负载电流的测量方法分析

2014-09-18 14:42:35来源: ednchina 关键字:负载电流  分流电阻器  电感直流阻抗  霍尔传感器
引言

电流测量可用于监测许多不同的参数,输入功率就是其中之一。有许多采样元件都可用来测量负载电流,但没有一种元件能够覆盖所有应用。每种采样元件都有其优点和缺点。比如,分流电阻器功耗会导致系统效率下降,而且电流流过分流电阻器产生的压降太大不适合低输出压的应用。DCR(电感直流阻抗)电流检测电路的优点是可以无损的遥测开关电源中的电流,但DCR采样电路的采样精度取决于外围参数(R,C)与电感器的匹配精度。霍尔传感器的优点是能够无损的远程测量较大的电流,缺点是易受环境噪声的影响不容易设计。

总之,对于具体的应用,只有了解每种方法的优点和缺点,才可以充分利用电流检测领域的最新技术来改进测量精度。

分流电阻器

只要在布局和选择检测电阻器时多加注意,即可使用分流电阻器来简单直接地测量电流。检测电阻器的额定功率和温度系数对设计高精度的电流测量系统非常关键。由欧姆定律可知,在系统设计中使用检测电阻器并非难事。其缺点是检测电阻器会产生压降,消耗功率,降低了应用的效率。

在选择感测电阻器阻值时,必须要知道检测电阻器上的最大压降和最大电流测量值。

首先,检测电阻器上的压降要尽量小,以降低检测元件的功耗,减少发热,检测电阻发热越少,温度变化也越小,阻值随温度的变化也越小,其全范围电流检测的精度和稳定性也会越好。

由于大多数电流检测应用中,最小和最大电流都是已知的,设计工程师需要选定分流电阻器的最大压降。比如,假设被测电流是双向的,最大分流器压降定为±80mV,最大测量电流为±100A。分流电阻器的阻值可以使用公式1来计算。

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公式1,使用欧姆定律来计算分流电阻器阻值

对这个例子来说,分流电阻器阻值Rsense的计算结果为0.8mΩ。表1是其他满量程电流情况下分流电阻器阻值的列表。

表1,对应满量程电流值和分流电阻器阻值以及最小额定功率

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检测电阻器的最小额定功率用公式2来计算。

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公式2,计算感测电阻器的最小额定功率

如果检测电阻器的最小额定功率计算结果为8W。一般经验是选取公式2计算的额定功率的2倍。这样一来,即使流过分流电阻器的电流偶尔大于其最大电流,感测电阻器也不至于发生故障。实际上,所选择的检测电阻器的额定功率与计算结果的比率越大,电阻器在大电流应用中的温升就越小。

检测电阻器的温度系数(TC)会直接影响电流测量的精度。检测电阻器的环境温度变化及电阻器的功耗引起的温度变化都会导致检测电阻器阻值的变化。不同电流下电阻器温度变化与电阻器的额定功率成反比。检测电阻器温度变化导致的阻值的变化,又会影响系统测量精度的变化。由于温度升高而造成的电阻器的阻值变化可用公式3来计算。

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公式3,计算温度变化时阻值的变化

ΔTemperature是温度变化值(单位:摄氏度)。RsenseTC是检测电阻器的温度系数。Rsense是感测电阻器在初始温度下的阻值。

检测元件阻值的变化与流过电阻器的电流成正比。检测电阻器的封装尺寸也可以影响了其温升。选择检测电阻器时还应当考虑感测元件封装重要参数的热阻Θja。Θja是指电阻器与电阻器外部环境之间的热阻。表2列出了常见表贴封装的热阻。

表2,表贴电阻器热阻,引自Vishay应用说明书28844和60122

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由表2可以看出,封装越小,热阻越大。

例如,阻值为0.8mΩ的检测电阻器在流过它的电流为50A时会产生2W功耗,其温度变化可用公式4来计算。

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公式4,流过感测电阻器的电流与电阻器的温度变化之间的关系式

在公式4中,I2*Rsense是分流电阻器耗散的功率。Θja是所选感测电阻器的热阻。假设检测电阻器的封装尺寸是2512,则电阻器的温度变化计算值为50℃。假设RsenseTC为100ppm/℃,使用公式3计算的阻值变化为4μΩ,4μΩ似乎不是一个很大的变化,但可比较阻值变化与总阻值的比例,流过电阻器的50A电流时,额定阻值变化0.5%,从而导致0.5%电流测量误差

由图1可知,电阻器发热而导致的电流测量误差。越小的封装越容易发热,而且,越小的封装能容许发热功率也越低。在保持较小封装的情况下,想要增加电阻的额定功率,可以选用较宽封装。例如,0406封装的热阻大约等于1206封装的热阻。

图1。由电阻器自热造成的电流测量误差曲线
图1。由电阻器自热造成的电流测量误差曲线

实际应用中,我们常常难以买到参数合适的分流电阻器,往往要么是分流电阻器的阻值不存在,要么是分流电阻器的额定功率太低,为了解决该问题,可以使用并联两个或更多分流电阻器的方法来测量电流。

电感直流电阻(DCR)

DCR电流采样电路是一种无损的采样电路,其电路板空间也较小。但这种电路需要调试才能准确的采样,其需要在生产时采取额外的步骤来保证电路的准确工作。另外无源元件的容差也会造成电路间测试精度的不同,如电感的温度系数及电容的容差都会增加电流采样的不准确性。总体看来,DCR采样电路适合于粗略的测量电流,其可以满足开关电源中无损电流采样的目的。DCR采样电路常用于低输出电压的应用(在此类应用中,若用电阻器采样,其压降会占输出电压很大的百分比)。低输出电压通常指低于1.5V的输出电压。

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关键字:负载电流  分流电阻器  电感直流阻抗  霍尔传感器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/0918/article_9553.html
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