在描述世界日益電氣化的所有流行語中，有一個術(shù)語應(yīng)該更加引人注目：電流傳感。如果電流傳感技術(shù)不可靠、準確且易于設(shè)計，那么您所聽到的太陽能陣列、電動汽車 (EV) 充電站或機器人技術(shù)方面的創(chuàng)新幾乎不可能實現(xiàn)。

在本文中，我將討論因電氣化應(yīng)用的增長而出現(xiàn)的四個關(guān)鍵設(shè)計趨勢以及旨在解決這些趨勢的電流感應(yīng)技術(shù)：更高的系統(tǒng)電壓、增強的系統(tǒng)保護、遙測監(jiān)控和縮小的外形尺寸。總的來說，電流傳感器正在監(jiān)測電氣系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)——電流，這使得系統(tǒng)能夠在安全范圍內(nèi)盡可能高效地運行。

通過電流檢測支持更高的系統(tǒng)電壓

隨著效率要求變得越來越嚴格，系統(tǒng)電壓不斷增加，以幫助提高效率。根據(jù)歐姆定律，系統(tǒng)電壓越高，輸送到負載的電流量可以減少，以產(chǎn)生等量的功率，這有助于減少系統(tǒng)中的I 2 R 損耗。電壓越高，在系統(tǒng)中傳遞大量電力的效率越高，因為電流范圍較低，在 AC/DC 或 DC/DC 電源逆變器等階段產(chǎn)生的熱量較少。

圖 1中所示的電動汽車充電器正在從電網(wǎng)上輸送電力，其電壓水平可能為 120 V AC、240 V AC、230 V AC（一相）或 400 V AC（三相）。典型的電動汽車充電器將交流電從電網(wǎng)傳輸至電動汽車車載充電器，后者將電能轉(zhuǎn)換為直流電并向電池提供電荷。

在直流快速充電器中，交流電從電網(wǎng)進入電動汽車充電器，在充電器內(nèi)從交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并向電池提供高達 920 V 的直流電壓，以實現(xiàn)更快的充電。升高到更高的電壓水平并保持相似的電流水平可以使更多的電力直接進入電池，從而實現(xiàn)更快、更高效的充電。

圖 1電動汽車充電器

電流傳感器有助于提高電動汽車充電器的系統(tǒng)效率，并且可以在整個系統(tǒng)的多個位置使用。這些傳感器可用于交流線路輸入，監(jiān)控電流以調(diào)整前端系統(tǒng)的無功功率。另一個是在功率因數(shù)控制環(huán)路和次級 DC/DC 之后，位于系統(tǒng)的正節(jié)點或負節(jié)點；此配置監(jiān)視故障。

在初級 DC/DC 和次級 DC/DC 之間還有一個位置，差分放大器的電流感測可用于磁通平衡。此外，必須使用 AMCS1100 或 TMCS1100 等隔離式電流傳感器來保護與電動汽車充電器交互的系統(tǒng)和人員。

增強系統(tǒng)保護

電氣化還增加了對系統(tǒng)保護的需求，以確保系統(tǒng)對安全操作區(qū)域之外的事件做出迅速反應(yīng)，以避免損壞半導(dǎo)體和其他敏感內(nèi)容。在大多數(shù)系統(tǒng)中，某種形式的系統(tǒng)保護可確保系統(tǒng)按預(yù)期運行。例如，如果圖 2中所示的機器人拾取異常重的物品，則電機中可能會出現(xiàn)明顯的電流尖峰。

電流尖峰可能表明負載超出了機器人的能力，這可能會損壞系統(tǒng)或物理機器人手臂中的內(nèi)容。帶有集成比較器的電流傳感設(shè)備會看到峰值電流（可能超出系統(tǒng)的安全工作區(qū)域）涌入電動機。具有集成過流比較器的 INA301 反應(yīng)速度可達 <1 μS，并設(shè)置警報，這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉。這類似于負載點測量，其中基于分流的傳感器（例如 INA228 和 INA226 超精密雙向電流感應(yīng)放大器）可以監(jiān)控流經(jīng)特定節(jié)點的電流和電壓電平，以確保該節(jié)點保持安全狀態(tài)經(jīng)營區(qū)域。

啟用遙測監(jiān)控

隨著應(yīng)用變得更加電氣化，對跟蹤能源額定值消耗和更好的預(yù)測性維護事件的監(jiān)控要求也隨之增加。

用于預(yù)測性維護的監(jiān)控或遙測監(jiān)控的一個示例是通過數(shù)據(jù)記錄通過機架服務(wù)器系統(tǒng)中的冷卻風扇的電流和電壓水平。使用 INA232 等設(shè)備可以記錄風扇的功耗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄使系統(tǒng)能夠提醒技術(shù)人員風扇可能運行異常或接近其使用壽命。

利用數(shù)字電源監(jiān)視器是適合此用例的設(shè)備類型，因為它接收總線電壓和電流信息。數(shù)字功率監(jiān)視器 IC 進行板載算術(shù)以計算功率、電荷和能量，并通過 I 2 C 或串行外設(shè)接口傳輸此信息（加上總線電壓和電流數(shù)據(jù)） 。在片上進行算術(shù)可以減輕 CPU 或微控制器的處理負擔，因此可以使用處理資源更有效地處理其他任務(wù)。這在 CPU 或微處理器處理許多任務(wù)的系統(tǒng)中尤其重要。

縮小外形尺寸隨著越來越多的應(yīng)用包含更多的電子元件或需要安裝在更小的空間中，因此更需要減小元件的尺寸或增加每個單元的功能數(shù)量，以幫助減少總體電路板面積。許多系統(tǒng)，例如智能手機和機器人系統(tǒng)，都受到尺寸限制，需要不斷減小尺寸并增加功能集。

較小的電流感應(yīng)器件使設(shè)計人員能夠增加整個監(jiān)控量或減小系統(tǒng)的整體尺寸。根據(jù)整體系統(tǒng)參數(shù)，這兩種情況都可能是有利的 - 減小集成電路 (IC) 的尺寸或增加每個單元的功能數(shù)量都會導(dǎo)致功能密度增加，從而實現(xiàn)強大的個人電子產(chǎn)品、車載充電器和小型協(xié)作機器人電機驅(qū)動系統(tǒng)。

利用超小型 IC 或高性能芯片可以為更小的系統(tǒng)鋪平道路。例如，晶圓芯片級封裝 (WCSP) 或具有集成分流器的 INA253 等芯片封裝選項使設(shè)計人員能夠縮小系統(tǒng)尺寸，而無需犧牲性能或功能。

通過更好地了解這些趨勢以及幫助支持這些趨勢的 IC，您可以應(yīng)對特定的高壓設(shè)計挑戰(zhàn)，并通過監(jiān)控電流測量來確保系統(tǒng)在安全工作區(qū)域中運行，從而實現(xiàn)可靠性和安全性。