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電流傳感器已廣泛應用于各類(lèi)應用中，從太陽(yáng)能逆變器和電力驅動(dòng)設備、服務(wù)器和電信應用、電源和家用電器直至電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)都能看到電流傳感器的蹤影。由于對能效、更高的能量轉換效率、電動(dòng)交通和智能電網(wǎng)的要求日益增長(cháng)，對電流傳感器的需求也隨之增加。在所有此類(lèi)應用領(lǐng)域中，傳感器除了要達到高精度和在產(chǎn)品整個(gè)生命周期內確�？煽窟\行的要求之外，還需達到尺寸小、功耗低、靈活性高及性?xún)r(jià)比高的要求。全新TLI4970霍爾電流傳感器具有創(chuàng )新特性，可滿(mǎn)足上述要求。 在不同的測量應用中，除了需要在特定的時(shí)刻檢測電流以外，還對測量精度(絕對精度以及整個(gè)生命周期內的精度)、外部干擾抑制、防修改、量程、功耗、帶寬、尺寸及成本等有不同的要求，因此存在測量電流的不同方法。 基于磁場(chǎng)的傳感器可分為開(kāi)環(huán)配置型和閉環(huán)配置型兩種。對于開(kāi)環(huán)傳感器，初級電流在環(huán)形鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)進(jìn)而由霍爾傳感器轉換為測量電壓。同時(shí)，初級電流產(chǎn)生的磁通量集中在磁路內。對于閉環(huán)傳感器，初級電流產(chǎn)生的磁通量在次級繞組的幫助下達到平衡，在這一過(guò)程中使用了具有相關(guān)電子器件的霍爾傳感器。由于存在鐵芯損耗、飽和與遲滯現象以及長(cháng)時(shí)間漂移，以上兩種方法均有局限性。與傳統帶磁芯的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統相比，TLI4970顯著(zhù)提升了測量精度(圖1)。其精度最大為1%(0h)，在產(chǎn)品整個(gè)生命周期內為1.6%。 圖1：TLI4970在整個(gè)溫度范圍和生命周期內都具有極高的精度—最高為1.0%(0h)，在整個(gè)生命周期內最高1.6%。 高精度微型電流傳感器TLI4970 TLI4970是英飛凌科技公司(Infineon)推出的高精度電流傳感器，采用經(jīng)驗證可靠的霍爾效應技術(shù)，在初級側(導電軌)與次級側(微控制器接口)之間進(jìn)行電流隔離。無(wú)磁通量集中器的“無(wú)鐵芯”設計(如在開(kāi)環(huán)配置中)可讓封裝尺寸顯著(zhù)縮小且不存在任何遲滯現象。傳感器采用體積極小的SMD封裝，所需面積僅為類(lèi)似芯片的1/4(圖2)。此外，差分測量方法對雜散場(chǎng)存在出色的抑制作用。完全數字化傳感器使用方便，無(wú)需外部校準或額外器件(比如模數轉換器、運算放大器或參考電壓)。這樣可相應簡(jiǎn)化系統設計，同時(shí)減小PCB面積并降低成本。 圖2：采用行業(yè)內最小封裝的TLI4970節省在PCB中所占的空間。 TLI4970傳感器采用了差分測量方法，可抑制外部磁場(chǎng)帶來(lái)的干擾。因此，傳感器能夠達到僅為25mA的極低的偏移。對于傳統的電流測量方法，測量精度始終受環(huán)境條件(例如溫度)的限制，此外，還存在大量不確定性漂移和老化現象。這些因素會(huì )對電流測量精度產(chǎn)生不利影響，因此系統設計需要相應采取預防措施。TLI4970集成了單獨的溫度和機械應力測量結構，因此不會(huì )受到這些不利因素的干擾。運行期間通過(guò)分別測量這兩個(gè)變量，即可始終確保有效補償—這是長(cháng)期測量穩定性的基礎，因此可確保逆變器和電機的高效、可靠性和高成本效益。 采用TLI4970可在太陽(yáng)能逆變器、有功率因數校正(PFC)的電源、充電設備和電力驅動(dòng)設備等應用中測量高達±50A的交流和直流電流。非接觸式測量方法不會(huì )產(chǎn)生任何額外功耗，使其成為省電設計的理想選擇(Rp＜0.6mΩ)。由于該產(chǎn)品集成了雜散場(chǎng)抑制功能，傳感器在有外部磁場(chǎng)的情況下仍可保持高度的魯棒性。 TLI4970除了可精確地測量電流外，還能在功率級提供有效保護。外部短路會(huì )導致嚴重過(guò)流。為確保延遲時(shí)間盡量短，TLI4970提供單獨的信號通道進(jìn)行防護。傳感器僅需1.8μs即可檢測到相關(guān)故障狀況。要對過(guò)流閾值進(jìn)行微調以達到應用要求，系統開(kāi)發(fā)人員可以在傳感器中設定電流值和后續濾波功能。 由于TLI4970的電流通路集成于SMT封裝中，因此在裝運前可以對其進(jìn)行校準。這樣客戶(hù)根本無(wú)需在組裝后再進(jìn)行復雜的校準。 TLI4970是一款首批通過(guò)16位SPI接口(13位電流值)提供測量結果的電流傳感器。TLI4970集成了差分放大器、濾波器和信號處理功能，支持使用高達600V工作電壓和3.6kV測試電壓進(jìn)行電流隔離測量。 設計和功能原理 圖3為T(mén)LI4970的設計原理圖，圖4為對應的方塊圖。流經(jīng)初級側導電軌的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)由兩個(gè)差分霍爾元件測量�；魻栐c導電軌之間進(jìn)行了電流隔離�；魻栐男盘栔苯佑搔�-Σ模數轉換器進(jìn)行數字化處理。通過(guò)可編程(0kHz～18kHz)低通濾波器后，信號在數字信號處理器(DSP)中進(jìn)行處理。 圖3：TLI4970設計圖—流經(jīng)初級側導電軌的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)由兩個(gè)差分霍爾元件測量。 圖4：TLI4970方塊圖—OCD信號通路與電流信號通路分開(kāi)，并采用了可編程毛刺濾波器。 芯片處的溫度(T)和機械應力(S)由第二個(gè)模數轉換器不依賴(lài)初級電流進(jìn)行單獨測量和數字化處理。然后，DSP利用溫度和應力信息來(lái)平衡“原始”電流信號。最后，經(jīng)過(guò)平衡的信號通過(guò)接口單元和SPI接口輸出。 快速過(guò)流保護 TLI4970測量通路中的快速過(guò)流檢測通過(guò)OCD(過(guò)流檢測)引腳實(shí)現。OCD信號通路與電流信號通路分開(kāi)，并采用了可編程毛刺濾波器。還可為OCD輸出設置0A至±90A的對稱(chēng)閾值，增量為3A，這樣可檢測正負過(guò)流。毛刺濾波器時(shí)間可在150ns～1550ns范圍內設定，增量為100ns。 OCD引腳與微控制器邏輯輸入端相連，例如可在微控制器中觸發(fā)中斷，根據需要關(guān)閉系統，和/或防止系統損壞。借助OCD引腳的漏極開(kāi)路輸出，僅需一個(gè)微控制器即可從多個(gè)TLI4970傳感器讀取過(guò)流信號。 抗干擾魯棒性 使用基于霍爾元件的電流傳感器時(shí)，最大程度降低外部雜散磁場(chǎng)的影響至關(guān)重要。TLI4970具有極強的抗外部磁場(chǎng)干擾的能力。在這一點(diǎn)上，外部磁場(chǎng)相對于導電軌的位置起重要作用。如果對應的干擾源垂直于導電軌，由于磁場(chǎng)平行于霍爾元件，基本不存在串擾效應導致的負面影響。如果干擾源垂直于導電軌，由于采用差分測量，這可以確保高抗擾度。串擾僅在干擾源平行于集成導電軌時(shí)產(chǎn)生。在此情況下，TLI4970提供了有效的串擾抑制。對于50A電流，測量距離為3mm時(shí)串擾效應僅為1mA。 節省空間和成本 TLI4970采用極小的SMD封裝(PG-TISON-8)，尺寸僅為7mm×7mm×1mm，因此可實(shí)現高性?xún)r(jià)比組裝。TLI4970微型封裝僅重0.2g。與電平轉換電路、濾波器、電流隔離和包括奇偶校驗在內的安全通信這些集成式功能結合使用，可顯著(zhù)降低空間要求以及材料成本(BOM)。 廣泛的設計支持 TLI4970評估套件可幫助用戶(hù)輕松完成評估。圖形用戶(hù)界面使在各種系統設置下可對傳感器進(jìn)行輕松編程和快速測試。評估套件包括模擬板(圖5)，它可將數字SPI輸出信號轉換為模擬信號。這可支持開(kāi)發(fā)人員直接使用其現有帶模擬接口的系統設計測試TLI4970的性能，同時(shí)英飛凌確保模擬板引腳與傳統的電流傳感器兼容。 圖5：使用TLI4970模擬板可輕松、快速地轉換至數字電流測量。 |
