高精度電流檢測提高閉環(huán)控制系統(tǒng)效率

高精度電流檢測是提高閉環(huán)控制系統(tǒng)（即電機驅(qū)動器）效率的關(guān)鍵。在這篇博客中，筆者總結(jié)了不同隔離電流檢測方法的利與弊，并列出了一些采用它們的典型應(yīng)用。

分流電阻器可用于多種工業(yè)應(yīng)用，并能提供較高的準確度且實現(xiàn)低溫度漂移。但是，它們的使用受限于其自身電阻值引起的功耗。在具有高共模電壓的應(yīng)用中，分流電阻器需要AMC1200等隔離式放大器或AMC1304L05等隔離式Δ-Σ調(diào)制器（適用于性能最高的系統(tǒng)）。AMC1304L05可提供±50mV的低輸入電壓范圍，從而允許您使用更小的電阻分流器卻不會影響性能。

圖1：AMC1304L05 —— 有效位數(shù)和過采樣率

羅氏線圈（Rogowski coils）只測量交流電流（AC）并被纏繞在可分配待檢測電流的導(dǎo)體周圍。它們能提供與AC電流的變化率成比例的電壓，因此在用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行處理之前需要一個積分器。

對應(yīng)用進行改型翻新時羅氏線圈非常適用，因為該線圈可被安裝在導(dǎo)體周圍，不會中斷電流流動。它們不使用金屬芯子，所以定位的機械公差能影響和限制可實現(xiàn)的準確度。出于同樣的原因，它們不會磁化達飽和點，因此可用于大電流應(yīng)用。此外，它們的低電感允許在具有高壓擺率的系統(tǒng)中使用。

在電流互感器（CT）中，初級AC電流可在磁心內(nèi)產(chǎn)生一個場。該磁場能感應(yīng)次級繞組里成比例的電流。需要一個負載電阻器來將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號以供在ADC中作進一步的處理。

CT的準確度取決于設(shè)置的機械公差、負載準確度和磁心的溫度漂移。磁心的飽和度可限制CT的動態(tài)范圍。另一方面，專門的設(shè)計允許您為某個用例量身打造CT。在電網(wǎng)中，CT被廣泛用于檢測電流。

存在磁場、直流電流（DC）或AC的情況下，磁阻傳感器可改變自己的電阻。磁阻傳感器體積小巧，通常用于位置和角度感測。對不需要高準確度的小電流應(yīng)用來說，磁阻傳感器是低成本高效益的備選器件。

根據(jù)所使用的材料，您可從以下兩種類型的磁阻傳感器中進行選擇：

• 各向異性磁阻（AMR）傳感器使用鐵磁材料（其中磁場會影響電阻）。因為電阻變化很小，所以常用惠斯通電橋（Wheatstone bridges）來感測它。

• 巨磁阻（GMR）傳感器依靠的是巨磁阻效應(yīng) —— 磁場對由鐵磁層和非磁性層相間制成的結(jié)構(gòu)的電阻會產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。不過“天下沒有免費的午餐” —— 與AMR傳感器相比，該生產(chǎn)工藝更復(fù)雜且耗資更多。

霍爾效應(yīng)傳感器可提供與AC或DC磁場成比例的電壓信號。它們存在固有噪聲，并且電壓水平具有很強的溫度依賴性。您可采用巧妙的勵磁法（如那些在DRV411傳感器信號調(diào)節(jié)集成電路（IC）中所用的方法）來彌補這兩個缺點。

霍爾傳感器可用在不需要高準確度水平的開環(huán)應(yīng)用中。為獲得更高的準確度，閉環(huán)法是最佳選擇；這些包括霍爾傳感器、具有補償繞組的磁心以及通常采用完整模塊形式的信號調(diào)節(jié)電路。閉環(huán)模塊可用于寬范圍的準確度、電流和成本水平?；魻栃?yīng)傳感器的其它例子包括DRV5000系列。

與其它電流檢測方法相比，磁通門傳感器可提供最高水平的靈敏度、最寬的動態(tài)范圍以及最低噪聲和溫度漂移的性能。外部磁通門傳感器的設(shè)計錯綜復(fù)雜，需要很低的機械公差；在全世界范圍內(nèi)只有幾家制造商可提供磁通門傳感器模塊。TI最近宣布推出了DRV421 —— 業(yè)界首款完全集成的磁通門傳感器，具備所有必需的信號調(diào)節(jié)功能，適用于閉環(huán)DC和AC應(yīng)用。憑借磁心和補償線圈，該解決方案允許輕松制造高準確度和低電平（泄漏）的電流模塊。

表1對本文中描述的所有方法進行了比較。

表1：電流檢測方法的比較