电流传感器的电流检测技术介绍

电流传感器是一种检测电流（交流或直流）流量并产生与其成比例的信号的设备。利用传感器测量低电流和高电流，以检测过电流或欠电流状况，使这些设备成为提供电气设备状态信息或保护的理想选择，例如，在混合动力汽车和燃料电池中，高精度测量电流和功率至关重要和精度。电流传感器IC的其他汽车用途包括HEV逆变器和电子动力转向（EPS）系统。

为了在-40°C至125°C的汽车应用中固有的温度范围内保持精度，存在许多挑战，其中包括漂移。此外，在高电流和高温下，由于传感器可能无法承受更高的电流浪涌，故障率更容易发生。

高电流测量尤其成问题。许多电路中使用的电阻器通常无法处理高压。因此，在此级别进行测量需要专用电流互感器或传感器，以将电路中的电流幅度降低到可管理的水平。

涉及的两种电流互感器是分芯和实芯。分芯式电流（开路）变压器可放置在现有电线附近，不会造成电路中断。因此，虽然它们通常很昂贵，但它们可以降低整体系统成本。相比之下，实芯电流（闭合）变压器要求电路重新连接以通过磁芯，但与开放式变压器相比，它们可以提供极其精确和准确的电流测量。

使用电流传感器的另一个主要挑战是整个系统中使用的多个传感器的输出通常非常不同。因此，如果连接了错误的传感器，或者连接不当，可能会导致设备损坏或对人员造成安全隐患。

工程师可以从三种主要的电流测量技术中进行选择。这些是具有和不具有电流隔离的分流器，以及开环和闭环霍尔效应电流传感器。

分流器在高电流时自发热，当分流电阻高时，提供良好的信号幅度，导致电阻随电流变化。在这种情况下的建议是必须仔细选择材料并使温度梯度最小化，否则热电电压将扭曲低电流读数。

开环传感器在高温或温度变化时会出现问题。鉴于它们的性能可以随温度变化，它们可以表现出偏移和增益的漂移。但是，它们不能提供闭环传感器的增益稳定性。破坏性过载能力有利于开环电流传感器。额定值表示通过设备的导体的额定值。

相比之下，闭环传感器在初级电流较高时会吸收显着的静态电流，从而导致自热。它们可以很好地处理短时高电流瞬变。高电流通常会损坏分流器，因为它们就像保险丝一样。热瞬态也会改变其校准。

CR Magnetics的CR5200系列直流电流传感器（图1）提供与直流检测电流成比例的直流信号。仅适用于直流电，2至10 A范围采用先进的磁调制器技术，而20 A及以上的设备范围采用霍尔效应技术。

图1：C5210，CR5211和CR5220是单元件，0.79英寸窗口，2至300个ADC输入范围传感器。

该系列产品为闭环精度，采用35 mm DIN导轨或面板安装，非接触式直流电流检测。应用包括电源管理，移动应用，直流电机驱动器以及电池充电器和系统。传感器采用分芯设计。

Allegro ACS710（图2）是一款120 kHz带宽，高压隔离电流传感器，集成了过流检测功能。它为工业，商业和通信系统应用中的电流感应提供了经济而精确的方法。

图2：ACS710的电流传导路径与低压传感器输入和输出电气隔离，允许传感器用于需要电气隔离的应用，无需使用光隔离器或其他昂贵的隔离技术。

ACS710由精密线性霍尔传感器IC组成，铜传导路径位于硅片表面附近。施加的电流流过传导路径，来自霍尔传感器的模拟输出电压线性跟踪由施加的电流产生的磁场。

过流输入（VOC引脚）上的电压允许客户为器件定义过流故障阈值。当流过铜导电通路（IP +和IP-引脚之间）的电流超过阈值时，漏极开路过流故障引脚将转换为逻辑低电平状态。

根据Allegro的说法，通过专有集成屏蔽技术提供的对电流导体dV/dt和杂散电场的高级抗扰度，可以在高端，高压应用中实现低输出纹波和低失调漂移。

其他功能包括：

适用于空间受限应用的小尺寸封装。

1mΩ初级导体电阻，可实现低功耗。

高隔离电压，适用于线路供电应用。

用户可调节的过流故障水平。

过流故障信号通常会在《2μs内响应过流情况。

据称，由于高dV/dt电压瞬变，集成屏蔽几乎消除了从电流导体到芯片的电容耦合。

滤波器引脚电容可提高低带宽应用中的分辨率。

该器件提供3至5.5 V单电源供电。

具有工厂调整的灵敏度和静态输出电压。

LEM HY 5至25-P电流传感器（图3）用于电子电流测量（DC，AC，脉冲，混合），在初级电路（高功率）和电子电路之间具有电流隔离。其特性包括霍尔效应测量，2，500 V隔离电压，低功耗和扩展测量范围（3 x IPN）。

图3：来自LEM USA的HY系列霍尔效应传感器。

HY系列霍尔效应传感器专为PCB安装而设计。该封装适用于5 A至50 A的电流范围。它是一种双极器件，在初级和次级电路之间具有电流隔离。它具有电压输出，每个电流范围设备的测量范围是额定电流的三倍。

应用包括开关电源，通用逆变器，交流变速驱动器，不间断电源和电池供电应用。

LEM USA的HMS xx-P系列开环表面贴装电流传感器（图4）专为低电流应用而设计。它们具有较低的漂移，在整个温度范围内具有更高的精度，ASIC技术带来的高可靠性，更高的制造工艺效率，据称可满足关键的行业标准。应用包括太阳能系统，风力涡轮机，船用能源，电机控制，小型UPS，转换器，焊接电源，激光切割等设备，以及缝纫机，吸尘器，白色家电和空调等设备。

图4：LEM HMS系列设计用于低电流应用（来源：数据表）。

功能包括霍尔效应测量原理，4，300 V隔离测试电压，极低（12 mm）曲线，单电源（+5 V）以及固定偏移和增益。

该系列的优点包括节省空间的小型设计，只有一种设计用于宽的初级电流范围，并且具有很高的抗外部干扰能力。

电流传感是最终用途中的基本功能，从安全关键的汽车和工业应用到手持设备，其中确定功率和效率至关重要。精确的电流监控使设计人员能够获得关键信息（例如电机转矩，基于电机电流）或诊断信息。即使可以检测到电流的微小变化，也可以在发生之前避免昂贵的维修和机械问题。本文研究了几种类型的电流检测技术，并研究了一些示例器件。