在描述世界日益電氣化的所有流行語(yǔ)中，有一個(gè)術(shù)語(yǔ)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(zhǔn)確且易于設(shè)計(jì)，那么您所聽到的太陽(yáng)能陣列、電動(dòng)汽車 (EV) 充電站或機(jī)器人技術(shù)方面的創(chuàng)新幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

在本文中，我將討論因電氣化應(yīng)用的增長(zhǎng)而出現(xiàn)的四個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)趨勢(shì)以及旨在解決這些趨勢(shì)的電流感應(yīng)技術(shù)：更高的系統(tǒng)電壓、增強(qiáng)的系統(tǒng)保護(hù)、遙測(cè)監(jiān)控和縮小的外形尺寸。總的來(lái)說(shuō)，電流傳感器正在監(jiān)測(cè)電氣系統(tǒng)中的一個(gè)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(yùn)行。

通過(guò)電流檢測(cè)支持更高的系統(tǒng)電壓

隨著效率要求變得越來(lái)越嚴(yán)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(fù)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?yàn)殡娏鞣秶^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(dòng)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(dòng)汽車充電器將交流電從電網(wǎng)傳輸至電動(dòng)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(jìn)入電動(dòng)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(dá) 920 V 的直流電壓，以實(shí)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(jìn)入電池，從而實(shí)現(xiàn)更快、更高效的充電。

圖 1電動(dòng)汽車充電器

電流傳感器有助于提高電動(dòng)汽車充電器的系統(tǒng)效率，并且可以在整個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)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(wú)功功率。另一個(gè)是在功率因數(shù)控制環(huán)路和次級(jí) DC/DC 之后，位于系統(tǒng)的正節(jié)點(diǎn)或負(fù)節(jié)點(diǎn)；此配置監(jiān)視故障。

在初級(jí) DC/DC 和次級(jí) DC/DC 之間還有一個(gè)位置，差分放大器的電流感測(cè)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(lái)保護(hù)與電動(dòng)汽車充電器交互的系統(tǒng)和人員。

增強(qiáng)系統(tǒng)保護(hù)

電氣化還增加了對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的需求，以確保系統(tǒng)對(duì)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(hù)可確保系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行。例如，如果圖 2中所示的機(jī)器人拾取異常重的物品，則電機(jī)中可能會(huì)出現(xiàn)明顯的電流尖峰。

電流尖峰可能表明負(fù)載超出了機(jī)器人的能力，這可能會(huì)損壞系統(tǒng)或物理機(jī)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(huì)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(dòng)機(jī)。具有集成過(guò)流比較器的 INA301 反應(yīng)速度可達(dá) <1 μS，并設(shè)置警報(bào)，這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉。這類似于負(fù)載點(diǎn)測(cè)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(diǎn)的電流和電壓電平，以確保該節(jié)點(diǎn)保持安全狀態(tài)經(jīng)營(yíng)區(qū)域。

啟用遙測(cè)監(jiān)控

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

用于預(yù)測(cè)性維護(hù)的監(jiān)控或遙測(cè)監(jiān)控的一個(gè)示例是通過(guò)數(shù)據(jù)記錄通過(guò)機(jī)架服務(wù)器系統(tǒng)中的冷卻風(fēng)扇的電流和電壓水平。使用 INA232 等設(shè)備可以記錄風(fēng)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(fēng)扇可能運(yùn)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?yàn)樗邮湛偩€電壓和電流信息。數(shù)字功率監(jiān)視器 IC 進(jìn)行板載算術(shù)以計(jì)算功率、電荷和能量，并通過(guò) 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(jìn)行算術(shù)可以減輕 CPU 或微控制器的處理負(fù)擔(dān)，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(lái)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(gè)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(jī)和機(jī)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(jì)人員能夠增加整個(gè)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(gè)單元的功能數(shù)量都會(huì)導(dǎo)致功能密度增加，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的個(gè)人電子產(chǎn)品、車載充電器和小型協(xié)作機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jí)封裝 (WCSP) 或具有集成分流器的 INA253 等芯片封裝選項(xiàng)使設(shè)計(jì)人員能夠縮小系統(tǒng)尺寸，而無(wú)需犧牲性能或功能。

通過(guò)更好地了解這些趨勢(shì)以及幫助支持這些趨勢(shì)的 IC，您可以應(yīng)對(duì)特定的高壓設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并通過(guò)監(jiān)控電流測(cè)量來(lái)確保系統(tǒng)在安全工作區(qū)域中運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)可靠性和安全性。