電流傳感器的中心議題：
- 閉環(huán)電流傳感器結(jié)構(gòu)原理與特征
電流傳感器的解決方案：
- 基于ASIC技術(shù)的閉環(huán)電流傳感器
- LTS-25-NP基本結(jié)構(gòu)
- LTSR系列傳感器應(yīng)用廣泛
摘要:本文主要介紹基于ASIC技術(shù)的閉環(huán)電流傳感器結(jié)構(gòu)原理與特征并對(duì)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及舉例作分析說明。
1、流行的電流隔離測(cè)量的最佳解決方案
由于其創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念,基于ASIC技術(shù)的閉環(huán)電流傳感器，已經(jīng)成為業(yè)界流行的電流隔離測(cè)量的最佳解決方案,并被廣泛的應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器、高頻大電流測(cè)量、UPS及電力電子行業(yè)上,使其成為是與電力電子行業(yè)發(fā)展與用戶的需求同步的產(chǎn)品。值此以LEM公司的新型LTSR產(chǎn)品系列為例對(duì)其基于ASIC技術(shù)的閉環(huán)電流傳感器特征與應(yīng)用作分析介紹。
LTSR產(chǎn)品系列它允許額定測(cè)量電流值為6A的LTSR-6-NP，額定電流值為15A的LTSR-15-NP，額定電流值為25A的LTSR-25-NP.其LTSR中的“R”代表參考端。
LTS25-NP系列產(chǎn)品的目標(biāo)是找到電力電子的領(lǐng)域中隔離測(cè)量的良好方法。由于數(shù)字器件、處理器在電力電子領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，而這些器件都是單端5V供電的，LTSR也是單端5V供電。所以有了LTSR傳感器使我們可以更加貼近電力電子領(lǐng)域。
LTSR可以為周圍的元件提供參考電壓，也可以接受外電壓作為參考電壓，如：DSP，ADC以及許多非常普遍的電子元件。
2、基本結(jié)構(gòu)
LTS-25-NP是一種體積非常小的電流傳感器，為PCB安裝而設(shè)計(jì)。從新技術(shù)到新工藝角度上來說，這種產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)都是一種挑戰(zhàn)。
LTSR系列閉環(huán)電流傳感器是以閉環(huán)原理傳感器的基本結(jié)構(gòu)與原理(見圖1所示)發(fā)展起來的,所以分析LTSR是閉環(huán)原理的傳感器只需以圖1為基本結(jié)構(gòu)與原理作說明就可以了。
LTSR是閉環(huán)原理的傳感器，它基于原、副邊磁場(chǎng)補(bǔ)償原理。這就是說，由于被測(cè)量電流產(chǎn)生的磁通，被傳感器中的HALL(霍爾)元件感應(yīng)到，HALL元件產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，供給副邊線圈，然后在磁芯中產(chǎn)生相反的磁通來補(bǔ)償原邊產(chǎn)生磁通。原邊電流的數(shù)值比例縮小等于線圈中的電流實(shí)際值.其閉環(huán)原理傳感器的基本結(jié)構(gòu)與原理,見圖1所示。
產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想,是依據(jù)下述標(biāo)準(zhǔn),即體積小，5V單端供電傳感器。產(chǎn)品體積小，相應(yīng)的磁材也比較小，這就導(dǎo)致傳感器原邊和副邊之間的距離比較短。這種結(jié)構(gòu)有利于傳感器擁有抗高dv/dt的能力。這種抑制高頻特性dv/dt(見圖2所示曲線2-紫線)非常適合電機(jī)控制應(yīng)用。因?yàn)樵陔姍C(jī)控制中，在電機(jī)三相負(fù)載中由于橋臂的不停的導(dǎo)通關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生高dv/dt(見圖2所示所示曲線1-黃線)。
原邊和副邊之間有高度絕緣能力的電氣元件都可以耦合并隔離電勢(shì)。在高頻率開關(guān)的應(yīng)用環(huán)境，會(huì)有頻率非常高且斜率非常大的尖峰出現(xiàn)(如：原邊電壓的高速變化)，這就導(dǎo)致了不必要的電磁干擾(EMI)。這種情況，在副邊輸出元件上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)干擾信號(hào)。如，一個(gè)10kV/μs的電壓變化通過一個(gè)10pF的耦合電容產(chǎn)生的寄生電流為100mA。對(duì)于LTSR系列，這就是額定輸出電流的8倍。
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注意圖中產(chǎn)生峰值為IPN l5.3%干擾(紫線2)，這主要由于測(cè)試裝置的布線造成的。注意圖中小于800ns的擾動(dòng)延遲，這是可以被濾掉的(重復(fù)建立時(shí)間為1.6μs)，這對(duì)于數(shù)字控制電路進(jìn)行PWM調(diào)制是非常有利的。在這種情況下，一個(gè)小型的濾波器就可以達(dá)到目的，而且不會(huì)削減動(dòng)態(tài)特性。
由此可知,LTS25-NP是應(yīng)用ASIC(專用集成電路)技術(shù)的第一種電流傳感器。其獨(dú)一無二的特征就是把磁場(chǎng)感應(yīng)元件整合在一層，這樣就可以部分的補(bǔ)償HALL晶格由于溫度漂移產(chǎn)生的變化。其基于ASIC技術(shù)的閉環(huán)電流傳感器LTSR系列(現(xiàn)以LTSR25-NP為例)工作原理圖如圖3(a)所示與外形為圖3(b)所示。
3.1具有更好的溫度漂移特性
新一代ASIC技術(shù)基于硅晶技術(shù)，這是與第一代ASIC技術(shù)的產(chǎn)品LTS不同的。這種技術(shù)擁有比第一代更小的溫度漂移特性。這對(duì)于內(nèi)置在傳感器中的控制環(huán)來說是非常重要的因素：漂移越小，控制環(huán)的穩(wěn)定性就越好。
LTS25-NP的溫度范圍是-40℃到+85℃，在這個(gè)范圍內(nèi)，我們能接受的最大的偏置漂移是100ppm/℃。在同樣的溫度范圍，LTSR的結(jié)構(gòu)可以使偏置漂移降低為37.5ppm/℃。
新的ASIC技術(shù)同樣可以改善驅(qū)動(dòng)線圈電流能力，避免輸出電壓跌落到短路檢測(cè)區(qū)域。如：原邊電流是10倍的額定電流，如果參考電壓是2.5V的話，那么輸出電壓不會(huì)下降2V而低于0.5V，從而不會(huì)觸發(fā)短路檢測(cè)。
3.2、LTSR的參考電壓管腳(REF)的兩個(gè)基本的工作模式
LTSR是閉環(huán)傳感器，但是它有附加的參考電壓管腳(REF)。此管腳為ASIC的參考電壓通道，一般設(shè)置為2.5V(見圖3(a)所示)。參考管腳有兩個(gè)基本的工作模式。
第一種模式是參考輸出模式(可參閱圖6所示)，在這種模式下，原邊電流為0A，輸出電壓與參考管腳電壓一致(在輸出和參考點(diǎn)之間有最大±25mV的偏差)。原邊電流改變也不會(huì)導(dǎo)致參考電壓改變。
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第二種模式是參考輸入模式(可參閱圖7所示)，在這種模式下，可以對(duì)此參考管腳提供一個(gè)外部電壓作為參考并驅(qū)動(dòng)內(nèi)部參考。這個(gè)電壓允許值在1.9V到2.7V之間。源極可以吸收或提供源電流(source)最小1mA。這對(duì)于確保外部參考電壓驅(qū)動(dòng)內(nèi)部參考電壓是非常必要的。
當(dāng)溫度為25℃，參考電流Iref等于0的時(shí)候，內(nèi)部的參考電壓等于0。參考電壓與以下條件有關(guān)：
*參考輸出模式，參考電流Iref，是由連接的負(fù)載決定的。為了保證參考點(diǎn)在2.5V±25mV，我們應(yīng)用最小的負(fù)載220kΩ保證Iref，最小。在參考輸出模式，源電流應(yīng)高于-125pA。低于此值將發(fā)生電壓跌落。
*由外部參考(參考輸入模式)提供電流的情況。在參考輸入模式，外部參考源可以吸收或者提供與電壓相匹配的電流，Vref=f(Iref)。(當(dāng)外部參考大于內(nèi)部參考電壓Vref=2.5V±25mV或者外部參考電壓小于內(nèi)部參考電壓Vref)。
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用外部參考模式，傳感器與其他裝置(如：ADC)的互聯(lián)是非常簡單的(可參閱圖7所示)。基于ASIC結(jié)構(gòu)，這種特點(diǎn)會(huì)對(duì)測(cè)量范圍產(chǎn)生一些影響。如：如果參考點(diǎn)為1.9V，反向電流的測(cè)量范圍將會(huì)比提供的少0.6V，正向電流也是這種情況。
3.3、寬廣的頻帶范圍
優(yōu)秀的耦合特性同樣放映到帶寬特性上,見圖4曲線。LTSR的頻帶變化大概為0.3dB。由于器件和Hall件的影響，輸入電流頻率在100kHz的時(shí)候，響應(yīng)頻帶變化會(huì)達(dá)到峰值，直到現(xiàn)在，從100kHz到200kHz，LEM閉環(huán)電流傳感器的頻帶變化為3dB。
3.4、精確的快速響應(yīng)特性
快速功率開關(guān)裝置：IGBT需要非常快速的過流檢測(cè)作為IGBT的保護(hù)。對(duì)于30A/μs速度的變化電流，實(shí)際上副邊輸出不會(huì)對(duì)原邊電流變化有任何延遲。由于原邊電路和補(bǔ)償線圈之間優(yōu)秀的耦合特性，LTSR才會(huì)有如此良好的表現(xiàn)。
3.5、優(yōu)秀的精度及溫度穩(wěn)定性
25℃時(shí)LTSR系列電流傳感器總體精度高于±0.2%。總體精度這個(gè)數(shù)值包括傳感器所有的公差指標(biāo)，如：線性誤差，線圈誤差以及長期穩(wěn)定性。
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大多數(shù)輸出為電流值的閉環(huán)電流傳感器相比，LTSR系列電流傳感器是測(cè)量電阻內(nèi)置的電流傳感器,選擇內(nèi)置電阻的精度為±0.5％以及溫度漂移為最大50ppm/K。
內(nèi)部參考點(diǎn)，有著穩(wěn)定的溫度性，在(-10℃+85℃)最大50ppm/K在(-40℃…-10℃)最大100ppm/K。在大多數(shù)情況下，因?yàn)橛型獠枯o助電路或者數(shù)字處理器控制(參考輸出模式)，參考點(diǎn)的絕對(duì)精度對(duì)于LTSR系列并不是非常重要。(類似的狀況還有在于零點(diǎn)漂移指標(biāo))
雖然由用戶的外部電路提供外部參考電壓，電壓漂移是由處理器控制的。在這種情況下(參考輸入模式)，你能給傳感器提供在1.9到2.7V之間的參考電壓，但是，這個(gè)電壓低于處理器的控制能力，所以電壓偏置叫以被校正，同時(shí)熱量偏移也叫以被校正。
3.51 于LTSR25-NP在-10℃…+85℃的時(shí)候輸出電壓Vout具有最大的溫度穩(wěn)定性
*相對(duì)于Vref,Vout在工作溫度范圍內(nèi)的偏置為37.5ppm/K。
*相對(duì)于0V，Vout在工作溫度下范圍的偏置為87.5ppm/K，在-40℃到—10℃的時(shí)候，為137.5ppm/K。
87.5ppm/k是由于Vout對(duì)于Vref的偏差(37.5ppm/k)加上Vref對(duì)于0V的偏差50ppm/K得到的。
137.5ppm/K是因?yàn)閂ref偏置等于在工作溫度范圍為37．5ppm/K，在-40℃到-10℃時(shí)候，偏置為100ppm/K。
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正如前面解釋的如果控制器可以補(bǔ)償Vref的漂移、偏置以及Vout在Ip=0時(shí)候的初始偏置，這樣你可以提高精度。在工作溫度范圍內(nèi)，提高公差，可以得到更高的精度。
4、主要參數(shù)特性
表1給出了LTSR電流傳感器的一些主要參數(shù)特性。
電源電壓是0到5V，這與許多控制器的供電電壓都是相匹配的。與以前的閉環(huán)電流傳感器對(duì)比，LTSR的測(cè)量范圍可以是額定電流的3倍。這種改善是非常有利于應(yīng)用的。LTSR25-NP系列在額定電流25A的時(shí)候最大的測(cè)量范圍是80A。參考點(diǎn)為2.5V(參考輸入模式和參考輸出模式)，精確為電源軌道電壓的一半。放大器變化的范圍為：0.625V/IPN，這樣在+80A時(shí)輸出電壓為4.5V，在-80A的時(shí)候輸出電壓為0.5V(在參考輸出模式)。電流傳感器符合電力電子領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
5、關(guān)于基于ASIC技術(shù)的閉環(huán)電流傳感器LTSR系列的應(yīng)用
5.1應(yīng)用范圍寬、器件選擇靈活
LTSR系列傳感器，比上一代產(chǎn)品擁有更多的附加拓?fù)涔δ埽谠S多應(yīng)用環(huán)境，傳感器的輸出可以很方便的接入ADC，并將數(shù)據(jù)輸入DSP或其他微控制器。
LTSR設(shè)計(jì)為直接接入5V供電的DSP，但目前部分DSP或ADC供電電源為3.3V。這些3.3V供電芯片的內(nèi)部參考點(diǎn)電壓為1.8V。在這種情況下，可以將DSP的內(nèi)部參考電壓作為傳感器的參考電壓。這種連接方法，可以消除參考溫度漂移。
另外，可以用傳感器內(nèi)部的參考給ADC提供參考電壓。即采用三個(gè)傳感器將參考管腳連接在一起這種應(yīng)用也是可能的，參考點(diǎn)電壓將取三個(gè)內(nèi)部參考電壓的平均值,見圖5的LTSR的參考輸出模式,表示傳感器在參考輸出模式，將一個(gè)參考信號(hào)提供給ADC作為參考信號(hào)的典型應(yīng)用示意圖。
參考輸入模式也可以應(yīng)用此連接方法,見圖6為LTSR參考輸入模式與ADC連接示意圖。論證了應(yīng)用傳感器的參考輸入功能可以被用來同步幾個(gè)傳感器，使參考電壓在同一水平。由于LTSR內(nèi)部末端的負(fù)載47nF電容，可能會(huì)造成外接放大器的電壓上升，所以如圖6中放大器的輸出電阻10Ω是為了避免放大器輸出電壓的上升。
圖7為參考輸出和一個(gè)微分放大器相連，消除輸出偏置。另外，電路零點(diǎn)參考輸出對(duì)于雙端供電處理器的連接也是非常方便的。
5.2、原邊電路的多種輸入方式
LTSR具有三個(gè)U型原邊連接端子和一個(gè)附加原邊穿線圓孔，這給設(shè)計(jì)人員在電流測(cè)量上提供了靈活多樣的多種選擇范圍。圖8示意LTSR內(nèi)部的連接方式。第一種模式：平行連接。這樣可以測(cè)量最大的原邊電流。
第二種模式：串聯(lián)連接。雖然減少測(cè)量范圍，但在小電流測(cè)量時(shí)提高了三倍精度。
第三種模式：微電流測(cè)量。測(cè)量不同的電流I1-I2。I2為孔內(nèi)流過的電流，與印制電路板有一定的間隙距離。電流方向不同，感應(yīng)測(cè)量值也不同。
5.3、應(yīng)用舉例
5.31.變頻器中電氣隔離電流測(cè)量
LTSR典型的應(yīng)用在經(jīng)典變頻器上。由于優(yōu)秀的精度和dv/dt抑制力，LTSR也非常適合伺服驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用。圖9為在變頻器中電氣隔離電流測(cè)量的應(yīng)用示意圖。其優(yōu)勢(shì)在于：優(yōu)秀的線性度，非常適合電機(jī)電流測(cè)量;又具短路保護(hù)的快速響應(yīng)性，能保護(hù)短路和漏電;而良好的溫度穩(wěn)定性，適合精確的可重復(fù)的測(cè)量以及對(duì)于長距離電機(jī)接線的強(qiáng)電容電流變化的抑制能力。
5.32 用電流監(jiān)控和調(diào)節(jié)的應(yīng)用：
*在任何電流需要精確監(jiān)控調(diào)節(jié)的地方，LTSR系列都可以應(yīng)用到。這種應(yīng)用適合交流測(cè)量系統(tǒng)。
*非線性負(fù)載產(chǎn)生包含方波的非正弦波。
LTSR系列傳感器同樣適合這種應(yīng)用，因?yàn)樗梢詼y(cè)量交流或者直流。LTSR同樣可被用在DC裝置，如電源、電池裝置或者直流驅(qū)動(dòng)。
5.33值此需要說明的是LTSR系列與分流器相比有以下優(yōu)點(diǎn)：在高頻大電流測(cè)量中具有更低的能量損失；電氣隔離；更好的EMI特性。
6、結(jié)束語
6.1概括所有的LTSR的優(yōu)點(diǎn)
單端供電0/5V，可測(cè)量正、負(fù)電流；可以輸出內(nèi)部參考電壓Ref輸出模式；外部電源紿傳感器提供參考電壓,即Ref輸入模式；高溫度穩(wěn)定性和微小溫度漂移；多量程測(cè)量概念可以使同樣的傳感器設(shè)備覆蓋更多的原邊電流測(cè)量跨度；低能量損耗；閉環(huán)原理提供優(yōu)秀的線性度，寬廣的頻率范圍，快速的響應(yīng)時(shí)間，寬廣的測(cè)量范圍和測(cè)量高頻電流脈沖的能力；易于安裝；有競爭力的成本控制解決方案。
6.2在應(yīng)用方面
LTSR可以應(yīng)用于小功率電子系統(tǒng)，如：變頻器、工業(yè)加熱驅(qū)動(dòng)裝置，通風(fēng)裝置和空調(diào)裝置等許多工業(yè)應(yīng)用；如：伺服,小型UPS,電源和放大器能量管理系統(tǒng),叉車和常用的電流監(jiān)控。
