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電流傳感器已廣泛應用于各類應用中，從太陽能逆變器和電力驅動設備、服務器和電信應用、電源和家用電器直至電動車和混合動力車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、電動交通和智能電網的要求日益增長，對電流傳感器的需求也隨之增加。在所有此類應用領域中，傳感器除了要達到高精度和在產品整個生命周期內確保可靠運行的要求之外，還需達到尺寸小、功耗低、靈活性高及性價比高的要求。全新TLI4970霍爾電流傳感器具有創新特性，可滿足上述要求。 在不同的測量應用中，除了需要在特定的時刻檢測電流以外，還對測量精度(絕對精度以及整個生命周期內的精度)、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。 基于磁場的傳感器可分為開環配置型和閉環配置型兩種。對于開環傳感器，初級電流在環形鐵芯中產生磁場，該磁場進而由霍爾傳感器轉換為測量電壓。同時，初級電流產生的磁通量集中在磁路內。對于閉環傳感器，初級電流產生的磁通量在次級繞組的幫助下達到平衡，在這一過程中使用了具有相關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時間漂移，以上兩種方法均有局限性。與傳統帶磁芯的開環和閉環系統相比，TLI4970顯著提升了測量精度(圖1)。其精度最大為1%(0h)，在產品整個生命周期內為1.6%。 圖1：TLI4970在整個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，采用經驗證可靠的霍爾效應技術，在初級側(導電軌)與次級側(微控制器接口)之間進行電流隔離。無磁通量集中器的“無鐵芯”設計(如在開環配置中)可讓封裝尺寸顯著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，所需面積僅為類似芯片的1/4(圖2)。此外，差分測量方法對雜散場存在出色的抑制作用。完全數字化傳感器使用方便，無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)。這樣可相應簡化系統設計，同時減小PCB面積并降低成本。 圖2：采用行業內最小封裝的TLI4970節省在PCB中所占的空間。 TLI4970傳感器采用了差分測量方法，可抑制外部磁場帶來的干擾。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。這些因素會對電流測量精度產生不利影響，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，因此不會受到這些不利因素的干擾。運行期間通過分別測量這兩個變量，即可始終確保有效補償—這是長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可在太陽能逆變器、有功率因數校正(PFC)的電源、充電設備和電力驅動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產生任何額外功耗，使其成為省電設計的理想選擇(Rp＜0.6mΩ)。由于該產品集成了雜散場抑制功能，傳感器在有外部磁場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。外部短路會導致嚴重過流。為確保延遲時間盡量短，TLI4970提供單獨的信號通道進行防護。傳感器僅需1.8μs即可檢測到相關故障狀況。要對過流閾值進行微調以達到應用要求，系統開發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行校準。這樣客戶根本無需在組裝后再進行復雜的校準。 TLI4970是一款首批通過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測試電壓進行電流隔離測量。 設計和功能原理 圖3為TLI4970的設計原理圖，圖4為對應的方塊圖。流經初級側導電軌的電流產生磁場，該磁場由兩個差分霍爾元件測量。霍爾元件與導電軌之間進行了電流隔離。霍爾元件的信號直接由Δ-Σ模數轉換器進行數字化處理。通過可編程(0kHz～18kHz)低通濾波器后，信號在數字信號處理器(DSP)中進行處理。 圖3：TLI4970設計圖—流經初級側導電軌的電流產生磁場，該磁場由兩個差分霍爾元件測量。 圖4：TLI4970方塊圖—OCD信號通路與電流信號通路分開，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)由第二個模數轉換器不依賴初級電流進行單獨測量和數字化處理。然后，DSP利用溫度和應力信息來平衡“原始”電流信號。最后，經過平衡的信號通過接口單元和SPI接口輸出。 快速過流保護 TLI4970測量通路中的快速過流檢測通過OCD(過流檢測)引腳實現。OCD信號通路與電流信號通路分開，并采用了可編程毛刺濾波器。還可為OCD輸出設置0A至±90A的對稱閾值，增量為3A，這樣可檢測正負過流。毛刺濾波器時間可在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中斷，根據需要關閉系統，和/或防止系統損壞。借助OCD引腳的漏極開路輸出，僅需一個微控制器即可從多個TLI4970傳感器讀取過流信號。 抗干擾魯棒性 使用基于霍爾元件的電流傳感器時，最大程度降低外部雜散磁場的影響至關重要。TLI4970具有極強的抗外部磁場干擾的能力。在這一點上，外部磁場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產生。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，因此可實現高性價比組裝。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輕松完成評估。圖形用戶界面使在各種系統設置下可對傳感器進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。這可支持開發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。 |
