電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本電流感應(yīng)考慮因素

將電源設(shè)計(jì)作為整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的后續(xù)考慮這一歷史思維模式正在發(fā)生改變。在電子設(shè)計(jì)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向電源效率之前，通常的做法是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后簡(jiǎn)單地添加電源電路。這種做法在今天根本不適用，因?yàn)殡娫刺幚肀仨毷请娐房刂坪捅O(jiān)控的固有部分。

電源處理故障可能會(huì)導(dǎo)致間歇性性能問(wèn)題，這些問(wèn)題極難重現(xiàn)，尤其是在開(kāi)發(fā)期間。一旦系統(tǒng)部署到現(xiàn)場(chǎng)，這個(gè)問(wèn)題就會(huì)加劇;初始性能問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致連鎖問(wèn)題，需要昂貴的故障排除。

近年來(lái)，寬帶隙材料已面世，其電子遷移率、溫度和開(kāi)關(guān)速度性能遠(yuǎn)高于硅。這些材料包括氮化鎵 (GaN)，一種非常適合低功耗高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用的壓電半導(dǎo)體，以及碳化硅，其殘余物作為莫桑石“人造鉆石”出售給珠寶行業(yè)，可處理的功率和熱量水平遠(yuǎn)高于硅基電路的實(shí)際水平。硅仍然是微控制器和其他邏輯設(shè)備的首選材料，但它作為功率半導(dǎo)體的日子已經(jīng)屈指可數(shù)了。

能夠以更高的效率處理更高的功率水平已經(jīng)改變了游戲規(guī)則。然而，高速切換的能力也使整個(gè)電路縮小，因?yàn)槟梢允褂酶〉臒o(wú)源元件(如電容器和電感器)，從而減少使用的電路板空間和重量。這不僅僅是節(jié)省空間，因?yàn)?GaN 的更高開(kāi)關(guān)速度使高頻系統(tǒng)(如激光雷達(dá))能夠得到最佳驅(qū)動(dòng)。

掌握控制權(quán)

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的另一個(gè)重要方面是能夠控制電路直至負(fù)載點(diǎn)，這一功能是近十年左右出現(xiàn)的。這一趨勢(shì)源于最初采用分布式電源架構(gòu)，其中電路板上的總線轉(zhuǎn)換器將電力發(fā)送到位于要驅(qū)動(dòng)的設(shè)備附近的各個(gè)負(fù)載點(diǎn) (PoL) 轉(zhuǎn)換器。這種分體式架構(gòu)可以通過(guò)數(shù)字方式控制。

這種數(shù)字控制最初是在 PMBus 協(xié)議下標(biāo)準(zhǔn)化的，盡管還有其他專有控制方法可用。關(guān)鍵在于電路板上的每個(gè)電源設(shè)備都可以遠(yuǎn)程尋址、輪詢和控制。這種設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)、優(yōu)化和高效的電路板電源管理。輪詢功能提供了一種獲取重要方面數(shù)據(jù)的方法，例如整個(gè)電路的熱圖。

數(shù)字電源管理是物聯(lián)網(wǎng)的核心;控制任何電子系統(tǒng)也需要控制電源。在這種情況下，電流傳感器在電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中變得越來(lái)越重要。例如，DC/DC 開(kāi)關(guān)應(yīng)用通過(guò)快速開(kāi)關(guān)電流實(shí)現(xiàn)高效率。許多控制算法也依賴于實(shí)時(shí)電流測(cè)量。

寬帶隙半導(dǎo)體性能的提高促使電路板上的其他元件也提高性能以匹配性能，而最新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要最新的保護(hù)和控制方法。例如，智能電源技術(shù)需要監(jiān)控設(shè)備，如先進(jìn)的電流傳感器。這些傳感器雙向測(cè)量電流，以保護(hù)電路和電池免受濫用并優(yōu)化性能。

現(xiàn)代電子產(chǎn)品具有高能量密度和更快的電池充電/放電時(shí)間，這為電流感應(yīng)帶來(lái)了更嚴(yán)格的要求。磷酸鐵鋰 (LFP) 或鈦酸鋰氧化物 (LTO，有時(shí)簡(jiǎn)稱為鈦酸鋰) 等高能量密度電池需要庫(kù)侖計(jì)數(shù)來(lái)確定電池的充電狀態(tài) (SoC)、健康狀態(tài) (SoH) 和功能狀態(tài) (SoF)。

傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲越來(lái)越不能滿足采用寬帶隙半導(dǎo)體的電力系統(tǒng)的高級(jí)過(guò)流和欠流保護(hù)要求。使用保險(xiǎn)絲進(jìn)行電路保護(hù)也無(wú)法提供電力電子設(shè)備實(shí)時(shí)性能的任何反饋。為了防止過(guò)流并提高安全性，ACEINNA 等 IC 器件響應(yīng)迅速，可處理大電流測(cè)量范圍。隔離器件可以在電源電路的高端和低端工作，與分流加放大器方法相比，它們的集成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了保護(hù)方案。在高端使用 ACEINNA 電流傳感器，還可以檢測(cè)到相電流的接地故障(可能是由于接線錯(cuò)誤、老化等造成的)。

這是典型的圖騰柱 PFC 示意圖，顯示了基于霍爾效應(yīng)或 AMR 感應(yīng)的磁傳感器模塊的位置。

在圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 電路的具體示例中，隔離電流傳感器(例如 ACEINNA 的傳感器)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。其中一種設(shè)計(jì)使用 Wolfspeed 的 SiC-MOSFET C3M0065090K 作為高頻開(kāi)關(guān)，使用 IXYS 的 IXFH80N65X2 作為低頻開(kāi)關(guān)。SiC-MOSFET 提供所需的擊穿電壓，并可顯著降低反向恢復(fù)損耗，因此圖騰柱 PFC 可以在 CCM(連續(xù)導(dǎo)通模式)下工作以支持更高的功率。

基于 ARM 的電流傳感器與其他常見(jiàn)電流傳感器技術(shù)的比較。

對(duì)于傳統(tǒng)的 PFC 設(shè)計(jì)，通常將分流電阻連接到放置在接地線中的運(yùn)算放大器的輸入端以感測(cè)電流。但在圖騰柱 PFC 設(shè)計(jì)中，沒(méi)有接地線，因此無(wú)法像在傳統(tǒng) PFC 中那樣添加電流感測(cè)分流電阻。這讓設(shè)計(jì)人員只能使用其他三種方法來(lái)感測(cè)電流：電流變壓器 (CT)、帶有運(yùn)算放大器和隔離器的分流電阻以及磁性電流傳感器模塊或 IC。

CT 可以對(duì)通過(guò)主電感的電流進(jìn)行采樣。但是，它只能在交流電下工作。要感測(cè)開(kāi)關(guān)電流，需要三個(gè) CT 來(lái)對(duì)通過(guò) MOSFET 和整流器的正負(fù)周期中的電感電流進(jìn)行采樣和積分。不幸的是，CT 還存在非線性和溫度滯后問(wèn)題。

測(cè)量電流的另一種方法是將分流器與主電感串聯(lián)。這種方法需要運(yùn)算放大器、隔離器和獨(dú)立電源，隔離器和運(yùn)算放大器周圍有多個(gè)無(wú)源元件。復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)增加了容納 PFC 所需的空間。此外，使用更高電流的應(yīng)用必須使用精確的低值電阻器來(lái)最大限度地降低功耗，而這些電阻器可能很昂貴。此外，由于信號(hào)路徑中有一個(gè)光隔離器和運(yùn)算放大器，因此輸出響應(yīng)時(shí)間很慢。組合輸出階躍響應(yīng)時(shí)間很容易超過(guò) 1 μs。

另一種廣泛使用的電流感應(yīng)方法是隔離磁電流傳感器模塊或包含霍爾效應(yīng)或 AMR(各向異性磁阻)磁場(chǎng)傳感器的 IC。這些磁電流傳感器提供所需的隔離，不需要單獨(dú)的隔離電源。然而，磁電流傳感器面臨兩大挑戰(zhàn)。

首先，傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)傳感器模塊或 IC 通常最多具有約 120 kHz 的帶寬。這對(duì)于 60 Hz PFC 電流來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，但較慢的輸出響應(yīng)(與帶寬有關(guān))無(wú)法支持快速開(kāi)關(guān)電流的峰值和過(guò)流保護(hù)所需的時(shí)間范圍。

其次，霍爾效應(yīng)磁電流傳感器模塊相對(duì)較大，因?yàn)樗鼈儼F氧體磁芯。電流傳感器模塊的尺寸增加了所需的空間，從而降低了 PFC 的功率密度。此外，具有足夠帶寬和精度的圖騰柱設(shè)計(jì)的電流傳感器模塊相對(duì)昂貴。

ACEINNA 的 ±65-A MCx1101 是業(yè)界最精確、帶寬最高的電流傳感器。這款高精度、基于 AMR 的電流傳感器專為寬帶隙應(yīng)用而設(shè)計(jì)，提供 3.3 和 5-V 版本，是各種下一代電源系統(tǒng)和應(yīng)用的候選產(chǎn)品。

現(xiàn)在考慮采用 ACEINNA 的高精度 4.8 kV 隔離 AMR 電流傳感器 IC (MCA1101-50-5) 來(lái)采樣電感電流的圖騰柱設(shè)計(jì)。這款 ±50-A 傳感器 IC 的典型精度為 0.6%，帶寬為 1.5 MHz，輸出響應(yīng)時(shí)間為 300 納秒。它提供增強(qiáng)隔離，無(wú)需額外的隔離電源即可滿足 UL60950 標(biāo)準(zhǔn)。它包括一個(gè)可在 IC 上設(shè)置的過(guò)流檢測(cè) (OCD) 閾值和一個(gè)故障標(biāo)志引腳排列，用于與 MCU 接口，以在過(guò)流時(shí)觸發(fā)中斷。

MCA1101 為圖騰柱 PFC 應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括高溫度精度、高帶寬、快速響應(yīng)、使用單電源、增強(qiáng)隔離、可編程 OCD 電壓和故障引腳，用于向 MCU 提供電流信息。