| 電流檢測被用來(lái)執行兩個(gè)基本的電路功能。首先，是測量“多大”電流在電路中流動(dòng)，這個(gè)信息可以用于DC/DC電源中的電源管理，來(lái)判定基本的外圍負載，來(lái)實(shí)現節能。第二個(gè)功能是當電流“過(guò)大”或出現故障時(shí)，做出判斷。如果電流超過(guò)了安全限值，滿(mǎn)足軟件或硬件互鎖條件，就會(huì )發(fā)出一個(gè)信號，把設備關(guān)掉，比如電機堵轉或電池中發(fā)生短路的情況。因此有必要選擇一種能承受故障過(guò)程中極端條件的魯棒性設計的技術(shù)。采用適當的元器件來(lái)執行測量功能，不但能獲得準確的電壓信號，還能防止損壞印制電路板。
測量方法
有各種不同的測量方法能產(chǎn)生提示“多大”或“過(guò)大”的信號，如下：
每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)，是有效的或可接受的電流測量方法，但也各有利弊，這一點(diǎn)對應用的可靠性至關(guān)重要。這些測量方法可分為兩類(lèi)：直接的，或間接的。直接方法的意思是直接連到被測電路里，測量元件會(huì )受到線(xiàn)電壓的影響，間接方法的測量元件與線(xiàn)電壓是隔離的，在產(chǎn)品的安全性有要求時(shí)有必要采用間接方法。
電阻式
檢流電阻
用電阻測量電流是一種直接方法，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，線(xiàn)性度好。檢流電阻與被測電流放在一個(gè)電路里，流經(jīng)電阻的電流會(huì )使一小部分電能轉化為熱。這個(gè)能量轉換過(guò)程產(chǎn)生了電壓信號。除了簡(jiǎn)單易用和線(xiàn)性度好的特點(diǎn)，檢流電阻的性?xún)r(jià)比也很好，溫度系數(TCR)穩定，可以達到100 ppm/℃以下或0.01%/℃，不會(huì )受潛在的雪崩倍增或熱失控的影響。還有，低阻(小于1mΩ)的金屬合金檢流電阻的抗浪涌能力非常好，在出現短路和過(guò)流情況時(shí)，能實(shí)現可靠的保護。
磁
電流互感器
電流互感器（圖1）有三個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：與線(xiàn)電壓隔離，無(wú)損測量電流，大信號電壓能很好地抵御噪聲。這種間接測量電流的方法要求用到變化的電流，例如交流電，瞬變電流或開(kāi)關(guān)式直流電，來(lái)產(chǎn)生一個(gè)磁耦合到次級繞組里的變化磁場(chǎng)。次級測量電壓可以根據在初級和次級繞組間的匝數比實(shí)現縮放。這種測量方法被認為是“無(wú)損的”，因為電路電流通過(guò)銅繞組時(shí)的電阻損耗非常小。但是，如圖2所示，由于負載電阻、芯損，以及初級和次級直流電阻的存在，互感器的損耗會(huì )導致失去一小部分能量。
圖1，理想的電流互感器電路
圖2，電流互感器損耗的組成
羅氏線(xiàn)圈
羅氏線(xiàn)圈（圖3）類(lèi)似于電流互感器，會(huì )在次級線(xiàn)圈內會(huì )感應產(chǎn)生一個(gè)電壓，電壓大小與流經(jīng)隔離電感器的電流程正比。特殊之處在于，羅氏線(xiàn)圈采用的是氣芯設計，這一點(diǎn)與依賴(lài)層壓鋼等高磁導率鐵芯和次級繞組磁耦合的電流互感器完全不同。氣芯設計的電感較小，有更快的信號響應和非常線(xiàn)性的信號電壓。由于采用了這種設計，羅氏線(xiàn)圈經(jīng)常被用在像手持電表這樣的已有接線(xiàn)上，臨時(shí)性地測量電流，可以認為是電流互感器的低成本替代方案。
霍爾效應
當一個(gè)帶電流的導體被放進(jìn)磁場(chǎng)里時(shí)（圖4），在垂直于磁場(chǎng)和電流流動(dòng)方向上會(huì )產(chǎn)生電位差。這個(gè)電位與電流大小成正比。在沒(méi)有磁場(chǎng)和電流流過(guò)時(shí)，就沒(méi)有電位差。但如圖5所示，當有磁場(chǎng)和電流流過(guò)時(shí)，電荷與磁場(chǎng)相互作用，引起電流分布發(fā)生變化，這樣就產(chǎn)生了霍爾電壓。
霍爾效應元件的優(yōu)點(diǎn)是能測量大電流，而且功率耗散小。然而，這種方法也有不少缺點(diǎn)，限制其使用，例如要對非線(xiàn)性的溫度漂移進(jìn)行補償；帶寬有限；對小量程的電流進(jìn)行測量時(shí)，要求使用大偏置電壓，這會(huì )引起誤差；易受外部磁場(chǎng)的影響；對ESD敏感；成本高。
圖4，霍爾效應原理，無(wú)磁場(chǎng)
圖5，霍爾效應原理，有磁場(chǎng)
晶體管
RDS(ON) -漏極到源極的導通電阻
由于晶體管對電路設計來(lái)說(shuō)是標準的控制器件，不需要電阻或消耗能量的器件來(lái)提供控制信號，因此晶體管被認為是沒(méi)有能量損失的過(guò)流探測方法。晶體管數據表給出了漏極到源極的導通電阻(RDS(ON))，功率MOSFET的典型電阻一般在毫歐范圍內。這個(gè)電阻由幾部分組成，首先是連到半導體裸晶的引線(xiàn)(圖6)，這部分電阻影響了很多溝道特性�；谶@個(gè)資料，流經(jīng)MOSFET的電流可以用公式 ILoad = VRDS(ON) / RDS(ON)計算得出。
由于界面區域電阻的微小變化和TCR效應，RDS(ON)的每個(gè)組成部分都會(huì )造成測量誤差。通過(guò)測量溫度，及用由溫度引起的電阻預期變化來(lái)修正被測電壓，可以對TCR效應部分地加以補償。很多時(shí)候，MOSFET的TCR會(huì )高達4000ppm/℃，相當于溫度上升100℃，電阻的變化達到40%。通常來(lái)說(shuō)，這種測量方法的信號精度大約為10%～20%。從應用對精度的要求來(lái)看，對于提供過(guò)壓保護來(lái)說(shuō)，這個(gè)精度范圍是可以接受的。
圖6 ，N溝道增強型MOSFET的簡(jiǎn)化模型
比率式 - 電流檢測MOSFET
MOSFET由成千上萬(wàn)個(gè)能降低導通電阻的并聯(lián)的晶體管元胞構成。檢流MOSFET使用一少部分并聯(lián)元胞，連到共柵極和漏極，但源極是分開(kāi)的（圖7）。這樣就產(chǎn)生了第2個(gè)隔離的晶體管，即“檢測”晶體管。當晶體管導通時(shí)，流經(jīng)檢測晶體管的電流與流經(jīng)其他元胞的主電流成一定比例。
精度公差的范圍取決于具體的晶體管產(chǎn)品，低的達到5%，高的可以達到15%到20%。這種方法通常不適合一般要求測量精度達到1%的電流控制應用，但適合過(guò)流和短路保護。
圖 7
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測量方法
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精度
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隔離
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EMI (抗干擾)
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魯棒性
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尺寸
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成本
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電阻式 (直接)
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檢流電阻
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高
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否
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高
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高
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小
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低
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晶體管 (直接)
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RDS(ON)
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低
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否
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中
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中
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小
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低
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比率式
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中
|
否
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中
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中
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小
|
中
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磁(間接)
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電流互感器
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高
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是
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中
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高
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大
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中
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羅氏線(xiàn)圈
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高
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是
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中
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高
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大
|
中
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霍爾效應
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高
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是
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高
|
中
|
中
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高
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從上面的總結表可以看出，探測電路中電流的方法有很多種，要根據應用特定的需求來(lái)選擇合適的方法。每種方法均有其優(yōu)點(diǎn)和短板，這些因素都要在設計中加以仔細考量。 |
