怎样选择和应用智能电流检测和监控技术（而不是保险丝）

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怎样选择和应用智能电流检测和监控技术（而不是保险丝） [复制链接]

[tr][td]传统的过流保护设计都涉及添加直插式保险丝。 这些保险丝其实就是电阻器，当过量电流流经它们时，它们会温度升高并熔断，导致开路并中断电流。 但保险丝是一种粗放的解决方案，更换保险丝可能费钱又耗时，位置偏远时尤其如此。
更为精密的解决方案是通过实时监控电流来检测潜在过流情况，并在过流发生之前采取适当预防措施，防患于未然。 本文将探讨构成过流检测系统的基本原理和元器件、故障源、避免方式以及应用实例。
电流监控技术
监控电流可以采用多种方法，具体取决于所测量电流的类型（交流或直流）和大小。
直接测量时，被测电流流经诸如分流电阻器或晶体管之类的测量装置。 此方法不失为一种小型的高精度低成本解决方案，因此，只要情况适用，设计人员通常都偏爱这种方式。
不过很多应用需要间接电流测量，此方法在载流导体和被测设备之间设置电流隔离， 测量与电流有关的参数，例如线圈中电流产生的磁场。
这项技术能够实现高精度，但过于复杂且成本高昂，一般不会考虑用来取代大多数过流应用中的保险丝。 但是，我们将考虑三种采用电流检测电阻器或功率 MOSFET 作为检测元件的直接测量方法。
的确，增加复杂度可能导致 BOM 成本上升，但在有些情况下，电路元件可能是现有的（例如未使用的微控制器容量），那么就能以很小成本实现功能扩展。 而在其他情况下，如果省却了前往偏远地点更换保险丝的麻烦，从总拥有成本 (TCO) 方面考虑，BOM 成本上升是值得的。
使用电流检测电阻器直接测量
最简单的直接测量方法是使用分流（串联）电流检测电阻器来测量电流，其特点是简单和线性化。 根据欧姆定律 V = I x R，电阻器两端电压代表电流幅值。
对于汽车电池管理之类的高电流精密应用，Vishay 提供 WSBS8518L1000JK 等特制分流电阻器，既可作为独立器件，也可集成到模制外壳内 (WSBM8518L1000JK) 以便 pc 板连接（图 1）。

图 1： 最简单的直接测量方法是使用分流（串联）电流检测电阻器来测量电流，例如 Vishay Dale WSBS8515L100JK 分立式精密分流电阻器（上）或其相关外壳（下）。 （图片由 Vishay Dale 提供）
该外壳采用 4 引脚母头插座，与标准 Molex 连接器配接。 电阻可低至 100 μΩ，电感不到 5 nH，电阻温度系数 (TCR) 低于 ±20 ppm/oC。
高压侧和低压侧检测
使用分流电阻器时，您可以将其插入负载和回路之间（低压侧检测）或负载和电源之间（高压侧检测）。 低压侧检测具有简单且成本低的优点，因为分流电阻器以地为基准，并可以使用标准运算放大器进行缓冲。 缺点之一是低压侧传感器无法检测负载低压侧的开路或短路情况。 分流电阻还会增加接地通路中的电阻，这在有些应用中是不可接受的。
高压侧检测不会引入任何接地干扰，但分流电阻器的每侧都有一个共模电压，可能超出标准运算放大器的共模范围或超过其电源电压。
分流电阻器 IC
专为检测过流情况而设计的 IC 有很多种，例如来自 Texas Instruments 的 INA300 电流检测比较器。 INA300 工作电源为 5 V，但可以适应高达 36 V 的共模电压。过流阈值可调节并且可通过数模转换器 (DAC) 或外部电阻器进行设置。 响应时间在 10 μs 和 100 μs 之间。 警报输出引脚或跟随输入状态（透明模式），或在过流状态后锁闭。 在闭锁模式下，系统微控制器清除闭锁以确认收到警报。

图 2： Texas Instruments 的 INA300 通过多种功能针对过流情况提供保护，包括可编程阈值电压和响应时间。 （图片由 Texas Instruments 提供）
虽然任何电流控制应用都可以通过在系统微控制器中比较电流与参考值，从而实现过流检测，但工业电机控制和 DC/DC 转换器等应用可能需要高速过流保护以避免损坏下游元器件。
图 3 显示具有独立高速保护电路的电流控制系统。 Analog Devices 的 AD8211 可放大分流电阻器两端的电压并提供控制回路的反馈信号。 该器件可抑制高达 65 V 的共模电压并提供接地参考的缓冲输出，适用于连接至模数转换器 (ADC)。

图 3： AD8211 和 AD8214 组合在一起形成电流监控和检测系统，可以在不到 100 ns 内响应过流情况。 （图片由 Analog Devices Inc. 提供）
保护功能由另一 Analog Devices 元器件 AD8214 提供。 这是一款响应快速、共模电压高的电流分流比较器，可以在 100 ns 内迅速提供过流检测信号。 AD8214 有内置齐纳稳压器，使其工作电压可高达 65 V。
故障来源
对于低电流应用，可以尽量降低成本并使用标准功率电阻器作为分流器来测量电流，但分流器的容差会直接影响过流检测的精度。 大电阻值可以提高信号幅值，但也会产生较多热量并引致成本增加，因为可能需要增加散热器或其他热量管理方法。
如果分流电阻器要用作控制系统的一部分（如图 3 所示），电压信号将有较大动态范围，因此低容差和低电阻温度系数 (TCR) 的精密电阻器是首选。
基于 Rds(ON) 的电流检测
检测过流情况的另一方法是去除分流电阻器，使用功率 MOSFET 作为检测器件。 图 4 显示 Infineon AUIR3200S MOSFET 驱动器，其中包括短路保护功能。

图 4： AUIR3200S 是集成了过流检测和温度补偿的 MOSFET 驱动器。 （图片由 Infineon Technology 提供）
该器件检测电源 FET 上的压降，这个值是 FET 的负载电流和 RDS(ON) 的函数。 MOSFET 打开时，源 VS 上的电压按下式得出：

VS 是 AUIR3200S 源引脚 (S) 的输入，与基准电压 VDS 进行比较。

IVDS 通过内置电流源设置为 1 mA，以使 RVDS 有效确定 VDS 的值。 VBAT 可能会有不同，特别是在汽车应用中，但不会影响两个电压的比较。
过流时，VS 超出 VDS，这种情况会触发内置比较器并关闭 MOSFET。
为减少错误，应该为 RVDS 选择低容差值。 功率 MOSFET 的 RDS(ON) 值对漏电流相对不敏感，但会随着结温 (TJ) 的升高而升高。 为进行补偿，AUIR3200S 的 IVDS 电流源内设计了正温度系数。 请注意，AUIR3200S 应该尽可能靠近 MOSFET 安装以使两个器件的温度相等。
高电流应用中的直接测量
对于高电流应用，分流电阻器可能因为增加的热量过多而不能应用，特别是在汽车引擎盖模块等高温环境下。 在这些情况下，可以采用均流 MOSFET 解决方案，实现低成本电流测量。
均流 MOSFET 如何工作？ 现代功率 MOSFET 包括数千个相同的并联晶体管单元，以最大限度地降低总导通电阻 (RDS(ON))。 电流检测 MOSFET 使用这些并联单元的一小部分来形成与功率器件隔离的另一个低功耗 MOSFET（也称为 senseFET），它有一个共栅极和漏极，但有一个独立源会被引出后作为 SENSE 引脚。 图 5 所示为等效电路。

图 5： 可用于在高电流应用中进行直接检测的电流检测 MOSFET 等效电路。 （图片由 NXP Semiconductors 提供）
当主功率晶体管打开时，SENSE 引脚输出电流 ISENSE，它与主电流 Iload 成比例：通常比率为 1:500 或 0.2%。
图 6 显示用于电流检测 MOSFET 的典型电路。 一个双运算放大器电路将 ISENSE 转换为系统微控制器的电压输入。

图 6： 均流 MOSFET 到系统微控制器的连接。 （图片由 NXP Semiconductors 提供）
IXYS 的 IXTN660N04T4 便是用于高电流应用的 N 沟道电流检测 FET 的一个实例。 该器件可处理高达 660 A 的漏电流。
电流监控电路的准确度取决于 RSENSE 的容差，但对于保险丝替代应用，5% 到 10% 都足以满足需求。 典型的电流检测 FET 的检测输出有 ±5% 波动，但此性能足以满足过流或短路情况需求。 图 6 中的电流信号 VOUT 实质上是模拟信号，并连接到模数转换器 (ADC) 输入端，但外部电路可轻松修改以生成数字过流信号。
结论
对于过流和短路保护，除保险丝外设计人员有很多选项。 虽然增加复杂度可能会提升 BOM 成本，但从总拥有成本 (TCO) 考虑，成本增加是值得的，并有可能降低产品整个生命周期的总成本。
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陈ZX

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