电流检测器件分析1.docx

1、电流检测器件分析1 电流检测器件分析 电流检测器件分析 一、 检测电阻+运放 优势： 成本低、 精度较高、 体积小 劣势： 温漂较大， 精密电阻的选择较难， 无隔离效果。 分析： 这两种拓扑结构， 都存在一定的风险性， 低端检测电路易对地线造成干扰；高端检测， 电阻与运放的选择要求高。 检测电阻， 成本低廉的一般精度较低， 温漂大， 而如果要选用精度高的， 温漂小的， 则需要用到合金电阻， 成本将大大提高。 运放成本低的， 钳位电压低，而特殊工艺的， 则成本上升很多。 二、 电流互感器 CT/电压互感器 PT 在变压器理论中， 一、 二次电压比等于匝数比， 电流比为匝数比的倒数。 而 CT 和

2、 PT就是特殊的变压器。 基本构造上， CT 的一次侧匝数少， 二次侧匝数多， 如果二次开路， 则二次侧电压很高，会击穿绕阻和回路的绝缘， 伤及设备和人身。 PT 相反， 一次侧匝数多， 二次侧匝数少， 如果二次短路， 则二次侧电流很大， 使回路发热， 烧毁绕阻及负载回路电气。 CT,电流互感器， 英文拼写 Current Transformer， 是将一次侧的大电流， 按比例变为适合通过仪表或继电器使用的， 额定电流为 5A 或 1A 的变换设备。 它的工作原理和变压器相似。 也称作 TA 或 LH（旧符号） 工作特点和要求： 1、 一次绕组与高压回路串联， 只取决于所在高压回路电流， 而与

3、二次负荷大小无关。 2、 二次回路不允许开路， 否则会产生危险的高电压， 危及人身及设备安全。 3、 CT 二次回路必须有一点直接接地， 防止一、 二次绕组绝缘击穿后产生对地高电压，但仅一点接地。 4、 变换的准确性。 PT， 电压互感器， 英文拼写 Phase voltage Transformers， 是将一次侧的高电压按比例变为适合仪表或继电器使用的额定电压为 100V 的变换设备。 电磁式电压互感器的工作原理和变压器相同。 也称作 TV 或 YH（旧符号）。 工作特点和要求： 1、 一次绕组与高压电路并联。 2、 二次绕组不允许短路（短路电流烧毁 PT） ,装有熔断器。 3、 二次绕组

4、有一点直接接地。 4、 变换的准确性 三、 模块型霍尔电流传感器 模块型霍尔电流传感器分开环模式与闭环模式。 开环模式又称为直接测量式霍尔电流传感器， 输入为电流， 输出为电压。 这种方式的优点是结构简单， 测量结果的精度和线性度都较高。 可测直流、 交流和各种波形的电流。 但它的测量范围、 带宽等受到一定的限制。 在这种应用中， 霍尔器件是磁场检测器， 它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。 电流增大后， 磁芯可能达到饱和； 随着频率升高， 磁芯中的涡流损耗、 磁滞损耗等也会随之升高。 这些都会对测量精度产生影响。 当然， 也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料；

5、 制成多层磁芯； 采用多个霍尔元件来进行检测等等。 开环模式的结构原理见下图 根据检测量程的需求， 一般分为以下两种绕线模式， 左图为小量程的结构图，右图为大量程的结构图。 闭环模式又称为零磁通模式或磁平衡模式， 其输入与输出端均为电流信号。 原理见下图 将霍尔器件的输出电压进行放大， 再经电流放大后， 让这个电流通过补偿线圈， 并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反， 最终达到磁平衡。 这个平衡过程是自动建立的， 是一个动态平衡。 建立平衡所需的时间极短。 平衡时， 霍尔器件处于零磁通状态。 磁芯中的磁感应强度极低 （理想状态应为 0），不会使磁芯饱和， 也不会产生大的磁滞损耗和

6、涡流损耗。 恰当地选择磁芯材料和线路元件， 可做出性能优良的零磁通电流传感器。 现在市场上的模块霍尔电流传感器， 一般体积较大， 为双电源供电， 价格较高， 闭环模式的霍尔电流传感器其性能要比开环模式好， 但价格也比开环模式的贵许多。 四、 其他的电流检测器件。 除以上介绍的几种电流检测方式外， 还有其他几种测量方式， 分别为： AVAGO 的光耦隔离放大器。 TI 的电容式隔离放大器 ADI 的西格玛德尔塔式隔离放大器。 这三种电流检测方式， 芯片内部结构， 原理是不一样的， 但外围电路有许多共同点。 一、 三种方式均是通过检测精密电阻两端的电压来判定其被检测电流的大小。 二、 原边与负边均

7、需加电源供电。 三、 输出为差分输出， 需考虑共模抑制比， 可做到零基准电压。 四、 响应时间与精度差不多， 均为 us 级， 精度界于 1%5%。 五、 Allegro 电流传感器 介绍完了其他的电流检测方式， 接下来， 重点介绍一下 Allegro 的电流传感器。 鄙人代理此条线的产品。 Allegro 电流传感器的共同点： 一、 芯片级霍尔电流传感器， 串联在电流回路中， 外围电路简单。 二、 开环模式的霍尔电流传感器（因体积问题， 芯片级霍尔电流传感器无法做到闭环模式。 ） 三、 可测交直流电流。 四、 无需检测电阻， 内置毫欧级路径内阻。 五、 单电源供电， 原边无需供电。 六、 8

8、0120KHz 的带宽， 外围滤波电容可调整带宽与噪声的关系。 七、 输出加载于 0. 5Vcc 上， 非常稳定的斩波输出。 八、 us 级响应速度， 精度在-4085时小于 2% 九、 带抑制干扰的特殊封装工艺。 十、 非常好的一致性与可靠性。 年出厂不合格率小于 1PPM。 常推的几颗 Allegro 霍尔电流传感器为： ACS712 从 ACS712 的内部框图与封装解剖图可以看出， 原边电流只是从芯片内部流过， 与副边电路并没有接触， 原边与副边是隔离的， 因为封装小， 所以 ACS712的隔离电压为 2100V。 因为电流的流过会产生一个磁场， 霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信

9、号， 经过内部的放大、 滤波、 与斩波电路， 输出一个电压信号。 ACS712 根据尾缀的不一样， 量程分为三个规格： 5A、 20A、 30A， 温度等级均为 E 级（-4085） 。 输入与输出在量程范围内为良好的线性关系， 其系数Sensitivity 分别为， 185、 100、 66mV/A。 因为斩波电路的原因， 其输出将加载于 0. 5Vcc 上。 ACS712 的 Vcc 电源一般建议采用 5V。 输出与输入的关系为Vout=0. 5Vcc+Ip*Sensitivity。 一般输出的电压信号介于 0. 5V4. 5V 之间。 Ip+与 Ip-之间流经芯片内部的那一部份， 我们称

10、之为内置路径内阻， 其阻值为 1. 2m . 当大电流流经它时， 所产生的功耗很小， 如 30A 满量程的电流流经它时， 产生的功耗为 P=30*30*1. 2/1000=1. 08W。 ACS 712 的全温度范围的精度为1. 5%。 在 2585时， 精度特性更好。 输入与输出之间的响应时间为 5us。 带宽为 80KHz， 通过调整滤波脚与地之间的滤波电容， 可根据客户的要求来调整噪声与带宽的关系， 电容取值大， 带宽小， 噪声小。 ACS710 与 ACS712 相比， ACS710 多了一个过流保护功能。 如上图所示， 蓝色虚框为ACS710 的电流检测回路， 红色虚框为 ACS71

11、0 的过流保护回路。 ACS710 与 ACS712 的电流检测原理是一样的， 所不同的有以下几点： 1. ACS710 因为封装 SOIC-16 体积比 ACS712 稍大， 所以原边与副边的隔离电压也比 ACS712 大， 为 3000V。 2. 内置路径内阻为 1. 0 m 。 3. 量程不一样， 根据尾缀不同， 分 12. 5A 与 25A 两种量程。 这里的 12. 5A量程与 25A 量程指的是优化量程， 实际上， ACS710 有三倍过载能力， 即， 他们的实际量程分别为 37. 5A 与 75A。 但考虑到电流过大， 温升的效应， 不建议将ACS710 长期工作于过载条件下。

12、4. ACS710 Vcc 可选用 5V 与 3. 3V 两种。 5V 与 3. 3V 时， 其输入输出的线性系数 （Sensitivity）也为线性。 如 ACS710 25A 量程的 IC， Vcc 为 5V 时， Sensitivity为 28mV/A. 3. 3V 时， Sensitivity 为 28*3. 3/5=18. 5mV。 5. 温度等级不一样， ACS710 为 K 级， -40125. 6. ACS710 的带宽为 120KHZ， 响应时间为 4us， 过流保护响应时间为 2us。 ACS710 过流保护功能说明 1. 16 管脚为使能脚。 2. 调整 15 脚外围的两

13、个分压电阻值， 可设定过流保护的门限值。 Vcc 为 5V时， ACS710KLATR-12CB-T（12. 5A 量程的型号） 其可设定的过流保护的门限范围为 22. 3A35. 7A； ACS710KLATR-25CB-T（25A 量程的型号） 其可设定的过流保护的门限范围为 44. 6A71. 5A。 3. 13 管脚为 Fault 输出脚， 过流条件出现时， 13 管脚将在 2us 内输出一个低电平信号， 其中外接电容 Coc 为缓冲电容， 以防止因干扰而产生的误报情况。 4. 下图为过流保护过程的图解说明。 ACS758 ACS758 的原理是一样的。 与 ACS712、 ACS71

14、0 相比， 其特点是： 1. 量程大， 分为 50A、 100A、 150A、 200A 四个等级。 2. 内置路径内阻小， 为 100u . 3. 温度等级， 50A、 100A 量程的等级为 L 级， 即-40150； 150A 量程的为K 级， 即-40125； 200A 量程的为 E 级， 即-4085. 4. 带宽为 120KHz， 响应时间为 4us。 5. 25时， 原边 1200A 大电流时， 可承受时间为 1 秒。 85时， 原边 900A 大电流时， 可承受时间为 1 秒。 150时， 原边 600A 大电流时， 可承受时间为 1 秒。 以上介绍的为 Allegro 的三颗

15、代表型芯片级霍尔电流传感器， 我介绍的均为双向的霍尔电流传感器（可测交直流） ， 输出加载于 0. 5Vcc 上。 Allegro 也有单向的霍尔传感器， 其单向的霍尔电流传感器 （可测正电流）， 输出加载于 0. 1Vcc上。 芯片级的霍尔电流传感器， 目前其最大量程为 200A， 对于大于 200A 的电流，可用 Allegro 线性霍尔做成塻块型霍尔电流传感器。 事实上， 国内有部份品牌的模块型霍尔电流传感器， 就是应用 Allegro 的线性霍尔做为核心做成的。 六 小结 各种电流检测的方式原理各不同。 检测电阻+运放与电流互感器属于低成本的方案， 其可靠性与安全性较差，主要用于低端方案。 模块式霍尔电流传感器， 其体积较大， 双电源供电， 成本较高。 隔离放大器， 其原边， 副边均需电源供电， 在消除干扰方面的设计难度更大，成本比模块式霍尔电流传感器要低， 比 Allegro 的成本高。 外围电路较复杂， 需加检测电阻。 Allegro 的霍尔电流传感器， 量程相对于每一个型号来说， 是固定的， 最高量程为 200A。 小量程(50A 以下) 的霍尔电流传感器成本低， ACS758 的成本比模块型霍尔电流传感器低。 输出加载于 0. 5Vcc, 输出信号为正电压。