從理論上講,電流檢測電路的設計通常是將一個電阻與待感測電流串聯,然後對其兩端所產生的IR電壓進行測量而得出。這項工作看似簡單容易,但是在實踐中有時會有許多複雜的因素結合在一起,而使之變得更加引人入勝。

例如,為了最大程度地降低電流採樣電阻的效率和功率損耗,其電阻通常限制為mΩ級,所得IR電壓為mV級,並且所產生的小訊號可能會持續存在,需要從帶有數十V(有時為數百V)的電源軌的共模當中擷取出來,並且有大雜訊分量存在。這些設計挑戰在許多創新拓撲和專用元件的開發中都有所反映(僅後者就有52種是來自ADI!)。

這篇設計實例從另一個角度解決了這個經典問題。它僅使用通用元件,就可以實現與任一極性的直流源,以及交流源相容的光隔離(因此具有抗共模能力)電流檢測拓撲。所得到的電路可以稱為通用電流感測器,由於其任何元件的成本都不超過1美元,它也很便宜,其工作方式如下(圖1)。

20200311TA31P1 圖1 光隔離雙極性電流檢測原理圖。

參考該原理圖,分流電阻器Rs填補了通常的電流採樣電阻的作用,在此示例中,當Rs = 5mΩ時,可將測量滿量程因數設置為Is = 0.1/Rs = 20A。但是,透過選擇合適的電阻,幾乎可以選擇任何滿量程電流。由Rs產生的電壓Vs可以根據以下經典二極體方程式的變形(從製造商的資料手冊I/V曲線圖表得出)透過光耦合器O1和O2的串聯LED採樣得到:

IF(Amps) = e(V-1.45)/0.065)

LED儘管具有出色的發光能力,但在骨子裡仍然只是二極體,而且只要將IF限制在其最大額定電流的約0.0001~0.1倍之內,其對數/指數功能非常精確有用,同樣有用的對數/指數計算準則也適用於此處同樣使用的1N4001。

O1和O2 LED的背對背串聯連接可以減去並抵消掉二極體方程式中的1.45V固定項,從而使Rb所提供的偏置電流Ib(標稱值為2mA)可以按比例分配:

IF2/IF1 = e(Vs/0.065)

它可以從Vs = 0(零電流)時的1.00變化為Vs = 100mV(20A×0.005Ω)時的e(0.1/0.065) = e(1.54) = 4.66。

請注意,分流的比率與Ib的精準度無關,因此基於比率的電流測量,其精準度在很大程度上不受Ib的影響,因此不受電源電壓變化的影響。還要注意比率計算對電流反轉的回應能力:

例如,在Vs = -100mV時,IF2/IF1 = e(Vs/0.065) = e(-1.54) = 1/4.66 = 0.215

儘管這些數位會隨溫度的變化而變化,但只要LED的溫度在它們共用的封裝中相互追蹤,就與LED的溫度無關。此外,由於每個LTV-844發射器實際上都包括一對相同的反並聯連接LED,因此所加電壓的反轉只會使發射從這對LED中的一個切換到另一個,從而使電流檢測功能受到影響,這樣就提供了前面所提到的雙極性和交流功能。

然後,O1/O2 LED發射與IF2/IF1比率成正比,從而使得一對光電電晶體集電極電流(IF = 1mA時,CTR約為80%)的比率類似。這對電流輸入到D1和D2,就可根據1N4001版本的二極體方程生成正向電壓:

V1N4001 = 0.91 + 0.051 loge(IF)

差分V1N4001求和的結果為:

A1的輸出 = Vd2 - Vd1 = ((-(0.91 + 0.051 loge(IF1))-(-(0.91+ 0.051 loge(IF2))) = 0.051 loge(IF1/IF2)

然後,這個訊號會從D3、D4和A2從參考光耦O3和O4所取(透過回饋放大器A3控制)相同的對數比率計算中減去。最終結果是,在使A2的輸出為零時,A3為O3/O4內在計算出了驅動訊號,這個訊號對O1/O2處的電流檢測訊號實現了精確、線性的鏡像。這個訊號透過A4放大,成為最終的電流檢測輸出,並且帶有一個可選的Cavg積分電容,可以對檢測交流所產生的全波整流波形進行濾波。沒有Cavg,感測器的頻寬大約為50kHz。使用Cavg時,在60Hz時對於<1%的波紋大約為0.8Hz(RC = 200ms)。

輸出訊號的極性反映了電流是從IN向前流到OUT埠(正),還是從OUT向IN反向流動(負)。這在電池狀態監視方面很有用,在這種情況下,輸出訊號的簡單積分可反映電池淨放電與充電的關係。

零(偏移)和校準(增益)微調器可以對主動元件的生產差異提供調節和校正。二極體方程式對溫度敏感的最佳消除方法是將對數比率計算二極體D1-D4安裝在接近位置並且共用相同的O1-O4光耦封裝,從而使熱量接近。由於D1-D4類比運算唯一真正重要的特性是其符號,這也可以簡化。

最終的電流感測器價格便宜、用途廣泛並且堅固耐用,能夠消除超過20倍滿量程的電流瞬變(Rs熱容量是限制因素)和大的共模差別(LTV-844的額定電壓為5kV!)。

(參考原文: Diodes derive logarithms and exponentials to optically sense AC/DC current,by Stephen Woodward)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年3月號雜誌