借助微型传感器实现电流精准测量

电流传感器已广泛应用于各类应用中，从太阳能逆变器和电力驱动设备、服务器和电信应用、电源和家用电器直至电动车和混合动力车都能看到电流传感器的踪影。由于对能效、更高的能量转换效率、电动交通和智能电网的要求日益增长，对电流传感器的需求也随之增加。在所有此类应用领域中，传感器除了要达到高精度和在产品整个生命周期内确保可靠运行的要求之外，还需达到尺寸小、功耗低、灵活性高及性价比高的要求。全新TLI4970霍尔电流传感器具有创新特性，可满足上述要求。
在不同的测量应用中，除了需要在特定的时刻检测电流以外，还对测量精度(绝对精度以及整个生命周期内的精度)、外部干扰抑制、防修改、量程、功耗、带宽、尺寸及成本等有不同的要求，因此存在测量电流的不同方法。
基于磁场的传感器可分为开环配置型和闭环配置型两种。对于开环传感器，初级电流在环形铁芯中产生磁场，该磁场进而由霍尔传感器转换为测量电压。同时，初级电流产生的磁通量集中在磁路内。对于闭环传感器，初级电流产生的磁通量在次级绕组的帮助下达到平衡，在这一过程中使用了具有相关电子器件的霍尔传感器。由于存在铁芯损耗、饱和与迟滞现象以及长时间漂移，以上两种方法均有局限性。与传统带磁芯的开环和闭环系统相比，TLI4970显著提升了测量精度(图1)。其精度最大为1%(0h)，在产品整个生命周期内为1.6%。


图1：TLI4970在整个温度范围和生命周期内都具有极高的精度—最高为1.0%(0h)，在整个生命周期内最高1.6%。





        
高精度微型电流传感器TLI4970
TLI4970是英飞凌科技公司(Infineon)推出的高精度电流传感器，采用经验证可靠的霍尔效应技术，在初级侧(导电轨)与次级侧(微控制器接口)之间进行电流隔离。无磁通量集中器的“无铁芯”设计(如在开环配置中)可让封装尺寸显著缩小且不存在任何迟滞现象。传感器采用体积极小的SMD封装，所需面积仅为类似芯片的1/4(图2)。此外，差分测量方法对杂散场存在出色的抑制作用。完全数字化传感器使用方便，无需外部校准或额外器件(比如模数转换器、运算放大器或参考电压)。这样可相应简化系统设计，同时减小PCB面积并降低成本。


图2：采用行业内最小封装的TLI4970节省在PCB中所占的空间。

TLI4970传感器采用了差分测量方法，可抑制外部磁场带来的干扰。因此，传感器能够达到仅为25mA的极低的偏移。对于传统的电流测量方法，测量精度始终受环境条件(例如温度)的限制，此外，还存在大量不确定性漂移和老化现象。这些因素会对电流测量精度产生不利影响，因此系统设计需要相应采取预防措施。TLI4970集成了单独的温度和机械应力测量结构，因此不会受到这些不利因素的干扰。运行期间通过分别测量这两个变量，即可始终确保有效补偿—这是长期测量稳定性的基础，因此可确保逆变器和电机的高效、可靠性和高成本效益。
采用TLI4970可在太阳能逆变器、有功率因数校正(PFC)的电源、充电设备和电力驱动设备等应用中测量高达±50A的交流和直流电流。非接触式测量方法不会产生任何额外功耗，使其成为省电设计的理想选择(Rp＜0.6mΩ)。由于该产品集成了杂散场抑制功能，传感器在有外部磁场的情况下仍可保持高度的鲁棒性。
TLI4970除了可精确地测量电流外，还能在功率级提供有效保护。外部短路会导致严重过流。为确保延迟时间尽量短，TLI4970提供单独的信号通道进行防护。传感器仅需1.8μs即可检测到相关故障状况。要对过流阈值进行微调以达到应用要求，系统开发人员可以在传感器中设定电流值和后续滤波功能。
由于TLI4970的电流通路集成于SMT封装中，因此在装运前可以对其进行校准。这样客户根本无需在组装后再进行复杂的校准。
TLI4970是一款首批通过16位SPI接口(13位电流值)提供测量结果的电流传感器。TLI4970集成了差分放大器、滤波器和信号处理功能，支持使用高达600V工作电压和3.6kV测试电压进行电流隔离测量。
        
设计和功能原理
图3为TLI4970的设计原理图，图4为对应的方块图。流经初级侧导电轨的电流产生磁场，该磁场由两个差分霍尔元件测量。霍尔元件与导电轨之间进行了电流隔离。霍尔元件的信号直接由Δ-Σ模数转换器进行数字化处理。通过可编程(0kHz～18kHz)低通滤波器后，信号在数字信号处理器(DSP)中进行处理。


图3：TLI4970设计图—流经初级侧导电轨的电流产生磁场，该磁场由两个差分霍尔元件测量。



图4：TLI4970方块图—OCD信号通路与电流信号通路分开，并采用了可编程毛刺滤波器。

芯片处的温度(T)和机械应力(S)由第二个模数转换器不依赖初级电流进行单独测量和数字化处理。然后，DSP利用温度和应力信息来平衡“原始”电流信号。最后，经过平衡的信号通过接口单元和SPI接口输出。




        
快速过流保护
TLI4970测量通路中的快速过流检测通过OCD(过流检测)引脚实现。OCD信号通路与电流信号通路分开，并采用了可编程毛刺滤波器。还可为OCD输出设置0A至±90A的对称阈值，增量为3A，这样可检测正负过流。毛刺滤波器时间可在150ns～1550ns范围内设定，增量为100ns。
OCD引脚与微控制器逻辑输入端相连，例如可在微控制器中触发中断，根据需要关闭系统，和/或防止系统损坏。借助OCD引脚的漏极开路输出，仅需一个微控制器即可从多个TLI4970传感器读取过流信号。
抗干扰鲁棒性
使用基于霍尔元件的电流传感器时，最大程度降低外部杂散磁场的影响至关重要。TLI4970具有极强的抗外部磁场干扰的能力。在这一点上，外部磁场相对于导电轨的位置起重要作用。如果对应的干扰源垂直于导电轨，由于磁场平行于霍尔元件，基本不存在串扰效应导致的负面影响。如果干扰源垂直于导电轨，由于采用差分测量，这可以确保高抗扰度。串扰仅在干扰源平行于集成导电轨时产生。在此情况下，TLI4970提供了有效的串扰抑制。对于50A电流，测量距离为3mm时串扰效应仅为1mA。




        
节省空间和成本
TLI4970采用极小的SMD封装(PG-TISON-8)，尺寸仅为7mm×7mm×1mm，因此可实现高性价比组装。TLI4970微型封装仅重0.2g。与电平转换电路、滤波器、电流隔离和包括奇偶校验在内的安全通信这些集成式功能结合使用，可显著降低空间要求以及材料成本(BOM)。
广泛的设计支持
TLI4970评估套件可帮助用户轻松完成评估。图形用户界面使在各种系统设置下可对传感器进行轻松编程和快速测试。评估套件包括模拟板(图5)，它可将数字SPI输出信号转换为模拟信号。这可支持开发人员直接使用其现有带模拟接口的系统设计测试TLI4970的性能，同时英飞凌确保模拟板引脚与传统的电流传感器兼容。


图5：使用TLI4970模拟板可轻松、快速地转换至数字电流测量。