當前，智能產品已成為電子系統(tǒng)開發(fā)中的熱門話題，尤其是對于其相關解決方案性能和功能的關注高漲。在激烈競爭及消費者期望雙重重壓下，市場上的產品必須通過現(xiàn)代技術和工藝盡可能地完美展現(xiàn)其功能。
從新型半導體材料到人工智能等先進解決方案，新技術和新方法正在創(chuàng)造新的應用場景，同時也帶動了原有應用的再創(chuàng)新。而所有這些，都是隨著電子產品在各方面集成數(shù)字技術的發(fā)展變遷所驅動的。
圖1：電流傳感器用于調節(jié)和管理各種應用的功率
這種發(fā)展營造了一個創(chuàng)新增長期，當然這也給系統(tǒng)設計師帶來了不少新壓力：他們必須選擇最佳系統(tǒng)設計方案，特別是涉及監(jiān)測電路性能的元素，以確保研發(fā)產品的安全高效、可靠及高性價比。而先進的電流傳感解決方案可以滿足這些需求。
對于消費者和醫(yī)療可穿戴設備而言，先進的個人電子產品以及物聯(lián)網當然是體積越小、功能越強、壽命越長越好。同樣的，工業(yè)和汽車應用也正在突破邊界，以實現(xiàn)更小、更高效、更少的熱挑戰(zhàn)。而這只能借助在任何條件下實時監(jiān)控系統(tǒng)性能來實現(xiàn)。
效率和性能
當談到電子系統(tǒng)時，平衡效率和最佳性能相當重要。不能只注重效率，卻忘記了系統(tǒng)的時效性，它也可能在高難度操作時無法及時按需響應應用程序，從因而失去了性價比。只有實時監(jiān)控電力使用情況，才能在操作過程中對兩者兼顧。
如果你的產品精度不夠，反饋就不好，產品也就會沒有競爭力。電流傳感可以以非接觸式嵌入到智能系統(tǒng)，提供其自我管理所需的關鍵性能信息，因此其不必成為設計中的主要基礎設施元素。
從傳統(tǒng)被動系統(tǒng)到智能化解決方案（智能反饋和控制）的演變，為系統(tǒng)運行帶來了顯著提升與改進。總的來說，電源效率和電機驅動開環(huán)電流傳感精度對于改善全溫范圍內的操作非常有利。隨著工業(yè)4.0不斷發(fā)展及流程的需求，當下新的目標是在高達85°C或105°C的溫度下提高性能。
在先進的太陽能逆變器領域，系統(tǒng)在超高溫度范圍內實現(xiàn)了更高水平的精度。同樣，應用如果要求高精度、極寬動態(tài)范圍，那么他將需要更高的溫度精度，并且可以實現(xiàn)單閉環(huán)電流傳感系統(tǒng)，而不是兩個開環(huán)電流傳感器來跟蹤低電流和高電流。
熱管理問題
電子技術的一個基本原理是電源管理就是熱管理。電源效率和熱性能是相輔相成的，因為從系統(tǒng)中浪費的能量總是以熱量的形式表現(xiàn)。也就是說，如果你能提高效率，你就能降低溫度，你的電子設備就能更好、更可靠地運作。
相反，如果你的電子設備運行不佳，就會產生更多廢熱，從而引起更多的熱管理、可靠性及安全問題。因此，優(yōu)化電源效率和熱管理將顯著提高生產率、成本效益、安全性和可靠性。
我們熟知的逆變器、電機驅動、電源、UPS和外部充電站等，他們必須能經受住溫度考驗，在-40°C至85°C的溫度范圍內正常運行，甚至環(huán)境溫度經常高達105°C。
即使電力系統(tǒng)在逆變器應用中，內部最高溫度相對較低，通常也要其在85°C環(huán)境下運行，至少在不降額的情況下確保適當?shù)牟僮骺臻g。汽車車載充電器的環(huán)境工作溫度要求可高達125°C，而電機驅動器則可高達105°C至150°C，具體取決于其在什么位置。
盡管許多系統(tǒng)使用風扇及其他溫度調節(jié)機制來管理系統(tǒng)熱性能，但對于具有溫度變化快、動態(tài)性能高的系統(tǒng)來說，這可能很困難。此外，外部冷卻設備占用了本可以用作其他設計的空間，消耗了額外的能量，并影響了其自身的高效運行。
對于溫度變化快速的系統(tǒng)，測量系統(tǒng)電流便是預測和管理系統(tǒng)熱性能的高效之法。監(jiān)測管理控制器的有效電流量，可以確定電流強度是否在迅速增加，同時對潛在的災難性故障進行預測，從而保護系統(tǒng)和關鍵組件。
系統(tǒng)性能、系統(tǒng)可靠性或基本安全故障識別，這些情況都急需解決。而電流傳感就是這樣一種存在，通過其檢測潛在的問題，最大限度減少系統(tǒng)停機時間，防止災難性故障發(fā)生。
時機和性能
由于功率因數(shù)校正(PFC)級也是時間導向系統(tǒng)，因此同步和調節(jié)是高等電力系統(tǒng)需要考慮的重要因素。電路的輸出紋波必須經過濾波以避免電流失真，回環(huán)路頻率與系統(tǒng)帶寬有關。
將PFC級視為一個輸送功率的系統(tǒng)，它由控制信號管理，即使系統(tǒng)控制環(huán)路帶寬較低，也會在每個電源開關周期期間測量電流，以獲得逐周期的電流。那么在理想條件下，開關頻率的倍數(shù)高才能有平坦的增益響應，而開關頻率處的相位裕度則要低。低頻可以工作，但在開關頻率下會對增益和相位延遲產生一些影響。
雖然總控制環(huán)路帶寬可能比開關頻率低得多，但電流測量應在開關頻率下進行，以便逐周期控制。大多數(shù)圖騰柱PFC在~65 kHz至150 kHz之間切換，理想情況下需要650 kHz（至少>300 kHz）至1.5 MHz的帶寬。在某些情況下，這種開關頻率在預先設計中被推至300kHz，需要約3 MHz帶寬（至少1.5 MHz帶寬）。
具有高達1000A的大電流的功率轉換，通常使用IGBT和硅Mosfet在低于1khz到20khz的電平上切換。其他電路可以使用寬帶碳化硅(SiC)/氮化鎵(GaN)功率開關切換到大約40-50 kHz, SiC/GaN功率級的進一步發(fā)展可能最終將這種大電流開關移動到100 kHz，需要從500 kHz到1 MHz的帶寬。
具有高達1000A的高電流的功率轉換，其通過使用IGBT和硅MOSFET，在低于1kHz至20kHz的水平上切換。其他電路可以使用寬帶碳化硅（SiC）/氮化鎵（GaN）功率開關切換到大約40-50kHz。并且隨著SiC/GaN功率級的進一步發(fā)展，可能最終將這種大電流切換移動到100kHz，這要求帶寬達到500 kHz至1 MHz。
精度不夠，反饋就不好
為了實現(xiàn)上述級別的性能，就必須使用高精度電流監(jiān)測進行精確測量，而最新的電流傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)解決方案相比具有顯著的性能優(yōu)勢，基于AMR技術的隔離電流傳感器便是其中一個。它可以在單芯片中提供高精度、高帶寬的傳感，在帶寬、輸出階躍響應和精度方面具有一流的性能。
圖2：基于AMR的隔離電流傳感器可以提供高精度、高帶寬的傳感
新納電流傳感器，便是高集成度、基于AMR技術的隔離雙向電流傳感器。新納MCx1101系列產品包括±5A、±20A和±50A等產品，采用SOIC-16封裝，具有低阻抗（±50 A為0.9mΩ）電流路徑，通過UL/IEC/EN認證，適用于隔離應用。與傳統(tǒng)和現(xiàn)有解決方案相比，其提供了更高的直流精度和動態(tài)范圍。例如，±20A產品的典型精度為±0.6%，在85°C時將達到±2.0%（最大值）的精度。
新納電流傳感器可以保證±60 mA或FSR（最大值）的±0.3%的溫度偏移，因此可以在大約10:1的電流范圍內實現(xiàn)高精度，其與基于霍爾傳感器的設備相比，在動態(tài)范圍內有顯著改善。它的特點包括1.5 MHz信號帶寬、低相位延遲、300 ns的快速輸出階躍響應和4.8kV隔離，使其成為快速電流控制回路中電流傳感和高性能電源、逆變器和電機控制應用保護的理想選擇。
結論
最佳動力、運動控制的自動化解決方案研發(fā)任務是艱巨的，除非做好系統(tǒng)設計，否則將導致次優(yōu)性能。選擇適當?shù)慕M件、設備和方法來解決電源、性能和熱管理問題，將極大地確保你的最終電源解決方案以最佳方式提供所需性能，提高效率及成本效益。
[注]
以上內容發(fā)表于海外媒體《Electronics360》，2023年3月3日文章《Next-gen current sensors for smart, high power systems》，作者Michael DiGangi，新納傳感執(zhí)行副總裁
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