電源系統(tǒng)設(shè)計中的基本電流感應(yīng)考慮因素

將電源設(shè)計作為整個系統(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)計的重點轉(zhuǎn)向電源效率之前，通常的做法是在系統(tǒng)設(shè)計完成后簡單地添加電源電路。這種做法在今天根本不適用，因為電源處理必須是電路控制和監(jiān)控的固有部分。

電源處理故障可能會導致間歇性性能問題，這些問題極難重現(xiàn)，尤其是在開發(fā)期間。一旦系統(tǒng)部署到現(xiàn)場，這個問題就會加劇;初始性能問題可能會導致連鎖問題，需要昂貴的故障排除。

近年來，寬帶隙材料已面世，其電子遷移率、溫度和開關(guān)速度性能遠高于硅。這些材料包括氮化鎵 (GaN)，一種非常適合低功耗高速開關(guān)應(yīng)用的壓電半導體，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高于硅基電路的實際水平。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電路縮小，因為您可以使用更小的無源元件(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，因為 GaN 的更高開關(guān)速度使高頻系統(tǒng)(如激光雷達)能夠得到最佳驅(qū)動。

掌握控制權(quán)

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的另一個重要方面是能夠控制電路直至負載點，這一功能是近十年左右出現(xiàn)的。這一趨勢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)動的設(shè)備附近的各個負載點 (PoL) 轉(zhuǎn)換器。這種分體式架構(gòu)可以通過數(shù)字方式控制。

這種數(shù)字控制最初是在 PMBus 協(xié)議下標準化的，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電源設(shè)備都可以遠程尋址、輪詢和控制。這種設(shè)置可以實現(xiàn)精細、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)用中變得越來越重要。例如，DC/DC 開關(guān)應(yīng)用通過快速開關(guān)電流實現(xiàn)高效率。許多控制算法也依賴于實時電流測量。

寬帶隙半導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，而最新的拓撲結(jié)構(gòu)需要最新的保護和控制方法。例如，智能電源技術(shù)需要監(jiān)控設(shè)備，如先進的電流傳感器。這些傳感器雙向測量電流，以保護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/放電時間，這為電流感應(yīng)帶來了更嚴格的要求。磷酸鐵鋰 (LFP) 或鈦酸鋰氧化物 (LTO，有時簡稱為鈦酸鋰) 等高能量密度電池需要庫侖計數(shù)來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)保險絲越來越不能滿足采用寬帶隙半導體的電力系統(tǒng)的高級過流和欠流保護要求。使用保險絲進行電路保護也無法提供電力電子設(shè)備實時性能的任何反饋。為了防止過流并提高安全性，ACEINNA 等 IC 器件響應(yīng)迅速，可處理大電流測量范圍。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)簡化了保護方案。在高端使用 ACEINNA 電流傳感器，還可以檢測到相電流的接地故障(可能是由于接線錯誤、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)勢顯而易見。其中一種設(shè)計使用 Wolfspeed 的 SiC-MOSFET C3M0065090K 作為高頻開關(guān)，使用 IXYS 的 IXFH80N65X2 作為低頻開關(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電流傳感器技術(shù)的比較。

對于傳統(tǒng)的 PFC 設(shè)計，通常將分流電阻連接到放置在接地線中的運算放大器的輸入端以感測電流。但在圖騰柱 PFC 設(shè)計中，沒有接地線，因此無法像在傳統(tǒng) PFC 中那樣添加電流感測分流電阻。這讓設(shè)計人員只能使用其他三種方法來感測電流：電流變壓器 (CT)、帶有運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 可以對通過主電感的電流進行采樣。但是，它只能在交流電下工作。要感測開關(guān)電流，需要三個 CT 來對通過 MOSFET 和整流器的正負周期中的電感電流進行采樣和積分。不幸的是，CT 還存在非線性和溫度滯后問題。

測量電流的另一種方法是將分流器與主電感串聯(lián)。這種方法需要運算放大器、隔離器和獨立電源，隔離器和運算放大器周圍有多個無源元件。復(fù)雜的電路設(shè)計增加了容納 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，由于信號路徑中有一個光隔離器和運算放大器，因此輸出響應(yīng)時間很慢。組合輸出階躍響應(yīng)時間很容易超過 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。這對于 60 Hz PFC 電流來說已經(jīng)足夠了，但較慢的輸出響應(yīng)(與帶寬有關(guān))無法支持快速開關(guān)電流的峰值和過流保護所需的時間范圍。

其次，霍爾效應(yīng)磁電流傳感器模塊相對較大，因為它們包含鐵氧體磁芯。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)計的電流傳感器模塊相對昂貴。

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，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) 來采樣電感電流的圖騰柱設(shè)計。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)時間為 300 納秒。它提供增強隔離，無需額外的隔離電源即可滿足 UL60950 標準。它包括一個可在 IC 上設(shè)置的過流檢測 (OCD) 閾值和一個故障標志引腳排列，用于與 MCU 接口，以在過流時觸發(fā)中斷。

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