电流测量技术的方案与设备介绍

电流测量和控制是任何功率敏感系统的组成部分。虽然我们大多数人都使用电流表来测量电流，但预算，空间和其他实际限制条件不太可能让设计工程师将电流表指定为成品的一部分;更有可能的是，我们将在给定的设计中嵌入一些电流测量技术。

电流测量具有广泛的用途。其中一些是：

确保接收过多电流不会损坏电源。

估算电机的转速（电机的速度与施加电流的速度成正比）。

检查LED是否具有正确的照明。

确定充电过程中对电池组施加的电流量（以防止电池过度充电或过热）。

要测量从电池组施加到电路的电流量，可以估算电池寿命。

本文讨论了在测量电流时可以使用的技术和设备。这里解决了微观（纳安）和宏观（数百安培）需求，可以作为满足您特定设计需求的起点。

简单明了

测量电流的最简单，最直接的方法是使用欧姆定律。如果已知值电阻与负载串联，则其两端的电压将与电流成正比。这意味着高精度电阻应能产生高精度的电流测量。

这种方法的缺点是，与负载串联的任何电阻都会限制到负载的电流，而且本身就是电压降。更重要的是，它将消耗力量。这可能是也可能不是问题，具体取决于您的约束以及您如何设计测量阶段。

低功耗和电池供电的设计不希望浪费任何能量，因此电阻值必须非常低。此外，空间通常是这些类型设计的约束，因此在这种情况下，紧凑且精确的基于电阻的测量技术是一个很好的简单解决方案，特别是如果它可以在地面参考。

然后，电流传感器是通过测量放置在电流路径中的电阻器上的电压降来监控电流的电子电路（当存在其他技术时，例如磁性，这里讨论的所有内容仅限于分流电阻器电流测量）。电流传感器输出的电压或电流与通过测量路径的电流成正比。

由于电阻测量是串联测量，因此传感器设备可以到达电流流过的串联环路中的任何位置。这意味着它们通常可以应用于电源的正极端子或负极端子（图1）。

图1：两者可以使用高侧和低侧测量技术，但在使用以地为参考的高侧测量时，请注意反向电流/电压波形。

由于大多数设计人员底盘接地到负电源端子，因此不希望以与电流消耗相关的可变电压电平升高底层。这对于大电压摆幅可能是正确的，但如果电压水平非常低则不成问题。

例如，低功耗嵌入式微控制器在睡眠模式下可以消耗10微安，并且可以吸收5毫安时在活动模式下。紧凑而精确的表面贴装电阻，例如Panasonic ERJ-6BWFR010V（百分之一，0.25 W，0805封装的0.01Ω电阻），在满量程5 mA负载下仅将底层升高50μV。这远远低于任何会影响逻辑信号的电平。

需要将50μV满量程电压电平放大到A/D的满量程范围，以获得最佳分辨率。此外，可能需要零偏移调整或软件校准技术。

高端电流测量的好处是，从噪声的角度来看，它通常更安静。通常，高压侧，尤其是原始电池侧，在施加到负载之前被调节和过滤。它没有看到地线可以看到的累积时钟和高频噪声。

另外，因为可以在稳压器之前施加电流检测，由于检测电阻的存在会引起轻微的电压变化不会转换为系统中的任何电压降。但是，由于高端检测电阻的反向电流/电压曲线，应使用反相差分放大器将检测波形带回到所产生的电压与电流直接成正比的位置（图2）。 p>

图2：差分反相放大器设计可以将高端波形转换为更熟悉的A/D转换器电压。

注意，如果在调节器之前使用高侧传感器，请确保测量点不高于运算放大器的电源电压。此外，当产生电感反激尖峰时，使用缓冲器和保护电路，因为它们会损坏敏感运算放大器和仪表放大器输入。

在稳压器之前使用检测电阻时，您需要使用电源计算，以准确确定在特定电压下通过负载的电流。

例如，假设您通过串联电阻连接到电压调节器的12 V电池（图3）。在5 V电平下，我们测得的负载在1到100 mA之间变化。

图3：在稳压器之前使用高端电流检测时，根据功率计算调整电流读数。

从12 V电源流向0~100 mA电源的电流实际为0至41.6毫安。以这种方式进行高侧测量时，请计划调整后的电流。此外，还有失去监管机构的因素。调节器的类型及其效率会影响性能。

检测电阻可以很好地适用于低电流应用，但需要将测量电路电气连接到电源和负载。有时候法规和客户需要或要求电气隔离。

可用于低电流测量并提供电流隔离的技术是使用像IL300这样的线性光隔离器来自Vishay。该部件类似于具有线性电流传递曲线的数字光隔离器。通过使用隔离反馈检测器和主检测器，IL300将交流和直流信号与0.01％伺服线性度耦合（图4）。

图4：线性光隔离器可用于小电流或甚至大电流测量，并提供电流隔离。驱动电路来自非隔离侧，但测量应用于隔离侧。

由于它使用红外光作为耦合介质，IL300可实现超过5,000 V的隔离。偏置电路将连接在非隔离侧，但测量可以完全隔离。

类似的部件来自CP Clare及其光伏LOC111PTR光耦合器和Avago及其HCNR200器件。来自Vishay，Avago和Clare的其他线性光隔离器设备和系列可随时从Digi-Key Corporation发货。

更多当前

并非所有当前感应应用都是低功率。电流也是一个非常有用的工具，可以帮助我们设计故障检测和故障保护电路。例如，电动机控制器可以使用电流传感器来检测故障，例如卡住的电动机。这可以保护电路不会试图将过多的电流强制进入无法启动的电机。也可以通过这种方式检测运行过载。

电机有各种尺寸，例如，我们将使用中等大小的电机，可以吸收10到25 A.这里，电流传感器可以使用电阻技术以及霍尔效应技术，它具有感应电路和测量电路之间电流隔离的优势，可以增加另一层保护。

此范围的典型电流传感器可以是，例如，Allegro ACS711ELCTR-25AB-T（图5）。这部分可以感应±25 A，这对于双向电机应用非常有用，在这种应用中，电流可以以任何方式流动。该部件还使用内部霍尔效应，铜传导路径靠近传感器。它提供固有的100 V隔离栅，可用于交流和直流传感应用。

图5：使用嵌入式霍尔效应靠近极低电阻电流路径的传感器提供固有隔离，同时提供包括温度补偿和故障检测在内的集成功能。

您应该注意到1.2mΩ的极低电阻允许小尺寸SOIC 8 -pin封装，通过25 A，所需功耗仅为0.75 W.放大器与感应元件的紧密接近有助于降低噪音（特别是集成静电屏蔽）。还内置了过流故障检测功能，该器件经过工厂调整，精度更高（±5％）。

设计用于3.3或5 V系统，55 mV/A的步进分辨率可轻松连接到大多数A/D和仅在有效时吸收4 mA电流。 Melexis MLX91206LDC-CAHB三轴传感器具有更高精度的类似部件（以更多的功率消耗为代价）。

请记住，Melexis部件被指定为milliTesla范围并具有输出以毫伏/毫米为单位。但是，采用类似的SOIC 8引脚封装，Melexis器件基于该公司称之为Triaxis的技术，使用9 mA的5 V系统提供±0.75％的精度（图6）。这在CMOS芯片上使用嵌入式磁电集中器，需要在工厂进行额外的步骤。与Allegro部件一样，Triaxis传感器集成了许多有用的功能，如可编程偏移，增益，钳位电平和诊断。

图6： Triaxis方法在芯片上使用沉积磁聚光器，有助于精确测量流过近程电流路径的电流。

功耗

某些应用使用如此大的电流，即功率检测电阻的耗散可能是一个关键问题。例如，考虑一个可再生能源电池充电器，需要测量来自太阳能或风能阵列的高达250 A的电流。

如果我们将使用带A的微控制器测量电流/D在3.3 V下运行，我们可能希望设计我们的电路以产生0到2.56 V的电压摆幅，对应于0到256 A电流测量。这使得软件变得简单，因为每毫伏读数为1 A.10位A/D将产生0.25 A的分辨率。

如果我们使用像TE Connectivity 7-1625971-5这样的0.01Ω电阻与充电电流串联，我们应该会看到电阻上的电压为0到2.56 V，对应于电流摆幅。 2.56 V输出无需放大，是一个很好的值，可以馈入大多数A/D转换器（如果是低侧偏置）。

即使在0.01Ω，250 A，该电阻器的功耗为625 W，足以使其成为小型咖啡壶中的热水加热元件。该部分可用于测量较低的电流，例如高达50A，其中仍然会消耗25W的功率。这仍然是一个很大的功能。

这个应用的更好的方法可能是Vishay WSBS8518L1000JK，它只有0.0001Ω，可以处理高达36 W（图7）。请注意，您只能看到0到25.6 mV的电压摆幅，这意味着您需要一个运算放大器，仪表放大器或具有增益级的微控制器才能实现最高分辨率。另请注意，即使在0.0001Ω，满载时仍然会耗散6.5 W。

图7：非常小的0.0001Ω电阻允许分流处理功率高达36 W，容差为5％。

上述示例的公差部分为5％，公差的增加将提高精度。像Ohmite TGHGCR0010FE这样的部件是一种理想的电流传感器，可承受高达100 W的1％容差。厚膜技术的低温系数仅为±60 ppm，设计具有无感特性。

请注意，TGHG系列设计用于适当的散热。必须监控电阻器的最大底板温度并将其保持在规定的限制范围内，以确定额定功率。 Ohmite建议您将热电偶连接到电阻器底板的侧面。 Ohmite还在Digi-Key的网站上为其电流感应电阻器提供了一个培训模块。

其他问题和技术

你现在可能已经意识到即使是1/100的欧姆电阻在这些电流水平下，可以耗散大量功率并引入误差电压。提高精度的关键是在与电流环的其余部分接触之前直接测量分流器或传感器电阻两端的电压（图8）。这可能看起来像冗余布线，但它可以保持准确性，因为传感器上的电压将被测量而没有任何接触损失，即使是非常小的电阻。

图8：看似冗余，但电流检测电阻上的直接连接线有助于确保精度，因为高电流路径中由于接触电阻引起的电压降不会引入误差电压。

这意味着即使电流回路中的任何地方都存在电压降，传感器两端的测量电压仍可准确表示流过电路的真实电流。

总结

电流是重要的物理量，在工业，汽车或家庭领域的许多应用中都需要测量电流。如欧姆定律所述，当电流流过时，任何电阻都会出现电压降。在电流检测电阻中，校准电阻以电压降的形式检测流过它的电流，该电压由控制电路检测和监控。