推动电气化发展的 4 个关键电流感应设计趋势

在描述世界日益电气化的所有流行语中，有一个术语应该更加引人注目：电流传感。如果电流传感技术不可靠、准确且易于设计，那么您所听到的太阳能阵列、电动汽车 (EV) 充电站或机器人技术方面的创新几乎不可能实现。

在本文中，我将讨论因电气化应用的增长而出现的四个关键设计趋势以及旨在解决这些趋势的电流感应技术：更高的系统电压、增强的系统保护、遥测监控和缩小的外形尺寸。总的来说，电流传感器正在监测电气系统中的一个重要参数——电流，这使得系统能够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

随着效率要求变得越来越严格，系统电压不断增加，以帮助提高效率。根据欧姆定律，系统电压越高，输送到负载的电流量可以减少，以产生等量的功率，这有助于减少系统中的I 2 R 损耗。电压越高，在系统中传递大量电力的效率越高，因为电流范围较低，在 AC/DC 或 DC/DC 电源逆变器等阶段产生的热量较少。

图 1中所示的电动汽车充电器正在从电网上输送电力，其电压水平可能为 120 V AC、240 V AC、230 V AC（一相）或 400 V AC（三相）。典型的电动汽车充电器将交流电从电网传输至电动汽车车载充电器，后者将电能转换为直流电并向电池提供电荷。

在直流快速充电器中，交流电从电网进入电动汽车充电器，在充电器内从交流电转换为直流电，并向电池提供高达 920 V 的直流电压，以实现更快的充电。升高到更高的电压水平并保持相似的电流水平可以使更多的电力直接进入电池，从而实现更快、更高效的充电。

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，并且可以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，监控电流以调整前端系统的无功功率。另一个是在功率因数控制环路和次级 DC/DC 之后，位于系统的正节点或负节点；此配置监视故障。

在初级 DC/DC 和次级 DC/DC 之间还有一个位置，差分放大器的电流感测可用于磁通平衡。此外，必须使用 AMCS1100 或 TMCS1100 等隔离式电流传感器来保护与电动汽车充电器交互的系统和人员。

增强系统保护

电气化还增加了对系统保护的需求，以确保系统对安全操作区域之外的事件做出迅速反应，以避免损坏半导体和其他敏感内容。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中所示的机器人拾取异常重的物品，则电机中可能会出现明显的电流尖峰。

电流尖峰可能表明负载超出了机器人的能力，这可能会损坏系统或物理机器人手臂中的内容。带有集成比较器的电流传感设备会看到峰值电流（可能超出系统的安全工作区域）涌入电动机。具有集成过流比较器的 INA301 反应速度可达 <1 µS，并设置警报，这可能会导致系统关闭。这类似于负载点测量，其中基于分流的传感器（例如 INA228 和 INA226 超精密双向电流感应放大器）可以监控流经特定节点的电流和电压电平，以确保该节点保持安全状态经营区域。

启用遥测监控

随着应用变得更加电气化，对跟踪能源额定值消耗和更好的预测性维护事件的监控要求也随之增加。

用于预测性维护的监控或遥测监控的一个示例是通过数据记录通过机架服务器系统中的冷却风扇的电流和电压水平。使用 INA232 等设备可以记录风扇的功耗数据。数据记录使系统能够提醒技术人员风扇可能运行异常或接近其使用寿命。

利用数字电源监视器是适合此用例的设备类型，因为它接收总线电压和电流信息。数字功率监视器 IC 进行板载算术以计算功率、电荷和能量，并通过 I 2 C 或串行外设接口传输此信息（加上总线电压和电流数据） 。在片上进行算术可以减轻 CPU 或微控制器的处理负担，因此可以使用处理资源更有效地处理其他任务。这在 CPU 或微处理器处理许多任务的系统中尤其重要。

缩小外形尺寸随着越来越多的应用包含更多的电子元件或需要安装在更小的空间中，因此更需要减小元件的尺寸或增加每个单元的功能数量，以帮助减少总体电路板面积。许多系统，例如智能手机和机器人系统，都受到尺寸限制，需要不断减小尺寸并增加功能集。

较小的电流感应器件使设计人员能够增加整个监控量或减小系统的整体尺寸。根据整体系统参数，这两种情况都可能是有利的 - 减小集成电路 (IC) 的尺寸或增加每个单元的功能数量都会导致功能密度增加，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 或高性能芯片可以为更小的系统铺平道路。例如，晶圆芯片级封装 (WCSP) 或具有集成分流器的 INA253 等芯片封装选项使设计人员能够缩小系统尺寸，而无需牺牲性能或功能。

通过更好地了解这些趋势以及帮助支持这些趋势的 IC，您可以应对特定的高压设计挑战，并通过监控电流测量来确保系统在安全工作区域中运行，从而实现可靠性和安全性。