隔离电流传感器在电路中作用分析

在许多与电源相关的应用中，必须知道导体中流过多少电流。诀窍在于了解可以测量电流的多种方式，并根据关键要求（如安全性，功耗，成本，外形尺寸和电路可访问性）做出正确的选择。

需要电流检测的情况包括电机控制反馈，电源操作或太阳能电池阵列的高功率充电。当电流和相关电压低至中等，例如大约1 A和10 V时，测量电流非常简单：只需在要评估电流的路径中插入一个电流电阻（通常在毫欧范围内），然后测量电阻两端的电压。虽然存在确定电阻器大小以最小化不期望的电压降的问题，同时在电阻器两端提供足够大的电位差（电压）以进行精确测量，但是可以通过一些基本计算和跨电阻器的合适放大器来解决这个问题。

如果电阻器的一端接地（称为低侧检测），则测量电路非常简单。但是，如果电阻器没有接地（高侧检测），则需要差分放大器来测量电阻器两端的电压 - 无需接地。在许多应用中，高侧检测电路也必须采用电气隔离，以确保安全性或性能，通常使用光耦或基于变压器的隔离器。

出于技术和监管原因，需要隔离传感电路在许多高电压和电流常见的情况下，例如线路操作的工业和商用电机，电动/混合动力电动汽车（EV/HEV），太阳能电池阵列，家用电能计量以及许多其他不太明显的应用。它还增加了一个主要的安全屏障，通常是强制性的，以防出现组件故障或人为故障，这可能会在次级侧电路上产生更高或更高的初级侧电压。当然，它增加了成本和复杂性，但允许检测电阻高出地面几千伏。

使用检测电阻和经常需要的隔离是一种电流测量技术。随着电流和电压增加到两位和三位数，由于欧姆定律的基本原理（无论安全问题如何），它可能变得不切实际，因为电阻值必须非常小才能使其上的压降保持在可接受的范围内。

例如，考虑检测100 A的最大电流，同时需要将电阻降至较小的值，例如0.1 V，以最大限度地减少电阻引起的电路误差。然后检测电阻是：

R = V/I = 0.1/100 =0.001Ω（1.0mΩ）最大值。

在如此小的值（是的，他们确实制造电阻器除非采用特殊的补偿和校准技术，例如开尔文四线传感，否则接线或触点中的任何电阻都会影响精度。

隔离传感器可减轻电子，监管问题

在上述情况下，使用非隔离电流检测电阻和差分隔离放大器来测量电阻两端的电压，而无需参考电路接地（或电路公共端）。在以这种方式解决问题时，一些电流感测电路和信号调节处于高电位并且直接连接到可能承载数百安培的导体。这种情况对设计，制造公差或人为错误的任何错误都是无法容忍的。

对于那些能够测量mA范围内电流和单位数电压的工程师来说，上升几个数量级在这两个参数中都可能是一种非常奇怪且有些可怕的体验。幸运的是，还有另一种方法可以提供不同的解决方案选择和相关的权衡：使用固有隔离的电流传感器。

如果传感器本身与被感测的电流路径电流隔离 - 意味着两个区域之间没有欧姆路径和近无限阻抗 - 从技术和监管角度来看，电流感应挑战变得更加简单。只要传感器是隔离的，传感电路中的任何内容都不会对电路，系统或用户的其他部分造成任何冲击或故障风险。

有三个隔离的传感器通常被认为是完全的隔离的非接触式电流检测：电流互感器（CT），Rogowski线圈和霍尔效应器件。每个都在准确性，功能限制和范围上进行权衡。请注意，这些传感器需要“环绕”载流导体，因此必须考虑到装配。

值得注意的是，一些用于电流测量的测试仪器提供了特殊的夹紧触点，环绕现有导体并围绕它完成传感电路回路，因为断开现有导体并将其穿过开口通常是不可行的。

关于“电流互感器”的侧注

变压器术语往往存在一些混淆：传统的变压器，带有初级绕组和次级绕组，在某些情况下可用于测量电流，次级绕组用作采样的“拾取器”初级绕组中的一小部分电流。这种基本变压器有时用于测量电流，因此在某些应用中也称为电流互感器。但是，它只能用于交流电流，而不能用于直流电，其设计通常针对特定频率（如50或60 Hz）进行优化。此外，必须使用RMS/DC转换器IC将次级侧的AC输出转换为DC信号。这种基于变压器的电流测量传感器适用于许多应用，但不适用于从直流到预定频率的基本电流测量。

电流互感器：绕组加霍尔效应

电流互感器使用初级绕组和霍尔效应器件作为电流传感器。这些变压器有两个基本版本：开环和闭环，每个都有相对的优势和局限：

开环电流互感器：主要优点是成本低，体积小，重量轻，功耗低消费。它们可以设计用于高达几百安培的电流（例如EV/HEV），并且具有非常低的插入损耗 - 在这些高功率水平下很重要。它们的局限性包括低至中等带宽和瞬态响应速度，以及温度漂移（除非经过特殊补偿）。

闭环设备使用特殊补偿技术提供更高的带宽和平坦的频率响应带宽，以及快速的响应时间。它们比开环设备更昂贵，但在许多应用中需要增强的精度和性能。与开环器件相比，闭环器件还提供更高的精度和线性度以及更低的漂移。

然而，开环和闭环器件都会因高直流电流而出现滞后和饱和并且易受外部磁场的影响，但有很多方法可以解决这些问题。有关开环与闭环相关特性的摘要，请参见表。

参数开环闭环带宽0至25 kHz 0至200 kHz响应时间<3-7μsec<1μsec精度±1.5％±0.5％线性度±0.5％±0.1％注意事项低功耗，小尺寸，低成本更高的精度，更高的速度

在选择任何一种类型时，要考虑的一些首要规格包括要测量的最大电流，峰值/过载条件，范围，分辨率，物理尺寸和安装问题（包括孔径尺寸），温度范围和漂移以及安装问题例如附近的磁场。

另外，您更喜欢带有内置“负载电阻”的变压器，这是用户在输出端提供的负载电阻吗？该电阻将霍尔效应传感器的输出转换为电压输出;一些电流互感器在其设计中包含了这一点，因此无需放大和增加尺寸，但在内部限制了输出范围的灵活性。

电流互感器的一个例子是LEM USA HO-P系列（图1）闭环设备有6 A，10 A和25 A版本，适用于交流和直流电机驱动，不间断电源（UPS），太阳能电池板和电弧焊系统等应用。 4300 V隔离测试额定电流互感器需要一个5 V电源，并包含一个特殊的过流输出引脚，可立即指示所检测的电流是否达到额定最大电流的2.63倍。

图1：来自LEM USA的HO-P系列电流互感器可以承受高达25 A的电流，尺寸约为20×20×10 mm ，并有一个直径8毫米导体的孔径。 （来源：LEM USA）

家庭成员符合UL和IEC的所有相关安全和性能标准。尽管该器件具有功能简单的特点，但我们还是可以找到有关各种极端范围和性能的静态和动态特性的详细信息，以及该单元及其互连的基本原理图（图2）。

图2：在LEM USA中，HO-P闭环电流互感器是线圈拾音器，霍尔效应传感器和输出放大器。除了电源连接和一对差分输出连接外，还有一个过电流检测器连接。 （来源：LEM USA）

Rogowski线圈：鲜为人知，广泛使用

Rogowski线圈（图3）测量由感应磁场引起的初级电流，其幅度与其成正比到现在。通过基本电磁理论，磁场中的任何变化都会在线环内产生电动势（EMF），并且该EMF电压与环路内的磁场变化成比例。因此，环路的输出电压与电流的时间微分（di/dt）成正比。

图3：Rogowski线圈的概念很简单。它包括围绕载流导体的缠绕线圈，并且该线圈的输出必须被集成以提供与在导体中流动的电流成比例的电压。 （来源：LEM USA）

Rogowski线圈的独特之处在于它具有空芯，因此没有滞后，饱和或非线性。由于没有磁芯，这些无源线圈成本低，不受直流偏移的影响，可在很宽的动态范围内工作，并可在极低温度下可靠工作。

Rogowski线圈依赖于测量因此，请注意，此类电流传感器比电流互感器更容易受到外部磁场干扰，因此请在设计中采取适当的预防措施以减轻干扰。由于线圈中感应的电压与导体中电流的变化率（时间导数）成比例，因此Rogowski线圈的输出通常连接到模拟积分电路，以提供与电流成比例的输出信号。 。

Pulse Electronics的PA320XNL Sidewinder系列Rogowski线圈电流传感器提供了该技术的示例（图4）。这些线圈的目标是50/60 Hz，单相交流线路，在单个组件中具有0.1 A至1000 A的宽动态范围。这些特殊器件不受外部交流和直流磁场以及直流电流影响，并且可提供高达6000 V的隔离。

图4：PA320XNL Sidewinder系列Rogowski线圈电流传感器可处理宽10 5 ：1动态电流范围，最高1000 A，并提供6000 V隔离。 （来源：Pulse Engineering）

根据具体型号以及是否为50 Hz或60 Hz AC线路，这些线圈产生的A输出在每A A约400μA至500μA之间。图5显示了这种“简单”元件的低频等效电路和相应的基本规范，尽管即使是正常的规范（如精度）也有一个由IEC标准化的定义（见图中的注释3）。

图5：PA320XNL Sidewinder系列Rogowski线圈电流传感器的规格显示了它们的定义，基本输入/输出关系，参数等效电路模型，以及测量这些规范的条件。 （来源：脉冲工程）

直接进入霍尔效应

霍尔效应以物理学家埃德温霍尔命名，他于1879年发现当一个导体或半导体流入一个如果垂直于磁场设定方向，则可以与电流路径成直角测量电压（电位差）。完整的解释需要使用高级物理，但使用基于霍尔效应的传感器来获取电流并不需要理解这些详细的原理。

今天的霍尔效应传感器不仅包含一个传感元件，它本身也会受到漂移，偏移，放置和其他误差的影响。相反，在传感器封装内使用多个器件阵列，与放大器和其他有源电路相结合。待测电流被传送到传感器阵列，其中的多个霍尔效应器件根据电流幅度产生精确的电压（放大和其他校正后）。

霍尔传感器具有宽动态范围即使在较高电流下也能获得良好的性能，但它们会受到饱和/滞后和温度漂移的影响。通过适当的元件选择可以最大限度地降低饱和/滞后效应，如果选择温度补偿器件（并且可以使用许多器件），漂移通常可以忽略不计。

Melexis MLX91205是一个很好的例子。霍尔效应传感器，增加了增强可用性的功能。虽然它采用简单的表面贴装8-SOIC封装，但它集成了基于CMOS的霍尔电路和薄铁磁集中器（图6）。前者具有两对霍尔元件，用于与芯片表面平行的灵敏度方向，而后者“放大”来自电流导体的外部磁场并将其集中在霍尔元件上。它还具有偏置，校准，补偿，调制/解调功能和输出缓冲器等功能。它测量交流和直流电流，并产生与施加的磁场平行于芯片表面成比例的模拟，线性，比率公制输出电压。

图6：MLX91205霍尔效应传感器采用简单的8-SOIC表面贴装封装，但它包含多个霍尔元件以及放大器和解调器。 （来源：Melexis）

对于较低的电流（±2 A），用户可以通过在传感器周围缠绕线圈来增加磁场，同时在线圈周围添加屏蔽可以产生额外的灵敏度（并提高抗扰度）外部场），如图7所示。

图7：通过使用额外的绕组和屏蔽，低范围（2 A）性能可以增强MLX91205霍尔效应传感器的功能。 （来源：Melexis）

测量高达±30 A的范围时，所需的只是印刷电路板上的单根导线。该电路板走线的厚度和宽度必须符合最大预期的连续RMS电流额定值（图8）。在此配置中，Melexis器件的输出在满量程时约为1000 mV。

图8：对于30 A的中程操作，MLX91205可以直接放在合适的印制电路板上，可以处理当前值。 （来源：Melexis）

机械方面的考虑因素在最高范围内至关重要，例如±600 A.为达到该值，MLX91205可以安装在一个大的，厚规格的铜线对面，能够承载电路板另一侧的电流（图9）。

图9：在较高电流下，放置变得不那么重要; MLX91205可以使用高达600 A的“三明治”，包括设备，印刷电路板以及电路板底部的重型走线或分流元件。 （来源：Melexis）

根据所选的霍尔器件和安装情况，通常使用已知电流校准它。完成此操作后，可以最大限度地减少由于位置，附近电流和场以及其他因素造成的偏移和误差。

结论

测量电流比测量电压更加困难和干扰并且要求导体被传感元件包围或穿过传感元件。随着电流和电压水平的增加，在传感电路和系统的其余部分之间实现电流隔离变得谨慎并且通常是强制性的。

可以使用电子电路和元件提供隔离，这是经常做。然而，一个有吸引力的替代方案是使用传感器，该传感器固有地隔离，因此不需要额外的隔离电路。电流互感器，Rogowski线圈和基本霍尔效应器件是设计工程师在这些情况下最常用的隔离传感器。