磁性电流传感器可提高电源应用的效率

转换和电源管理应用越来越需要具有可靠性、耐用性和准确性特征的电流传感器的可用性。下一代电子设备将面临重大技术挑战，这将影响电源管理性能和效率。电流传感器对于监测负载吸收的功率以及控制和保护电源所必需的，必须仔细选择，不时从霍尔效应传感器、变压器、分流电阻器或 AMR 中选择最适合特定应用的解决方案传感器。根据电绝缘的类型，电流传感器可分为两类：隔离式传感器和非隔离式传感器。非隔离传感器适用于低电压水平的应用，通常低于 50 V AC或 120 V DC. 在电压和功率较高的情况下，或有浮动测量时，必须使用隔离传感器。第一种类型的隔离传感器可以使用分流电阻器和光学或电容绝缘体制成。另一种解决方案是使用磁电流传感器。第一种方案除了分流电阻器外还需要一定数量的外部元件，而第二种方案是单芯片解决方案，只需要一个集成磁性 IC。

磁性电流传感器

磁性电流传感器可用于任何需要进行电源转换的应用，包括：

数据中心、服务器和电信的电源。第一阶段将交流电源（单相或三相）转换为直流电压，通常包括 PFC 电路以实现更高的效率。以下阶段由一个或多个 DC-DC 转换器表示，这些转换器生成负载所需的电压（48V、12V 以及单个 CPU 的低至 1V）；

电机驱动器和逆变器。此处，第一级是带 PFC 的 AC-DC 转换器，然后是三相 DC-AC 逆变器；

不间断电源 (UPS)。带有 PFC 的 AC-DC 转换器之后是电池充电器和电池组本身，直到 DC-AC 逆变器；

EV 电机驱动和电池管理。此应用中涉及的不同阶段如图 1 所示。在这种情况下，作为进一步的输出阶段，我们有两个 DC-DC 转换器和一个充电器来为 12V 和 48V 电池供电。

图 1：EV 电机驱动器和 BMS 应用

所有列出的应用都需要在电路的相关点进行准确的电流测量，因此需要准确可靠的传感器。对于图 1 的示例，隔离的电流测量点用绿色圆圈表示。黑色圆圈代表非隔离电流测量。

在云/连接/5G/AI、Industry4.0、EV/Electrification、Fast SiC和GaN器件等应用的推动下，磁性电流传感器市场预计将从2019年的1.3B美元增长到2024年的2.0B美元。效率是电源的主要关注点。80 Plus 标准所预见的最高效率水平，即 80 Plus Titanium，要求所有部分额定负载（10、20、50 和 100%）的效率都在 90% 以上，而在 50% 的额定负载下效率高达 96% . 碳化硅和氮化镓等宽带隙半导体 (WBG) 将有助于实现这些效率水平。WBG 通常具有约 50 倍的开关速度、3-5 倍的低电阻和更高的击穿电压、3 倍更好的热传导和更小的占位面积。电源将变得更小、更高效、控制更顺畅，但同时需要更高的带宽、精度、

传感器选择标准

在选择电流传感器时，必须评估一些标准（或关键规格）。其中包括：

标称电流和过电流要求、电流源（交流或直流）、电流方向（单向或双向）；

温度范围内的精度：数据表应指明总误差和读数百分比与满量程百分比的关系；

支持功率级开关频率所需的带宽；

di/dt 测量给出的输出阶跃响应给出了测量系统需要多快的概念；

温度范围;

隔离类型；

解决方案的规模和成本；

电气和机械接口；

其他，包括所需的电源、输出类型、特性（例如过电流检测）、di/dt 和 dv/dt 耐受​​性、UL/IEC 认证、设计简单性/易用性。

大多数隔离式电流传感器不支持宽禁带半导体（例如 SiC 和 GaN）典型的高开关速度，而支持它们的产品成本很高。当前的趋势是通过创建具有高带宽和低相位延迟的磁传感器来克服有限的带宽和低响应时间。通过这种方式，可以获得显着的优势，例如：覆盖高达 10 倍开关频率的带宽、小于 500 纳秒的输出阶跃响应时间、更高的温度精度、增加的动态范围、降低更高频率下的损耗和更小尺寸。

ACEINNA MCx1101

ACEINNA Inc 提供了一个基于 AMR 技术的新系列电流传感器，在具有成本效益的 单芯片外形中实现了行业领先的精度、带宽和阶跃响应的综合性能。

基于 AMR 的高精度、宽带宽电流传感器可用于各种基于 ADC 和微处理器的电源系统和应用。MCx1101 是完全集成的双向电流传感器，与替代解决方案相比，可提供更高的直流精度和动态范围。例如，±20A 版本的典型精度为 ±0.6%，并保证在 85°C 时达到 ±2.0%（最大值）的精度。这些新型电流传感器采用行业标准 SOIC-16 封装（见图 2），具有低阻抗（0.9 毫欧）电流路径，并通过 UL/IEC/EN 认证，适用于隔离应用。

图 2：基于 AMR 的电流传感器

MCx1101 传感器还保证在整个温度范围内有 ±60mA 或 FSR（最大值）±0.3% 的偏移，这意味着可以在大约 10:1 的电流范围内实现高精度，从而显着改善动态范围相对于领先基于霍尔传感器的设备。新系列器件提供高精度、1.5MHz 信号带宽与行业基准相移与频率、快速输出阶跃响应和 4.8kV 隔离的独特组合，使其成为快速电流控制回路中的电流检测和高性能电源保护的理想选择电源、逆变器和电机控制应用。MCx1101 的快速响应和高带宽也是基于 SiC 和 GaN 的快速开关功率级的理想选择，使电源系统设计人员能够利用宽带隙设备实现的更高速度和更小组件。MCx1101 还提供集成的过流检测标志，以帮助实现现代电源系统所需的过流检测。支持的电流范围为 ±50、±20 和 ±5A，器件提供固定增益 (MCA1101) 和比例增益 (MCR1101) 版本。


审核编辑：刘清