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传感器与IC简化电流测量技术
来源:本站整理  作者:佚名  2010-03-02 10:38:25





  其他拥有可简化高端直流电流测量的专用IC的公司还有Ixys、美国国家半导体 (National Semiconductor) 与德州仪器 (Texas Instruments) 公司。Ixys公司最近刚进入该市场,其售价40美分(批量1000片)的IXI848芯片为采用8引脚SOIC封装,并能在2.7V至40V电源范围内工作。针对150mV检测电压特性化后的该IC,拥有典型0.7%的满量程精度。与内部精密电阻器的连接使用户能将增益设定为10 或50V/V,以适合一系列外部检测电阻器。由于连接至一个可在增益10上驱动33 kV或在增益50上驱动165 kV的电流源,故其电压输出一般需要进行缓冲。美国国家半导体公司的LM3814芯片则与众不同,因为它集成了可输出一个中心频率与分辨率分别为160 Hz及0.8%的PWM波形,从而适合直接与微控制器连接的△-Σ调制器。该芯片还集成了检测电阻器以适应61A或67A的满量程范围,并能分别以 95.5% 及4.5% 的占空比传输正、负满量程值。LM3814芯片采用8引脚SOP封装,售价约为1.50美元(批量1000片)。
  德州仪器公司提供的5引脚SOT-23封装INA138与INA168单极型监视器,具有该公司Burr-Brown产品的传统,适合2.7V~36V或 60V电压工作。这些电流输出器件具有便于使用的单个电阻器换算特点,售价大约1.25美元(批量1000片)。该公司还提供各种拥有汽车AEC- Q100品资的类似监视器(如INA169等)与新型电压输出器件。该INA193/198系列能适应 -16V至+80V的共模输入电压,并能提供20、50及100V/V的固定传输比,以便与外部电流分路一起使用。这些售价为80美分(批量1000片) 5引脚SOT-23封装的器件,可在-40℃ ~ +125℃温度范围内采用2.7V至13.5V电源工作。

  检测FET的开关电流
  另一种在线电流测量方法采用一种FET结构,该结构在与主功率开关一样的裸片上用一个小尺寸电流检测垫片来构成所谓的检测FET。这里,功率开关与检测元件之间的几何匹配,再一次将一小部分负载电流反映至检测引脚,从而使接地电阻器产生一个接地参考电压。国际整流器 (International Rectifier) 公司的N沟道HEXSense MOSFET一般适合于开关应用,并能以典型±2.5%的精度处理高达50A的电流或高达500V的电压。其最近推出的无铅产品——额定60V的 IRCZ44PBF器件,拥有最大0.028Ω的导通电阻(假设有足够的散热),从而允许以TO-220封装的器件处理50A的电流。它以1: 2460~1: 2720检测比输出电流。将运放的正相输入连接至器件的开尔文接地引脚、以及将反相输入连接至其检测引脚,即可利用运放反馈回路中的一个电阻器来将输出换算至任意电平。该器件指导价为1.45美元(批量1000片)。



  英飞凌科技公司 (Infineon Techno
logies) 的Sense-ProFET系列智能功率开关具有类似的电流检测能力(图4)。这里,承载负载的晶体管可能拥有5万个单元,而检测晶体管则大约拥有10个单元。运放与P沟道FET在检测晶体管两端保持负载晶体管的电位,并将部分电流反映至接地。从理论上讲,此电流等于负载电流除以负载晶体管与检测晶体管单元数之比。这些N沟道高端开关以芯片层叠技术构建,具有电荷泵驱动器及一系列保护与诊断功能。该系列开关适合汽车与工业应用,采用各种TO-252表面贴装及TO-220/218通孔塑料封装,开关电流为17A至165A。其最高电流BTS555器件,具有仅为2.5 mΩ的导通电阻以及520A的内部短路电流极限。在这种水平上的电流检测功能,包括用外部电路来降低短路电流极限,以充分利用器件极低开关损耗的优势等(参考文献3)。BTS555的指导售价为4.50美元(批量1000片)。

  用IC来测量交流与直流电流
  传统非破坏性测量交流电的方法依靠保持有选择用于精密测量技术的电流变压器。使用时,电流导体通过电流变压器磁芯形成一个单圈初级线圈。可通过增加穿过磁芯的环路数来增加初级线圈匝数比,以获得更高的灵敏度。经过仔细设计以及平衡同轴负载电阻器,该技术很容易用专用宽带设备(例如可在高达2 GHz频率上工作的泰克公司 (Tektronix) CT6示波器电流探头等)来获得优于±0.5%的日常台式测量精度。常见台式应用包括,在传感器输出驱动示波器50Ω终端电阻、而另一通道测量触发电压时,测量设备开机期间的三端双向可控硅的主端电流。此应用给被测电流带来的负担可忽略不计,且不需要电源。但由于它是一种变压器技术,因此频率响应明显滞后于电源线路频率,且不能测量含直流分量的波形。
  采用霍尔效应器件的电流换能器,有助于克服大多数工控应用所要求的从直流至100kHz带宽内的许多应用难题。像霍尼维尔 (Honeywell) 、LEM及Sentron等公司,都提供从数安培至数千安培适宜用作风力涡轮发电机等设备中的监视与控制逻辑的器件。在历史上,由于霍尔半导体器件的本性以及为信号调整电路供电所需的±12 或 ±15V电源电压,此类器件一直都具有不佳的灵敏度与实际的温漂。今天,常常含有斩波自稳放大器的ASIC,可在反馈环路内调整霍尔器件的输出。该环路可将温漂减少一个数量级或一个以上数量级,以提供通常位于VCC/2(其中VCC可以为5V单电源)中心的稳定、比例输出电压,从而简化与ADC的接口。灵敏度改善一般采用将霍尔效应器件夹于电路磁芯末端之间间隙中的磁场聚能器来实现。
  同样的例子还包括LEM公司的LTS系列单极、闭环以及采用 5V电源工作的电流换能器。这些具有±6A、±15A及±25A额定初级电流指标的器件,可测量从直流到0.5 dB (100 kHz) 或 -1 dB (200 kHz) 的响应。该系列器件重10克并采用公共通孔安装,封装尺寸大约24 mm长、10 mm宽,在一个12.7mm栅格上有6个引脚,允许用三个串/并连连接至其三组内部线圈上。以此种方式,每一种器件都能提供比其相应额定初级电流分别大1 倍、2倍及3倍的引脚可配置增益。在上述每种情况下,输出电压为2.5V±0.625V,且输出电压线性度在0.5V电源内优于0.1%。此配置允许最高灵敏度的LTS 6-NP器件测量0 ~±19.2A的电流。这些器件的另一个特点是具有一个通过磁芯中心的通孔,因此可在电流载体只有一条通路的情况下,提供另一个允许进行差分测量的单位增益连接。该售价为10美元(批量100片)的器件目前可随处买到,包括从目录分发经销商处买到。其他系列还可提供适合工业仪表中4mA~20mA电流回路的电流输出。这里,可测量双向直流电流的能力适合在大电流电池组中进行隔离测量。

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