預(yù)計(jì)到 2031 年，全球電源需求將超過(guò) 465 億美元。電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化的激增推動(dòng)了這一增長(zhǎng)，尤其是 AC-DC 電源。

這些應(yīng)用需要具有高精度、低噪聲和快速響應(yīng)時(shí)間的電流傳感器。隨著對(duì)更高功率密度的需求增加，對(duì)先進(jìn)電流傳感技術(shù)的需求也在增加。這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控。

在本文中，我們探討了電流監(jiān)控的優(yōu)勢(shì)。我們還研究了傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)電流傳感器的缺點(diǎn)以及應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的傳感器技術(shù)的發(fā)展。

實(shí)時(shí)電流監(jiān)測(cè)的需求

電源系統(tǒng)中的精確電流監(jiān)測(cè)和控制有助于優(yōu)化性能。這確保了儲(chǔ)能系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換器和其他系統(tǒng)關(guān)鍵組件的使用壽命。在 UPS 系統(tǒng)和儲(chǔ)能等應(yīng)用中，保持電流的正確平衡可以防止過(guò)熱、過(guò)流情況和系統(tǒng)意外關(guān)閉。

此外，在發(fā)電可能是間歇性的可再生能源系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)電流測(cè)量可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)潮流，從而提高效率。在電動(dòng)汽車(chē)充電站中，精確的電流測(cè)量有助于保持最佳充電速率而不會(huì)過(guò)載。在數(shù)據(jù)中心，精確的電流監(jiān)控有助于確保電力均勻分布在所有設(shè)備之間，防止熱點(diǎn)并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

然而，在大電流、低阻抗系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確的電流測(cè)量并不總是那么簡(jiǎn)單。這些系統(tǒng)通常以非常高的功率水平運(yùn)行，電流傳感的不準(zhǔn)確可能會(huì)導(dǎo)致效率低下、運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至火災(zāi)或電氣故障等安全隱患。這就是為什么找到理想的電流檢測(cè)解決方案如此重要的原因。

開(kāi)環(huán)和閉環(huán)電流傳感器模塊

傳統(tǒng)上，開(kāi)環(huán)電流傳感器已用于電源應(yīng)用。這些傳感器通過(guò)間接檢測(cè)流過(guò)導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量電流。雖然這種方法在某些情況下很有用，但它也有明顯的缺點(diǎn)，特別是對(duì)于大電流應(yīng)用。

主要問(wèn)題之一是尺寸。開(kāi)環(huán)傳感器模塊需要大型磁芯或外部組件才能有效運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)計(jì)笨重，因此難以集成到空間受限的應(yīng)用中。

成本是另一個(gè)限制因素，尤其是在需要高精度時(shí)。對(duì)補(bǔ)償電路等外部組件的需求增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和總物料清單 （BOM）。

最后，開(kāi)環(huán)電流傳感器的精度對(duì)于需要精確實(shí)時(shí)監(jiān)控的應(yīng)用來(lái)說(shuō)往往不夠。

另一種方法是使用閉環(huán)換能器。其中包括一個(gè)補(bǔ)償電路，與開(kāi)環(huán)前代產(chǎn)品相比，它提高了性能和精度，但它們需要額外的組件，例如信號(hào)調(diào)理電路。因此，與開(kāi)環(huán)電流傳感器一樣，這使它們成為更昂貴、更笨重的選擇。

模擬傳感器

為了解決這些缺點(diǎn)，集成電流傳感器 （ICS） 通過(guò)先進(jìn)的集成技術(shù)提高了性能。ICS（如圖1所示）將模擬傳感元件和信號(hào)調(diào)理電路組合到一個(gè)緊湊的封裝中，從而減小了尺寸、成本和復(fù)雜性。

圖 1.NOVOSENSE Microelectronics 等 ICS NSM2311結(jié)合模擬傳感和信號(hào)調(diào)理，以減小尺寸、成本和復(fù)雜性。（圖片來(lái)源：NOVOSENSE Microelectronics)

ICS 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是占地面積小。通過(guò)消除對(duì)大型磁芯和外部組件的需求，這些傳感器可以適應(yīng)空間受限的系統(tǒng)。這使它們成為高密度電源、UPS 系統(tǒng)和儲(chǔ)能應(yīng)用的理想選擇。這種緊湊性還簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了所需的組件數(shù)量，從而減少了整體系統(tǒng)成本。

ICS 還使用先進(jìn)的算法進(jìn)行溫度補(bǔ)償和減少漂移，確保在較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行高精度電流測(cè)量。

此外，這些傳感器比傳統(tǒng)傳感器提供更高的帶寬和更快的響應(yīng)時(shí)間，從而可以在高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)時(shí)電流監(jiān)測(cè)和控制。改進(jìn)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和更高效的電源管理使其成為節(jié)能設(shè)計(jì)的重要組件。

如圖 2 所示，通過(guò)將多種功能集成到單個(gè)封裝中，這些傳感器減少了對(duì)額外補(bǔ)償或信號(hào)處理電路的需求。這降低了總體 BOM 和成本，并簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。

圖 2.具有 AEC-Q100 認(rèn)證的完全集成的高隔離電流傳感器示例，具有 100 μΩ 初級(jí)阻抗和 200 A 連續(xù)電流容量。（圖片來(lái)源：NOVOSENSE Microelectronics)

為電源選擇合適的ICS

在為低阻抗、高電流容量電源選擇集成電流傳感器時(shí)，優(yōu)先考慮的不僅僅是基本的測(cè)量精度。初級(jí)導(dǎo)體電阻應(yīng)保持在遠(yuǎn)低于毫歐姆，以最大限度地減少大電流系統(tǒng)中的功率損耗和發(fā)熱。100 μΩ 或更低左右的值是可取的。連續(xù)額定電流需要輕松超過(guò)預(yù)期負(fù)載。對(duì)于許多高功率設(shè)計(jì)，這意味著傳感器可以維持在 200 A 范圍內(nèi)而不會(huì)降額。

在涉及高電壓的應(yīng)用中，絕緣系統(tǒng)必須堅(jiān)固耐用。爬電距離應(yīng)在 6.5 mm 范圍內(nèi)（理想情況下稍長(zhǎng)一點(diǎn)），并且經(jīng)過(guò)測(cè)試的隔離額定值應(yīng)約為 5 kV均方根.這確保了長(zhǎng)期可靠性和安全合規(guī)性。輸出級(jí)應(yīng)提供穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)的信號(hào)，不受適度供應(yīng)波動(dòng)的影響。這減少了對(duì)復(fù)雜外部電壓調(diào)節(jié)的需求，并簡(jiǎn)化了模擬前端設(shè)計(jì)。

溫度范圍內(nèi)的精度同樣重要。對(duì)于苛刻的環(huán)境，傳感器在很寬的溫度范圍內(nèi)的總靈敏度誤差應(yīng)在 ±1% 以?xún)?nèi)，至少?gòu)?-40oC 高達(dá) 120oC，理想情況下為 150oC. 這可確保讀數(shù)在室外安裝和高密度外殼中保持一致。

當(dāng)這些特性與緊湊的封裝和必要的信號(hào)調(diào)理功能的集成相結(jié)合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種電流傳感解決方案，該解決方案支持準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)控，而無(wú)需過(guò)多的占地面積或物料清單成本。