电流测量的原理和产品

电流测量的原理和产品(2009/4/213:44)在电路设计中电流测量应用十分普遍，主要领域分为3大类：测量中，电表会用来进行电流的测量；保护中，电流往往与功率形成直接的关系，如果电流过大代表系统中有短路情况出现而需要保护，因此用到电流测量；控制中，如马达控制、电池充放电等都需要电流测量。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。直接式电流测量直接式电流测量手段分为两类：模拟输出和数字输出。模拟输出直接电流测量模拟输出分为低压（LowSide）和高压（HighSide），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。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。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。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%。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。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。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。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。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。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。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。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。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。数字输出直接电流测量对于数字输出电流采集器则必定需要隔离或AD转换。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。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。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。更多详细内容，敬请登录中电网在线座谈网址：问答选编问：常用的电流测量方法是什么？各有什么特点？答：一般来说电流测量分为直接式测量和间接式测量。直接式测量是串一个检测电阻在电路上，根据I=V/R，只要检测电压，知道R，就可计算出电流。间接式测量是根据霍尔效应，实现磁场，电场的转换，最终还是要根据I=V/R来计算。采用检测电阻直接测量，比较简洁，成本较低，但检测电流比较小，一般不超过10A。采用霍尔元件进行间接测量，比较复杂，成本较高，但检测电流可以很大，如几十A都可以。问：测量电流的原理是什么？答：1，通过采样电阻转换为电压，然后用ADC转换为数字信号，或用比较器产生中断信号。2，间接测试是利用零磁通的原理。问：电流测量中，是直接测量精确还是间接测量精确？答：因素很多，很难简单地说，但一般情况是直接测量较简单而精确。问：TI目前有哪些测量电流的产品？答：如果是检测电阻直接测量，TI有INA19X，INA20X等。如果是磁性元件，TI有DRV401。此外，AMC1203，ADS120X等都可以。问：如何确保测量的电流的准确性？答：首先，须根据需求选择合适的检测电阻。检测电阻的精度、温度系数、功率容量等规格应符合工作条件的要求，精度要求比较高的应用最好选四线式的检测电阻。其次，须选择合适的处理电路。放大器要有足够低的输入失调，尽量高的共模抑制比。还要注意放大器的共模输入范围是否覆盖实际信号的共模范围，带宽是否满足要求等等。最后，在进行pcb设计时需特别注意检测信号线的走线，要尽量保持两条检测线靠近、对称布局，并远离大功率信号、数字信号布局。问：电流测量目前的精度如何，是否可以跟电压一起测量？答：目前电流的测量精度可达到0.01%,可以和电压一起测量，但一般电流的动态范围比电压大。问：间接式测量主要是采用精密的小功率电阻来进行，直接式电流测量只是通过仪用放大的差分形式，这是两种方式的区别点吗？答：间接式测量中输入信号不是直接来自被测回路，而直接式电流测量中输入信号是被测电流的一部分。问：直接式电流测量所需要用到的电阻是特定的还是任意的?答：通常不是任意的。主要取决于需测量的电流范围，功耗，以及对系统的影响等因素。问：有哪些因素会影响测试精度？答：电流检测有不同的方案，需要首先确定是选用哪种方案测量电流，如用采样电阻来测量，那么采样电阻的精度和温漂系数，运放的CMRR,Vos,Vosdrift,settingtime等等，会影响测试精度。问：如何解决温度对测量电流的影响？答：选择低温漂元件及电路，布局时检测信号线要对称，同时还要注意PCB上的热电偶效应。问：实现零温漂技术的原理是什么?答：TI的零温漂技术是采用斩波原理。如OPA335，OPA333，INA209问：要测量两路隔离的电源的输出电流，然后由同一个MCU处理，有什么隔离方案？答：有两种方案。一个是模拟隔离，采用ISO124隔离模拟信号再进行转换处理。另一种是先进行模拟转换处理，再用ISO72XX进行数字隔离。问：当采集多个信号，而每个信号的测量范围不同，需用多个采集芯片，那么多个采集芯片能同步吗？答：TI的AMC1210可以在数字端提供同步。另有很多ADC也可以提供SYNC管脚，为多片使用时同步。也可以通过时钟控制达到同步的目的。问：TI在测量电流时的误差能控制在什么样的范围内？答：用Sigma-Delta的器件，误差在0.01%左右。如ADS12XX。