选择合适的磁流传感器

大家好、欢迎观看 TI 高精度实验室磁电流传感器系列视频。

我叫

Madison Nguyen、 是电流检测产品线的产品营销工程师。

在本视频中、我们将讨论我们多种形式的磁性

电流检测器件、它们的各种优势

以及如何为您的应用正确选择合适的传感器。

首先、我们应该首先了解什么是磁传感器、

以及为什么我们要使用的传感器而不是基于分流器的传统解决方案。

让我们从传统分流器解决方案开始。

这种类型的电流传感器利用欧姆定律

来测量通过传统 V 等于 I 乘以 R 公式的电流。

电流流经分流电阻器、

然后该电压提供

给差分放大器、该放大器以

精密增益放大感应电压、输出电压

随后与测量的信号成正比。

并联时、磁性电流传感器测量

电流产生的磁场、以反算观察到的电流幅度。

这可以通过多种方式实现、

但最常见的方法是使用霍尔效应进行计算。

霍尔效应基于霍尔板上产生的小电压、

与电流成正比。

环境传感器也可以利用霍尔效应、

但通常取决于应用中的位置、

并可测量给定距离的外部磁场、而无需直接暴露

在相关电流中。

每种技术都有各自的优缺点。

分流器解决方案对于需要出色精度的应用很有用、

尤其是在尝试测量较低电流

和存在外部磁场且噪声很大的磁性环境时。

磁性电流传感器在电源优化很关键且具有电隔离、

更快响应时间以及通常更小尺寸等

优势的领域表现出色。

由于电流测量不需要通常

较大的外部分流器、

因此它们的电隔离特性在交流

或对称共模应用中也很有用。

因为电流检测放大器通常无法支持宽

或负共模范围。

TI 在封装霍尔效应传感器（例如 TMCS 1123

或 TMCS 1121）中基于不同

技术制造多个磁性电流传感器、

使用集成式霍尔效应元件、并通过设计的引线

框通过器件的封装物理传输所测量的电流、

从而通过电隔离将电流

信息以磁方式传递到霍尔。

效应传感器。磁通门传感器是

基于法拉第感应定律的高度集成式单轴闭环传感器、适用于

高精度测量。

这项技术的一个例子是 DRV 425、

它使用一个内部补偿

线圈来产生一个与当前

外部磁场相反的磁场。

最后、TI的最新系列环境传感器可

用于自由空间或铁磁屏蔽内部、

以测量相邻汇流条的电流。 TMCS 2100 是

一款电隔离式高精度无芯霍尔效应电流传感器、

专为汽车和工业应用中高达 1000 安培的交流或直流监测而设计、

使用专有的差分传感器架构、

可实现低于0.5%的满量程测量误差、

从而减少系统中的磁干扰。

对于大多数板级电源监控和封装、霍尔传感器是首选、

因为它与标准运算放大器具有相同的尺寸。

整体占用空间往往较小、

因为设置器件增益不需要外部

分流器、也不需要外部分流器

来传递电流以进行测量。

这些器件高度集成且易于在任何应用中实施。

通过同步测量的电流由添加到固定内部

基准并输出到器件输出引脚的固定灵敏度放大。

每个器件都从 TI 订购、具有固定的参考点、

用于在器件中设置零放大器点、

从而允许单向或双向操作。

在许多产品中、该基准作为输出、

可在 ADC 中进行伪差分测量、从而实现

更精确的测量。

当电流通过引线框时、

只有磁场从高压侧传输到低压侧、

从而为需要隔离的应用提供隔离。

基本和增强型隔离选项均可用于需要它们的应用、

其封装主体旨在满足爬电距离和间隙需求。

但这些器件的限制是范围。

如前所述、

这些器件会在其功能范围内传递通过它们测得的电流。

这样做的结果是、这些器件通常

限于接近 100 安培或 200 安培的中电流范围。

绝对最大额定值。

这是由于这种限制、

而引线框非常类似于短路。

它仍然具有一些小电阻。

虽然电阻通常比传统分流器小得多、

但该电阻会在器件内部产生热量、

这种热量产生会对器件造成热限制。

这个限值随着电流通过的平面

中使用的铜量的变化而变化。

当然、这要以增加 PCB 成本为代价。

如果专为这些器件设计、磁通门传感器可显著提高灵敏度、

降低漂移、降低噪声和高线性度、

并实现更高的精度。无论被测量磁芯

是器件外部还是

器件内部、都将测量磁芯

内部的柔性、并由器件发出补偿

电流以抵消测得的磁通。

然后测量此补偿所需的电流、以提供

高线性模拟输出。

电压传感器、例如 DRV。 集成磁通门技术

以及所有必要的信号调节功能。

单个封装中的电子

器件通常非常复杂、

需要定制磁芯才能完成设计。

由于这些磁性元件是特定于应用的、

因此通常无法获得

市售内核、并且需要为适用于 DRV

等环境现场器件的器件设计应用特定于应用的内核。

4. 25、为实现最佳性能，需要精确放置，因为磁芯轴对齐

以及传感器位置会对测量产生影响。

通常、这些电流传感器是针对更高的电流而设计的、

一般设计可支持高达

250 安培的电流、而且外部电路能够实现更低的电流、

而低于 100 毫安的电流通常由于磁通

门传感器的外部场和偏移而具有挑战性。

最后、环境霍尔传感器通常用

于电流过大而无法保留在 PCB 上的设计

应用（例如汇流条应用

）、以及需要测量数百安培电流的情况。

与磁通门技术类似、

这些器件可以检测这些电流产生的环境磁场、

而无需与实际电路进行任何物理电接触。

环境磁场传感器可以采用各种选项、

包括霍尔效应或其他磁耦合方式。

但是、电流不会通过器件、

而是依靠空间

信息直接量化磁场测量

值并将该信息转换为电流。

它们提供出色的隔离性能、因为被测电流

不会实际接触器件、

因此可以限制隔离栅交叉的风险、

因为它们不需要物理位于电路中。

另一个优点是它们设计非常灵活、

能够安装在电缆或

汇流条顶部的子卡上、以使其测量更高级的

这些器件版本旨在直接处理

多相系统的复杂领域、从而减少这些系统中的串扰、

并提供一些选项、

例如用于解决振动失真的算法和针对系统级挑战（如涡流）的频率补偿。

总结所有这些不同的技术、

需要做出的第一个决策是我要测量的电流

水平以及应用中需要的精度水平。

对于非常精确的亚毫安级测量、

传统分流器可能是正确的判定霍尔效应。

传感器本身存在噪声、因此在这些类型的应用中会受到限制。

但是、对于需要隔离和低损耗的大电流应用、

它们是理想选择。较大封装的霍尔效应传感器可

满足超过 100A 的应用需求、

而环境传感器应用于电流非常大的用例、

尤其是电流不再局限于印刷电路板的情况。

最后、由于设计、复杂性和定制

资源需求、磁通门传感器通常仅

在应用特别需要时才被选择。

确定所需传感器的载流量后、

下一个应该考虑的因素是电流传感器的隔离需求。

电隔离是器件对系统的两个部分

进行物理和电气隔离的过程、

可防止直流电流和干扰交流电流在它们之间流动。

虽然 IEC 60,664 等隔离标准适用于系统级、但

许多此类要求都适用于元件级、

以帮助实现该标准。

例如、隔离式产品具有不同级别的保护、

包括功能隔离、基本隔离和增强型隔离。

此外、还

必须确保工作电压等标称电压电平对相关测量有效。

此设计将计算爬电距离和间隙要求、

通常会选择采用业界通用尺寸的 IC

封装样式来帮助满足这些需求。

所有这些要求都将有助于缩小

应用所需的器件范围。这些视频的“

隔离等级“一章将深入介绍这些要求。

现在、我们将了解在选择适合您的磁传

感器时需要考虑的关键器件规格。

磁性电流传感器具有广泛的可

用带宽和压摆率、这将限制您

在不显著失真的情况下能够测量的波形的精度。

回想一下、交流波形、

例如与电感器经典相关的三角波。

电流测量不仅由传输的基频组成、

还由谐波组成。

器件的带宽将决定波形可以完全

测量的谐波数量、而没有衰减带宽

之外的谐波将被衰减、

但波形将根据此压摆率损失的电流信息而失真。

响应时间和传播延迟在此处也有一个轴承。

一般而言、这些参数往往会随着带宽

增加而提高性能、

但也应检查这些参数以确保满足

正确测量所需波形所需的必要限制。

接下来、应从器件基准开始

确定传感器的主要属性。

该基准是放大器的固有电压、

用作静态点、或者

在器件处于零放大器状态时

输出电压处于零放大器状态的点。

TI 通常提供四个基准点。

某些器件（例如

TMCS 1100）允许使用外部基准、

并且可以是所需的任何电压。

选择该电压时、设计人员应该回答的主要

问题是单向还是双向测量电流？

如果答案是单向的、则 C 型号是为设计人员

更大限度地提高满量程范围或增加FSR的正确选择。

其他型号提供双向电流测量支持、

通常旨在为各种常见的微电子电压提供 1/2 Vs 选项、

例如用于 5V 应用的 2.5V

和用于 3.3V 功率器件的 1.65V。

磁性电流传感器的灵敏度与

传统放大器的增益相对应、

会因该值从电流到电压的变化而使用此术语。

如果典型放大器的增益属性以伏特 / 伏特为单位、

则磁性电流传感器灵敏度以伏特/安培为单位、

因为器件会直接将安培测量值转换为电压、

而不是放大器的分流器。

除了这种细微的术语差异之外、它们还执行相同的任务、

将电流信号放大到测量中、

在理想情况下、可更大限度地提高放大

器和任何相关下游电路（如 ADC）的 FSR。

一条良好的经验法则是选择一种能够将最大标称电流映射

到 FSR 大约80%的灵

敏度、这样就可以为瞬态电压提供余量、

而不必担心传感器会饱和。

还应检查所用 ADC 的最大 FSR、

以确保放大器的输出不会影响 ADC 输入、

因为这些输出通常对过压事件非常敏感。

最后、对于 TI 霍尔

效应传感器、还可根据应用的精度需求提供性能等级、

其中较低级别的器件可用

于成本敏感型应用。

最后、决定是否需要应用程序来执行

某些任务、例如过流保护。

许多磁传感器都配备

了诊断功能、有助于为系统提供保护选项。

例如、具有

TMCS 1126 和 TMCS 1133

霍尔效应电流传感器的过流比较器可调范围高达总可测量范围的 2.5 倍、

以在发生过流事件时关闭系统。

最后、决定是否需要应用程序来执行

某些任务、例如过流保护。许多磁

传感器都配备了诊断功能、有助于

为系统提供保护选项。

例如、

TMCS 1126 和 TMCS 1133

霍尔效应电流传感器具有附带的过流比较器、

该比较器可调节至总可测量范围的 2.5 倍、

以在发生过流事件时关闭系统。

一些常用于噪声更大的环境的器件具有屏蔽

功能、以帮助防止系统中因系统噪声而导致的误跳闸。

TMCS 1123 等器件附带

一个 ALERT 引脚、用于监控

器件本身的内部结温、并向 MCU 提供 PWM 形式的反馈、

以在传感器本身出现热过载时提醒系统。

利用这些信息、系统可以

在磁感应器件发生永久热损坏之前

采取措施来调节功率或关闭。

最后、我们的一些环境产品具有数字接口、

其中包含诊断寄存器、可通过 I2C 访问这些寄存器

以进行诊断遥测。

谢谢观看。

有关霍尔效应电流传感器的更多信息和视频、请访问。

TI.com。 TMCs。

大家好、欢迎观看 TI 高精度实验室磁电流传感器系列视频。

我叫

Madison Nguyen、 是电流检测产品线的产品营销工程师。

在本视频中、我们将讨论我们多种形式的磁性

电流检测器件、它们的各种优势

以及如何为您的应用正确选择合适的传感器。

首先、我们应该首先了解什么是磁传感器、

以及为什么我们要使用的传感器而不是基于分流器的传统解决方案。

让我们从传统分流器解决方案开始。

这种类型的电流传感器利用欧姆定律

来测量通过传统 V 等于 I 乘以 R 公式的电流。

电流流经分流电阻器、

然后该电压提供

给差分放大器、该放大器以

精密增益放大感应电压、输出电压

随后与测量的信号成正比。

并联时、磁性电流传感器测量

电流产生的磁场、以反算观察到的电流幅度。

这可以通过多种方式实现、

但最常见的方法是使用霍尔效应进行计算。

霍尔效应基于霍尔板上产生的小电压、

与电流成正比。

环境传感器也可以利用霍尔效应、

但通常取决于应用中的位置、

并可测量给定距离的外部磁场、而无需直接暴露

在相关电流中。

每种技术都有各自的优缺点。

分流器解决方案对于需要出色精度的应用很有用、

尤其是在尝试测量较低电流

和存在外部磁场且噪声很大的磁性环境时。

磁性电流传感器在电源优化很关键且具有电隔离、

更快响应时间以及通常更小尺寸等

优势的领域表现出色。

由于电流测量不需要通常

较大的外部分流器、

因此它们的电隔离特性在交流

或对称共模应用中也很有用。

因为电流检测放大器通常无法支持宽

或负共模范围。

TI 在封装霍尔效应传感器（例如 TMCS 1123

或 TMCS 1121）中基于不同

技术制造多个磁性电流传感器、

使用集成式霍尔效应元件、并通过设计的引线

框通过器件的封装物理传输所测量的电流、

从而通过电隔离将电流

信息以磁方式传递到霍尔。

效应传感器。磁通门传感器是

基于法拉第感应定律的高度集成式单轴闭环传感器、适用于

高精度测量。

这项技术的一个例子是 DRV 425、

它使用一个内部补偿

线圈来产生一个与当前

外部磁场相反的磁场。

最后、TI的最新系列环境传感器可

用于自由空间或铁磁屏蔽内部、

以测量相邻汇流条的电流。 TMCS 2100 是

一款电隔离式高精度无芯霍尔效应电流传感器、

专为汽车和工业应用中高达 1000 安培的交流或直流监测而设计、

使用专有的差分传感器架构、

可实现低于0.5%的满量程测量误差、

从而减少系统中的磁干扰。

对于大多数板级电源监控和封装、霍尔传感器是首选、

因为它与标准运算放大器具有相同的尺寸。

整体占用空间往往较小、

因为设置器件增益不需要外部

分流器、也不需要外部分流器

来传递电流以进行测量。

这些器件高度集成且易于在任何应用中实施。

通过同步测量的电流由添加到固定内部

基准并输出到器件输出引脚的固定灵敏度放大。

每个器件都从 TI 订购、具有固定的参考点、

用于在器件中设置零放大器点、

从而允许单向或双向操作。

在许多产品中、该基准作为输出、

可在 ADC 中进行伪差分测量、从而实现

更精确的测量。

当电流通过引线框时、

只有磁场从高压侧传输到低压侧、

从而为需要隔离的应用提供隔离。

基本和增强型隔离选项均可用于需要它们的应用、

其封装主体旨在满足爬电距离和间隙需求。

但这些器件的限制是范围。

如前所述、

这些器件会在其功能范围内传递通过它们测得的电流。

这样做的结果是、这些器件通常

限于接近 100 安培或 200 安培的中电流范围。

绝对最大额定值。

这是由于这种限制、

而引线框非常类似于短路。

它仍然具有一些小电阻。

虽然电阻通常比传统分流器小得多、

但该电阻会在器件内部产生热量、

这种热量产生会对器件造成热限制。

这个限值随着电流通过的平面

中使用的铜量的变化而变化。

当然、这要以增加 PCB 成本为代价。

如果专为这些器件设计、磁通门传感器可显著提高灵敏度、

降低漂移、降低噪声和高线性度、

并实现更高的精度。无论被测量磁芯

是器件外部还是

器件内部、都将测量磁芯

内部的柔性、并由器件发出补偿

电流以抵消测得的磁通。

然后测量此补偿所需的电流、以提供

高线性模拟输出。

电压传感器、例如 DRV。 集成磁通门技术

以及所有必要的信号调节功能。

单个封装中的电子

器件通常非常复杂、

需要定制磁芯才能完成设计。

由于这些磁性元件是特定于应用的、

因此通常无法获得

市售内核、并且需要为适用于 DRV

等环境现场器件的器件设计应用特定于应用的内核。

4. 25、为实现最佳性能，需要精确放置，因为磁芯轴对齐

以及传感器位置会对测量产生影响。

通常、这些电流传感器是针对更高的电流而设计的、

一般设计可支持高达

250 安培的电流、而且外部电路能够实现更低的电流、

而低于 100 毫安的电流通常由于磁通

门传感器的外部场和偏移而具有挑战性。

最后、环境霍尔传感器通常用

于电流过大而无法保留在 PCB 上的设计

应用（例如汇流条应用

）、以及需要测量数百安培电流的情况。

与磁通门技术类似、

这些器件可以检测这些电流产生的环境磁场、

而无需与实际电路进行任何物理电接触。

环境磁场传感器可以采用各种选项、

包括霍尔效应或其他磁耦合方式。

但是、电流不会通过器件、

而是依靠空间

信息直接量化磁场测量

值并将该信息转换为电流。

它们提供出色的隔离性能、因为被测电流

不会实际接触器件、

因此可以限制隔离栅交叉的风险、

因为它们不需要物理位于电路中。

另一个优点是它们设计非常灵活、

能够安装在电缆或

汇流条顶部的子卡上、以使其测量更高级的

这些器件版本旨在直接处理

多相系统的复杂领域、从而减少这些系统中的串扰、

并提供一些选项、

例如用于解决振动失真的算法和针对系统级挑战（如涡流）的频率补偿。

总结所有这些不同的技术、

需要做出的第一个决策是我要测量的电流

水平以及应用中需要的精度水平。

对于非常精确的亚毫安级测量、

传统分流器可能是正确的判定霍尔效应。

传感器本身存在噪声、因此在这些类型的应用中会受到限制。

但是、对于需要隔离和低损耗的大电流应用、

它们是理想选择。较大封装的霍尔效应传感器可

满足超过 100A 的应用需求、

而环境传感器应用于电流非常大的用例、

尤其是电流不再局限于印刷电路板的情况。

最后、由于设计、复杂性和定制

资源需求、磁通门传感器通常仅

在应用特别需要时才被选择。

确定所需传感器的载流量后、

下一个应该考虑的因素是电流传感器的隔离需求。

电隔离是器件对系统的两个部分

进行物理和电气隔离的过程、

可防止直流电流和干扰交流电流在它们之间流动。

虽然 IEC 60,664 等隔离标准适用于系统级、但

许多此类要求都适用于元件级、

以帮助实现该标准。

例如、隔离式产品具有不同级别的保护、

包括功能隔离、基本隔离和增强型隔离。

此外、还

必须确保工作电压等标称电压电平对相关测量有效。

此设计将计算爬电距离和间隙要求、

通常会选择采用业界通用尺寸的 IC

封装样式来帮助满足这些需求。

所有这些要求都将有助于缩小

应用所需的器件范围。这些视频的“

隔离等级“一章将深入介绍这些要求。

现在、我们将了解在选择适合您的磁传

感器时需要考虑的关键器件规格。

磁性电流传感器具有广泛的可

用带宽和压摆率、这将限制您

在不显著失真的情况下能够测量的波形的精度。

回想一下、交流波形、

例如与电感器经典相关的三角波。

电流测量不仅由传输的基频组成、

还由谐波组成。

器件的带宽将决定波形可以完全

测量的谐波数量、而没有衰减带宽

之外的谐波将被衰减、

但波形将根据此压摆率损失的电流信息而失真。

响应时间和传播延迟在此处也有一个轴承。

一般而言、这些参数往往会随着带宽

增加而提高性能、

但也应检查这些参数以确保满足

正确测量所需波形所需的必要限制。

接下来、应从器件基准开始

确定传感器的主要属性。

该基准是放大器的固有电压、

用作静态点、或者

在器件处于零放大器状态时

输出电压处于零放大器状态的点。

TI 通常提供四个基准点。

某些器件（例如

TMCS 1100）允许使用外部基准、

并且可以是所需的任何电压。

选择该电压时、设计人员应该回答的主要

问题是单向还是双向测量电流？

如果答案是单向的、则 C 型号是为设计人员

更大限度地提高满量程范围或增加FSR的正确选择。

其他型号提供双向电流测量支持、

通常旨在为各种常见的微电子电压提供 1/2 Vs 选项、

例如用于 5V 应用的 2.5V

和用于 3.3V 功率器件的 1.65V。

磁性电流传感器的灵敏度与

传统放大器的增益相对应、

会因该值从电流到电压的变化而使用此术语。

如果典型放大器的增益属性以伏特 / 伏特为单位、

则磁性电流传感器灵敏度以伏特/安培为单位、

因为器件会直接将安培测量值转换为电压、

而不是放大器的分流器。

除了这种细微的术语差异之外、它们还执行相同的任务、

将电流信号放大到测量中、

在理想情况下、可更大限度地提高放大

器和任何相关下游电路（如 ADC）的 FSR。

一条良好的经验法则是选择一种能够将最大标称电流映射

到 FSR 大约80%的灵

敏度、这样就可以为瞬态电压提供余量、

而不必担心传感器会饱和。

还应检查所用 ADC 的最大 FSR、

以确保放大器的输出不会影响 ADC 输入、

因为这些输出通常对过压事件非常敏感。

最后、对于 TI 霍尔

效应传感器、还可根据应用的精度需求提供性能等级、

其中较低级别的器件可用

于成本敏感型应用。

最后、决定是否需要应用程序来执行

某些任务、例如过流保护。

许多磁传感器都配备

了诊断功能、有助于为系统提供保护选项。

例如、具有

TMCS 1126 和 TMCS 1133

霍尔效应电流传感器的过流比较器可调范围高达总可测量范围的 2.5 倍、

以在发生过流事件时关闭系统。

最后、决定是否需要应用程序来执行

某些任务、例如过流保护。许多磁

传感器都配备了诊断功能、有助于

为系统提供保护选项。

例如、

TMCS 1126 和 TMCS 1133

霍尔效应电流传感器具有附带的过流比较器、

该比较器可调节至总可测量范围的 2.5 倍、

以在发生过流事件时关闭系统。

一些常用于噪声更大的环境的器件具有屏蔽

功能、以帮助防止系统中因系统噪声而导致的误跳闸。

TMCS 1123 等器件附带

一个 ALERT 引脚、用于监控

器件本身的内部结温、并向 MCU 提供 PWM 形式的反馈、

以在传感器本身出现热过载时提醒系统。

利用这些信息、系统可以

在磁感应器件发生永久热损坏之前

采取措施来调节功率或关闭。

最后、我们的一些环境产品具有数字接口、

其中包含诊断寄存器、可通过 I2C 访问这些寄存器

以进行诊断遥测。

谢谢观看。

有关霍尔效应电流传感器的更多信息和视频、请访问。

TI.com。 TMCs。