电流测量6种不同方法的优缺点

　　电流检测用于执行两个基本电路功能。首先，是测量电路中流过的电流“有多大”。这些信息可用于DC/DC供电公司的电源管理，以确定基本外围负载并实现节能。第二个作用是在电流“过大”或失效时做出判断。如果电流超过安全限值，满足软件或硬件的联锁条件，就会发出关闭设备的信号，比如电机停转或电池短路。因此，需要选择一种能够承受故障过程中极端条件的稳健设计技术。使用合适的元件执行测量功能不仅可以获得准确的电压信号，还可以防止印刷电路板被损坏。测量方法有多种测量方法可以产生提示“多大”或“太大”的信号，如下所示:

　　电阻式(直接)检流电阻;

　　磁(间接)电流互感器;

　　罗氏线圈;

　　霍尔效应器件;

　　晶体管(直接)RDS(ON);

　　比率式。

　　每种方法都有自己的优点，这是一种有效或可接受的电流测量方法，但它也有自己的优缺点，这对应用的可靠性至关重要。这些测量方法可以分为两类:直接或间接。直接法是指测量元件直接接在被测电路上，间接法的测量元件与线电压隔离，所以当产品安全有要求时，必须采用间接法。

　　电阻式(直接)检流电阻

　　用电阻测量电流是一种直接的方法，具有简单、线性好的优点。电流感测电阻放在有被测电流的电路中，流过电阻的电流会将少量的电能转化为热量。这个能量转换过程产生一个电压信号。电流感测电阻除了简单、线性度好之外，性价比也很高，温度系数(TCR)稳定，可以达到100 ppm/℃此外，低电阻(小于1mω)金属合金电流检测器具有优异的抗浪涌能力，在短路和过流情况下能实现可靠的保护。

　　磁(间接)电流互感器

　　电流互感器(图1)有三个突出优点:与线电压隔离、无损测量电流、大信号电压能很好地抗噪声。这种间接电流测量方法需要使用变化的电流，例如交流电流、瞬态电流或开关模式直流电流，以产生磁耦合到次级绕组的变化磁场。测量的次级电压可以根据初级和次级绕组之间的匝数比进行缩放。这种测量方法被认为是“非破坏性的”，因为通过铜绕组的电路电流的电阻损耗非常小。但如图2所示，由于负载电阻、铁芯损耗、一次和二次DC电阻的存在，变压器的损耗会导致少量能量的损失。

　　图1，理想的电流互感器电路

　　图2，电流互感器损耗的组成

　　罗氏线圈

　　罗氏线圈(图3)类似于电流互感器，会在次级线圈内会感应产生一个电压，电压大小与流经隔离电感器的电流程正比。特殊之处在于，罗氏线圈采用的是气芯设计，这一点与依赖层压钢等高磁导率铁芯和次级绕组磁耦合的电流互感器完全不同。气芯设计的电感较小，有更快的信号响应和非常线性的信号电压。由于采用了这种设计，罗氏线圈经常被用在像手持电表这样的已有接线上，临时性地测量电流，可以认为是电流互感器的低成本替代方案。

　　图3

　　霍尔效应

　　当一个带电流的导体被放进磁场里时(图4)，在垂直于磁场和电流流动方向上会产生电位差。这个电位与电流大小成正比。在没有磁场和电流流过时，就没有电位差。但如图5所示，当有磁场和电流流过时，电荷与磁场相互作用，引起电流分布发生变化，这样就产生了霍尔电压。

　　霍尔效应元件的优点是能测量大电流，而且功率耗散小。然而，这种方法也有不少缺点，限制其使用，例如要对非线性的温度漂移进行补偿;带宽有限;对小量程的电流进行测量时，要求使用大偏置电压，这会引起误差;易受外部磁场的影响;对ESD敏感;成本高。

　　图4，霍尔效应原理，无磁场

　　图5，霍尔效应原理，有磁场

　　晶体管

　　RDS(ON) -漏极到源极的导通电阻

　　由于晶体管对电路设计来说是标准的控制器件，不需要电阻或消耗能量的器件来提供控制信号，因此晶体管被认为是没有能量损失的过流探测方法。晶体管数据表给出了漏极到源极的导通电阻(RDS(ON))，功率MOSFET的典型电阻一般在毫欧范围内。这个电阻由几部分组成，首先是连到半导体裸晶的引线(图6)，这部分电阻影响了很多沟道特性。基于这个资料，流经MOSFET的电流可以用公式 ILoad = VRDS(ON) / RDS(ON)计算得出。

　　由于界面区域电阻的微小变化和TCR效应，RDS(ON)的每个组成部分都会造成测量误差。通过测量温度，及用由温度引起的电阻预期变化来修正被测电压，可以对TCR效应部分地加以补偿。很多时候，MOSFET的TCR会高达4000ppm/℃，相当于温度上升100℃，电阻的变化达到40%。通常来说，这种测量方法的信号精度大约为10%～20%。从应用对精度的要求来看，对于提供过压保护来说，这个精度范围是可以接受的。

　　图6 ，N沟道增强型MOSFET的简化模型

　　比率式 - 电流检测MOSFET

　　MOSFET由成千上万个能降低导通电阻的并联的晶体管元胞构成。检流MOSFET使用一少部分并联元胞，连到共栅极和漏极，但源极是分开的(图7)。这样就产生了第2个隔离的晶体管，即“检测”晶体管。当晶体管导通时，流经检测晶体管的电流与流经其他元胞的主电流成一定比例。

　　精度公差的范围取决于具体的晶体管产品，低的达到5%，高的可以达到15%到20%。这种方法通常不适合一般要求测量精度达到1%的电流控制应用，但适合过流和短路保护。

　　图 7

　　从上面的汇总表可以看出，检测电路中电流的方法有很多种，应根据应用的具体要求选择合适的方法。每种方法都有其优点和缺点，在设计时应仔细考虑这些因素。

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