使用非比例式磁性电流传感器进行精密电流感应设计

电子控制系统使用本地或远程传感器元件监控工作参数,从而进行环路控制、诊断和系统反馈。这种信息的质量和准确性是系统性能和控制功能的关键限制因素。 在过去,许多电子产品都无法很好地控制传感器电源电压和电压基准,因此使用比例式方法来减少由于参数波动导致的误差。随着现代系统对模数转换器 (ADC) 等信号链元件电压基准的严格控制,TMCS1100 磁性电流传感器等非比例式传感器提高了噪声抗扰度、精度和设计 灵活性。

电流传感器的线性传递函数如 公式 1 所示,其中灵敏度 (S) 和零电流输出电压分别表示增益和失调电压。

在完全比例式器件中,灵敏度和失调电压都随电源电压 的变化而变化,因此,满量程输入电流总会产生零电压 输出或电源电压输出,如 图 1 所示。

图 1. 完全比例式电流传感器响应

对于非比例式电流传感器,给定输入电流变化导致的电压输出变化与电源电压无关,而且零电流输出电压始终是固定电压,如图 2 所示。

图 2. 非比例式电流传感器响应

如果常见传感器的电源与 ADC 基准在运行过程中与预期差异较大,则该系统为比例系统,如图 3 所示。比例 式结构通过调整传感器输出范围,减少了由变化的 ADC 满量程基准导致的一些误差。然而,按比例调整并不是万全之策,它会向系统中引入一些其他误差。必须在有限电源电压范围内进行微调才能实现高精度,由于传感 器输出范围必须完全匹配 ADC 输入范围,设计灵活性 会有所降低。另外,电源噪声会直接注入到输出信号, 进而导致不良的电源抑制 (PSR)。

图 3. 适用于不易调节电源的比例传感器架构

对于具有稳定 ADC 基准的系统,无论是专用的内部电源还是外部基准,比例式方法都只会引入其他误差和噪声。在这种情况下,例如在图 4 所示的架构中,具有固定灵敏度的电流传感器提供了出色的解决方案。凭借固定的灵敏度,该器件具有显著的 PSR 作用,甚至电源电压与 ADC 满量程电压不同。集成式微控制器 ADC 通常就是这种情况。它还能优化灵敏度固定的内部电路, 进而提高总精度并降低漂移。

图 4. 适用于精密信号链的非比例式架构

TMCS1100 和 TMCS1101 是具有固定灵敏度的精密、 隔离式磁性电流传感器。TMCS1100 具有由外部供电、设置零电流输出电压的基准引脚，既能自定义动态测量范围，又能向 ADC 传输全差分信号链，如图 5 所示。 此架构连同灵敏度固定的精密信号链实现了业界领先的温度稳定性，而且在 –40°C 至 125°C 范围内的精度大于 1%。

电流传感器常用于电力系统中，其中，传感器通常靠近电源开关元件，远离 ADC 和控制器。这导致开关噪声和瞬态事件与模拟电源和信号直接耦合。具有外部基准的固定灵敏度传感器能使系统抑制上述两种噪声路径。 改进的 PSR 通过模拟电源和外部基准抑制噪声注入， 从而实现伪差分或全差分感应并抑制噪声与输出信号耦合。由于差分测量可防止零电流输出电压产生任何漂移，因此，降低了系统级噪声并提高了动态范围。

图 5. TMCS1100 经优化的信号链

由于可根据任何用例情况定制零电流输出，此架构显著提高了设计灵活性。通过选择适当的基准电压，可实现双向、单向和自定义动态感应范围。由于传感器电源、 基准和 ADC 基准之间无约束，传感器输出在无需调节 的情况下即可跨越电压电源范围。

TMCS1101 具有提供基准的内部电阻分压器，具有 50%/10% 电源电压两种型号，分别适用于双向和单向电流感应。该器件 具有 固定的灵敏度，而且在整个温度范围内的精度大于 1.5%。

表 1. 相关技术手册