使用非比例式磁性電流傳感器進(jìn)行精密電流感應(yīng)設(shè)計(jì)

電子控制系統(tǒng)使用本地或遠(yuǎn)程傳感器元件監(jiān)控工作參數(shù),從而進(jìn)行環(huán)路控制、診斷和系統(tǒng)反饋。這種信息的質(zhì)量和準(zhǔn)確性是系統(tǒng)性能和控制功能的關(guān)鍵限制因素。 在過去,許多電子產(chǎn)品都無法很好地控制傳感器電源電壓和電壓基準(zhǔn),因此使用比例式方法來減少由于參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致的誤差。隨著現(xiàn)代系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 等信號(hào)鏈元件電壓基準(zhǔn)的嚴(yán)格控制,TMCS1100 磁性電流傳感器等非比例式傳感器提高了噪聲抗擾度、精度和設(shè)計(jì) 靈活性。

電流傳感器的線性傳遞函數(shù)如 公式 1 所示,其中靈敏度 (S) 和零電流輸出電壓分別表示增益和失調(diào)電壓。

在完全比例式器件中,靈敏度和失調(diào)電壓都隨電源電壓 的變化而變化,因此,滿量程輸入電流總會(huì)產(chǎn)生零電壓 輸出或電源電壓輸出,如 圖 1 所示。

圖 1. 完全比例式電流傳感器響應(yīng)

對(duì)于非比例式電流傳感器,給定輸入電流變化導(dǎo)致的電壓輸出變化與電源電壓無關(guān),而且零電流輸出電壓始終是固定電壓,如圖 2 所示。

圖 2. 非比例式電流傳感器響應(yīng)

如果常見傳感器的電源與 ADC 基準(zhǔn)在運(yùn)行過程中與預(yù)期差異較大,則該系統(tǒng)為比例系統(tǒng),如圖 3 所示。比例 式結(jié)構(gòu)通過調(diào)整傳感器輸出范圍,減少了由變化的 ADC 滿量程基準(zhǔn)導(dǎo)致的一些誤差。然而,按比例調(diào)整并不是萬全之策,它會(huì)向系統(tǒng)中引入一些其他誤差。必須在有限電源電壓范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)才能實(shí)現(xiàn)高精度,由于傳感 器輸出范圍必須完全匹配 ADC 輸入范圍,設(shè)計(jì)靈活性 會(huì)有所降低。另外,電源噪聲會(huì)直接注入到輸出信號(hào), 進(jìn)而導(dǎo)致不良的電源抑制 (PSR)。

圖 3. 適用于不易調(diào)節(jié)電源的比例傳感器架構(gòu)

對(duì)于具有穩(wěn)定 ADC 基準(zhǔn)的系統(tǒng),無論是專用的內(nèi)部電源還是外部基準(zhǔn),比例式方法都只會(huì)引入其他誤差和噪聲。在這種情況下,例如在圖 4 所示的架構(gòu)中,具有固定靈敏度的電流傳感器提供了出色的解決方案。憑借固定的靈敏度,該器件具有顯著的 PSR 作用,甚至電源電壓與 ADC 滿量程電壓不同。集成式微控制器 ADC 通常就是這種情況。它還能優(yōu)化靈敏度固定的內(nèi)部電路, 進(jìn)而提高總精度并降低漂移。

圖 4. 適用于精密信號(hào)鏈的非比例式架構(gòu)

TMCS1100 和 TMCS1101 是具有固定靈敏度的精密、 隔離式磁性電流傳感器。TMCS1100 具有由外部供電、設(shè)置零電流輸出電壓的基準(zhǔn)引腳，既能自定義動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，又能向 ADC 傳輸全差分信號(hào)鏈，如圖 5 所示。 此架構(gòu)連同靈敏度固定的精密信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的溫度穩(wěn)定性，而且在 –40°C 至 125°C 范圍內(nèi)的精度大于 1%。

電流傳感器常用于電力系統(tǒng)中，其中，傳感器通常靠近電源開關(guān)元件，遠(yuǎn)離 ADC 和控制器。這導(dǎo)致開關(guān)噪聲和瞬態(tài)事件與模擬電源和信號(hào)直接耦合。具有外部基準(zhǔn)的固定靈敏度傳感器能使系統(tǒng)抑制上述兩種噪聲路徑。 改進(jìn)的 PSR 通過模擬電源和外部基準(zhǔn)抑制噪聲注入， 從而實(shí)現(xiàn)偽差分或全差分感應(yīng)并抑制噪聲與輸出信號(hào)耦合。由于差分測(cè)量可防止零電流輸出電壓產(chǎn)生任何漂移，因此，降低了系統(tǒng)級(jí)噪聲并提高了動(dòng)態(tài)范圍。

圖 5. TMCS1100 經(jīng)優(yōu)化的信號(hào)鏈

由于可根據(jù)任何用例情況定制零電流輸出，此架構(gòu)顯著提高了設(shè)計(jì)靈活性。通過選擇適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)電壓，可實(shí)現(xiàn)雙向、單向和自定義動(dòng)態(tài)感應(yīng)范圍。由于傳感器電源、 基準(zhǔn)和 ADC 基準(zhǔn)之間無約束，傳感器輸出在無需調(diào)節(jié) 的情況下即可跨越電壓電源范圍。

TMCS1101 具有提供基準(zhǔn)的內(nèi)部電阻分壓器，具有 50%/10% 電源電壓兩種型號(hào)，分別適用于雙向和單向電流感應(yīng)。該器件 具有 固定的靈敏度，而且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度大于 1.5%。

表 1. 相關(guān)技術(shù)手冊(cè)