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2023年3月20日

下一代电流传感器：为智能化、大功率系统而生

 

当前，“智能”产品已成为电子系统开发中的热门话题，尤其是对于其相关解决方案性能和功能的关注高涨。在激烈竞争及消费者期望双重重压下，市场上的产品必须通过现代技术和工艺尽可能地完美展现其功能。

从新型半导体材料到人工智能等先进解决方案，新技术和新方法正在创造新的应用场景，同时也带动了原有应用的再创新。而所有这些，都是随着电子产品在各方面集成数字技术的发展变迁所驱动的。

图1：电流传感器用于调节和管理各种应用的功率

 

这种发展营造了一个创新增长期，当然这也给系统设计师带来了不少新压力：他们必须选择最佳系统设计方案，特别是涉及监测电路性能的元素，以确保研发产品的安全高效、可靠及高性价比。而先进的电流传感解决方案可以满足这些需求。

对于消费者和医疗可穿戴设备而言，先进的个人电子产品以及物联网当然是体积越小、功能越强、寿命越长越好。同样的，工业和汽车应用也正在突破边界，以实现更小、更高效、更少的热挑战。而这只能借助在任何条件下实时监控系统性能来实现。

 效率和性能

当谈到电子系统时，平衡效率和最佳性能相当重要。不能只注重效率，却忘记了系统的时效性，它也可能在高难度操作时无法及时按需响应应用程序，从因而失去了性价比。只有实时监控电力使用情况，才能在操作过程中对两者兼顾。

如果你的产品精度不够，反馈就不好，产品也就会没有竞争力。电流传感可以以非接触式嵌入到智能系统，提供其自我管理所需的关键性能信息，因此其不必成为设计中的主要基础设施元素。

从传统被动系统到智能化解决方案（智能反馈和控制）的演变，为系统运行带来了显著提升与改进。总的来说，电源效率和电机驱动开环电流传感精度对于改善全温范围内的操作非常有利。随着工业4.0不断发展及流程的需求，当下新的目标是在高达85°C或105°C的温度下提高性能。

在先进的太阳能逆变器领域，系统在超高温度范围内实现了更高水平的精度。同样，应用如果要求高精度、极宽动态范围，那么他将需要更高的温度精度，并且可以实现单闭环电流传感系统，而不是两个开环电流传感器来跟踪低电流和高电流。

热管理问题

电子技术的一个基本原理是电源管理就是热管理。电源效率和热性能是相辅相成的，因为从系统中浪费的能量总是以热量的形式表现。也就是说，如果你能提高效率，你就能降低温度，你的电子设备就能更好、更可靠地运作。

相反，如果你的电子设备运行不佳，就会产生更多废热，从而引起更多的热管理、可靠性及安全问题。因此，优化电源效率和热管理将显著提高生产率、成本效益、安全性和可靠性。

我们熟知的逆变器、电机驱动、电源、UPS和外部充电站等，他们必须能经受住温度考验，在-40°C至85°C的温度范围内正常运行，甚至环境温度经常高达105°C。

即使电力系统在逆变器应用中，内部最高温度相对较低，通常也要其在85°C环境下运行，至少在不降额的情况下确保适当的操作空间。汽车车载充电器的环境工作温度要求可高达125°C，而电机驱动器则可高达105°C至150°C，具体取决于其在什么位置。

尽管许多系统使用风扇及其他温度调节机制来管理系统热性能，但对于具有温度变化快、动态性能高的系统来说，这可能很困难。此外，外部冷却设备占用了本可以用作其他设计的空间，消耗了额外的能量，并影响了其自身的高效运行。

对于温度变化快速的系统，测量系统电流便是预测和管理系统热性能的高效之法。监测管理控制器的有效电流量，可以确定电流强度是否在迅速增加，同时对潜在的灾难性故障进行预测，从而保护系统和关键组件。

系统性能、系统可靠性或基本安全故障识别，这些情况都急需解决。而电流传感就是这样一种存在，通过其检测潜在的问题，最大限度减少系统停机时间，防止灾难性故障发生。

时机和性能

由于功率因数校正(PFC)级也是时间导向系统，因此同步和调节是高等电力系统需要考虑的重要因素。电路的输出纹波必须经过滤波以避免电流失真，回环路频率与系统带宽有关。

将PFC级视为一个输送功率的系统，它由控制信号管理，即使系统控制环路带宽较低，也会在每个电源开关周期期间测量电流，以获得逐周期的电流。那么在理想条件下，开关频率的倍数高才能有平坦的增益响应，而开关频率处的相位裕度则要低。低频可以工作，但在开关频率下会对增益和相位延迟产生一些影响。

虽然总控制环路带宽可能比开关频率低得多，但电流测量应在开关频率下进行，以便逐周期控制。大多数图腾柱PFC在~65 kHz至150 kHz之间切换，理想情况下需要650 kHz（至少>300 kHz）至1.5 MHz的带宽。在某些情况下，这种开关频率在预先设计中被推至300kHz，需要约3 MHz带宽（至少1.5 MHz带宽）。

具有高达1000A的大电流的功率转换，通常使用IGBT和硅Mosfet在低于1khz到20khz的电平上切换。其他电路可以使用宽带碳化硅(SiC)/氮化镓(GaN)功率开关切换到大约40-50 kHz, SiC/GaN功率级的进一步发展可能最终将这种大电流开关移动到100 kHz，需要从500 kHz到1 MHz的带宽。

具有高达1000A的高电流的功率转换，其通过使用IGBT和硅MOSFET，在低于1kHz至20kHz的水平上切换。其他电路可以使用宽带碳化硅（SiC）/氮化镓（GaN）功率开关切换到大约40-50kHz。并且随着SiC/GaN功率级的进一步发展，可能最终将这种大电流切换移动到100kHz，这要求带宽达到500 kHz至1 MHz。

精度不够，反馈就不好

为了实现上述级别的性能，就必须使用高精度电流监测进行精确测量，而最新的电流传感系统与传统解决方案相比具有显著的性能优势，基于AMR技术的隔离电流传感器便是其中一个。它可以在单芯片中提供高精度、高带宽的传感，在带宽、输出阶跃响应和精度方面具有一流的性能。

图2：基于AMR的隔离电流传感器可以提供高精度、高带宽的传感

 

新纳电流传感器，便是高集成度、基于AMR技术的隔离双向电流传感器。新纳MCx1101系列产品包括±5A、±20A和±50A等产品，采用SOIC-16封装，具有低阻抗（±50 A为0.9mΩ）电流路径，通过UL/IEC/EN认证，适用于隔离应用。与传统和现有解决方案相比，其提供了更高的直流精度和动态范围。例如，±20A产品的典型精度为±0.6%，在85°C时将达到±2.0%（最大值）的精度。

新纳电流传感器可以保证±60 mA或FSR（最大值）的±0.3%的温度偏移，因此可以在大约10:1的电流范围内实现高精度，其与基于霍尔传感器的设备相比，在动态范围内有显著改善。它的特点包括1.5 MHz信号带宽、低相位延迟、300 ns的快速输出阶跃响应和4.8kV隔离，使其成为快速电流控制回路中电流传感和高性能电源、逆变器和电机控制应用保护的理想选择。

 

结论

最佳动力、运动控制的自动化解决方案研发任务是艰巨的，除非做好系统设计，否则将导致次优性能。选择适当的组件、 设备和方法来解决电源、 性能和热管理问题， 将极大地确保你的最终电源解决方案以最佳方式提供所需性能，提高效率及成本效益。

 

 

关于新纳传感系统有限公司

        新纳传感系统有限公司是全球领先的MEMS传感解决方案提供商，产品线包括基于磁阻薄膜的高频率高带宽电流传感器、高性能代码开源惯性测量单元（IMU）、高精度实时动态（RTK）导航系统和厘米级精度定位服务。公司在中国无锡设有研发与生产基地，并在波士顿、芝加哥和硅谷设有全球研发中心。请访问新纳官网www.aceinna.cn了解更多信息。

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