【導讀】隨著電力電子開關技術的不斷進步，精確測量電流以用于反饋控制和系統監測的需求越來越高。精確測量電流的方法有多種，每種方法都有其優點和局限性。本文重點介紹需要較高精度與帶寬的電流測量方法，這些方法可用于測量諸如計算機/電信板輸入電流、逆變器相電流和其他承載電流從幾安培到100A的電路電流。
另外，對于如何使用霍爾效應電流傳感器測量電流，以及如何使用集成電流鏡的負載開關或電熔絲電路，本文也將給出具體細節。同時，我們將比較這些方法與使用分流電阻的電流采樣架構。
背景知識
分流器和電流互感器一直被認為是在電氣和電子電路中進行電流采樣的最佳方法，但這些方法卻有著明顯的缺點。分流器需要在信噪比和采樣元件的功率損耗之間進行權衡，這種權衡讓它很難在寬電流范圍內進行精確測量；而電流互感器則通常導致昂貴的大型解決方案，并且僅適用于測量交流電流。
電流測量方法
半導體技術的進步將霍爾效應傳感器和電流鏡引入了電子電路的設計。這兩種器件幾乎就是無損電流采樣設備，其輸出易于縮放，可以獲得最佳信噪比。本文將重點介紹采用這兩種器件的電流測量解決方案。
電流鏡采樣方法
電流鏡電流采樣通常用于具有內部功率MOSFET的設備，例如智能功率級、負載開關和電熔絲。它采用幾個功率FET單元作為電流鏡，并產生與流過主開關的電流成正比的電流輸出。
當這些電流流經外部電阻器時，很容易產生與流經主FET的電流成正比的電壓。這種測量方法非常適合半橋功率級設備，因為它們提供10A至90A的寬電流能力，并提供具有5μA/A至10μA/A增益的電流鏡輸出。這種功率級對采用單相或多相配置的同步降壓穩壓器應用尤其有用。
對于其他應用，采用負載開關或電熔絲（e-fuse）電路可以保護下游電子設備免受浪涌電流或過載情況的影響。這類電路通常采用功率MOSFET作為開關元件，而監測流過這些設備的電流，電流鏡是一種高性價比方式。例如，MPS的MP5921即為一款尖端的熱插拔電熔絲器件，它可以提供多個級別的保護功能，以及電流和溫度監測功能（見圖 1）。
圖1: MP5921功能框圖
MP5921在獨立工作模式下可以支持高達50A的持續電流，在多個器件并聯配置時可以支持更高的電流（見圖 2）。
圖2：MP5921并聯工作模式
MP5921器件可以與MP5920配合使用（見圖 3）。通過MP5920，電流信號可以轉換為數字形式，并通過I2C進行監測。
圖3:與MP5920配合的MP5921并聯工作模式
這些解決方案非常適合在計算和服務器主板上采用DC/DC變換器的應用。而諸如具有電機驅動器和AC/DC電路的其他應用，則得益于電流采樣器件，用以生成與電機驅動器或電源逆變器上的交流電流一致的雙向信號。
霍爾效應電流采樣方法
這些應用中存在的高電壓可能會對周圍的邏輯電平電路造成威脅。而霍爾電流傳感器則可以在高電壓、大電流電路和用于控制器件的邏輯電平電路之間提供電流隔離。它感應每個電流產生的磁場，然后輸出與電流成正比的電壓。
MPS的MCS180x系列電流傳感器提供高精度霍爾效應電流采樣，并提供高達2200V的隔離電壓，其工作電壓也高達280V，可用于電流高達50A的應用。逆變器是霍爾效應電流傳感器的一種常見應用。本文側重于介紹三相逆變器，因為它們在電力電子設備（例如 UPS、電機驅動器和太陽能應用）中無處不在，而且，通過移除三相逆變器中其中的一相，可以將它輕松推廣到離線應用中。通常，傳感器用于將相電流反饋給控制器（見圖 4）。在圖4中，高壓側標記為紅色，而邏輯電壓標為綠色。隔離是通過原邊（載流引線）與副邊（輸出引線）之間的電流分離來實現的。
圖4: 具備隔離相電流采樣功能的典型三相逆變器系統
圖5顯示了MCS180x 系列電流傳感器的引線框架及芯片。圖中，原邊表示為銅色，電流則由紅色箭頭線表示。注意，在實際應用中，電流可以向任一方向流動。根據安培定律，電流的流動會產生磁場（藍色區域），而場強與電流密度成正比。
另外還需注意，原邊并沒有接觸硅芯片（黑色區域），而是通過氣隙和氧化硅絕緣層分隔開來。磁場的方向和強度由硅芯片中的霍爾傳感器檢測，然后該信號被放大并輸出到副邊的其中一個引腳（銀色區域）。其他副邊引腳包括VCC、GND和濾波器引腳。濾波器引腳用于在帶寬和信號噪聲之間進行權衡。
圖5: MCS180x霍爾效應電流傳感器的引線框架及芯片
MCS180x 系列傳感器具有比率輸出。這意味著它以VCC/2為中心，當流過正電流時，輸出電壓與電流成正比，從VCC / 2升至VCC；當負電流流過時，輸出從VCC / 2降至0V（見圖 6）。在該產品系列中，IPMAX 由器件編號的后綴表示（例如 MCS1802-10的IPMAX 為10A）。設計人員可以根據該信息為其應用選擇合適的電流范圍。目前可用的IPMAX選擇有5A、10A、20A、30A、40A和50A。
圖 6：霍爾效應電流傳感器的比率輸出
結論
本文重點介紹了精確測量電流的可用方法，并闡明了如何為應用選擇最佳的電流采樣方案。在設計早期考慮選擇合適的技術十分重要，而且，還需要注意每種解決方案的細節，例如電源要求以及可實現的輸出信號范圍，從而創建盡可能高效的解決方案。MPS的MCS180x 提供了一種小體積、精確的隔離型電流檢測方案，可以助力設計人員提高系統級性能，同時幫助降低系統功耗與復雜性。
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