使用霍爾效應電流傳感器簡化高壓電流檢測
2023-09-06 14:34:49 德州儀器在電動汽車(EV)充電系統和光伏逆變器系統中，電流傳感器通過監測分流電阻器上的壓降或導體中電流產生的磁場來測量電流。這些高壓系統使用電流信息控制和監測電源轉換、充電和放電。
霍爾效應電流傳感器和基于分流器的電流傳感器是最常見的電流檢測技術。然而，迄今為止，在高壓應用中使用霍爾效應傳感器一直存在問題。本文將探討選擇每種拓撲時需要考慮的因素，并重點介紹在高壓應用中使用霍爾效應電流傳感器來簡化電流檢測這一創新技術。
基于分流器的電流檢測與基于霍爾效應的電流檢測
與霍爾效應電流傳感器相比，基于分流器的電流傳感器通常在整個電流范圍內精度更高。通過使用穩定的放大器技術或精密模數轉換器 (ADC) 和精密分流電阻器，工程師可以在整個電流測量范圍、工作溫度范圍以及生命周期內實現漂移低于 1% 的高精度。基于分流器的傳感器常用于汽車牽引逆變器、伺服驅動器以及 EV 充電基礎設施應用。
放大器和精密 ADC 通常用來監測分流電阻器上的壓降并提供比例輸出。每種電流檢測解決方案在工作電壓、失調電壓、漂移、帶寬和易用性方面均有所不同。基于分流器的系統存在一些限制因素——由于器件的架構，這類系統通常具有較大的傳播延遲，而且會增加設計復雜性，例如在高側電源和低側電源方面。另外，使用基于分流器的器件時，需要仔細考慮各種分流電阻器參數和功耗。
而與基于分流器的解決方案相比，一體式封裝的霍爾效應電流傳感器具有更高的性價比，傳播延遲更小，并且更容易設計到系統中。采用一體式封裝的解決方案時，電流通過引線框流過封裝，因此無需精密電阻器，從而降低了成本并縮減了物料清單。另外，還無需高側和低側兩個電源——您可以使用一個低側電源來為霍爾效應傳感器供電，從而進一步降低設計復雜性。
使用霍爾效應傳感器創新技術簡化高壓電流檢測
盡管霍爾效應電流傳感器提供了諸多優勢，但由于其在溫度范圍內和生命周期內存在較大的漂移，因此大多數設計人員不會考慮將其用于高壓系統。由于電氣和隔離衰減，霍爾效應電流傳感器在其生命周期內存在很大的漂移。
為了克服這些缺點，德州儀器研發出了一種解決方案，可將霍爾效應電流傳器 TMCS1123 在生命周期內的靈敏度漂移誤差大幅降低至 ±0.5%，從而使工程師能夠設計出在整個系統生命周期內需要更少校準或維護的高壓系統。我們還將整個生命周期和溫度范圍內的總最大靈敏度誤差降低至 ±1.75%，這有助于提高效率并減少成本高昂的系統校準工作。另外，TMCS1123 具有差分霍爾效應感應功能，能夠顯著減少磁場干擾或串擾，并且還提供了過流檢測、精密電壓基準和傳感器報警等其他功能。請參閱圖 1。
圖 1：TMCS1123 方框圖
TMCS1123 還解決了霍爾效應傳感器的一些其他常見限制，例如引線框電阻和芯片散熱限制，這些會限制器件能夠處理的電流大小。TMCS1123 能夠在 25°C 條件下檢測 75ARMS 的電流，并在整個溫度范圍和生命周期內，無需校準即可實現 ±1.75% 的靈敏度誤差，因此能夠在系統的生命周期內保持高精度。
電流檢測設計考慮因素
下面列舉了幾個為系統選擇電流傳感器時的一些主要考慮因素。首先，精度是一項重要的考慮因素，應當作為首要定義的參數之一來確定可行的技術。其次，功率等級對于上述所有技術都至關重要。系統的電壓和電流水平必須在器件規定的參數范圍內，以確保安全高效地運行。為了靈敏地控制開關系統，例如太陽能系統中的隔離式直流/直流轉換器，必須考慮帶寬和速度。設計復雜性也是需要考慮的一項重要因素。因為無需額外的電源或元件，霍爾效應電流傳感器使用簡單，能夠在器件允許范圍內的所有電壓電平條件下工作。
結語
EV 充電器和光伏逆變器等高壓系統中日益需要高度精確的電流測量，而高壓應用中存在一些設計挑戰，使得系統的設計變得更加復雜，成本也更高。現在，借助 TMCS1123 等電流檢測器件，您可以在 EV 充電器等高壓應用中精確地檢測電流，同時降低設計復雜性，并以更合理的價格迅速解決各種設計問題。
