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推动电气化发展的 4 大电流检测设计趋势

2025China.cn   2023年03月06日

在所有描述世界日益电气化的流行语中,有一个词十分亮眼:电流检测。如果电流检测技术不可靠、不准确且难以用于设计,那么在太阳能电池阵列、电动汽车 (EV) 充电站或机器人领域令人耳熟能详的创新几乎都不可能实现。

本文将介绍随着电气化应用发展而出现的四大设计趋势,以及用于提高系统电压、增强系统保护、实现遥测监测和缩减外形尺寸的电流检测技术。总的来说,电流传感器监测电气系统中的一项重要参数,即电流,这能够使系统在安全范围内尽可能高效地运行。

通过电流检测支持更高的系统电压

随着对效率的要求愈加严格,系统电压也随之增加,从而有助于提高效率。根据欧姆定律,在较高的系统电压下,可通过降低负载的电流来得到等量的功率,这有助于减少系统中的 I2R 损耗。电压愈高,系统可以愈发高效地传输大功率,原因是电流范围更小,交流/直流或直流/直流功率变换器等级产生的热量更少。

图 1 所示的电动汽车充电器正在将电源从电网中断开,其电压电平可能为 120VAC、240VAC、230VAC(单相)或 400VAC(三相)。典型的电动汽车充电器将电网的交流电输送到电动汽车车载充电器,后者将交流电转换为直流电,并为电池充电。

在直流快速充电器中,交流电从电网传输至电动汽车充电器,在充电器内从交流转换为直流,并向电池提供高达 920VDC 电压,从而加快充电速度。提升到更高的电压电平,并保持相似的电流电平,可以向电池直接传输更多功率,从而更快、更高效地充电。

图1:电动汽车充电器

电流传感器有助于提高电动汽车充电器的系统效率,并可在整个系统的多个位置使用。这些传感器可用于交流线路输入来监测电流,从而调节进入系统前端的无功功率。另一方面,在系统功率因数控制环路和第二直流/直流级后的正节点或负节点上,此配置可用于监测故障。

还可以在第一直流/直流级和第二直流/直流级之间的某个位置,使用差分放大器的电流检测实现磁通平衡。此外,有必要使用 AMCS1100 或 TMCS1100 等隔离式电流传感器,为系统和操作电动汽车充电器的人员提供保护。

增强系统保护

电气化还提高了对系统保护的需求,从而确保系统对安全工作区外的事件做出迅速响应,避免损坏半导体和其他敏感器件。在大多数系统中,某种形式的系统保护可确保系统按预期运行。例如,如果图 2 所示的机器人拾取了一个异常沉重的物品,则电机会出现明显的电流尖峰。

2:工业机器人

电流尖峰可能意味着负载超出机器人的能力范围,可能会损坏系统或物理机械臂内的器件。具有集成式比较器的电流检测器件会检测到可能超出系统安全工作区的峰值电流涌入电机。具有集成式过流比较器的 INA301 可做出快速响应(低于 1µS)并设置警报,这可能导致系统停机。这与负载点测量类似,其中基于分流器的传感器(如 INA228 和 INA226 超精密双向电流检测放大器)可以监测通过特定节点的电流和电压电平,从而确保节点保持在其安全工作区内。

实现遥测监测

随着应用的电气化程度提高,对监控的要求也更为严格,以便跟踪能耗等级和改善预测性维护。

为预测性维护进行监测或遥测监测的一个示例是,对机架式服务器系统中冷却风扇的电流和电压电平进行数据记录。INA232 等器件用于对风扇的功耗进行数据记录。通过数据记录,系统能够向技术人员发出警报,指示风扇可能运行不稳定或使用寿命即将结束。

数字功率监测器是适合此类用例的一种器件,因为它同时接收总线电压和电流信息。数字功率监测器 IC 通过板载运算来计算功率、电荷和能量,并通过 I2C 或串行外设接口传输这些信息(以及总线电压和电流数据)。片上运算可以减少 CPU 或微控制器上的进程,因此处理资源可用于更有效地处理其他任务。这点对于具有任务密集型 CPU 或微处理器的系统尤为重要。

缩减外形尺寸

随着越来越多的应用包括的电子元件越来越多,或需要安装在更小的空间中,人们更需要缩减元件的尺寸或增加每个单元的功能数量,从而帮助减小整个电路板的面积。许多系统(如智能手机和机器人系统)都受到尺寸限制,需要不断缩小尺寸和增加功能数量。

较小的电流检测器件可让设计人员加强对整个系统的监测,或减小系统的整体尺寸。这两种情况都具有一定优势,具体取决于整体系统参数。减小集成电路 (IC) 的尺寸或增加每个单元的功能数量都会增加功能密度,从而实现强大的个人电子产品、车载充电器和小型协作机器人电机驱动系统。

利用超小型 IC 或功能丰富的芯片可为实现更小的系统奠定基础。例如,Wafer-Chip Scale Package (WCSP) 等芯片封装选项或具有集成式分流器的 INA253 支持设计人员在不影响性能或功能的情况下缩减其系统的尺寸。

结语

通过更好地了解上述趋势以及有助于实现这些趋势的 IC,您可以应对特定的高压设计挑战,并通过监测电流测量值来确保系统在安全工作区内运行,从而实现可靠性和安全性。

(德州仪器)

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