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Q&yfl \07
s'W U 电流测量的原理和产品 a Z
^SK|E 测量电流的方法一般分成直接式和非直接式两种。直接式一般通过电阻进行,根据欧姆定律电流的大小和电压成正比,因此可以通过测量一个小电阻的电压差得到所经过电流的大小。非直接式测量一般通过监控电流产生的磁场得到,由于电流周围本身会产生磁场,电流的大小和磁场成正比,因此可以通过测量磁场的大小得到经过电流的大小。直接式用于测量相对较小的电流以及电压不高的情况,非直接式不带有任何导电关系,因此可用于测量相对较大的电流以及相对较高的电压。 非直接式电流测量 Z?X
^7< 9MVW~V 非直接式电流测量比较常用的是霍尔传感器,通过霍尔现象测出电流的大小,输出为模拟输出;另外一种新的技术是利用VAC传感器,它是德国Vacuumschmelze公司开发的较新的电流传感器,与霍尔传感器不同之处是TI与VAC有一款专门的配套传感器芯片DRV401,其系统框图如图1所示,输出电流通过DRV401和积分滤波器产生一定的电流源作为反馈达到磁平衡,利用闭环控制保证整个铁氧体不受饱和影响,从而保证输出的精度能够提高。 (Zx;GS zS]Yd9;X1 x-Yt@}6mvl "C%;9_ig$ 直接式电流测量 4>gkXfTF 8g^OXZ 直接式电流测量手段分为两类:模拟输出和数字输出。 hI]KT a 3T%WfS+ 模拟输出直接电流测量 \@3i=! 5,|^4
ZA 模拟输出分为低压(Low Side)和高压(High Side),数字输出可分为隔离式和非隔离式。低压是指用低压电流传感器进行电流测量,高压即用高压电流传感器进行电流测量。 X2/`EN\ \|L@ 直接式电流测量用小电阻电流传感器,这一电阻有较高精度与温漂特性的要求。绝对值改变可以通过后面的简单补偿实现,但是温度漂移却不可以预测,因此补偿相对比较困难。对于电流传感器而言,温漂特性是最主要的。如:1个电阻R=1mΩ,精度为±1%,TCR=±200ppm/℃,输出电流I=33A,输出功率P=1W。当最大电流为45A时输出功率为2W,这种情况下温度会有所改变。假设温度漂移是75℃,如果TCR=20ppm/℃,输出精度改变为TCR=(75℃)×(20ppm/℃)×(0.0001%/ppm)=0.15%;如果是普通电阻,温漂特性达800ppm/℃,则有TCR=(75℃)×(800ppm/℃)×(0.0001%/ppm)=6%。根据系统精度要求不同,可以选择不同温漂特性的电流传感器。 z
~T[%RjO )UO:J7K 由于通过电阻之后输出为电压信号,该信号往往比较小,需用放大器放大。图2中列出了几个放大器的基本特性,假设使用OPA350,其温漂特性为±4。 .yd{7Te eh&? BP?
!LVWggk1 &gw. &/t @(,k%84z h7)^$Hd 如果以同样的75℃温漂加上本身的偏置电压误差,计算出800μV的误差幅度,相比于45mV,其误差为1.8%。 .9#4qoM'
V<$g^Vb 如果电阻本身20个ppm温漂、误差0.15%,放大器的误差远远大于电流传感器的误差,因此不能接收,如OPA335和OPA333误差大幅度减小到0.02%和0.03%误差范围,相对而言,主要的误差来源在于电阻而不是放大器,因此配套电路必须选择本身误差幅度小于传感器的误差幅度。如果选择OPA335,电阻本身的温度误差远远大于放大器本身的输出误差,从而可以保证系统精度能有所提高;如果选择温度性能更高的电阻,则可以保证电路能准确放大输出信号。 EW%%W6O6 y)X;g:w 此外还有其它不同的误差源,如焊点、PCB迹线、连接器等的寄生特性导致的误差也会影响系统精度。使用差分输入方式可以提高系统的整体精度,排除寄生特性对电路的影响。然而这种精度的提高必须要保证所用电阻的匹配,如果单纯选择分立器件很难保证电阻的匹配性,因此要把所有电阻集成到一个芯片中。如INA132集成了四个电阻,既保证了电阻之间的匹配性,又保证了温漂特性一致。此外还可以选择仪表放大器产品,直接把信号放大,如INA326。 r :{2}nE ZSuUmCm 以上讨论了电流传感器高压和低压的差别,即利用仪表放大器在低压端测量电流,利用差分放大器内在分压的形式可以做高压端的电流测量。 #oSQWC=T P%z\^\p"5 差分输入中会用到共模电压,其定义是正负输入端加起来除以2。如果差分电路电流通过电阻流向地则整个共模电压是正,反之如果电流从地流进差分电路,则共模电压为负。 `re]Q0IO eS8tsI 图4中列出了TI公司用于电流测量的一些产品,可以看到不同的共模电压范围。表中列出了高端和低端最高最低电压承受范围,最高可达75V,如果是单电源供电INA326,则只能达到5V。 'g$~ij ;x O`~G'l&@T %H75u6 fQi7e5 此外,TI公司具有INA168/9以及INA138/9产品,可以用外部电阻控制其增益。INA19X系列的共模范围非常宽,使用较为方便,由于内部带有缓冲驱动能力,因此外部无需缓冲,但是INA19X系列增益是芯片内部固定好的,如图5所示。可以看到,在增益部分INA19X系列有20、50、100倍增益可供选择。 !f-mC,d w~y+Pv@
dRTtDH"% wUHuykF 还有一个较新的INA270和INA271产品系列,其基本结构与INA19X系列类似,唯一的差别在于缓冲输出在芯片外,用户可以通过在中间加以滤波以减小噪声输出。 b2u_1P\ ,uqS
q 然而,为了进一步提高系统整体精度,新产品中引入了“零温漂”技术。由于采集电流时温度很重要,而电阻本身会发热导致出现温漂,因此引入了“零温漂”技术以达到进一步提高总体精度的目的。INA209是基于零温漂技术的第一代产品。 &1YAPxX v/=O:SM} 图6显示了TI的所有电流采集产品,其中包括了共模电压范围和供电范围。可以看到INA19X、INA27X产品以及INA203-206产品都提供了较宽的共模电压范围,INA209是最新的“零温漂”双向电流采集器。 ,+<NP}Yg#G .>DqdtP[ w]X~I/6g %$|=_K)Ks 数字输出直接电流测量 a<7Ui;^@ XBe!9/'k> 对于数字输出电流采集器则必定需要隔离或AD转换。 z[Xs=S!]I }/q]:3M| 由于ADS8361带有两路AD转换,可同时进行两路同步采样,因此应用非常普遍。其前端有一个二选一的开关,可以允许四路输入,两路AD对其同步采样。因为电流必须要两路同步采集以保证三相电机的工作,因此同步采集在电流测量中至关重要。 e2CjZ" C $,Y\ 除了传统的AD转换外,TI还开发了一系列专门针对电流采集应用的AD转换器。ADS120X系列是专门为数字化电流开发的产品,针对不同电流传感器还有不同的产品系列,如非接触性的ADS1204/5/8等。这些产品不是传统的串口或并口的输出,而是∑?Δ 输出,它们利用∑?Δ工作原理完成AD转换,其输出类似PWM,但是频率是可变的,通过脉冲密度形式进行AD转换。ADS1208是针对霍尔传感器开发的产品,本身有一个可编程电流源。原因在于霍尔传感器需要有电流源驱动以进行平衡使用,因此将可编程电流源集成到芯片中。ADS1205是专门针对需要两路同步采集开发的产品,具有两个差分输入,如用于马达控制。ADS1204具有四路差分输入,不仅可以监控三相电流,还可以对其它环境的不同参数进行采样。此外,TI公司还有专门针对单路相电流采样产品,如ADS1202和ADS1203,还提供ISO72XX系列专门用于高速数据流的数字隔离,它使用电容隔离方式,不受外界磁场影响。TI还将推出一款将数据采集前端和隔离集成在一起的产品,从而在单芯片上实现数据采集与信号隔离的功能,如AMC1203。 4%>iIPXi.( kSoa' 上文提到的产品系列输出是∑?Δ数据流,可以使用专用芯片AMC1210将其还原成一个串口或并口的输出。它不仅集成了∑?Δ后端数据滤波器,还加入了一些比较器,因此可以实现非常多的数字功能。 |pxM8g1w de{@u<YZb DU(QQ53 +I1>;
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