电流测量的原理和产品

在电路设计中电流测量应用十分普遍，主要领域分为3大类：测量中，电表会用来进行电流的测量；保护中，电流往往与功率形成直接的关系，如果电流过大代表系统中有短路情况出现而需要保护，因此用到电流测量；控制中，如马达控制、电池充放电等都需要电流测量。

　　测量电流的方法一般分成直接式和非直接式两种。直接式一般通过电阻进行，根据欧姆定律电流的大小和电压成正比，因此可以通过测量一个小电阻的电压差得到所经过电流的大小。非直接式测量一般通过监控电流产生的磁场得到，由于电流周围本身会产生磁场，电流的大小和磁场成正比，因此可以通过测量磁场的大小得到经过电流的大小。直接式用于测量相对较小的电流以及电压不高的情况，非直接式不带有任何导电关系，因此可用于测量相对较大的电流以及相对较高的电压。

　　非直接式电流测量

　　非直接式电流测量比较常用的是霍尔传感器，通过霍尔现象测出电流的大小，输出为模拟输出；另外一种新的技术是利用VAC传感器，它是德国Vacuumschmelze公司开发的较新的电流传感器，与霍尔传感器不同之处是TI与VAC有一款专门的配套传感器芯片DRV401，其系统框图如图1所示，输出电流通过DRV401和积分滤波器产生一定的电流源作为反馈达到磁平衡，利用闭环控制保证整个铁氧体不受饱和影响，从而保证输出的精度能够提高。

　　直接式电流测量

　　直接式电流测量手段分为两类：模拟输出和数字输出。

　　模拟输出直接电流测量

　　模拟输出分为低压（Low Side）和高压（High Side），数字输出可分为隔离式和非隔离式。低压是指用低压电流传感器进行电流测量，高压即用高压电流传感器进行电流测量。

　　直接式电流测量用小电阻电流传感器，这一电阻有较高精度与温漂特性的要求。绝对值改变可以通过后面的简单补偿实现，但是温度漂移却不可以预测，因此补偿相对比较困难。对于电流传感器而言，温漂特性是最主要的。如：1个电阻R=1mΩ，精度为%26#177;1%，TCR=%26#177;200ppm/℃，输出电流I=33A，输出功率P=1W。当最大电流为45A时输出功率为2W，这种情况下温度会有所改变。假设温度漂移是75℃，如果TCR=20ppm/℃，输出精度改变为TCR=（75℃）%26#215;（20ppm/℃）%26#215;（0.0001%/ppm）=0.15%；如果是普通电阻，温漂特性达800ppm/℃，则有TCR=（75℃）%26#215;（800ppm/℃）%26#215;（0.0001%/ppm）=6%。根据系统精度要求不同，可以选择不同温漂特性的电流传感器。

　　由于通过电阻之后输出为电压信号，该信号往往比较小，需用放大器放大。图2中列出了几个放大器的基本特性，假设使用OPA350，其温漂特性为%26#177;4。

　　如果以同样的75℃温漂加上本身的偏置电压误差，计算出800μV的误差幅度，相比于45mV，其误差为1.8%。

　　如果电阻本身20个ppm温漂、误差0.15%，放大器的误差远远大于电流传感器的误差，因此不能接收，如OPA335和OPA333误差大幅度减小到0.02%和0.03%误差范围，相对而言，主要的误差来源在于电阻而不是放大器，因此配套电路必须选择本身误差幅度小于传感器的误差幅度。如果选择OPA335，电阻本身的温度误差远远大于放大器本身的输出误差，从而可以保证系统精度能有所提高；如果选择温度性能更高的电阻，则可以保证电路能准确放大输出信号。

　　此外还有其它不同的误差源，如焊点、PCB迹线、连接器等的寄生特性导致的误差也会影响系统精度。使用差分输入方式可以提高系统的整体精度，排除寄生特性对电路的影响。然而这种精度的提高必须要保证所用电阻的匹配，如果单纯选择分立器件很难保证电阻的匹配性，因此要把所有电阻集成到一个芯片中。如INA132集成了四个电阻，既保证了电阻之间的匹配性，又保证了温漂特性一致。此外还可以选择仪表放大器产品，直接把信号放大，如INA326。

　　以上讨论了电流传感器高压和低压的差别，即利用仪表放大器在低压端测量电流，利用差分放大器内在分压的形式可以做高压端的电流测量。

　　差分输入中会用到共模电压，其定义是正负输入端加起来除以2。如果差分电路电流通过电阻流向地则整个共模电压是正，反之如果电流从地流进差分电路，则共模电压为负。

　　图4中列出了TI公司用于电流测量的一些产品，可以看到不同的共模电压范围。表中列出了高端和低端最高最低电压承受范围，最高可达75V，如果是单电源供电INA326，则只能达到5V。

此外，TI公司具有INA168/9以及INA138/9产品，可以用外部电阻控制其增益。INA19X系列的共模范围非常宽，使用较为方便，由于内部带有缓