高可靠性電流檢測電路設(shè)計的關(guān)鍵要點

準(zhǔn)確的電流檢測對于實現(xiàn)控制、確保保護(hù)功能以及提高電源效率至關(guān)重要。這是電動汽車(EV)、能源系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備等各種應(yīng)用領(lǐng)域共同面臨的課題。ROHM解決方案具備高可靠性電流檢測所需的 高精度、高穩(wěn)定性及強(qiáng)抗噪性 。

電力、安全、控制始于電流檢測

在對能源效率、安全性和高可靠性控制的需求日益高漲的背景下，電流檢測在現(xiàn)代電子設(shè)備中的重要性正快速提高。從電動汽車、電池管理系統(tǒng)、可再生能源到工業(yè)自動化領(lǐng)域，準(zhǔn)確的電流檢測在電力管理、故障檢測和系統(tǒng)保護(hù)中均發(fā)揮著核心作用。隨著工作電壓和電流的上升，熱應(yīng)力、電氣噪聲以及材料老化等問題也隨之凸顯，這使得高精度和長期可靠性成為設(shè)計中的重要目標(biāo)。

本文將闡述構(gòu)建高精度電流檢測電路的關(guān)鍵要點。其中將介紹典型的電流檢測方式，探討電阻和放大器選型對精度的影響以及抗噪性能對穩(wěn)定性的重要作用。最后介紹如何將這些設(shè)計原則運用在實際應(yīng)用產(chǎn)品中的實用組件解決方案。

電流檢測方式的種類

檢測電流的方法有多種，但在電路設(shè)計中主要有電阻式和磁式兩種。

在電阻式電流檢測中，電流流經(jīng)分流電阻會產(chǎn)生與電流成正比的微小電壓。將該電壓用運算放大器或?qū)Ｓ秒娏鳈z測放大器(CSA)進(jìn)行放大并測量。該方法成本效益高，設(shè)計靈活性優(yōu)異，在中等級電流范圍內(nèi)能獲得良好的精度。然而，由于分流電阻會產(chǎn)生熱耗，在大電流應(yīng)用場景中其熱管理是需要解決的課題。

圖1：分流電阻可產(chǎn)生與電流成正比的電壓降，并將該電壓放大后反饋至微控制器，從而被用來實現(xiàn)控制和保護(hù)功能。

另一方面，在磁式檢測中，可使用霍爾元件或xMR傳感器來檢測電流產(chǎn)生的磁場。這種方式無功率損耗，可實現(xiàn)非接觸式測量，但易受外部磁噪聲干擾，且電路規(guī)模較大。

圖2：帶磁芯的傳感器是利用磁芯檢測導(dǎo)體周圍的磁場，而無芯型則采用內(nèi)置傳感器通過電路板布線直接測量電流。

在此之外，還有電流傳感器IC等一體化傳感器。這些都采用了將檢測元件和信號處理電路一體化封裝的方式，具有體積小巧、便于安裝的特點，但主要被用于空間受限或特殊應(yīng)用場景。

僅僅1個電阻即可直接影響電路的可靠性

在電阻式電流檢測中，分流電阻是精度的基準(zhǔn)。其細(xì)微的誤差也可能直接影響系統(tǒng)整體的性能，如果選型不當(dāng)可能導(dǎo)致誤檢或漏檢問題。

選型時需考慮的因素：

材料：金屬板型電阻器相較于厚膜型，具有更優(yōu)異的熱循環(huán)耐受能力及更低的溫度系數(shù)，因而能在嚴(yán)苛環(huán)境下展現(xiàn)出出色的可靠性。

安裝和尺寸：小型封裝對機(jī)械應(yīng)力較為敏感，其電阻長度在吸收熱膨脹和減輕焊點疲勞方面發(fā)揮著重要作用。

長期劣化：在車載和工業(yè)應(yīng)用中，對電阻器的耐硫化性能、端子堅固性以及機(jī)械耐久性有著嚴(yán)格要求，這些特性對長期保持精度至關(guān)重要。

“若將分流電阻視為‘只不過是一般的無源元件而已’，則可能使優(yōu)秀的設(shè)計毀于一旦。”

放大器的選型直接影響設(shè)計成果

分流電阻可決定檢測精度，而放大器則可決定電壓處理的精確度與解析能力。運算放大器（Op Amp）的靈活性很高，支持設(shè)定增益、外接濾波器及添加保護(hù)電路。適用于需要微調(diào)的場景或運行條件多變的環(huán)境。

“噪聲干擾不僅會使信號失真，還會擾亂判斷本身。”

而電流檢測放大器（CSA）則內(nèi)置了匹配的增益電阻，波動很小，可顯著提升測量的一致性。另外，具有高輸入阻抗，即使外接濾波器，對增益精度的影響也很小。尤其適用于需要精確放大微小分流電壓的低電流檢測應(yīng)用。

抗擾性：支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性的隱形要素

在逆變器、轉(zhuǎn)換器以及車載ECU等頻繁進(jìn)行開關(guān)的環(huán)境中，外部噪聲干擾可能導(dǎo)致信號失真，進(jìn)而引發(fā)錯誤的過電流檢測。這種誤檢不僅會導(dǎo)致運行中斷和效率下降，嚴(yán)重時甚至可能損害系統(tǒng)的安全性。

要實現(xiàn)高度可靠的控制與保護(hù)，必須確保信號的純凈和穩(wěn)定。要提高抗擾度，需要選用具有出色EMI耐受性的元器件，并實現(xiàn)可在不影響精度的前提下進(jìn)行濾波的電路設(shè)計。通過重視抗擾度，可簡化后續(xù)處理，同時確保微控制器輸入的穩(wěn)定性及故障安全(Fail-safe)功能的可靠運行。

ROHM高可靠性、高穩(wěn)健性的電流檢測電路解決方案

ROHM為電流檢測領(lǐng)域的設(shè)計課題提供各種元器件解決方案。針對電阻、放大器及抗擾度（抗噪性）等各項要素，均擁有豐富的產(chǎn)品群，可提供出色的解決方案。

PSR系列 分流電阻

ROHM’s PSR Series是針對傳統(tǒng)電阻器存在的可靠性問題而研發(fā)的產(chǎn)品。采用金屬板結(jié)構(gòu)，以出色的熱循環(huán)耐受能力和優(yōu)異的抗硫化性能而著稱。

圖3：ROHM PSR系列金屬板分流電阻同時實現(xiàn)了高精度和高耐用性，具有出色的熱穩(wěn)定性、抗硫化特性，并通過了車載及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的AEC-Q200認(rèn)證。

因此，即使在振動、尾氣和高溫等嚴(yán)苛環(huán)境的車載應(yīng)用中，也可長期使用。憑借其穩(wěn)定的特性，可在產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)保持電流檢測“基石”部分的精度。

EMARMOUR? 運算放大器

EMARMOUR? series是ROHM推出的具有超高抗干擾性能的專用運算放大器產(chǎn)品系列。該系列產(chǎn)品融入了ROHM自有的布局設(shè)計、工藝技術(shù)和電路技術(shù)優(yōu)勢，在很寬的頻段范圍實現(xiàn)了出色的抗擾能力。

無需外置濾波器即可保持信號精度，而且符合ISO 11452-2和IEC 62132-4等國際EMI標(biāo)準(zhǔn)。即使直接施加高頻噪聲（RF），輸出波動也非常小，可大大減少外圍元器件數(shù)量。

增益和濾波器的設(shè)置均可靈活應(yīng)對，即使在車載設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等對噪聲敏感的應(yīng)用場景中，也能確保穩(wěn)定運行。

圖4：在該比較圖中，傳統(tǒng)運算放大器容易因噪聲干擾而誤動作，ROHM的EMARMOUR?運算放大器可保持穩(wěn)定且高精度的信號放大功能。

ROHM的電流檢測放大器（CSA）

在要求小型化和高精度的應(yīng)用場景中，ROHM的CSA（電流檢測放大器）通過內(nèi)置高精度增益電阻及采用斬波放大器結(jié)構(gòu)，可簡化電路設(shè)計。從而可減少外置元器件數(shù)量，更大程度地減少布局誤差，即使使用輸入濾波器也可保持高精度。該產(chǎn)品還具備寬輸入電壓范圍和優(yōu)異的線性特性，非常適用于電池管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動、電源電路等對節(jié)省空間和高精度要求高的應(yīng)用場景。

高精度源于精妙設(shè)計

要實現(xiàn)高精度的電流檢測，電路設(shè)計每個環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)把控至關(guān)重要。檢測方式、分流電阻、放大器、噪聲對策——其中任何一項有缺陷，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)整體的性能和安全性下降。

“可靠性并非源于規(guī)格參數(shù)，而是源于所有‘精妙的設(shè)計選擇’的累積?！?/p>