驅動(dòng)系統。

利用超小型 IC 或功能豐富的芯片可為實(shí)現更小的系統奠定基礎。例如，Wafer-Chip Scale Package (WCSP) 等芯片封裝選項或具有集成式分流器的 INA253 支持設計人員在不影響性能或功能的情況下縮減其系統的尺寸。

結語(yǔ)

通過(guò)更好地了解上述趨勢以及有助于實(shí)現這些趨勢的 IC，您可以應對特定的高壓設計挑戰，并通過(guò)監測電流測量值來(lái)確保系統在安全工作區內運行，從而實(shí)現可靠性和安全性。