當(dāng)前，智能產(chǎn)品已成為電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的熱門(mén)話題，尤其是對(duì)于其相關(guān)解決方案性能和功能的關(guān)注高漲。在激烈競(jìng)爭(zhēng)及消費(fèi)者期望雙重重壓下，市場(chǎng)上的產(chǎn)品必須通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)和工藝盡可能地完美展現(xiàn)其功能。
從新型半導(dǎo)體材料到人工智能等先進(jìn)解決方案，新技術(shù)和新方法正在創(chuàng)造新的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)也帶動(dòng)了原有應(yīng)用的再創(chuàng)新。而所有這些，都是隨著電子產(chǎn)品在各方面集成數(shù)字技術(shù)的發(fā)展變遷所驅(qū)動(dòng)的。
圖1：電流傳感器用于調(diào)節(jié)和管理各種應(yīng)用的功率
這種發(fā)展?fàn)I造了一個(gè)創(chuàng)新增長(zhǎng)期，當(dāng)然這也給系統(tǒng)設(shè)計(jì)師帶來(lái)了不少新壓力：他們必須選擇最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，特別是涉及監(jiān)測(cè)電路性能的元素，以確保研發(fā)產(chǎn)品的安全高效、可靠及高性?xún)r(jià)比。而先進(jìn)的電流傳感解決方案可以滿(mǎn)足這些需求。
對(duì)于消費(fèi)者和醫(yī)療可穿戴設(shè)備而言，先進(jìn)的個(gè)人電子產(chǎn)品以及物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)然是體積越小、功能越強(qiáng)、壽命越長(zhǎng)越好。同樣的，工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用也正在突破邊界，以實(shí)現(xiàn)更小、更高效、更少的熱挑戰(zhàn)。而這只能借助在任何條件下實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。
效率和性能
當(dāng)談到電子系統(tǒng)時(shí)，平衡效率和最佳性能相當(dāng)重要。不能只注重效率，卻忘記了系統(tǒng)的時(shí)效性，它也可能在高難度操作時(shí)無(wú)法及時(shí)按需響應(yīng)應(yīng)用程序，從因而失去了性?xún)r(jià)比。只有實(shí)時(shí)監(jiān)控電力使用情況，才能在操作過(guò)程中對(duì)兩者兼顧。
如果你的產(chǎn)品精度不夠，反饋就不好，產(chǎn)品也就會(huì)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。電流傳感可以以非接觸式嵌入到智能系統(tǒng)，提供其自我管理所需的關(guān)鍵性能信息，因此其不必成為設(shè)計(jì)中的主要基礎(chǔ)設(shè)施元素。
從傳統(tǒng)被動(dòng)系統(tǒng)到智能化解決方案（智能反饋和控制）的演變，為系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)了顯著提升與改進(jìn)。總的來(lái)說(shuō)，電源效率和電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)環(huán)電流傳感精度對(duì)于改善全溫范圍內(nèi)的操作非常有利。隨著工業(yè)4.0不斷發(fā)展及流程的需求，當(dāng)下新的目標(biāo)是在高達(dá)85°C或105°C的溫度下提高性能。
在先進(jìn)的太陽(yáng)能逆變器領(lǐng)域，系統(tǒng)在超高溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了更高水平的精度。同樣，應(yīng)用如果要求高精度、極寬動(dòng)態(tài)范圍，那么他將需要更高的溫度精度，并且可以實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)電流傳感系統(tǒng)，而不是兩個(gè)開(kāi)環(huán)電流傳感器來(lái)跟蹤低電流和高電流。
熱管理問(wèn)題
電子技術(shù)的一個(gè)基本原理是電源管理就是熱管理。電源效率和熱性能是相輔相成的，因?yàn)閺南到y(tǒng)中浪費(fèi)的能量總是以熱量的形式表現(xiàn)。也就是說(shuō)，如果你能提高效率，你就能降低溫度，你的電子設(shè)備就能更好、更可靠地運(yùn)作。
相反，如果你的電子設(shè)備運(yùn)行不佳，就會(huì)產(chǎn)生更多廢熱，從而引起更多的熱管理、可靠性及安全問(wèn)題。因此，優(yōu)化電源效率和熱管理將顯著提高生產(chǎn)率、成本效益、安全性和可靠性。
我們熟知的逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源、UPS和外部充電站等，他們必須能經(jīng)受住溫度考驗(yàn)，在-40°C至85°C的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行，甚至環(huán)境溫度經(jīng)常高達(dá)105°C。
即使電力系統(tǒng)在逆變器應(yīng)用中，內(nèi)部最高溫度相對(duì)較低，通常也要其在85°C環(huán)境下運(yùn)行，至少在不降額的情況下確保適當(dāng)?shù)牟僮骺臻g。汽車(chē)車(chē)載充電器的環(huán)境工作溫度要求可高達(dá)125°C，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則可高達(dá)105°C至150°C，具體取決于其在什么位置。
盡管許多系統(tǒng)使用風(fēng)扇及其他溫度調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)管理系統(tǒng)熱性能，但對(duì)于具有溫度變化快、動(dòng)態(tài)性能高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這可能很困難。此外，外部冷卻設(shè)備占用了本可以用作其他設(shè)計(jì)的空間，消耗了額外的能量，并影響了其自身的高效運(yùn)行。
對(duì)于溫度變化快速的系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)電流便是預(yù)測(cè)和管理系統(tǒng)熱性能的高效之法。監(jiān)測(cè)管理控制器的有效電流量，可以確定電流強(qiáng)度是否在迅速增加，同時(shí)對(duì)潛在的災(zāi)難性故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而保護(hù)系統(tǒng)和關(guān)鍵組件。
系統(tǒng)性能、系統(tǒng)可靠性或基本安全故障識(shí)別，這些情況都急需解決。而電流傳感就是這樣一種存在，通過(guò)其檢測(cè)潛在的問(wèn)題，最大限度減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，防止災(zāi)難性故障發(fā)生。
時(shí)機(jī)和性能
由于功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)也是時(shí)間導(dǎo)向系統(tǒng)，因此同步和調(diào)節(jié)是高等電力系統(tǒng)需要考慮的重要因素。電路的輸出紋波必須經(jīng)過(guò)濾波以避免電流失真，回環(huán)路頻率與系統(tǒng)帶寬有關(guān)。
將PFC級(jí)視為一個(gè)輸送功率的系統(tǒng)，它由控制信號(hào)管理，即使系統(tǒng)控制環(huán)路帶寬較低，也會(huì)在每個(gè)電源開(kāi)關(guān)周期期間測(cè)量電流，以獲得逐周期的電流。那么在理想條件下，開(kāi)關(guān)頻率的倍數(shù)高才能有平坦的增益響應(yīng)，而開(kāi)關(guān)頻率處的相位裕度則要低。低頻可以工作，但在開(kāi)關(guān)頻率下會(huì)對(duì)增益和相位延遲產(chǎn)生一些影響。
雖然總控制環(huán)路帶寬可能比開(kāi)關(guān)頻率低得多，但電流測(cè)量應(yīng)在開(kāi)關(guān)頻率下進(jìn)行，以便逐周期控制。大多數(shù)圖騰柱PFC在~65 kHz至150 kHz之間切換，理想情況下需要650 kHz（至少>300 kHz）至1.5 MHz的帶寬。在某些情況下，這種開(kāi)關(guān)頻率在預(yù)先設(shè)計(jì)中被推至300kHz，需要約3 MHz帶寬（至少1.5 MHz帶寬）。
具有高達(dá)1000A的大電流的功率轉(zhuǎn)換，通常使用IGBT和硅Mosfet在低于1khz到20khz的電平上切換。其他電路可以使用寬帶碳化硅(SiC)/氮化鎵(GaN)功率開(kāi)關(guān)切換到大約40-50 kHz, SiC/GaN功率級(jí)的進(jìn)一步發(fā)展可能最終將這種大電流開(kāi)關(guān)移動(dòng)到100 kHz，需要從500 kHz到1 MHz的帶寬。
具有高達(dá)1000A的高電流的功率轉(zhuǎn)換，其通過(guò)使用IGBT和硅MOSFET，在低于1kHz至20kHz的水平上切換。其他電路可以使用寬帶碳化硅（SiC）/氮化鎵（GaN）功率開(kāi)關(guān)切換到大約40-50kHz。并且隨著SiC/GaN功率級(jí)的進(jìn)一步發(fā)展，可能最終將這種大電流切換移動(dòng)到100kHz，這要求帶寬達(dá)到500 kHz至1 MHz。
精度不夠，反饋就不好
為了實(shí)現(xiàn)上述級(jí)別的性能，就必須使用高精度電流監(jiān)測(cè)進(jìn)行精確測(cè)量，而最新的電流傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)解決方案相比具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，基于AMR技術(shù)的隔離電流傳感器便是其中一個(gè)。它可以在單芯片中提供高精度、高帶寬的傳感，在帶寬、輸出階躍響應(yīng)和精度方面具有一流的性能。
圖2：基于AMR的隔離電流傳感器可以提供高精度、高帶寬的傳感
新納電流傳感器，便是高集成度、基于AMR技術(shù)的隔離雙向電流傳感器。新納MCx1101系列產(chǎn)品包括±5A、±20A和±50A等產(chǎn)品，采用SOIC-16封裝，具有低阻抗（±50 A為0.9mΩ）電流路徑，通過(guò)UL/IEC/EN認(rèn)證，適用于隔離應(yīng)用。與傳統(tǒng)和現(xiàn)有解決方案相比，其提供了更高的直流精度和動(dòng)態(tài)范圍。例如，±20A產(chǎn)品的典型精度為±0.6%，在85°C時(shí)將達(dá)到±2.0%（最大值）的精度。
新納電流傳感器可以保證±60 mA或FSR（最大值）的±0.3%的溫度偏移，因此可以在大約10:1的電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度，其與基于霍爾傳感器的設(shè)備相比，在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)有顯著改善。它的特點(diǎn)包括1.5 MHz信號(hào)帶寬、低相位延遲、300 ns的快速輸出階躍響應(yīng)和4.8kV隔離，使其成為快速電流控制回路中電流傳感和高性能電源、逆變器和電機(jī)控制應(yīng)用保護(hù)的理想選擇。
結(jié)論
最佳動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)控制的自動(dòng)化解決方案研發(fā)任務(wù)是艱巨的，除非做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)，否則將導(dǎo)致次優(yōu)性能。選擇適當(dāng)?shù)慕M件、設(shè)備和方法來(lái)解決電源、性能和熱管理問(wèn)題，將極大地確保你的最終電源解決方案以最佳方式提供所需性能，提高效率及成本效益。
[注]
以上內(nèi)容發(fā)表于海外媒體《Electronics360》，2023年3月3日文章《Next-gen current sensors for smart, high power systems》，作者M(jìn)ichael DiGangi，新納傳感執(zhí)行副總裁
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