常見的控制方案，像電流模式控制和峰值電流限制，在沒有傳統(tǒng)交流電流傳感器提供實(shí)時信息的條件下是不可能實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)師通常使用變壓器、運(yùn)算放大器和無源分立元件來實(shí)現(xiàn)這些傳感器，盡管市場上有許多單芯片解決方案。他們堅(jiān)持使用分立電路設(shè)計(jì)方案有許多原因，包括成本和/或性能，同時也在期待有更好的單芯片交流電流傳感器方案出現(xiàn)。不過迄今為止，他們看到的還只是在已有老技術(shù)上的少量改進(jìn)。
什么因素最重要？
對于一個成本壓力很大的電源系統(tǒng)來說，設(shè)計(jì)師的需求一覽表中首先是成本，所以交流電流傳感器的安裝成本必須具有吸引力(安裝成本指的是傳感器自身成本再加上外圍元器件成本，以及額外的制造成本，比如校準(zhǔn)等)。第二項(xiàng)是通過將電流檢測通道上的功率損耗降到最小來提高效率的低阻值有效串行電阻(ESR)，這在負(fù)載點(diǎn)(POL)調(diào)節(jié)器這類大電流設(shè)備中尤其重要，因?yàn)槊吭黾右粋€毫歐的ESR都會引起高達(dá)1%的效率下降。在成本和效率之外，還要求體積小，這對于安裝到電路板上的電源模塊來說是一個關(guān)鍵要求。其他方面的考慮還包括高精度(可以簡化或省去系統(tǒng)內(nèi)部校準(zhǔn))、足夠高的隔離電壓(在AC/DC轉(zhuǎn)換器中這是一個重要考慮因素)，還有就是用于高頻系統(tǒng)應(yīng)用的寬工作帶寬。
傳感器種類
可用的電流檢測解決方案可以被分為兩大類：即單芯片方案和分立電路方案，如表1所示。
電流傳感放大器通過測量一個小值串聯(lián)電阻上的電壓產(chǎn)生一個代表電流的電壓信號。很顯然，該電阻將產(chǎn)生功耗，并且該功耗隨著電流的增加而增加，而為了限制噪聲，放大器帶寬通常較窄。這些特性使得該技術(shù)最適于小電流直流系統(tǒng)和低頻交流系統(tǒng)，而不適合那些高頻和大電流開關(guān)模式設(shè)備。
霍爾效應(yīng)和磁阻(MR)器件是通過檢測有電流流過的電感器產(chǎn)生的磁場來工作的，因此產(chǎn)生的功耗要低得多。但這些器件的工作帶寬較窄，體積大，成本高，而且輸出信號小，噪聲大，還有偏移和溫度誤差，這些都降低了測量的精度。
顧名思義，電流變壓器(CT)的工作原理是將流經(jīng)初級線圈的電流反映到次級，再在次級通過一個外部負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓。CT已被廣泛接受，因?yàn)樗鼈冃枰耐鈬钌伲ぷ鞣€(wěn)定，提供固有的高隔離度，而且便宜。不過體積較大，功率損耗相對較高，有時還需要額外的電路進(jìn)行磁芯復(fù)位。許多小型CT還是手工繞制的，因而存在機(jī)械完整性問題，例如抽頭間隔一致性差。
低端FET和DCR檢測電路都是檢測電路中已經(jīng)存在的電阻上的電壓，因此實(shí)際上它們自身并不會帶來什么損耗。在DCR檢測方案中，輸出濾波器上的RC電路使得這種組合電路看上去像是電阻。連接到這個“虛擬電阻”上的放大器測量電流的方式與前面所述的串聯(lián)電阻/檢測放大器方案是一樣的。與DCR類似，低端FET檢測方案也是檢測電阻上的電壓，不過是采用低端電阻RDS(ON)作為檢測電阻。雖然這兩種方法都需要較多的通用運(yùn)算放大器和無源器件，但在目前最低成本和最低損耗的系統(tǒng)中仍有使用。這些方案不利的一面是，安裝體積大，有時還需要額外的系統(tǒng)校準(zhǔn)成本來解決高測量誤差-有時誤差高達(dá)±40%。
表1：相關(guān)交流電流傳感器比較一覽表。
面對這些含糊不清的技術(shù)分類，設(shè)計(jì)師必須嚴(yán)格地區(qū)分電流傳感器的好壞，然后選擇能夠達(dá)到目標(biāo)的最佳方案。盡管有足夠多的交流電流檢測解決方案涌現(xiàn)，但許多設(shè)計(jì)還不是最佳方案，需要進(jìn)一步優(yōu)化，至少目前為止是這樣。
絕佳的新方案
圖1所示的單向電流傳感器是一個最佳的、低成本、高效率、體積小的交流電流傳感器，并且還具有許多其他優(yōu)點(diǎn)。
圖1中，傳感器由一個金屬嵌片和封裝在一個小型(4x4x1mm)QFN封裝中的硅裸片組成。嵌片和片上精選線圈一起構(gòu)成一個耦合電感器，因此流經(jīng)嵌片的交流電流感應(yīng)出的電壓等于電流的一階導(dǎo)數(shù)(即v=Lm di/dt)。然后片上的信號處理電路執(zhí)行一個有限積分運(yùn)算，產(chǎn)生一個與流經(jīng)嵌片的電流成正比的實(shí)時信號。該信號再經(jīng)過片上的溫度補(bǔ)償器和增益級電路進(jìn)一步調(diào)整。最后的結(jié)果是一個滿刻度為2V、噪聲非常低的溫補(bǔ)電流信號。
